三菱公司新款4B 40型发动机的开发
ʌ日ɔ 松田征二 坂井貴行 手島克哉
摘要：三菱公司为新型E C L I P S EC R O S S 运动型多功能汽车(S U V )
开发了1款全新的小型发动机㊂通过应用直接喷射，以及其他降低排放与燃油耗的技术，新款4B 40型发动机实现了驾驶性能与
环保性能的进一步优化㊂
关键词：热力发动机；直接喷射；涡轮增压；颗粒滤清器
0 前言
社会各界对汽车的要求与日俱增，不仅需要满足各国的燃油耗标准和排放法规，同时也应为驾驶人员提供愉悦的驾驶体验㊂由三菱公司推出的全新E -C L I P S EC R O S S 运动型多功能汽车(S U V )，以大扭矩下的高响应性作为技术特点，从而使驾驶人员充分体验到新一代S U V 的驾驶乐趣㊂研究人员
为该车型专
门开发了兼顾出环保性能和优越驾驶性能的1.5L 小型涡轮增压直喷发动机㊂本文就该款4B 40型发动
机及其所采用的主要技术进行了介绍㊂1
发动机概要
图1 4B 40型发动机外观
新款4B 40型发动机(
图1)的主要开发目标及其所采用的技术如下:(1)相比原2.4L 自然吸气发动机，大幅提高了扭矩性能并降低了燃油耗，同时采用了小型涡轮增压系统㊂(2)为克服直接喷射系统存在的排气及噪声-振动-平顺性(N V H )
等问题，采用了进气道喷射的方式㊂(3)为改善涡轮迟滞现象，研究人员为其配备了新一代小型涡轮增压器及电动废气门执行器(W G A )㊂(4
)为了满足欧洲排放法规要求，研究人员为其配备了性能
优越的汽油机颗粒过滤器(G P F
)系统㊂表1为4B 40型发动机性能参数㊂表2为发动机开
发目标及采用的相关技术㊂图2为发动机扭矩特性曲
线对比㊂图3为发动机燃油经济性改善效果示意图㊂
表1 4B 40型发动机技术参数
项目
参数机型4B 40
包头市交警网排量/L
1.499
缸径/m m 75.0行程/m m 84.8
气门机构双顶置凸轮轴(D O H C )㊁16气门
喷射系统
直接喷射(D I )和气道喷射(P I
)涡轮增压器带电动废气门执行器的涡轮增压器
压缩比
10.0
最大扭矩/(N ㊃m )
250(1800~4500r /m i n
)最高功率/k W
120(5500r /m i n
)表2 4B 40型发动机主要应用的技术红旗h9多少钱
主要应用技术
研发目标
大扭矩高响应性燃油耗排放喷射系统
D I
(喷射压力为20M P a )ɿɿɿ兼用P I
ɿɿ增压器小型涡轮增压器ɿɿ电动WG A ɿɿɿ气缸盖
内置排气歧管ɿɿ高滚流进气道ɿɿɿ气门机构
高进气响应可变
气门正时(V V T )ɿɿ
ɿɿ
自然吸气排气门ɿɿ主要运动机
构内置冷却通道活塞
ɿ
ɿ
减排措施
满足欧六d -T E M P 排放法规的G P F
系统
ɿ33
2021 NO.3
汽车与新动力
图2 发动机扭矩特性曲线对比(满足欧六b 排放法规要求
)
图3 4B 40型发动机在固定工况点下的燃油经济性改善效果
2 发动机技术介绍
2.1 兼用P I 方式的D I
系统
图4 4B 40型发动机的喷射系统
4B 40型发动机采用1款结合了P I 方式的D I 系
统(图4)㊂通过D I 系统，可在气缸内形成最佳混合气，研究人员为其选用了具有6个喷孔的多孔喷射器(侧
喷)㊂D I 系统的喷射压力为4~20M P a ㊂兼用P I 方式的D I 系统的喷射模式如图5所示㊂发动机D I 系统最显著的特点是在发动机整个运行工况范围内都使用P I 方式来喷射燃油，而在高负荷工况区域，为实现缸内冷却，则会同时使用D I 方式㊂发动机在低速高负荷领域会使用D I 系统进行2次喷射，通过降低喷雾贯穿距，减少燃烧室壁的燃油附着量，从而达到抑制颗粒物排放的目的
㊂
图5 兼用P I 方式的D I 系统喷射模式
2.1.1 降低排放效果
D I 系统由于采用了高压喷射的方式,
因此在细化喷雾颗粒方面具有显著优势，而在冷态工况及喷油量较多的高负荷工况，燃烧室壁附着的燃油会产生扩散燃烧现象，成为颗粒物生成的主要原因，此时与P I 方式相配合，可以抑制颗粒物的生成㊂
2.1.2 燃油经济性改善效果
D I 系统可直接向缸内喷射高压燃油,
但为此需要较高的喷射压力，从而需要配备驱动喷射泵及高压燃油系统，因此电力消耗会成为燃油经济性恶化的主要原因㊂在低负荷工况领域，仅通过P I 方式进行喷射，可以降低这一损失㊂
2.1.3 降低D I 喷油器容量
在确保整机性能的基础上，研究人员还必须兼顾最大喷油量和最小喷油量㊂因此，采用具有优异的精细喷射控制能力的P I 方式,
可同时扩大整个喷射系统的动态范围，并使其具有最大流量㊂
2.1.4 降低噪声在D I 方式中，为产生较高的燃油压力，需要驱动高压泵，而高压泵及喷油器在工作时都会产生噪声㊂
因此，在低负荷工况区域中，通常仅采用P I 方式,
可有效降低此类工作噪声㊂
2.1.5 清洁进气阀周边效果通过利用P I 方式，可以清洁进气阀和进气道，防止气缸内出现积炭现象，同时确保燃料及润滑油性能
