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厲害了!斯巴魯BRZ GT300發動機EJ20解讀!

粉絲少了,肯定要發文章啊,不發沒有粉絲啊。

做生意這方面, 做生意是不可能做的, 這輩子都是不可能做生意的。

賣車又會不賣, 就是寫這種東西, 才能維持得了粉絲這樣子。

哈哈哈, 言歸正傳, 要我解讀斯巴魯GT300組的EJ20, 我肯定是沒那個水準, 不過以下這三個人嘛肯定沒問題!他們分別是:

斯巴魯技術國際股份公司—動力技術部—動力系統開發組主任:土岐文二

斯巴魯技術國際股份公司—動力技術部—動力系統開發組主查:小澤正弘

富士重工業股份公司—斯巴魯技術本部—引擎設計部主查A3主查:岩井智俊

首先來看看BRZ GT300的EJ20的主要部件

發動機資料

發動機號:EJ20

結構:水準對置4缸雙頂置凸輪軸16氣門單渦輪

排量:1994cc

中缸材料:鋁合金

氣門驅動方式:直動

缸徑×衝程:92.0mm×75.0mm

壓縮比:10.0以上

馬力:221千瓦以上/6000轉

扭矩:450牛米以上/4000轉

進氣限制器:直徑37.5mm×1

渦輪:IHI制

機油供給系統:幹式油底殼

機油:摩特300V(15W-50)

照片是從前方拍攝的, 可以看到排氣是4合1然後到渦輪, 齒型皮帶驅動凸輪軸, 還能看到短裙活塞, 這台EJ20縱置在機艙防火牆的略微前面一點, 僅用於驅動後輪。 前面的半軸和方向機放在發動機的前面, 完全的FMR 佈局。

幹式油底殼

油底殼採用了幹式, 只給需要潤滑的部分提供適量的機油進行潤滑, 雖然在過去的賽用EJ20也採用這個方式, 但是BRZ GT300上的這套系統是完全重新設計的, 缸體下邊配置了2枚葉片的羅茨4連裝油泵。

燃料噴射系統

這張圖片是缸體上邊的油軌部分。 將燃料噴射到進氣歧管的噴射方式和WRC用的EJ20一樣, 不過進氣歧管和WRC的EJ20略微不同。 在裝車狀態下, 油軌附近應該還有各種電線。

氣缸

與民用EJ20相比, 活塞側裙部分更短。 火花塞配置在燃燒室中央部分。 進氣氣門(上側)和排氣氣門(下側)形成的氣門夾角和民用的一樣。 雖然近年來賽車發動機有縮小氣門夾角來抑制燃燒室表面積的傾向, 但是EJ20還是和以前一樣採用了屋脊式燃燒室。

渦輪

IHI制渦輪和排氣管的結合部分,WRC的EJ20雖然是4-2-1,但是GT用以車輛搭載前提為最優先事項,採用了4-1的不等長排氣歧管。渦輪側的渦管形狀並不是最適合4-1集合的。

進氣限制器

圖上像喇叭一樣的東西就是進氣限制器,內部直徑37.5mm,發動機的進氣只能從這個地方進入,它的後邊是渦輪的進氣壓縮機。

油泵

缸體正下方的油泵,為了將發動機搭載位高度降到最低,採用了直徑小的2枚葉片的羅茨4連裝油泵(結構和機械增壓的羅茨式一樣),驅動油泵的動力來自於曲軸。

左右側缸體的連接部分有一個很大的缺口,正好把油泵當成一個蓋子裝在這裡。

曲軸

水準對置發動機特有的曲軸,曲柄非常薄。WRC用EJ20連曲軸的平衡塊都沒有,但是GT用的曲軸平衡塊卻很普通。曲軸使用鉻鉬鋼製造並經過窒化處理和超精密的加工。

節氣門

經過壓縮的空氣會通過這個節氣門最後進到氣缸裡,這個節氣門的後邊分成了4條進氣道,在進氣道之後就是進氣歧管了。

活塞

活塞冠面和WRC用EJ20的活塞一樣。壓縮比10.0以上,但是比起WRC用EJ20的12.25還是要低很多。

連杆

連杆是由SNCM(鎳類金剛石)鍛造切削加工而成,機油通過大小端部內的機油孔進行潤滑,機油孔的開孔位置和潤滑方式屬於中央潤滑式,機油孔也是經過超精密加工的。

凸輪軸

凸輪軸是從整塊的鍛造材料上加工出來的。表面的黑色是類金剛石碳塗層。進氣/排氣的升程是11mm,和WRC的EJ20一樣,不過根據發動機的特性,凸輪形狀和WRC用完全不一樣。

