大发公司新款KF-VE7型及KF-VET2型发动机的开发

大发汽车公司在原KF型发动机的基础上开发了新款KF-VE7型及KF-VET2型发动机。新款KF发动机采用了以下4项关键技术：高滚流比气道、喷雾液滴颗粒化喷油器、发动机多次点火系统，以及小型燃烧室。通过应用以上技术，可有效改善燃烧过程，并提高燃油经济性，同时使其最高功率及最大扭矩与原KF机型维持在同一水平，从而进一步改善了排放指标。

0 前言

近年来，由于CO2排放导致的环境问题引起了世界各国的重视，各国因此逐步加严了燃油耗法规限值。另一方面，2019年，轻型车的销量占日本国内车型市场的37%，轻型车的环境性能对日本国内的CO2排放产生了较大影响。在该背景影响下，轻型车仍需要进一步改善燃油耗。

因此，大发汽车公司旗下的研究人员于近期开发了新款KF-VE7型及KF-VET2型发动机，并改善了其燃油经济性及扭矩特性。本文介绍了与2款发动机密切相关的技术与研究成果。

1 开发目标

新型KF型发动机虽然沿用了原机型的基本结构型式，但为了改善燃油经济性并提高最大扭矩，研究人员针对以下目标进行了技术开发：（1）使新款KF-VE7型发动机具有世界顶尖水平的环保性能；（2）使新款KF-VET2型发动机能兼顾整车的动力性能与燃油经济性。

2 发动机的主要技术参数

表1列出了KF-VE7型发动机的主要技术参数。图1示出了KF-VE7 型发动机的外观，表2列出了KF-VET2型发动机的主要技术参数，图2示出了KFVET2型发动机的外观。新款KF-VE7型发动机的开发目标是利用燃烧室的小型化以改善燃烧过程，并缩小气门头部的直径。由于缩小气门头部直径会导致功率与扭矩的降低，因此研究人员在采用小直径进气门的基础上，提高了气门升程，使整机最高功率与最大扭矩维持在原有的技术水平，并改善了燃油耗。

表1 KF-VE7型发动机的主要技术参数

图1 KF-VE7型发动机的外观

表2 KF-VET2型发动机的主要技术参数

图2 KF-VET2型发动机的外观

针对KF-VET2型发动机，研究人员一方面采用了与KF-VE7型发动机相同的节能技术，另一方面则致力于提高其动力性能。研究人员通过提高增压压力而改善了最大扭矩。下文将介绍部分技术细节。

3 引进的技术

3.1 改善燃烧

就新款KF发动机而言，研究人员主要通过改善燃烧过程以提高燃油经济性，并引进了以下4项技术：（1）高滚流比气道；（2）喷雾液滴微粒化喷油器；（3）多次点火系统；（4）小型燃烧室。下文将对各项技术进行重点阐述。

3.1.1 高滚流比气道

就新款KF发动机而言，研究人员通过技术优化以提高了其滚流比，但空气流量却与原KF型发动机相近（图3）。为提高滚流比，研究人员将进气道下部设计成半圆形状（图4），同时为了维持进气道流量而采用了薄型气门座（图5）。研究人员采用该气门座的原因是为了减小进气道角度，同时扩大气道喉口部的通道面积。

图3 进气道的比较

图4 进气道的形状改动

图5 进气门座的调整

除了采用上述技术外，研究人员为其配备了小直径进气门，并增大了进气门凸轮的升程。虽然滚流比相比以往提高了60%，空气流量却与原KF型发动机相近。

3.1.2 喷雾油滴微粒化喷油器

就KF-VE7型发动机而言，研究人员从降低未燃损失并改善爆燃现象的目标出发，采用了能使油滴喷雾充分实现微粒化的新型喷油器。如与原KF型发动机相比，则喷雾油滴颗粒的索特平均直径（SMD）降低了50%，喷雾贯穿距降低了20%。在燃油压力为0.3 MPa的条件下，可使油滴充分实现微粒化，并形成低贯穿度的喷雾。

此外，研究人员对喷油器装配定位角度进行了优化，以最大限度地发挥该喷油器的优势。由该喷油器喷射出的油滴喷雾容易与空气在气道口上部形成干涉（图9）。考虑到这一现象，在配装该喷油器时，倾斜角度应小于原KF型发动机（图10）。研究人员根据仿真分析，并进行了相关调整，使气道口潮湿度及混合气在缸内的流动效果均得到了充分改善。

随着上述改进措施的实施，研究人员确认了在最大热效率工况点的未燃损失相比原KF型发动机降低了0.7%，点火正时提前角为1.7 °CA。结果表明，在日本机动车燃油排放标准（JC08）工况下的燃油耗改善了1%。

3.1.3 多次点火系统

研究人员为了使新款KF型发动机在高EGR率下也能实现可靠的点火过程，首次采用了多次点火系统。该系统只在必要的运转区进行多次点火，虽然点火线圈的技术参数与传统KF型发动机点火线圈相同，却具有更高的点火能量（表3）。该点火线圈结构与一次点火线圈相同，但为了快速实现多次点火时的充电过程，研究人员改变了点火线圈的点火特性。

