马自达跑车专用的汽油发动机

摘要

开发这款发动机的初衷是为了进化跑车动力单元，这可以说是马自达一贯追求“驾驶乐趣”的象征，让更多人感受生活的精彩……高效率直喷汽油发动机“SKYACTIV-G”是为了在高水平上实现驾驶乐趣和环境性能而开发的，引入了改善燃烧、降低机械阻力和声音进化的新技术为了达到理想的性能感觉，新开发了所追求的引擎。本文介绍了这一开发理念以及实现它所采用的突破性技术。

1.前言

从第一代开始，Roadster的开发纯粹是为了追求“人车合一”的乐趣，它像操纵一匹马一样奔跑，始终如一地相互交流。开发了一种动力装置，通过增加线性、高速范围的舒适性来进一步提升驾驶乐趣，适用于没有压力的跑车，以及汽车对驾驶员意图的顺从反应的舒适性。

在本文中，“NewRoadsterSKYACTIV-G2.0”（以下简称新车型）的开发理念和实现，通过提高转速和输出，演变成适合其性能的声音，以实现理想的演奏感觉及其实现。介绍所采用的新技术。

图1Roadster的新SKYACTIV-G2.0

二、概念与性能

2.1概念

年12月在日本推出的RoadsterRF，搭载SKYACTIV-G2.0，在优异的环保性能和驾驶性能之间取得了高水平的平衡，搭载FR实现扭矩的舒适驾驶（以下简称作为旧模型）。作为新装的发动机，专注于实现以下概念，以进一步进化“驾驶的乐趣”。

?适合跑车的高转速感觉良好的理想拉伸感

?让您在日常生活中更舒适地加速的轻盈感

?适合新开发发动机的环保性能

?对驾驶员意图线性响应的响应和声音

2.2输出性能

最大转数设置为rpm，目的是实现加速持续高转速的增长感，这在SKYACTIV-G1.5Roadster中很受欢迎。为了在最高端平稳地感受加速度，目标是具有高转速和低落差的温和扭矩特性，从最大扭矩超过一定水平。因此，在转时，扭矩比旧型号提高了5%，转时最大输出为千瓦。

为了不仅提升高转速带来的拉伸感，也提升日常生活的舒适度，还提升了中低速扭矩。转时扭矩提升7%，常用于城市驾驶，最大扭矩提升至牛米。创造了在任何驾驶场景下踩油门都能享受到的宽大和扭矩特性，在rpm至rpm时发挥最大扭矩的90%或更多（图2）。

图2发动机性能

通过增加进气量和减少泵气损失，以及改善燃烧和降低机械阻力来实现高转速范围内的扭矩。具体来说，为了增加进气量，减小了节气门、进气歧管和进气口的通风阻力，增大了进气门的直径。为减少泵气损失，扩大了排气门开度和排气门，减小了排气口、排气歧管和主消音器的排气阻力。通过改进主运动系统降低了机械阻力。通过改进进排气口和燃烧室，改变燃油喷射系统，实现了燃烧改进。在中低速范围内，由于燃烧改善的效果，通过显着提高抗爆性来提高扭矩。

2.3燃油效率

不仅性能手感得到了提升，环保性能也得到了提升。如果使发动机高速旋转，机械阻力会增加，例如气门弹簧张力增加，从而导致燃油经济性变差。通过降低主动力系统的机械阻力和改进燃烧技术，从轻载到高载的整个范围内，燃油效率都得到了提高，在转/分时最大提高了5%（图3）。

图3油耗

2.4声音、响应

除了改善扭矩特性之外，还可以享受更多的声音驾驶。在加速到最高端的场景中，声音与发动机速度呈线性关系。在日常生活中，做了这样的设计，可以根据油门操作感受反馈，增强与汽车在一起的感觉。

噪音也被降低以创造声音。通过提高气缸盖的刚度和减轻主运动系统的重量，发动机在高转速范围内的振动得到了降低。此外，新开发了双质量飞轮，通过将曲轴的旋转振动传递到驱动系统来降低手动变速器产生的噪音。除了机械噪音，新开发了一种消音器，可以抑制排气声中包含的噪音成分，可以将您想听到的声音排成一行。

表1规格

3.突破性技术

3.1燃烧改进技术

燃烧改进是实现高速和中低速扭矩改进和提高燃油效率的最佳突破性技术。这是通过检查气缸盖的进气/排气口和燃烧室并增加燃油系统的压力来实现的。尤其是进气口既需要降低进气阻力以增加输出，又需要加强进气流量以改善燃烧所需的二律背反功能（图4）。

图4目标流量性能

旧款采用独立端口，有利于产生强大的缸内流动，而新款使用低阻力的公共端口，横截面积扩大了17%。如果扩大面积使其成为公共端口，则端口中的流速会下降，从而导致缸内流量减少。因此，在进气口底部的边缘角度进行了铺设，以增强流动的方向性，优化了进气口的分支位置和横截面积，并在进气门周围的燃烧室中设置了台阶已实现比旧型号高27%的滚翻率（图5）。

此外，活塞顶部经过优化，可在压缩过程中加速翻滚。因此，缩短燃烧周期所需的压缩上止点处的湍流能量比旧型号增加了50%。

对于燃油系统，通过利用年2月推出的新型CX-5采用的高压喷射系统，将其与增强的滚流相结合，促进了混合。

图5进气运动

对排气口的形状进行了重新设计，以改善气缸内残留气体的排放。通过抑制气流分离，有效截面积扩大，气体流量提高18%，降低泵损，提高扫气性能（图6）。

图6排气口气体流量

由于这些影响，燃烧周期缩短，抗爆震性能显着提高（图7）。

图7散热

3.2机械减阻技术

新开发的主要运动系统部件作为一项突破性技术，最大限度地减少了随着高转速而增加的往复运动系统的惯性力，减轻了重量，减少了发动机振动，并进一步降低了机械阻力。特别是由于活塞的惯性力作用在连杆和曲轴上，使活塞本身的重量减轻了10%以上，整个主运动系统的重量也减轻了。

