摘要：現代起亞汽車公司推出適用于混合動力車型的全新Kappa 1.6 L 汽油缸內直噴(GDI)發動機，并于2016年初在韓國市場投產。該機型達到了汽油機力圖實現40%的最高熱效率；并且能夠輸出充沛的動力，滿足車輛的動態行駛性能。開發全新Kappa 1.6 L GDI發動機旨在提高燃油效率。為了獲得最高燃油效率，設計了行程缸徑比為1.35的緊湊型燃燒室。采用的關鍵技術還包括：高壓縮比阿特金森循環，帶有高能點火線圈的冷卻廢氣再循環(EGR)系統，以及強滾流進氣道。在大幅抑制爆燃后，燃油效率得以改善。具體做法是采用分離型冷卻系統，并配有2套節溫器和嵌塊，機油噴射活塞冷卻技術，以及中空充鈉排氣門。基于兩級式壓力控制機油泵和低流速機油，以及運動部件采用的低摩擦涂層等技術，Kappa 1.6 L GDI發動機的摩擦損失也被控制在最小值。與此同時，集成了壓力控制閥(OCV)的連續可變氣門正時(CVVT)系統具有迅捷的響應速度，克服了CVVT系統用在阿特金森循環上相位角變大的問題。為了符合超低排放車輛(SULEV)排放法規，噴油器經激光鉆孔成型，其燃油噴束形式為強滾流和平頂活塞而作了改進，系統噴油壓力達到了20 MPa。

1產品介紹

目前大多數發動機制造商的研究重點都是提高發動機的燃油效率，為節能環保型混合動力汽車(HEV)開發專門匹配的發動機。

為了搭載于現代汽車公司即將面世的全新C級(歐洲車輛分級標準，包括大眾golf，豐田corolla，本田civic等)混合動力車型，有必要為其專門開發1款高效發動機。Kappa 1.6 L缸內直噴(GDI)發動機正是首款機型，并且搭載于混合動力車型。如圖1所示，Kappa發動機型譜包括多個機型，其中1.6 L GDI設計機型行程最長，能達到最高熱效率。

圖1 Kappa發動機型譜

由圖2可見，當前大多數汽油發動機的熱效率為35%～38%，要實現40%的熱效率可謂一項挑戰。通過對發動機硬件和控制系統的聯合改進，Kappa 1.6 L GDI發動機順利達成了這一目標。

圖2 不同發動機最大制動熱效率散布圖

發動機40%的高的熱效率得益于以下3方面的技術改進：(1)提高燃燒效率，高壓縮比(13.0)阿特金森循環，配有強滾流進氣道的冷卻EGR，以及同級機型中最大的行程缸徑比(1.35)，使得燃燒室有望設計得更為緊湊；(2)抑制爆燃，分離型冷卻系統，對流型冷卻液流道，活塞上開有機油噴射冷卻油道，以及排氣氣門桿中空填鈉；(3)摩擦控制到最小，采用兩級式機油泵和低流速機油(0W20)，以及在活塞環和主軸承表面采用低摩擦噴涂層。

2發動機

針對混合動力車型應用，針對原先的Kappa 1.4 L 進氣道噴射(PFI)發動機特別設計了全新Kappa 1.6 L GDI發動機，拉大行程增大了發動機排量，彌補了采用阿特金森循環導致功率下降的不足；但該機型的尺寸仍然適合C級轎車。新機型采用了汽油直接噴射系統，同時提高了燃油效率和性能表現(表1)。

表1 Kappa 1.6 L GDI發動機技術規格

圖3 Kappa 1.6 L GDI發動機

3提高熱效率

圖4 Kappa 1.6 L GDI發動機的制動比油耗曲線

混合動力車型發動機的運行區域與常規發動機大為不同。如圖4所示，Kappa 1.6 L GDI發動機最佳燃效區為轉速1 500～4 000 r/min及扭矩70～120 N·m工況下，制動比油耗(BSFC)為240 g/(kW·h)，這也是混合動力發動機在美國聯邦測試規程(FTP)、美國06法規(US06)和城市道路模式下的常用工況。可見Kappa 1.6 L GDI發動機最佳燃效區大幅優于現代汽車公司的舊款1.6 L GDI發動機。

為了實現領先同級機型的燃油經濟性，使用的關鍵技術如下：高壓縮比阿特金森循環、大滾流比的進氣道、超長行程、冷卻EGR、分離型冷卻系統，以及系統燃油壓力達到20 MPa的改進型噴油器。得益于上述諸項技術，該款發動機在車輛主要運行區域的熱效率高達40%(圖5)。

