保时捷911 水平对置6缸双涡轮增压3.0T发动机技术解析
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更新时间: 2023/03/17

911,自1963年诞生以来一直伴随着保时捷品牌的发展而不断超越自己。虽然55年来911的外形轮廓没有发生大的变化,但是发展到目前共经历了八代车型,每一次换代都是超越自己和不断完善的蜕变。2018年,保时捷推出了代号为992的第八代911,采用了一代代号为9A2的全新设计模块化发动机,以满足动力需求和赛道表现,以及未来的油耗路线和排放法规。


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为了满足日益严格的全球排放/油耗法规,比如RDE(随机排放)、Euro 6D(欧洲6D)、C6B(中国国6B)、ULEV(北美超低排放标准)和交通噪声法规,保时捷对新9A2 evo boxer发动机进行了全方位的优化。基于基础款9A2机型,在核心零部件上做了持续改进,具体内容如图1所示。作为发动机体的核心,气缸曲轴箱采用了铝合金材质(牌号AlSi7MgCu0.5),设计采取成熟的封闭式平台设计,确保在涡轮增压高负荷下具有高结构刚度和低气缸变形量。气缸内衬使用铁涂层进行机械粗糙化(mechanically roughened),然后采用PTWA(Plasma Transferred Wire Arc,线材等离子电弧喷涂)技术进行涂敷,通过多级特殊夹具进行珩磨,形成高强度表面。 PS:PTWA:Plasma Transferred Wire Arc,线材等离子电弧喷涂。通过耐磨涂层提高发动机效率,气缸作为汽车当中最重要的一个大型元件,发动机常常要以每分钟几千转的速度高速运转,它所承受的运载负荷要远远超过其他普通零件。这种情况下,气缸与缸体之间的摩擦特性将直接决定发动机的运行效率。目前,许多整车制造商正采用铝合金发动机缸体来替代传统铸铁缸体。铝合金的最大优点就是能降低发动机重量,但相比于传统铸铁缸体,铝合金缸体的摩擦特性并不好。而 PTWA 技术的存在就是为了解决这项难题。通过热喷涂法快速对铝制汽缸内孔细密喷涂钢液微粒,钢液的厚度大约在 0.1-0.15mm 厚,经过处理后的缸体摩擦损耗将会大幅减小。除了减小气缸与缸体之间的摩擦损耗之外,PTWA 技术还可以降低发动机的整体重量。目前福特,日产,宝马,奔驰都公司都有采用。


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区别于传统的家用发动机,保时捷9A2 evo发动机的曲轴箱设计了一套短冲程曲轴连杆装置,采用6缸水平对置布局——H6(目前就保时捷和斯巴鲁有水平对置发动机),气缸间距为118mm,缸径为91mm,活塞行程为76.4mm,冲程/缸径比为0.84。通过调整活塞顶面形状,比基础款车型提高了压缩比,达到了10.2±0.3:1。和其他高端发动机一样,该发动机气缸盖也由铝合金(牌号AlSi7MgCu0.5)制成。在汽缸盖的气门室顶部布置了全新燃油喷射系统和发动机悬置固定点。通过液压机构控制可变气门+系统,该+系统不但有可变气门正时还拥有可变气门升程,高压喷射系统设计在中心位置,气门角度保持紧凑。 

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通过一套高转速液压四气门凸轮轴驱动系统,使得发动机最高转速达到7500rpm,该机构能够适应剧烈的燃烧过程。可变气门+系统在进气门侧使用液压控制挺杆,在大气门升程和小气门升程之间切换,甚至能做到两个进气门不对称的小气门升程模式,以改善低发动机负荷和低转速下的进气充填效率。在“小气门升程”模式下,基础款发动机两个进气门的升程都为3.6mm,该发动机能够做到每个气缸的两个进气门,一个升程2.0mm,一个升程4.5mm。 为了减少机械阻力,新款取消了基础款上由凸轮轴直接驱动的机械真空泵。通过更换发动机本身上的各种真空附件和电子制动主力器来实现的,(比如废气旁通阀调节器、怠速空气循环阀、排气挡板 )。 对于水平对置发动机来说,机油润滑是最难的部分,为了保证系统可以实现较高的横向/纵向加速度,且要克服因机油重力导致的不平衡,机油润滑回路的设计尤其复杂。不但如此,该发动机还采用了独特的集成干式油底壳概念。 PS:干式油底壳优势:提高发动机功率(曲轴运转不需要搅拌机油,增加曲轴箱真空度,提升功率);提高润滑性能(机油来自机油箱,润滑机油质量更好,压力更高,流量更稳定);提高车辆稳定性(油底壳油盘低,可以降低发动机高度,降低整车质心,提高稳定性和操控性)。 为了对润滑系统进行可控,采用了全可变机油泵,由可变压力叶片、恒压齿轮、润滑零件(涡轮增压器和汽缸盖)组成。它从开放区域提取机油,通过干式油底壳的气/油分离器将其推回机油箱。 此发动机还在基础款上对燃油系统、涡轮增压、进气和排气经过重新设计,更好地利用了发动机舱内空间。此外,针对排放,还集成了汽油颗粒捕集器等相关部件。 9A2 evo发动机的燃油直接喷射系统由两个独立的高压共轨系统组成,最大压力水平为200bar。高压泵由相应气缸组的进气凸轮轴带动单独的三向凸轮轴,提供动力。通过ECU对燃油量进行实时控制,按需提供,这意味着高压泵只向高压系统泵入下一次喷射所需的燃油量(减少了机械阻力)。 9A2 evo发动机采用的新型混合气形成方案——喷雾模式设计(喷雾锥角)与短冲程活塞行程特性非常兼容。在喷射器安装角度不变、喷射质量分布明显对称的情况下,它提供了几乎完全的燃烧室覆盖,且湿壁效应倾向较低(机油增多风险低)。


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区别于传统的电磁阀驱动的多孔喷油器,通过开式喷油器和压电驱动方式,可以设计出不同的喷射策略。因此,在高静态流量下(比如100bai燃油压力,流量34cm3/s)可实现较高的单缸性能和时间基础流量,最大为200:1,且流量引起的压力降低不会影响到燃油雾化。此喷油器极佳的硬件性能可以实现多次喷射。多次喷射间隔最小周期为0.05ms,因此在一个工作循环可以实现最多5次喷射。


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与多孔喷射器相比,在相同的流量和系统压力下,开式压电喷油器提供的平均油液尺寸要小得多。也就是说,为了达到相同的喷雾效果,燃油压力可以适当降低,高压泵的驱动扭矩就降低了,反过来也提高了燃油经济性。