氣缸周圍

水準對置發動機寬度大,燃燒室-氣缸頭的設計需要花很大的功夫。GT300的EJ20將氣門夾角縮小,把燃燒室設計得更緊湊,這也導致了發動機變得更寬。

BRZ GT300機艙圖片,左右側的黑色隆起是輪拱,圖片中央偏後邊就是發動機,S型的進氣管道和渦輪值得留意。

Super GT用EJ20解讀

WRC用EJ20在3000轉附近能夠產生近700牛米的扭矩,這是因為比賽規則要求在渦輪的壓縮機側安裝直徑34mm的進氣限制器。即使排氣能夠輕鬆推動渦輪葉片轉動,但是吸氣側的進氣口直徑只有34mm,增壓值在3500轉附近就會達到極限。

這樣的話,高轉速下的扭矩就很悲劇了,不過WRC根本就不需要高轉速,高轉下的扭矩並沒有實際意義。所以WRC的賽車發動機設計主流是只要發動機轉速超過怠速區間,增壓就介入了。拉力賽比的是通過SS區間的時間,最後把每段SS區間的成績加起來決定排名。比賽都是單車進行,不會出現和其它車一起混跑的情況。對於如何以最快的時間通過比賽區間,我們認為就是要讓發動機在低、中轉速區間擁有強大的扭矩。

不僅要讓轉速的上升變得敏捷,轉速的下降也要同樣敏捷。所以曲軸的平衡塊被去掉了。賽車手對油門的微妙控制會直接反映到發動機轉速上,只要一收油,轉速便迅速下降,一給油,增壓便毫無延遲地到來。時刻變化的路面狀況對發動機的扭矩性能有很高的要求,WRC用EJ20通過敏捷的反應和低、中轉速區間的強大扭矩,贏得了WRC的冠軍。

上圖是2007年翼豹WRC的機艙,發動機搭載位置和民用的一樣。發動機上方放置了分線箱,渦輪在發動機正後方,中冷在車輛前方。

上面簡單介紹了一下WRC的EJ20,現在來看看超級GT用EJ20。賽道上參賽車輛都是同時起跑,誰能最先通過終點誰就能奪冠,賽道是固定的,只要天氣和比賽時間不出現大的變化,所有外在環境都是相同的,發動機的轉速也只是根據直線長度和彎道而發生變化。直線上的最大動力和全油門的加速能力才是重要的,低轉速的扭矩並不像拉力賽那麼受重視,直線上油門操作也只有大開大合兩種方式。

也就是說,拉力賽和場地賽對發動機的要求完全不同。

從上邊2張圖可以看出來,日本拉力全SS區間,發動機有72%的比例工作在3000-5250轉,5500轉以上的使用率不到10%。富士賽道上發動機有68%的比例工作在5000-6000轉。雖然賽道上邊發動機的轉速會根據彎道半徑和彎道數量發生變化,但是比起拉力用發動機工作轉速還是高多了。

各種比賽對發動機特性所提出的不同要求自然也會反映到設計上。GT300用EJ20比起WRC用EJ20是往高轉的方向設計的。我們來看一下GT300用EJ20的各個部分。

首先,GT300的缸體和民用EJ20相同,WRC的也和民用相同。缸體是鋁合金製造的半封閉是缸體,氣缸頭側能看到冷卻水路露出來,曲軸由5個軸承支撐。缸體自身是民用品。不是專門為比賽設計的,以民用的狀態去參加比賽,這就是斯巴魯所說的【水準對置的驕傲】。

燃燒室的設計上,民用/GT300/WRC也幾乎相同。只是進/排氣門的夾角略大,形成了典型的屋脊式燃燒室。每個缸進/排氣門各2根,和民用一樣採用了直動式。在4根氣門的中央放置了火花塞,火花塞採用賽車發動機經常用的沿面型(沿面型就是不帶接地電極,外周整個一圈作為接地電極,優點是不容易失火,減小爆震的幾率,缺點是低溫始動性不太好,而且只有高熱價的。轉子發動機的火花塞也是這種類型)。點火線圈使用了強化型,但是火花發生時間和民用的一樣。氣門彈簧流用WRC的,GT300的EJ20在7000轉斷油,彈簧完全沒有問題。