圖5 Kappa 1.6 L GDI發動機的制動熱效率曲線

3.1 緊湊型燃燒室高

如果想要將熱損失降到最低，采用緊湊型燃燒室至關重要。為此需要提高行程缸徑比，同時減小氣門夾角。

Kappa 1.6 L GDI發動機采用了1.35的超長行程，以及12°的氣門夾角。增大行程缸徑比意味著減小了面容比，從而降低了熱損失。降低熱損失后，發動機的燃油熱效率得以改善(圖6)。

圖6 在行程/缸徑比與面容比影響下的制動比油耗變化趨勢

圖6為行程缸徑比的增大與面容比減小之間的數據關系。在工況點2 000 r/min，制動平均有效壓力(BMEP)0.8 MPa處，發動機燃油耗因為面容比減小而得以改善。綜合考慮了燃油經濟性的飽和度與活塞速度限值后，Kappa 1.6 L GDI發動機的行程缸徑比最終確定為1.35。當行程缸徑比從1.17增大到1.35，面容比減小了13%，發動機測試評估后燃油耗亦降低了0.8%。

3.2 改進阿特金森循環高

為了減少進氣循環的泵氣損失，Kappa 1.6 L GDI發動機采用了進氣門推遲關閉(LIVC)的阿特金森循環。圖7為Kappa 1.6 L GDI發動機分別采用奧托循環與阿特金森循環時的燃油壓力差異對比。相比奧托循環，阿特金森循環的指示平均有效壓力(IMEP)較小，但泵氣損失亦較小，因此阿特金森循環具有更好的燃油效率。

由圖7可見，奧托循環下，壓縮比為10.5時，進氣門關閉(IVC)正時為下止點后(ABDC)67°的氣門轉角，進氣門開啟持續角為224°CA。阿特金森循環下的壓縮比為13.0，IVC正時為109°CA ABDC，進氣門開啟持續角為280°CA。

圖7 Kappa 1.6 L GDI發動機P-V示意圖

通過改善IVC正時和氣門開啟持續角，可將泵氣損失降至最小。因為阿特金森循環進氣門遲閉特性，有效壓力會降低，因此有必要提高壓縮比以彌補損失。

圖8顯示了壓縮比與進氣門持續角之間關系的測試結果。圖中每一個燃油耗數值表示8個測試工況點的平均值，這些工況點代表了混合動力車型發動機的常用運行區域。

圖8 壓縮比和氣門正時的優化

由圖8顯示，將氣門開啟持續角從240°CA提高至280°CA時，BSFC出現了相同的變化趨勢，而且這種趨勢與EGR的工作狀態無關。因此IVC正時推遲了40°CA。與此同時，壓縮比為13.0的曲線處顯示出BSFC的最佳值(最小值)。從有效壓縮比角度來看，Kappa 1.6 L GDI發動機壓縮比為13.0時，等效于常規奧托循環發動機上11.5的壓縮比。壓縮比高于13.0以后，發動機出現爆燃惡化的趨勢，甚至還連帶影響BSFC惡化。因為全負荷性能這一限制因素，凸輪轉角持續期超過280°CA后便不再提高。

針對阿特金森循環進氣門開啟持續角較長這一特性，對凸輪做了改進，其型線如圖9所示。在相同的開啟與關閉速度下，改進后的進氣凸輪飽滿度相比常規凸輪提高了10%，較之前較低的型線飽和度，改進凸輪后其油耗降低了0.5%。

圖9 Kappa 1.6 L GDI發動機進氣門型線

3.3 快速燃燒高

為了能獲得更高的熱效率，以快速燃燒方式抑制爆燃同樣不可或缺，尤其是發動機同時采用高EGR率和高壓縮比時，此時大量再循環的排氣會進入燃燒室，導致燃燒速率減慢。

高滾流比是實現快速燃燒的首選方法。圖10中具有銳角邊緣的長直進氣道，以及改進后的氣門座切邊均可有效提高滾流比。

圖10 Kappa 1.6 L GDI發動機進氣道的改進

由圖11可見，最終進入燃燒室的進氣流得以改善。為了避免可能出現流道系數降低的情況，同時對進氣道設計作了改進。

圖11 進氣氣流流動改善程度的可視化結果

圖12顯示出滾流比與流動系數之間的折中關系。從競爭對手機型的散布圖來看，Kappa 1.6 L GDI發動機經過精心設計的進氣道在同級機型中的領先優勢十分明顯。

圖12 滾流比與流動系數的測量值散布圖

改進活塞頂碗造型亦增強了燃燒室內混流的性能。如圖13所示，Kappa 1.6 L GDI發動機具有偏心圓截面的碗型結構提高了滾流比與湍流動能。圖中實心線代表催化轉化器起燃模式下的工況；而虛線代表轉速2 000 r/min，全油門(WOT)工況。在2種工況下，具有偏心圓截面碗型設計的活塞，表現明顯優于具有正圓截面碗型設計的活塞。