对于活塞，新开发了裙边探针，在抑制活塞在气缸内的倾斜运动的同时，与旧型号相比，裙边的面积减少了30%。此外，通过优化燃烧室后部与活塞销凸台一体化结构，使壁薄高刚性，燃烧室侧壁厚最多可减少38%，重量可减轻。每片减重27g，实现了（图8）。

图8活塞

连杆采用了新开发的高强度连杆螺栓。此外，各部分的形状都经过优化以匹配轻量化活塞，在确保高速下所需刚性的同时减轻了重量。

曲轴已更改为高强度材料，并通过减少制造过程中的拔模量和安排最佳重量来实现高效平衡。通过改进整个主电机系统，系统的总重量已经降低到与旧型号相同的水平。（图9）

图9主运动系统重量

当转速增加时，活塞环的滑动速度增加，活塞环与缸套之间产生的油膜压力增加。结果，环不能刮掉的油量增加，油耗增加。通常，增加活塞环的张力，使油膜厚度在高转速时合适，但这会导致机械阻力增加。新机型采用纵向不对称造型，增强刮油功能，张力比旧机型降低38%，既降低阻力，又降低油耗。

3.3传动系减振技术

随着发动机转速的增加，往复惯性力增加，曲柄轴上的旋转波动增加。此外，由于低到中速扭矩的增强，燃烧激振力会增加。在任何一种情况下，输入到变速器的扭矩波动都会增加，降低驱动系统噪音成为一个问题。低惯性任务车辆，由于抑制驱动系统噪音随着高转速和高输出而增加和保持适合跑车的性能感觉性能（轻响应）的矛盾突破。惯性双质量飞轮（以下简称低惯性DMF)是新开发的。（图10）

图10小惯性DMF

手段包括降低激振力（增加发动机旋转系统的质量）或降低驱动系统弹簧的刚度。然而，由于车辆对加速操作的加速响应变慢以及驱动系统振动的收敛性变差，这两种方式都与响应性能发生冲突。这两种性能相互矛盾，通过控制驱动系统的扭转共振频率来实现两种性能。具体来说，控制驱动系统振动收敛的扭力一次共振频率与旧型号相同，控制驱动系统异常噪声的二次共振频率较低，以提高减振性能。（图11）

对于一阶共振，发动机侧质量的惯性被最小化，整个飞轮的惯性被抑制到与旧模型相同的水平，并且频率下降被抑制。在发动机侧降低惯量时，积累飞轮转动惯量能量的基本功能就降低了。使用MBD，验证了所有驾驶场景、选定的零件规格和优化的发动机控制。

图11传动系统频率比较

因此，与传统的乘用车DMF相比，整体惯性降低了40%，实现了与实心飞轮相当的低惯性。

对于二次共振的频率，优化了传输侧质量的惯性以降低频率。在设计变速器侧的质量时，考虑到壳体内的空气流动，重量被彻底减轻，因此附加质量将是离合器热容量所需的最小值。因此，与旧型号相比，跳动声的响应水平降低了约75%。通过采用这项技术，可以在保持与旧型号相同的性能感觉性能的同时显着提高安静度（图12）。

图12噪声改善对比

3.4产生排气声

旧的排气声是轻微的排气声，类似于Roadster的1.5L发动机。新车型的开发是为了面对Roadster的1.5L特性并充分表达其强大的特性。

为了清晰地播放出强劲声音的主要组成部分发动机的阶次声，设置了一个吸音室，将气体流过排气管时产生的高频声音静音，以增强发动机的质感声音。根据排气声，根据转数线性增加声压，从驾驶的角度设置声压增加的区域。在日常驾驶场景中，发动机转速经常使用在转以下，所以排气声以副发动机为中心，这是发动机的基本顺序，不失线性，使发动机转速的变化即使在rpm或更低的速度下也可以很容易地理解。声压增加了（图13）。

图13尾管排气声

结果，声音对油门工作的反馈增加，驾驶员可以通过声音（听觉）准确地掌握发动机的状态，并且平稳准确的换档操作变得容易。此外，即使轻轻踩下油门也很容易获得反馈，因此即使在跟随前方车辆加速和在交叉路口减速等场景中，它也可以支持随心所欲的驾驶。

故意增加声压以改善排气声的反馈，但为了实现舒适的声音，着重区分了“驾驶所需的声压”和“不会感到嘈杂的声压”。驾驶员感觉“嘈杂”的程度和场景取决于车辆是主动还是被动，在驾驶员有意换档的MT车辆和换档的AT车辆之间。我们验证了每辆MT车和AT车的使用面积，改变了消声器的膨胀室/谐振器的调音，并构建了它，以便可以体验到最好的排气声（图14）。

排气声音的精细调整需要复杂的结构，但非常谨慎地设计它，使其不直接撞击气流路径以减少排气损失。通过控制气体流量，获得了理想的结构，在获得理想的排气声的同时降低了压力损失（图15）。

图14AT和MT主消声器的概念

图15主消声器中的气流

4。结论

介绍了专为Roadster新开发的SKYACTIV-G2.0所使用的主要技术。除了介绍之外，还重新设计了进气/排气系统、气门机构和冷却系统等特殊部件，能够完成发动机，以便在任何场景下都可以随时享受。希望更多人在搭载新引擎的敞篷跑车中感受到“驾驶的乐趣”，将生活的辉煌传递给尽可能多的人。

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