的高度稳定㊂
2.2 改良进气道
雷诺江铃为确保低速工况下的性能,1项重要的工作是缓和增压时的敲缸现象㊂为了改善燃烧过程，研究人员采用了可强化滚流并能促进缸内混合气流动的进气道(图6)㊂作为强化滚流的手段，利用直进气道增加正向
滚流，在此基础上，研究人员又利用气道下端边缘减少
了逆向滚流㊂在各曲轴转角处滚流比分析结果(图7)
34面包车油耗
汽车与新动力
中，给出了进气行程(上止点后105ʎC A )
和压缩行程(上止点前110ʎC A )
中缸内气体流动的分析结果(图8
)㊂在进气行程中，通过强化滚流，使喷雾在气缸中心旋转流动，抑制了燃油在燃烧室内壁发生附着㊂在压缩行程中，由于活塞顶部采用了较为平坦的设计方案,
可以使生成的滚流维持到压缩行程的上止点附近㊂滚流持续到点火前消失，由此可以提高紊流强度，从而达到提高燃烧速度的目的
㊂
图6
强化滚流后的气道对比示意图
后视镜加热按键图标
图7 采用计算机辅助工程(C A E )
分析的滚流改善效果图8 经C A E 处理后的缸内流动效果
2.3 改进增压技术
为了改善中低速工况下的扭矩，研究人员为
4B 40型发动机配备了小型涡轮增压器㊂在此基础
上，研究人员采用斜流涡轮，改善了涡轮迟滞现象(图
9)㊂另外，通过采用电动WG A ，大幅改善了对增压的控制能力，实现了线性加速㊂作为提高增压器响应性控制力的具体案例，为迅速改善怠速至中等转速工况下的增压响应性，研究人员将废气阀设在
了闭口附近㊂同时，通过关闭油门可以降低泵气损失，并降低燃油耗
㊂
图9 斜流涡轮
2.4 排气歧管内置式气缸盖
如图10所示，研究人员通过在气缸盖内设置排气歧管，并在外围设置冷却水套，可以降低高负荷工况下的涡轮入口温度，同时进一步优化增压效果，以此改善发动机性能
㊂
图10 排气管内置气缸盖
2.5 抑制敲缸现象
为了抑制敲缸现象，研究人员改良了D I 方式及进气道结构，优化了气缸内部气体流动过程，同时在燃烧室内进行强化冷却，这些方法对于抑制敲缸现象都非
常有效㊂
此外，研究人员还采用了在内部设置冷却水道的活塞及机油喷嘴，气门挺柱伞部为中空结构，同时选用
沈阳地铁二号线站点
了可实现自然吸气的排气阀(图11和图12)㊂通过采用上述技术，充分提高了混合气燃烧速度㊂
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图11
内置冷却水道活塞及机油喷嘴
图12 气门挺柱伞部中空并封入钠的排气阀
3 面向欧洲欧六d -T E M P 排放法规采用的措施
相比全球统一的轻型车测试循环(W L T C )
，欧六d -T E M P 排放法规增加了针对高负荷工况的要求,
并利用实际行驶污染物排放(R D E )试验法，大幅提高了对排放稳定性的要求㊂同时，对直喷汽油机而言，欧六
d -T E M P 排放法规还增加了对排放颗粒数(P N )的相关要求㊂为了应对上述排放法规，三菱公司的研究人员在车辆底部安装了G P F (图13)㊂为防止G P F 中颗粒物(P M )堆积导致压力损耗增大及温度过度升高的现象,G P F 需要在合适的条件下进行再生
㊂
图13 用于欧盟(E U )的4B 40型发动机排气管路概图
如图14所示,
研究人员需要根据发动机燃气中的P N 量,
以及炭烟模型预测P M 堆积量㊂当预测值超出阈值后，系统就会控制G P F 内的温度及氧浓度,
进行G P F 再生
㊂
图14 G P F 控制图
4 总结
研究人员通过采用以燃油直接喷射方式和改良气
道为代表的先进技术，并配备WG A 的小型涡轮增压器，实现了新一代S U V 所需要的全扭矩驾驶功
能及高环保性能㊂该发动机所采用的主要技术如下㊂(1)研究人员通过采用D I +P I 的方式，使4B 40型发动机性能得以充分发挥，并降低了P N ，同时提高了燃油经济性㊂另外，通过采用P I 方式，可以对进气阀周边进行净化，由此确保了燃料等介质的化学稳定性㊂(2)研究人员通过采用带斜流涡轮的小型涡轮增压器，在中低转速及高扭矩的工况下，改善了增压迟滞
现象㊂通过采用电动WG A ，扩大了最大扭矩范围，提
高了增压系统响应性㊂
(3)为满足欧六d -T E M P 排放法规,
研究人员在催化器后段采用了G P F ，通过对再生控制过程中各关键要素的机能进行模拟，实现了对发动机排放系统的有效控制㊂
今后，排放法规还会更加严格，车辆的环保性能仍须进一步改善㊂进一步的开发目标主要包括降低废气
排放，提高燃油经济性等㊂因此，车辆的驾驶乐趣与其制约因素将长期共存，是未来的重要研究课题㊂研究人员通过技术优化，可进一步提高整车燃烧效率，改善节油技术，满足环保要求，并使车型产品具有更高的驾
驶愉悦性㊂
张冬梅 译自 自動車技術,2019(9)  伍赛特 编辑
(收稿时间:2020-12-04)
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