表3 点火线圈放电比较（原点火线圈、高能点火线圈、多次点火线圈）

由于采用了上述改进措施，该点火线圈的技术参数与原KF型发动机的点火线圈相同，一方面能以同样的方式进行配装，另一方面可获得更高的点火能量。与KF-VE7型发动机中采用相同变动系数的燃烧情况相比，EGR率提高了6%（图13）。同时由于该效果的存在，发动机在JC08工况下的燃油经济性改善了0.5%。此外，在高转速及高负荷工况下，为减少火花塞电极间隙的磨损，研究人员通过优化及调整，使其磨耗量与原KF型发动机火花塞电极处于同一水平（图14）。

图13 点火方式比较（在转速为1 940 r/min与扭矩为23 N·m 的工况下）

图14 经耐久性试验后火花塞电极间隙磨损量的比较

3.1.4 小型燃烧室

研究人员通过降低燃烧室的面容比以减少冷却损失。同时，从提高燃烧速度的目标出发，研究人员分别对KF-VE7型与KF-VET2型发动机的燃烧室进行了专门设计。具体而言，由于缩小了进气门/排气门的头部直径，并调低了气门位置，从而减少了KF-VE7型发动机的气缸盖侧燃烧室容积（图15）。由此，研究人员能将活塞侧燃烧室形状设定成较为平滑的形状。

图15 燃烧室的比较（原燃烧室与新款燃烧室）

通过调整，KF-VE7型发动机的面容比相比原KF型发动机降低了5%。此外，对燃烧室的调整也有利于维持滚流比数值的不变。经测算，在点火正时附近（曲轴转角690 °CA ATDC）的湍流能量比原燃烧室提高了10%。

 

另一方面，为了应对由于气门头部直径缩小导致空气流量降低的问题，研究人员通过采用小直径进气门，并增大进气凸轮的升程，使空气流量与原KF机型相同。

3.1.5 改善燃烧的效果

随着上述4项技术的引进与推广，在发动机处于WOT状态，且转速为2 000 r/min的条件下，在10%~90%的燃烧持续期内，燃烧质量分数（MBF）同比改善了11%。

 

3.2 改善排气

研究人员利用起动时催化剂的早期活性优势以降低排放，并通过减少高负荷工况下的燃油供给量以改善燃油经济性，同时采用了气缸盖整体集成式排气口。研究人员设定的开发目标是使发动机起动时的催化剂激活时间比原KF型发动机减少10%。与原KF型发动机相比，新款KF型发动机在高负荷工况下的催化剂温度降低了100 ℃。

 

此外，为达到设计目标，研究人员对新款KF型发动机进行了调整，使高温废气从排气门流动到催化剂的距离相比原KF型发动机减少了24%，从而使排气门表面积降低了28%，进而实现了对排气门的优化。通过采用上述技术，研究人员确认新款KF 型发动机相比原KF型发动机，在起动时的催化剂激活时间减少了10%，高负荷工况下的催化剂温度降低了100 ℃。结果表明，KF-VE7型发动机的排放指标相比2018年的废气排放标准改善了75%，KFVET2型发动机则降低了50%。

3.3 提高KF-VET2型发动机的最大扭矩

为提高整机动力性能，研究人员提升了KF-VET2型发动机的最大扭矩，并使其0~100 km/h的加速时间相比原KF型发动机缩短了1 s。为实现本目标，研究人员根据车辆仿真分析，计算出该款机型的扭矩特性曲线，使目标最大扭矩相比原KF型发动机提高了9%，可达100 N·m。

为实现设计目标，研究人员除了引进与KF-VE7型发动机同样的燃烧技术之外，还进一步提高了增压压力，并使中冷器大型化。同时，研究人员通过采用增压压力控制技术，使发动机实现了预设的扭矩特性曲线。

 

4 其他相关技术

除此以外，研究人员还为新款KF发动机设定了如下技术方案：（1）提高水泵流量以改善冷却；（2）降低摩擦（采用全浮式活塞，低黏度润滑油，树脂涂层轴承衬瓦等）；（3）提高EGR 阀的响应性；（4）使EGR中冷器进一步实现高效化。

5 结语

从文中发动机改善废气排放的效果来看，研究人员将KF-VE7型发动机配装于轻型车，使废气排放相比2018年的排放标准首次实现了优化75%的目标。KF-VET2型发动机则实现了优化50%的目标。与原KF型发动机相比，KF-VE7型发动机的燃油经济性改善了5%，KF-VET2型发动机改善了4%。就最高热效率而言，KF-VE7型发动机相比原KF型发动机提高了2.6%，KF-VET2型发动机则提高了2.0%。同时，热效率为30%的工作区域也得以大幅扩展。KF-VET2型发动机除了改善燃油经济性之外，最大扭矩相比原KF型发动机提高了9%。

本文发表于《汽车与新动力》杂志2021年第1期

作者：［日］三戸康裕等

编辑：jq