圖13 不同活塞碗型的流動模擬

圖14 不同燃燒室擠流(區)形式下的流速

基于進氣道、燃燒室及活塞設計的改進，Kappa 1.6 L GDI發動機的燃燒速率顯著加快。在10%～20%EGR率下，8個測試工況點的平均燃燒速率(已燃質量比從10%～90%的持續期)達到了20°CA。

3.4 改進EGR系統高

對于汽油機而言，冷卻EGR在提高熱效率方面的作用相當可觀。首先，提高了進氣歧管壓力，可減少泵氣損失。其次，降低了燃燒室內氣體溫度，可令點火正時提前。

包括Kappa 1.6 L GDI發動機在內的各類采用阿特金森循環的發動機均存在泵氣損失較大的缺陷，因而增大使用EGR率，將點火正時提前，以此改善燃油效率變得越發重要和普遍。圖15是Kappa 1.6 L GDI發動機EGR系統的布置示意圖。EGR抽吸位置應當設于具有最大壓差之處。因此，從催化器前，寬域催化轉化器(WCC)上游抽吸回來的排氣將經由EGR閥匯入緩沖箱，繼而變成平緩的EGR氣流進入各個氣缸。

圖15 Kappa 1.6 L GDI發動機的EGR系統

為了避免造成各缸之間燃燒不平衡，匯入緩沖箱的EGR氣流必須均勻分配后流進各個氣缸。得益于EGR氣流進出分布的改進，在主要運行轉速且EGR高流速狀態下，發動機獲得了分配良好的EGR氣流(圖16)。

圖16 EGR氣流的分配

如圖17所示，8個測試工況點代表了車輛實際運行區域，其間的EGR流速偏差得以控制在較小的數值。

圖17 EGR流速偏差

圖18所示的EGR冷卻器使用了小翼冷卻管，實現了最高的冷卻效率，而且改進了設計以滿足EGR率的需要，最終實現了98%的冷卻效率。

圖18 EGR冷卻器上的小翼

借助對EGR氣流特性的線性化處理以適應氣門開啟，如圖19所示，以及使用具有快速響應特性的直流(DC)電機控制執行器，EGR率得以精確控制。

圖19 EGR閥開啟時的流量特性

圖20所示的110 mJ高能點火線圈可增強常規工況，以及高EGR率工況下的燃燒穩定性。

圖20 初級電流下的次級線圈能量特性

如圖21所示，使用110 mJ高能點火線圈后，8個測試工況點的BSFC平均改善程度達到0.3%。

圖21 110 mJ點火線圈對BSFC的改善程度

EGR率同時受到IMEP 變動系數(COV)劣化程度、碳氫(HC)，以及進氣歧管負壓值大小的限制。Kappa 1.6 L GDI發動機具有快速燃燒速率，因而可以承受更高的EGR率。基于EGR系統的改進和快速燃燒速率設計，高EGR率可應用于圖22中車輛實際行駛范圍的大部分區域。

圖22 Kappa 1.6 L GDI發動機EGR率

綜上，使用高能點火線圈與冷卻EGR系統后，車輛在自由行駛工況下主要運行區域的燃油耗可降低3.5%，如圖23所示。

圖23 EGR系統對燃油耗的改善程度

3.5 抑制爆燃高

改進發動機冷卻系統設計可有效改善爆燃情況。為了降低發動機的爆燃傾向，Kappa 1.6 L GDI發動機采用了對流型冷卻液流道和分離型冷卻系統。如圖24所示，分離型冷卻系統使用1個附加節溫器/恒溫器。2個節溫器分別用于缸蓋與缸體，并在88℃與105℃時打開。

圖24 對流型與分離型冷卻系統

冷卻液流經缸體內的蓄水腔后進入缸蓋。流經燃燒室的冷卻液相比排氣側水溫較低，且具有幾乎相同的流速與水溫。各缸間的溫度偏差越小，冷卻液對燃燒室與進氣道的冷卻效果就越好。圖25顯示了Kappa 1.6 L GDI發動機缸蓋中冷卻液流場的計算流體力學模擬結果。

