1 硬件设计

一般来说，自然吸气发动机最大的优势是响应快，但是受制于充填效率，其最大功率还存在不足。为了在CX-9上提供一款足够动力的车辆，且从马自达自身资源、能力角度出发，开发了2.5T涡轮增压发动机（图1）。在开发立项前期，马自达也对各个主流的涡轮发动机做了benchmark，发现目前主流的涡轮增压发动机有一些弊端，首先是涡轮迟滞严重影响到驾驶舒适性；其次涡轮虽然功率扭矩提高但是对结构设计有了新要求，不利于控制成本；再次涡轮增压发动机在中小负荷下应对法规排放有优势，实际行驶工况的中高负荷油耗高、排放差。

在设计初期，马自达希望一方面能突出涡轮增压的优势，另一方面也可以继承自然吸气的特征。因此，提出开发的3个指标：

1.与4L大排量自然吸气发动机同样的高扭矩输出；

2.无涡轮迟滞的加速性能；

3.继承SKYACTIV-G高压缩比和低机械阻力的构造来实现卓越的油耗和排放性能。

本文就从这三点出发，介绍这款发动机导入的新技术。

1.2 发动机开发概要

马自达公司规模有限，核心开发人员远远少于一线品牌，因此，在设计中，必然存在一些取舍。根据马自达品牌战略，在设计初期，这款发动机的目标制定如下：

• 在常用工况下，与V6同等以上的扭矩输出和加速响应

• 法规工况优异燃油经济性

• 实际驾驶的油耗表现也要改善

• 机体小型化、轻量化，在已有平台上修改

• 确保能够搭载在现款整车平台

目前，市场上主流的涡轮增压发动机，在加速初期存在涡轮迟滞，不符合马自达随心所欲驾驶的品牌理念。因此，为了保证加速初期的响应性与加速后半大扭矩要求的衔接，也考虑到CX-9平台的尺寸与重量，马自达选择了在自身2.5L排量自然吸气的基础上加入马自达独有技术的动态压力涡轮（Dynamic Pressure Turbo）系统。并且，不能只追求法规认证油耗，在常用工况下也必须做油耗的改善。比如通过低温废气再循环系统（Cooled EGR）减少中高负荷下的过浓补偿，并同时抑制了高负荷的爆震，实现了广域的高燃效区间。这个Cooled EGR系统，不但可以在降低高转速高负荷的燃烧温度，也能够减少燃烧室周边的热负荷，气缸周边的冷却孔得以省略，气缸之间的间隙也不需要进行特殊的改造，让沿用现款SKYACTIV-G发动机的基本构造成为了可能。在装配性、成本、可靠性、人力等方面都不同程度的减少了投入。

1.3 发动机系统

表1为主要的硬件参数，以SKYACTIV-G 2.5L NA发动机为基础，气缸直径、活塞行程、型式等基础构造和喷油器、燃油泵等喷射系统没有改变，具备和SKYACTIV-G高效燃烧的潜力，并且引入动态压力涡轮和低温EGR系统。除此之外，为了保证涡轮增压状态下活塞在上止点的最大燃烧压力和2.5L NA发动机一致，压缩比从13调整到10.5，压缩比10.5在同级别具有领先水平。

1.4 发动机性能

1.4.1 功率

在CX-9上，为了评价涡轮响应性，让涡轮迟滞限定到人体感知不到的程度，各时间段的加速度的目标如图2所示，绿色为涡轮增压2.5T发动机，深蓝色为某V6 3.7L排量自然吸气发动机，可以看出，马自达涡轮增压2.5T的响应性与自然吸气几乎一致，黄色为某2.0T发动机，能够明显看到它在加速过程中存在迟滞现象，加速感不够线性。

为了保证加速度，并要在中低速工况下有充足的动力性，实现了图3所示的扭矩特性图。在低标号燃料下（regular gas），低转速1250rpm就能够发挥350Nm扭矩，在2000rpm下实现最大420Nm的扭矩，最高功率达到169kW(230PS)/5000rpm（高标号燃料（premium gas）下最高功率186kW（253PS））。由此，实现了起步响应快、中低转速加速轻快、高转速有澎湃动力的状态。

1.4.2 燃油经济性

这款发动机虽然是2.5T，但是比其他友商的2.5T产品从功率扭矩看并没有优势，这里，马自达为了优先保证燃油经济性，这款发动机并没有一味的追求高功率，在客户使用频率较低的5000rpm以上的高性能区间限制在169kW（高标号燃料186kW），并且通过导入低温EGR系统，降低了热负荷，配合着基础发动机高效率低机械阻力的构造，实现了与2.5L自然吸气同等的机械阻力和重量（这点很困难，一般来说涡轮发动机多了涡轮和附属冷却装置，很难实现同自然吸气相同的机械阻力）。另外，高负荷领域，通过高滚流比下的高速燃烧和减少爆震，发动机的高效区间得到扩大。如图4所示，在2000rpm下，相比原来的3.7L V6发动机，低负荷下燃油经济性提高20%~30%，中高负荷也能提高10%以上。

