斯巴鲁全新1.8L CB18 水平对置发动机技术介绍

文章来源:汽车动力总成 发布时间:2020-11-18
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今天我们要介绍的1.8L CB18 水平对置发动机(下面简称CB18),将搭载到斯巴鲁旗下新款中型旅行车LEVORG上。
提起斯巴鲁,大家第一个想到的必定是其“水平对置发动机”,这种形式的发动机,目前世界上只有保时捷和斯巴鲁在坚持。但比起保时捷,斯巴鲁的名声近几年在国内显得不再那么风光了,车型换代缓慢,在竞争日益激烈的汽车市场中显得有些疲软。


在2020年1月的一次技术会议上,斯巴鲁从“实现无碳社会”的角度宣布了三个长期发展目标。与2010年相比;到2050年,Well-to-Wheel将使新车的平均(行驶)CO2(二氧化碳)排放量减少90%以上;到2030年,全球销量的40%以上将是电动汽车(EV)+混合动力汽车;在2030年代上半年,所有生产和销售的SUBARU汽车都将配备电气技术。


今天我们要介绍的1.8L CB18 水平对置发动机(下面简称CB18),将搭载到斯巴鲁旗下新款中型旅行车LEVORG上。目前,FB系列是斯巴鲁应用得较多的主流发动机,代号FB意为“Future Boxer”(未来水平对置)。在FB型于2010年首次亮相的十年之后,CB18型亮相了,它紧挨着“ EJ型”,“ EE型”,“ FB型”,“ FA型”和“ E到F”,CB的含义为“ Concentration Boxer”(集中水平对置)。对此,斯巴鲁的工程师是这样解释的:“自开发FB以来已有10年了,在这段时间里,我们积累了很多发动机技术。如今,我们将它们放在一起,这意味着我们已经将所有现有技术结合在一起,未来斯巴鲁将继续专注水平对置发动机。”

 

水平对置发动机的优势

 

减少碰撞时的损坏:由于水平对置发动机的总高度较低,因此其结构使得在发生正面碰撞时易于从地板下方走下去。因此,发动机不容易进入机舱,并且减少了对乘员的伤害。


加速平稳舒适:普通的串联或V型发动机使活塞在垂直方向上往复运动,而水平对置的发动机使活塞在水平方向上彼此相对往复运动。由于它们抵消了彼此的作用力,因此几乎没有振动。 
 
稳定且易于驾驶:由于活塞水平地布置的结构,所以水平对置的发动机的总高度比普通的直列或V型发动机低,并且重量轻且紧凑。它可以减少转弯并实现稳定的高速行驶,从而实现转弯,并保证了SUBARU的理想“安全感驾驶”。

CB18型发动机搭载于全新一代LEVORG


这台CB18发动机除了搭载到全新LEVORG上之外,还将代替目前的FB16DIT/FA20DIT,搭载于WRX S4上;在未来还将导入入门级的CB15(代替FB20)到XV等车型上;此外,新一代BRZ也将换装FA24发动机(目前是FA20发动机)。

 

斯巴鲁CB18型发动机技术

 

稀薄燃烧技术:在小编看来,“稀薄燃烧技术”是这台CB18发动机的精髓,我们先来了解一下什么是稀薄燃烧:空燃比为40:1时,使用稀薄燃烧技术能够实现混合气体燃烧。一般情况下,当可燃混合气体的空燃比在40:1,此时,汽油的浓度已经相当低了,如果均质混合后,火花塞是无法将其引燃。稀薄燃烧技术第一步:让可燃混合气体在气缸内产生涡流,并在火花塞附近产生较浓的可燃混合气体(比其他部位的浓度更大)。第二步:火花塞引燃附近的高浓度的混合气体,紧接着四周较稀薄的可燃混合气体被已经燃烧的明火点燃。经过以上两步,发动机即实现了稀薄燃烧。当然,使用稀薄燃烧技术,能使得燃烧更加充分,发动机的油耗更低,同时提高发动机压缩比,这也是为什么CB18发动机的热效率高达40%的原因之一。


 

但是三效催化转化器不能够净化排放气体中的NOx。这是因为三效催化转化器要利用排气中的HC或CO还原NOx。在稀薄燃烧中,排气中残留很多氧气,不能进行NOx还原反应。后面我们会讲斯巴鲁是如何解决这个难题的。


斯巴鲁开发团队研究的稀薄燃烧是:在空气负载系数约为40%且小于或等于2400 rpm的区域λ= 2(即化学计量燃烧的空气量的两倍)的稳定燃烧,此工况热效率40%。开发概念:在郊区道路上以恒定速度行驶的高速公路上,以80 km / h的速度巡航时,进入稀薄燃烧工况。在对发动机进行预热之后,可以在安静运行时进行稀薄燃烧。从这一点开始,它切换到正常的化学计量燃烧,但是切换自然,以致驾驶员不会注意到该切换。工程师说:“从λ= 2到1的转变使用传感器进行切换,因此不会产生冲击。”