圖25 冷卻液流場的計算流體力學模擬結果

為了避免出現諸如爆燃或提前著火等不正常燃燒現象，必須在不對缸體作過度冷卻的前提下有效降低缸蓋的溫度。因而Kappa 1.6 L GDI發動機采用了分離型冷卻系統，獨立控制流經缸體和缸蓋的冷卻液溫度，如圖26所示。為了減少活塞的摩擦損失，缸體溫度被控制在較高的溫度(100℃與105℃)；而缸蓋中的冷卻液溫度則控制在相對較低的溫度，約為90℃。最終缸體的溫度將會提高7～18℃。

采用分離型冷卻系統與對流型后，爆燃得以有效抑制，8個測試工況點的著火正時可提前1～3°CA。

Kappa 1.6 L GDI發動機具有高達13.0的壓縮比，旨在改善燃油效率，但效率的改善幅度受到爆燃情況的限制。增強排氣門的傳熱效果也是抑制爆燃的有效措施。

火焰和排氣的熱能會經由排氣門底部表面和氣門桿頸部區域傳遞，再經過與氣門座落座及氣門導管接觸而擴散出去。圖27為發生熱傳遞的通道圖。

圖26 分離型冷卻系統回路

圖27 排氣門的傳熱特性

因此必須增強排氣門，氣門座落座區，以及氣門導管的散熱率，以降低排氣門的溫度。圖28顯示，Kappa 1.6 L GDI發動機采用中空填鈉的排氣門與銅合金氣門導管。

圖28 排氣門的傳熱特性的改善

圖29顯示了采用中空填鈉排氣門與銅合金氣門導桿后，根據熱分析的對比圖。可見排氣門桿頸部的溫度降至128℃，而面向燃燒室一側的表面溫度降至83℃。因而著火正時可提前1～2°CA，BSFC改善幅度為0.3%。

圖29 排氣門處排氣傳熱的改善效果

另一項能夠有效抑制爆燃的技術措施是對活塞進行噴油冷卻，同時采用活塞冷卻油道。如圖30所示，冷卻油道位于活塞拱頂的底部。噴射出的發動機機油流經目標油孔，進入活塞上的油道循環，進而冷卻活塞表面。機油在油道內的流道情形可透過光學攝像機在活塞頂觀察到，如圖31所示。機油的循環流動已經借由光學設備得到驗證。

圖30 活塞冷卻流道

圖31 機油流道內流動情況的可視圖

如圖32顯示，經油道冷卻后，活塞拱頂的熱點溫度降幅達到了17℃。事實上，得益于活塞噴油冷卻即頂部油道設計，著火正時提前了2～3°CA，爆燃邊界線(BDL)內區域的BSFC改善幅度為0.3%～0.5%。

圖32 活塞表面溫度分析

3.6 減少摩擦損失高

Kappa 1.6 L GDI發動機采用了低速兩級式機油泵，盡量減少摩擦損失。此種機油泵組裝于正時鏈條蓋之上，并由曲軸按1∶1的驅動比直接驅動，其本身由柱塞作機械控制，并且配有耐久且平價的封裝方式。

圖33 兩級式機油泵特性

圖33是兩級機油泵的油壓曲線。根據形狀及機油回路的不同，柱塞控制著油泵在2種不同壓力下的的泄壓壓力。當發動機處于中低轉速時，啟用第一級機油通道，設定泄壓壓力值低于常規油泵，以降低機油的摩擦損失。當發動機處于高轉速時，啟用第二級機油通道，設定更高的機油壓力，并確保能夠泵送出超過常規油泵流量的足量機油。

使用兩級機油泵后，摩擦損失得以降低，中低轉速下(1 000～3 000 r/min)的BSFC改善幅度達到了0.2%～0.5%。

圖34 機油粘度與溫度關系對比

Kappa 1.6 L GDI發動機還加注了全新開發的0W20發動機機油，以降低摩擦。新型機油的開發目標旨在降低低溫下的機油粘度，并確保高溫下的持久穩定性(圖34)。

偏心曲軸結構亦是改善燃油經濟性的1項實用技術。如圖35所示，通過在氣缸中心軸線與曲軸中心軸線之間形成偏心距，可令作功行程期間活塞推力面與氣缸內表面之間的摩擦力降至最低。