基于上述的优化，发动机空燃比在理论空燃比（λ=1）的工作范围从低转速高负荷的加速工况一直延续到190km/h巡航的高速工况，并没有使用加浓喷射策略，从而杜绝了友商涡轮增压发动机法规工况油耗和实际油耗的差异过大的问题。

*加浓喷射解释：不局限于涡轮增压发动机，传统发动机也存在加浓喷射策略。主要目的是两个，一个在中高负荷尾气温度会超过950摄氏度，会加速三元催化器老化，因此在燃烧过程中多喷油，让这部分不参与燃烧的汽油吸热，控制尾气温度；另一个在全负荷下空燃比从14.7变为12.5左右，变为性能空燃比，输出扭矩得以提高。若多喷10%，则油耗上升10%，且排放大幅恶化。很多小排量涡轮增压发动机在法规测试时因为用不到高负荷所以油耗排放表现很好，但是受制于排量，真实加速时油耗反而会大幅度增加，加浓喷射就是重要的原因之一。

1.5 核心技术

1.5.1动态压力涡轮（Dynamic Pressure Turbo）系统

马自达为了实现与大排量自然吸气发动机同等的加速响应性，研发了其独特技术——动态压力涡轮系统。这个系统，能够结合排气的脉冲状况与驾驶条件进行变化，在低转速区域，利用排气压力脉冲振幅，获得气缸扫气效果并同时得到较高的涡轮驱动力，在高转速区域，降低脉冲振幅，让涡轮在高效区域工作。这套涡轮方案与降低排气干涉的双涡流涡轮方案和调整排气流速与方向的可变截面涡轮方案都不同，这是马自达独创的控制排气脉冲的新技术，图5为涡轮增压器外观图。

涡轮增压器是将尾气动能转换为驱动力的装置，这个涡轮的驱动能量Q的公式如下式，发动机排出的尾气无扩撒的保持在高压力高流速状态，进入涡轮入口，压力为Pi，这个压力能够转换为涡轮的驱动力。

Q：涡轮驱动能量

Cp：定压比热容

Ti：涡轮入口温度

nt：涡轮效率

Pi：涡轮入口压力

Po：涡轮出口压力

k：比热容

根据这个公式原理，重点在于保持尾气的高压力和高流速，对此，马自达开发了体积最小且能够抑制排气干涉的排气管，并搭载在涡轮增压器之前。

在1620rpm以下工况，在控制单元的信号下，排气旁通阀（蝴蝶阀）处于关闭状态下，废气只能通过较细的管路到达涡轮，从而加快了废气流速，增强推动涡轮转动的废气脉冲强度，使涡轮提速更快，同时，旁通阀关闭效果让其他气缸处在低排气背压的状态，在overlap区域，强化扫气效果，使得气缸内残留的尾气降低，实际的充填效率得到提升。这两个效果的加成，能够获得最大15%扭矩提高（如图6所示）。

*气缸扫气解释：所谓扫气，就是发动机在进气过程中，同时打开进气门排气门，让进气门进入的新鲜空气把未排出的废气从排气门赶走的过程。通过扫气，可以提高进气效率，同时降低燃烧室内的温度，式提高扭矩、抑制爆震的手段之一。其中进气门排气门同时打开的角度（时间）为气门重叠角，简称overlap。

在1620rpm以上工况，排气旁通阀打开，可以获得以下两个效果。1.排气脉冲在其他气缸管路扩撒，降低排气背压；2.保证必要的排气管路直径，确保较大的A/R（管路面积Area/涡轮半径Radius，通过这个值的大小来判断涡轮增压器性能）来达到足够的增压效果。通过这套结构，提高了过渡工况下增压系统的控制性，并提高了低转速到高转速广域的扭矩和响应性。这个动态压力涡轮与传统的单涡轮或者双涡轮相比，具备明显的优势。

现在，我们来介绍下动态压力涡轮的硬件结构。该发动机采用了无排气干涉的4-3-1排气歧管，采用了集成式气缸盖，促进高温废气与发动机冷却液的热交换。4-3-1布局如图7所示，内部结构示意图如图8所示，通过排气旁通阀能够切换低速和高速歧管。

这个系统与双流道涡轮组成了如图9所示的系统。发动机各气缸的工作顺序为1-3-4-2，为了解释动态压力涡轮促进扫气的过程，我们举个例子：图中红色缸处于排气过程初段，蓝色缸处于进气行程的扫气阶段（进排气门同时打开），这样红色缸的排气气流会把蓝色缸的扫气气流从中央的排气口“吸出”，促进了蓝色缸的扫气效果，加上增压进气气流的助力，残留废气的比率得到有效降低，降低了气缸温度。每一个气缸的排气都能促进另一个气缸的扫气，使得10.5:1高压缩比的涡轮增压发动机成为现实。

*压缩比10.5:1的难度：大家可能对压缩比10.5:1没有概念，对于涡轮增压发动机来说，压缩比高了其燃烧更加剧烈，爆震难以控制，尾气温度也更高。目前丰田2.0T压缩比10:1，大众最先进的EA888压缩比9.6:1，福特的1.5T和1.0T压缩比10:1，当然这里也要考虑涡轮的进气效率，总的来说，涡轮增压发动机10.5:1也是行业领先的了。