氣門重疊角(就是進/排氣門同時打開的時間)遠遠大於民用EJ20,但是比WRC的小。因為不想把本來就受到限制的進氣量再用到掃氣上邊(就是把燃燒室裡邊的廢氣趕到排氣口去)。GT300的EJ20還很重視燃油經濟性,如果省油的話可以減少進入維修站的時間。

WRC用EJ20在最大功率下的空燃比略微高於理論空燃比,酸素過剩率在0.83附近。酸素過剩率為1的時候等於理論空燃比,1以上為稀薄燃燒,1以下為混合氣偏濃。GT300用EJ20在最大功率下的酸素過剩率在0.9附近。最新的民用發動機油門全開的情況下混合氣也是偏濃的。氧感測器在4條排氣管合成一條的位置,通過觀察酸素過剩率,回饋資訊給ECU來調節噴油。安裝三元催化器的民用車也是用的這一套控制方法,當然超級GT也要求賽車必須裝備三元催化器。

動力傳輸部件那一塊的話,曲軸使用鉻鉬鋼製造並經過窒化處理和超精密的加工。凸輪軸是從整塊的鍛造材料上加工出來的,表面有類金剛石碳塗層。它們都是經過WRC考驗的零部件。

潤滑系是完全重新設計的,WRC雖然禁止使用幹式油底殼,但超級GT卻允許使用。幹式油底殼降低了發動機的高度,4連裝的油泵通過皮帶連接曲軸,並由曲軸驅動。曲軸對油泵的驅動是不到2倍的增速驅動(因為油泵的齒輪比曲軸普利要小)。由於水準對置發動機的氣缸分別在兩側,但是又必須從兩側回收同等量的機油,很有難度。在缸體這個密封的空間裡充滿了空氣,發動機也總是朝一個方向轉動,所以會在缸體了產生空氣的流動,如果不採取什麼辦法阻擋空氣的流動的話,就無法均等地回收兩側氣缸的機油。GT用EJ20在缸體內設置隔板阻擋氣流可是費了大把功夫。

排氣系的設計和WRC用EJ20完全不同。08年的WRC採用了4-2-1集合,這種結構很占地方,GT用改為了4-1集合,渦輪放在發動機前方,將搭載性和機艙的佈局作為最優先事項。排氣管裝在車上的時候看上去很長,這是因為要繞過很多其它零件所致。

另外渦輪在發動機前方,所以進氣管的長度也增加了。我們本來是想縮短連通管(這個我還真不知道他說的連通管是哪個地方,誰能猜出來)長度獲得排氣脈動,但這已經不可能實現,於是我們採用了WRC時代的思想,既然不能縮短連通管長度,那麼就把遲來的壓力運用到下一個衝程好了。吸排氣系的改裝手法和一般的直4,V6/V8還是不一樣。

在耐用性和信賴性上,GT300用EJ20還是比不上WRC用EJ20,08年的WRC規定1台發動機要跑三站,而斯巴魯在此之上還把發動機的耐用性提高了30%,GT300不需要這麼高的耐用性,所以發動機可以做得輕量化。零部件的生命週期GT300要遠大於WRC。

IHI制渦輪和排氣管的結合部分,WRC的EJ20雖然是4-2-1,但是GT用以車輛搭載前提為最優先事項,採用了4-1的不等長排氣歧管。渦輪側的渦管形狀並不是最適合4-1集合的。