圖35 偏心曲軸

Kappa 1.6 L GDI發動機的偏心距可根據圖36中的摩擦分析而確定。受長行程發動機結構所限，該偏心距的最大值為5 mm。

圖36 采用偏心曲軸后摩擦損失的變化趨勢

與此同時，活塞環表面還采用了類金剛石碳(DLC)涂層，以降低活塞運動的摩擦。

如圖37所示，對曲軸滑動軸承及軸瓦作噴丸處理后，其主軸頸處的接觸摩擦力得以改善。

圖37 主軸頸處數值涂層處理

4全負荷范圍內的發動機性能

壓縮比對燃油經濟性影響顯著，而相比奧托循環，阿特金森循環發動機因其壓縮比偏低使得輸出功率較小。為克服這一不足，Kappa 1.6 L GDI發動機通過富有成效的爆燃抑制技術，在其CVVT系統上集成了改進設計的進/排氣歧管，以及機油控制閥(OCV)，如圖38所示。

圖38 進氣側CVVT系統集成OCV

CVVT模組集成了OCV后，可令機油泵回路變短，因而較之常規CVVT模組響應更加迅速，并且可將最大相位角從50°CA擴展至70°CA。

圖39 與裝有進氣側CVVT系統時的運行轉速對比

如圖39顯示，在發動機轉速1 000 r/min，機油溫度110℃的工況下，常規CVVT模組運行50°CA的時間內，集成有OCV的CVVT模組可在相同時間內運行達70°CA，即后者比前者的運行速度快30%。為了獲得更為迅速的響應與得到擴展的運行相位角，集成了OCV的CVVT模組在車輛低轉速全負荷運行區域及瞬態運行方面均有性能優勢。

如圖40顯示，Kappa 1.6 L GDI發動機可在C級轎車領域輸出的動力性能參數極具競爭力，功率為77.2 kW，扭矩為147 N·m。

圖40 Kappa 1.6 L GDI發動機的動力性能

5排放特性開發

Kappa 1.6 L GDI發動機的開發旨在滿足美國SULEV30法規。期間噴油器改進設計和電控管理標定系統影響十分顯著。

圖41顯示了噴油器在活塞與缸套上的壁面/著壁油膜數量的差異。2號三角噴油器的流速為320 g/min，形成的壁面油膜量最少，因而被選作本款發動機的噴油器。

圖41 催化器起燃時的壁面油膜模擬

如圖42所示，采用激光鉆孔技術加工的噴油器具有各自獨立的噴孔，因而可將燃燒室和活塞頂噴油“濕壁”現象的影響降至最小。而噴油“濕壁”現象將會稀釋機油并造成顆粒物排放增加。

圖42 噴油器的獨立噴孔

圖43顯示了Kappa 1.6 L GDI發動機噴油器噴束/噴霧經光學試驗設備驗證后的圖象。

圖43 燃油噴束經由光學試驗設備的驗證結果

應用該方法時，噴油正時與燃油壓力均已經改善。尤以催化器起燃(CH)模式下，如圖44所示可采用設計試驗法(DoE)確定出最佳運行參數。

圖44 采用設計試驗法時起燃模式下燃油3次噴射的試驗結果

為了滿足最苛刻的排放法規，需要精確控制高油壓，即多股/束噴射工況下的(燃油)流速，尤其在較低的流速區域和催化器起燃模式下。如圖45所示，當噴油器需要控制在較低流速時，為了確保能有足夠時間噴油，通過改進噴油器硬件可令流速降低26%，使噴射時間保持在0.3 ms。

圖45 低流速下噴油器性能的改善情況

通過計算與控制噴油器閥門關閉時候的燃油流速，借由EMS標定控制電磁式噴油器(COSI)功能亦是改善燃油流速偏差的有效方法。如圖46所示，COSI功能可顯著改善噴油流速之間的偏差。

圖46 控制電磁式噴油器功能標定的結果

6結論

(1)現代起亞汽車公司將于2016年在韓國及海外市場發表全新的Kappa 1.6 L GDI發動機。

(2)Kappa 1.6 L GDI發動機專為混合動力車型(HEV)及插電混合動力車型(PHEV)而開發。燃油經濟性和動力性能同時增強，最大制動熱效率為40%，最大扭矩為147 N·m，最大功率為77.2 kW。

(3)Kappa 1.6 L GDI發動機采用了多項領先于同級機型的技術，包括： 壓力高達20 MPa的噴油系統，冷卻EGR系統，分離型冷卻系統，高達13.5的超大行程缸徑比，以及快速燃燒室結構。

(4)Kappa 1.6 L GDI發動機躋身當今世界最高燃油效率的發動機之一，并且滿足全美 SULEV30排放法規。