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保時捷911 水平對置6缸雙渦輪增壓3.0T發動機技術解析

911,自1963年誕生以來一直伴隨著保時捷品牌的發展而不斷超越自己。雖然55年來911的外形輪廓沒有發生大的變化,但是發展到目前共經歷了八代車型,每一次換代都是超越自己和不斷完善的蛻變。2018年,保時捷推出了代號為992的第八代911,採用了一代代號為9A2的全新設計模組化發動機,以滿足動力需求和賽道表現,以及未來的油耗路線和排放法規。

保時捷911 水平對置6缸雙渦輪增壓3.0T發動機技術解析

為了滿足日益嚴格的全球排放/油耗法規,比如RDE(隨機排放)、Euro 6D(歐洲6D)、C6B(中國國6B)、ULEV(北美超低排放標準)和交通噪聲法規,保時捷對新9A2 evo boxer發動機進行了全方位的最佳化。基於基礎款9A2機型,在核心零部件上做了持續改進,具體內容如圖1所示。作為發動機體的核心,氣缸曲軸箱採用了鋁合金材質(牌號AlSi7MgCu0。5),設計採取成熟的封閉式平臺設計,確保在渦輪增壓高負荷下具有高結構剛度和低氣缸變形量。氣缸內襯使用鐵塗層進行機械粗糙化(mechanically roughened),然後採用PTWA(Plasma Transferred Wire Arc,線材等離子電弧噴塗)技術進行塗敷,透過多級特殊夾具進行珩磨,形成高強度表面。

PS:PTWA:Plasma Transferred Wire Arc,線材等離子電弧噴塗。透過耐磨塗層提高發動機效率,氣缸作為汽車當中最重要的一個大型元件,發動機常常要以每分鐘幾千轉的速度高速運轉,它所承受的運載負荷要遠遠超過其他普通零件。這種情況下,氣缸與缸體之間的摩擦特性將直接決定發動機的執行效率。目前,許多整車製造商正採用鋁合金發動機缸體來替代傳統鑄鐵缸體。鋁合金的最大優點就是能降低發動機重量,但相比於傳統鑄鐵缸體,鋁合金缸體的摩擦特性並不好。而 PTWA 技術的存在就是為了解決這項難題。透過熱噴塗法快速對鋁製汽缸內孔細密噴塗鋼液微粒,鋼液的厚度大約在 0。1-0。15mm 厚,經過處理後的缸體摩擦損耗將會大幅減小。除了減小氣缸與缸體之間的摩擦損耗之外,PTWA 技術還可以降低發動機的整體重量。目前福特,日產,寶馬,賓士都公司都有采用。

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區別於傳統的家用發動機,保時捷

9A2 evo發動機的曲軸箱設計了一套短衝程曲軸連桿裝置,採用6缸水平對置佈局——H6(目前就保時捷和斯巴魯有水平對置發動機),氣缸間距為118mm,缸徑為91mm,活塞行程為76。4mm,衝程/缸徑比為0。84。透過調整活塞頂面形狀,比基礎款車型提高了壓縮比,達到了10。2±0。3:1。和其他高階發動機一樣,該發動機氣缸蓋也由鋁合金(牌號AlSi7MgCu0。5)製成。在汽缸蓋的氣門室頂部佈置了全新燃油噴射系統和發動機懸置固定點。透過液壓機構控制可變氣門+系統,該+系統不但有可變氣門正時還擁有可變氣門升程,高壓噴射系統設計在中心位置,氣門角度保持緊湊。

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透過一套高轉速液壓四氣門凸輪軸驅動系統,使得發動機最高轉速達到7500rpm,該機構能夠適應劇烈的燃燒過程。可變氣門+系統在進氣門側使用液壓控制挺杆,在大氣門升程和小氣門升程之間切換,甚至能做到兩個進氣門不對稱的小氣門升程模式,以改善低發動機負荷和低轉速下的進氣充填效率。在“小氣門升程”模式下,基礎款發動機兩個進氣門的升程都為3。6mm,該發動機能夠做到每個氣缸的兩個進氣門,一個升程2。0mm,一個升程4。5mm。

為了減少機械阻力,新款取消了基礎款上由凸輪軸直接驅動的機械真空泵。透過更換髮動機本身上的各種真空附件和電子制動主力器來實現的,(比如廢氣旁通閥調節器、怠速空氣迴圈閥、排氣擋板 )。

對於水平對置發動機來說,機油潤滑是最難的部分,為了保證系統可以實現較高的橫向/縱向加速度,且要克服因機油重力導致的不平衡,機油潤滑回路的設計尤其複雜。不但如此,該發動機還採用了獨特的整合乾式油底殼概念。

PS:乾式油底殼優勢:提高發動機功率(曲軸運轉不需要攪拌機油,增加曲軸箱真空度,提升功率);提高潤滑效能(機油來自機油箱,潤滑機油質量更好,壓力更高,流量更穩定);提高車輛穩定性(油底殼油盤低,可以降低發動機高度,降低整車質心,提高穩定性和操控性)。

為了對潤滑系統進行可控,採用了全可變機油泵,由可變壓力葉片、恆壓齒輪、潤滑零件(渦輪增壓器和汽缸蓋)組成。它從開放區域提取機油,透過乾式油底殼的氣/油分離器將其推回機油箱。

此發動機還在基礎款上對燃油系統、渦輪增壓、進氣和排氣經過重新設計,更好地利用了發動機艙內空間。此外,針對排放,還集成了汽油顆粒捕集器等相關部件。

9A2 evo發動機的燃油直接噴射系統由兩個獨立的高壓共軌系統組成,最大壓力水平為200bar。高壓泵由相應氣缸組的進氣凸輪軸帶動單獨的三向凸輪軸,提供動力。透過ECU對燃油量進行實時控制,按需提供,這意味著高壓泵只向高壓系統泵入下一次噴射所需的燃油量(減少了機械阻力)。

9A2 evo發動機採用的新型混合氣形成方案——噴霧模式設計(噴霧錐角)與短衝程活塞行程特性非常相容。在噴射器安裝角度不變、噴射質量分佈明顯對稱的情況下,它提供了幾乎完全的燃燒室覆蓋,且溼壁效應傾向較低(機油增多風險低)。

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區別於傳統的電磁閥驅動的多孔噴油器,透過開式噴油器和壓電驅動方式,可以設計出不同的噴射策略。因此,在高靜態流量下(比如100bai燃油壓力,流量34cm3/s)可實現較高的單缸效能和時間基礎流量,最大為200:1,且流量引起的壓力降低不會影響到燃油霧化。此噴油器極佳的硬體效能可以實現多次噴射。多次噴射間隔最小週期為0。05ms,因此在一個工作迴圈可以實現最多5次噴射。

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與多孔噴射器相比,在相同的流量和系統壓力下,開式壓電噴油器提供的平均油液尺寸要小得多。也就是說,為了達到相同的噴霧效果,燃油壓力可以適當降低,高壓泵的驅動扭矩就降低了,反過來也提高了燃油經濟性。

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