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中国第一款自主研发的V12发动机CA12GV |
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| http://cn.newmaker.com
5/5/2008 4:38:00 PM
第一汽车集团公司技术中心 李骏
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 2008年2月22日，我国第一款自主研发的“V”型12缸发动机——CA12GV在第一汽车集团公司技术中心（简称“一汽技术中心”）点火成功，它填补了国内高端乘用车发动机的空白，标志着我国已经掌握了顶级轿车发动机的开发技术，同时，也代表着一汽高端自主品牌开发战略的全面展开。
CA12GV发动机由一汽技术中心自主完成发动机的概念设计、工程设计和试验开发。为了满足高端轿车对节能环保以及澎湃动力的不断提高要求，这款发动机采用同时满足气道喷射和缸内汽油直喷要求的先进燃烧系统、先进的闭缸控制技术和进排气VCT技术，而且根据整车实际需要，可实现从12缸到6缸工作的自由切换，使发动机具有先进的燃油经济性和超低排放水平。
为满足“红旗”轿车以及未来其他高端车型的品质和品牌的要求，在设计开发过程中对V12发动机的节能环保技术、轻量化设计、振动噪声水平、澎湃的动力四个方面进行了重点关注，并最终实现了发动机在以上四个方面的完美平衡。
CA12GV发动机采用V型60°夹角，单缸4气门，左右列独立进排气系统。为降低发动机的重量，缸体、缸盖、进气歧管、前罩盖、气门室罩盖、机油盘上体等主要零部件均采用铝金属设计。发动机还采用了主/副双ECU联合工作技术、三层无声链传动正时系统及低噪声结构设计等当今多项汽油机先进技术。其主要技术参数及配置如表所示。
优异的节能环保技术
1.先进的燃烧系统平台
由于CA12GV发动机用于高端乘用车，一方面要满足由于高配置带来的整车重量的增加对发动机强劲动力的需求，特别是优异的中低速扭矩需求；另一方面又要满足不断严格的排放法规以及用户日益高涨的降低油耗的需求。因此，CA12GV首先采用了一汽专门开发的燃烧系统平台（见图1）。该燃烧系统平台不仅可以满足气道喷射发动机的需求，未来也可以满足汽油直喷发动机的需求。由于精心调整了进气道在发动机中低转速工况下的流速和滚流，加强了在这些工况的油气混合，使得发动机不仅可以获得优异的中低速扭矩，更可以获得优异的整车常用行驶工况油耗。在不使用排气VCT的情况下，发动机万有特性最低比油耗达241g/kWh，常用工况油耗更是达到了365g/kWh。采用排气VCT后，由于EGR率的提高，可以使油耗进一步降低5%左右。
图1 CA12GV发动机燃烧系统
2.12缸/6缸自由切换技术
12缸/6缸工作自由切换技术的开发可进一步降低发动机的油耗水平。当整车需要强劲动力大负荷运行时，12个气缸将同时工作提供整车所需要的扭矩；为避免汽油机在城市道路中低速小负荷下工作时由于泵气损失大引起的比油耗高的问题，发动机将由12缸工作模式平顺切换到直列6缸工作模式，通过停止6个气缸的工作而提高另外工作的6个气缸的负荷，使其在高效区运行，降低发动机油耗。
3.进排气VCT技术
除了采用先进的燃烧系统外，CA12GV发动机通过采用进排气VCT实现大量的内部EGR来降低NOX的排放，同时采用两个紧藕的三元催化转换器进一步实现发动机的低排放。
完美的振动噪声水平
为保证CA12GV发动机具有优异的振动噪声水平，在主要零部件的结构设计阶段就和国际先进水平样机进行了对标，测量分析了对标样机主要零部件的刚度及振动噪声特性。结构设计完成后，对主要零部件进行了详细的模态分析，保证了主要结构件的刚度和振动噪声特性达到或超过了对标机型的水平（见图2）。
图2 CA12GV发动机有限元模型
以缸体为例，CA12GV采用了“用有用的结构加强刚度”的设计理念，和传统的通过加筋提高刚度的方法相比，此方法既可以提高结构刚度，又可以控制发动机重量的增加。缸体两侧面采用回油孔结构以及精心设计的沿缸体高度方向分布的加强筋来提高缸体垂直方向的刚度；同时采用三条水平分布的加强筋提高缸体的水平刚度。左右列缸体之间铸出一个三角形通道，既可以加强缸体的刚度，又可以作为曲轴箱通风系统的通道。缸体后端采用封闭的钟型结构并辅助以加强筋来提高和变速箱的连接刚度。通过上述措施，缸体的一弯和一扭频率均比对标样机提高25%以上，使缸体具有很强的降低辐射噪声的能力。此外，该缸体采用侧向螺栓将主轴承座和缸体两侧连接起来，同时采用铸铝机油盘上体加强缸体两侧面的连接，使得缸体的刚度及降低辐射噪声的能力得到进一步提高。
通过上述措施和技术，CA12GV发动机的振动噪声水平达到了近乎完美的境界：发动机在台架运转时，将一枚1元硬币立在发动机上侧的进气歧管上，硬币会稳稳立在上面而不倒。
轻量化设计
为降低发动机重量，CA12GV发动机的缸体、缸盖、进气歧管、前罩盖、气门室罩盖及机油盘上体等主要零部件均采用铝金属设计。此外，在设计过程中对所有结构件都进行了有限元分析，降低每一克多余的重量。同时采用先进的模块化设计技术，通过将不同的零部件集成降低发动机重量。通过采取上述技术，使得6L发动机重量被控制在310kg以内。
先进而完善的设计分析
作为高端车用发动机，必须保证其动力性、经济性、排放水平以及振动噪声水平都能满足整车苛刻的要求。为达到上述各方面要求的完美平衡，在概念设计和详细设计阶段对发动机各主要零部件和系统进行了全面的CAE分析。
采用计算流体力学（CFD）软件对发动机冷却系统进行了详细分析（见图3），保证了由水泵分配到左右两列缸体、缸盖的冷却水流量偏差小于1%，同时优化了缸体和缸盖水套各部位的水流速度，保证水流都能达到满足冷却要求所需要的流速，同时不会因为流速过高而产生气蚀或压力损失过大的问题。通过精细调整从缸体到缸盖各个水孔的尺寸和位置，保证了缸盖危险部位的水流速度，特别是火花塞周围和两排气门之间的水流速度，保证了气缸盖在大负荷工作时的可靠性和耐久性。
图3 CA12GV发动机水流CFD分析
为保证发动机的可靠性和耐久性，利用有限元方法计算了缸体和缸盖的疲劳安全系数和危险点的金属温度（见图4），保证在各种发动机工况下缸体、缸盖的疲劳安全系数和温度水平都在安全界限以内。
图4 CA12GV发动机缸体温度场分布计算
此外，还系统进行了发动机热力学模拟分析、主要零部件噪声辐射特性分析、配气机构运动学和动力学分析、曲轴和连杆疲劳安全系数计算及缸筒变形分析等一系列计算分析工作，对发动机的结构设计起到了很好的指导作用，在设计阶段就很好地保证了发动机的可靠性和耐久性。
澎湃的动力
由于采用了上述先进技术，使得CA12GV发动机能够在很宽的发动机转速范围内向整车提供澎湃动力。发动机在1000 r/min 时就可以发出450N/m以上的强劲扭矩，并在3500～5000 r/min时达到550 N/m以上的最大扭矩。
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