進氣限制器

圖上像喇叭一樣的東西就是進氣限制器,內部直徑37.5mm,發動機的進氣只能從這個地方進入,它的後邊是渦輪的進氣壓縮機。

油泵

缸體正下方的油泵,為了將發動機搭載位高度降到最低,採用了直徑小的2枚葉片的羅茨4連裝油泵(結構和機械增壓的羅茨式一樣),驅動油泵的動力來自於曲軸。

左右側缸體的連接部分有一個很大的缺口,正好把油泵當成一個蓋子裝在這裡。

曲軸

水準對置發動機特有的曲軸,曲柄非常薄。WRC用EJ20連曲軸的平衡塊都沒有,但是GT用的曲軸平衡塊卻很普通。曲軸使用鉻鉬鋼製造並經過窒化處理和超精密的加工。

節氣門

經過壓縮的空氣會通過這個節氣門最後進到氣缸裡,這個節氣門的後邊分成了4條進氣道,在進氣道之後就是進氣歧管了。

活塞

活塞冠面和WRC用EJ20的活塞一樣。壓縮比10.0以上,但是比起WRC用EJ20的12.25還是要低很多。

連杆

連杆是由SNCM(鎳類金剛石)鍛造切削加工而成,機油通過大小端部內的機油孔進行潤滑,機油孔的開孔位置和潤滑方式屬於中央潤滑式,機油孔也是經過超精密加工的。

凸輪軸

凸輪軸是從整塊的鍛造材料上加工出來的。表面的黑色是類金剛石碳塗層。進氣/排氣的升程是11mm,和WRC的EJ20一樣,不過根據發動機的特性,凸輪形狀和WRC用完全不一樣。

氣缸周圍

水準對置發動機寬度大,燃燒室-氣缸頭的設計需要花很大的功夫。GT300的EJ20將氣門夾角縮小,把燃燒室設計得更緊湊,這也導致了發動機變得更寬。

BRZ GT300機艙圖片,左右側的黑色隆起是輪拱,圖片中央偏後邊就是發動機,S型的進氣管道和渦輪值得留意。

Super GT用EJ20解讀

WRC用EJ20在3000轉附近能夠產生近700牛米的扭矩,這是因為比賽規則要求在渦輪的壓縮機側安裝直徑34mm的進氣限制器。即使排氣能夠輕鬆推動渦輪葉片轉動,但是吸氣側的進氣口直徑只有34mm,增壓值在3500轉附近就會達到極限。

這樣的話,高轉速下的扭矩就很悲劇了,不過WRC根本就不需要高轉速,高轉下的扭矩並沒有實際意義。所以WRC的賽車發動機設計主流是只要發動機轉速超過怠速區間,增壓就介入了。拉力賽比的是通過SS區間的時間,最後把每段SS區間的成績加起來決定排名。比賽都是單車進行,不會出現和其它車一起混跑的情況。對於如何以最快的時間通過比賽區間,我們認為就是要讓發動機在低、中轉速區間擁有強大的扭矩。

不僅要讓轉速的上升變得敏捷,轉速的下降也要同樣敏捷。所以曲軸的平衡塊被去掉了。賽車手對油門的微妙控制會直接反映到發動機轉速上,只要一收油,轉速便迅速下降,一給油,增壓便毫無延遲地到來。時刻變化的路面狀況對發動機的扭矩性能有很高的要求,WRC用EJ20通過敏捷的反應和低、中轉速區間的強大扭矩,贏得了WRC的冠軍。

上圖是2007年翼豹WRC的機艙,發動機搭載位置和民用的一樣。發動機上方放置了分線箱,渦輪在發動機正後方,中冷在車輛前方。

上面簡單介紹了一下WRC的EJ20,現在來看看超級GT用EJ20。賽道上參賽車輛都是同時起跑,誰能最先通過終點誰就能奪冠,賽道是固定的,只要天氣和比賽時間不出現大的變化,所有外在環境都是相同的,發動機的轉速也只是根據直線長度和彎道而發生變化。直線上的最大動力和全油門的加速能力才是重要的,低轉速的扭矩並不像拉力賽那麼受重視,直線上油門操作也只有大開大合兩種方式。

也就是說,拉力賽和場地賽對發動機的要求完全不同。

從上邊2張圖可以看出來,日本拉力全SS區間,發動機有72%的比例工作在3000-5250轉,5500轉以上的使用率不到10%。富士賽道上發動機有68%的比例工作在5000-6000轉。雖然賽道上邊發動機的轉速會根據彎道半徑和彎道數量發生變化,但是比起拉力用發動機工作轉速還是高多了。

各種比賽對發動機特性所提出的不同要求自然也會反映到設計上。GT300用EJ20比起WRC用EJ20是往高轉的方向設計的。我們來看一下GT300用EJ20的各個部分。