另一方面，为了保证超过900℃的尾气下，阀门正常运行和耐久性，排气旁通阀采用了耐高温材料。由于排气歧管和涡轮增压器组成的复杂形状，研发中用CAE对热力学进行分析，对其尺寸、壁厚和形状进行了最优化，从而降低了高温下的热应力，通过使用特殊钢材，保证了可靠性。

1.5.2低温EGR系统

这个发动机另外一个独特技术为高压低温EGR系统（High-pressure Cooled EGR），如图10左边所示。目前主流的小型化涡轮发动机，为了防止高负荷领域的爆震，会采用加浓喷射和适当点火角推迟的方式，这会导致热效率恶化。法规工况下主要使用中低负荷，实际工况又会用到中高负荷，导致工信部油耗与真实油耗差异过大。为了解决这个课题，在这款发动机上，使用EGR冷却器，在高转速节气门开度全开的范围，通过导入低温不活性的尾气降低了燃烧温度，防止爆震的发生，同时维持在理论空燃比的范围也得到扩大，减少了点火角推迟量。因此，扩大了高燃效区间，实际油耗表现也得到改善。

具体EGR map范围参照图11所示，根据我个人经验，一般发动机在中负荷会引入EGR，低负荷由于进气效率较小，EGR会导致燃烧不稳定，甚至发生失火；在高负荷，EGR会阻碍发动机性能输出，且对加大扭矩变动率；像这款发动机在如此广范围大幅度的引入EGR在工程角度是有难度的。

另外，为了有效冷却高温废气，废气从排气旁通阀开始一直流到含有水套冷却的集成式EGR管路，经过气缸盖水套冷却和EGR cooler冷却这两步，降低了气体温度，让废气温度从950℃降低到150℃。这套低温EGR系统，在全开的情况下，可以让气缸间的温度降低了10℃，从而不需要诸如汽缸壁面冷却孔这类冷却方式，确保了和自然吸气发动机同样的发动机体结构，节约了设计开发成本与时间。

1.6 发动机本体、NVH、排放对应

这款发动机虽然是2.5T涡轮增压发动机，但使用的燃料却2.5L自然吸气保持一致。涡轮化后又实现了更加优异的性能输出，燃油经济性也得到提高。他从自然吸气发动机进行了一些优化，如下所示。

1.6.1 高滚流比（活塞和进气门优化）

为了和自然吸气版本保持同样的热效率，活塞冠面的形状就行了调整，压缩比从13调整到10.5。高增压下为了让燃烧室内的气体流动和2.5L自然吸气保持一致，对气缸盖中的进气门上端面进行切除，强化了进气指向性流动，气门下端也对边缘进行特殊工艺让气缸内的滚流比提高了12%。

1.6.2 连续可变容量机油泵

因为采用了涡轮系统，一方面要对涡轮进行润滑，另一方面需要加大对活塞面冷却，需要增加机油流量，油泵的额定工作流量也必然需要提高。同时，为了维持高燃效，在不需要的工况下减少机油供给，降低机械阻力。这一对立的矛盾依靠传统的机油泵是不现实的，因此采用了新开发的连续可变机油泵。通过标定设定，控制单元根据发动机转速和负荷率计算最佳的机油供给量，通过机油压力传感器实时监控、配合着电磁阀控制，让机油泵连续变化的运行。

通过对发动机机油供给量的最优化，与之前2段式可变机油泵相比，最大工作流量增加了75%，并且在法规工况下实现与2.5L自然吸气同样的平均机械负荷。

1.6.3 水套垫片

为了提高气缸间的冷却性能，气缸体水套内插入了树脂水套垫片（图12）。通过插入了垫片，控制气缸衬垫周围的冷却水量和流速。在气缸衬垫上部，提高冷却水流速，抑制气缸衬垫的温度上升，提高了可靠性。

这个水套垫片提高了冷却性能，也是让气缸间不用增加冷却水孔的一个重要原因，对发动机的轻量化、小型化提供了帮助。

1.6.4 NVH和排放对应

由于涡轮会导致燃烧压力的增加和转动系惯性质量增加，会恶化NVH性能。这款发动机通过对发动机机体和曲轴形状的优化来保证NVH性能。为了限制在低转速高增压工况下产生的口哨音（通过涡轮增压器细管的进气气流音），对涡轮管路截面面积和管路体积的比例进行调整，对进气系统的固有振频和进气脉冲频率进行调谐，错开共振点，提高静音性。在冷启动的时候，打开涡轮增压控制阀，扩大尾气流通截面，让涡轮转速从60000rpm减少至30000rpm，减少了一阶噪音。

另外，启动时让发动机转速上升，促进三元催化器的活性，对燃烧室内的燃烧分布进行均质化，点火角控制更加精密化，提高排放性能，使其能够满足USA LEV2和EU stage6的法规要求。