关于稀薄燃烧,要突破的是难以着火且难以燃烧的问题。为了确保能够点火,从(FB型侧置喷油器)的直接喷油器的位置已更改为火花塞附近的顶部位置。在进气口2 /排气口4的四个阀的中心看到火花塞和直接喷射式喷油器。最高燃油喷射压力达到35MPa(350bar)。

据说控制火势使其不熄灭基本上是通过增强气缸内的气流(滚流)来完成的。在新机型中取消了滚流阀,因为进气流速通过增加S / B比(冲程/缸径比)而增加。


稀薄燃烧使气缸中充满了空气,因此实际上与应用增压时相同。在普通涡轮发动机中,涡轮不在低转速和低负载范围内运行,而是稀薄燃烧发动机处于节气门完全打开且涡轮正在输送空气的状态。由于节气门完全打开,因此减少了泵的损失并提高了效率。

 

活塞:在发动机缸距方面,从EJ型延续到FB / FA型的113.0 mm的缸距被缩短为CB型的98.6 mm,减少了14.4mm。由于缸距的缩短,对应的曲轴长度也从FB型的350.5mm缩短到315.9mm,总体减少了34.6mm。这就使得CB18型发动机的总长度会比当前的FB16短40mm,小看这“40mm”,这能让这台水平对置发动机的重心向后移动约20mm,以进一步提升整车的空间布局。



在活塞方面:正面∨型的结构是在油上升时收集油的结构,背面∧型的结构是在下降时会收集油的结构,其目的是在中间收集油并降低摩擦的效果。活塞裙的一部分在活塞上升时撞到气缸壁,而一部分在活塞下降时撞到气缸壁。

 

深色部分为树脂涂层(活塞第一道环槽周边温度上升及冲击力增加,由此导致活塞槽材料铝向活塞环侧面上熔着,从而导致活塞环卡死和活塞环槽异常磨损的情况时常发生,作为对策,将固体润滑剂和树脂材料复合后涂覆在活塞环侧面,可有效防止这些异常现象的发生)。



“剃刀曲柄”:因为CB18型发动机缸距的缩短,对应的曲柄长度也缩短了34.6mm,从官方展示的图片来看,整个曲柄的厚度已经相当薄,由于其薄的曲柄腹板而具有独特的形状,因此被称为“剃刀曲柄”。相比当前FB16型发动机的曲柄,更薄的CB18型在质量减轻的前提下,强度超过FB16型。这里引用工程师的一句话:“就制造而言,它不能比设计更薄,这是只能由斯巴鲁制造的曲柄,斯巴鲁一直在制造水平对置的发动机。”



CB18型使用了偏置曲柄结构的设计(这是曲柄连杆机构的一种形式,即活塞往复运动所在的轴线的延长线不经过曲轴中心),曲柄相对于气缸中心偏移了8mm,这是一种通过移动气缸的中心轴线和曲柄销的中心轴线来减少点火爆炸期间活塞下降时由于压力引起的摩擦增加的设计,最大限度将燃烧产生的能量转化为强大的动力。


低温EGR系统:废气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation)简称EGR,是将发动机产生废气的一小部分导入进气侧再度燃烧。再循环废气由于具有惰性将会延缓燃烧过程,也就是说燃烧速度将会放慢从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢,这就是氮氧化合物会减少的主要原因。另外,提高废气再循环率会使总的废气流量(mass flow) 减少,因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。EGR系统的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况,从而使燃烧过程始终处于最理想的情况,最终保证排放物中的污染成份最低。



可变排量机油泵:可变机油泵:可变排量机油泵能够根据发动机润滑和冷却需求调整泵油量,主动控制使机油流和压力满足发动机需求,从而消除过量机油流并降低发动机曲轴上的负载,以便节省燃油。与传统的定量机油泵相比,可变排量机油泵能够在NEDC循环下实现1-2%的节油效果。



燃烧排放后处理:前面讲稀薄燃烧原理时说到的:三元催化器不能够净化排放气体中的NOx(这是因为三元催化转化器要利用排气中的HC或CO还原NOx)。工程师通过在三元催化器后面安装两个NOx储存催化剂来支持CB18发动机(图示的切割式发动机未配备NOx储存催化剂)。



热管理系统:在CB18型发动机中,热管理效率也有了显著的提升。冷却水通道由两个阀门控制,两个阀门首先在发动机启动时加热气缸体,然后将水引导至气缸盖,再引导至散热器。



注:文章中引用数据和图片来源网络



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