首先,GT300的缸體和民用EJ20相同,WRC的也和民用相同。缸體是鋁合金製造的半封閉是缸體,氣缸頭側能看到冷卻水路露出來,曲軸由5個軸承支撐。缸體自身是民用品。不是專門為比賽設計的,以民用的狀態去參加比賽,這就是斯巴魯所說的【水準對置的驕傲】。

燃燒室的設計上,民用/GT300/WRC也幾乎相同。只是進/排氣門的夾角略大,形成了典型的屋脊式燃燒室。每個缸進/排氣門各2根,和民用一樣採用了直動式。在4根氣門的中央放置了火花塞,火花塞採用賽車發動機經常用的沿面型(沿面型就是不帶接地電極,外周整個一圈作為接地電極,優點是不容易失火,減小爆震的幾率,缺點是低溫始動性不太好,而且只有高熱價的。轉子發動機的火花塞也是這種類型)。點火線圈使用了強化型,但是火花發生時間和民用的一樣。氣門彈簧流用WRC的,GT300的EJ20在7000轉斷油,彈簧完全沒有問題。

氣門重疊角(就是進/排氣門同時打開的時間)遠遠大於民用EJ20,但是比WRC的小。因為不想把本來就受到限制的進氣量再用到掃氣上邊(就是把燃燒室裡邊的廢氣趕到排氣口去)。GT300的EJ20還很重視燃油經濟性,如果省油的話可以減少進入維修站的時間。

WRC用EJ20在最大功率下的空燃比略微高於理論空燃比,酸素過剩率在0.83附近。酸素過剩率為1的時候等於理論空燃比,1以上為稀薄燃燒,1以下為混合氣偏濃。GT300用EJ20在最大功率下的酸素過剩率在0.9附近。最新的民用發動機油門全開的情況下混合氣也是偏濃的。氧感測器在4條排氣管合成一條的位置,通過觀察酸素過剩率,回饋資訊給ECU來調節噴油。安裝三元催化器的民用車也是用的這一套控制方法,當然超級GT也要求賽車必須裝備三元催化器。

動力傳輸部件那一塊的話,曲軸使用鉻鉬鋼製造並經過窒化處理和超精密的加工。凸輪軸是從整塊的鍛造材料上加工出來的,表面有類金剛石碳塗層。它們都是經過WRC考驗的零部件。

潤滑系是完全重新設計的,WRC雖然禁止使用幹式油底殼,但超級GT卻允許使用。幹式油底殼降低了發動機的高度,4連裝的油泵通過皮帶連接曲軸,並由曲軸驅動。曲軸對油泵的驅動是不到2倍的增速驅動(因為油泵的齒輪比曲軸普利要小)。由於水準對置發動機的氣缸分別在兩側,但是又必須從兩側回收同等量的機油,很有難度。在缸體這個密封的空間裡充滿了空氣,發動機也總是朝一個方向轉動,所以會在缸體了產生空氣的流動,如果不採取什麼辦法阻擋空氣的流動的話,就無法均等地回收兩側氣缸的機油。GT用EJ20在缸體內設置隔板阻擋氣流可是費了大把功夫。

排氣系的設計和WRC用EJ20完全不同。08年的WRC採用了4-2-1集合,這種結構很占地方,GT用改為了4-1集合,渦輪放在發動機前方,將搭載性和機艙的佈局作為最優先事項。排氣管裝在車上的時候看上去很長,這是因為要繞過很多其它零件所致。

另外渦輪在發動機前方,所以進氣管的長度也增加了。我們本來是想縮短連通管(這個我還真不知道他說的連通管是哪個地方,誰能猜出來)長度獲得排氣脈動,但這已經不可能實現,於是我們採用了WRC時代的思想,既然不能縮短連通管長度,那麼就把遲來的壓力運用到下一個衝程好了。吸排氣系的改裝手法和一般的直4,V6/V8還是不一樣。

在耐用性和信賴性上,GT300用EJ20還是比不上WRC用EJ20,08年的WRC規定1台發動機要跑三站,而斯巴魯在此之上還把發動機的耐用性提高了30%,GT300不需要這麼高的耐用性,所以發動機可以做得輕量化。零部件的生命週期GT300要遠大於WRC。

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