新一代摩托車動力RC61E技術特點分析*

秦　德　宋如鋼　李志化（天津大學內(nèi)燃機研究所　天津　300072）

·振動·噪聲·

新一代摩托車動力RC61E技術特點分析*

秦德宋如鋼李志化
（天津大學內(nèi)燃機研究所天津300072）

摘要：目前國內(nèi)已有幾家摩托車企業(yè)生產(chǎn)大排量摩托車用發(fā)動機。通過對RC61E發(fā)動機技術特點的分析，希望有助于對大排量摩托車發(fā)動機的開發(fā)和技術改進提供一些借簽。

關鍵詞：摩托車發(fā)動機進排氣正時燃燒效率

引言

NC700摩托車系列發(fā)布于 2012年，包括NC700S、NC700X和INTEGRA，它們均使用相同的車架和RC61E發(fā)動機。RC61E發(fā)動機是一款單頂置凸輪軸、四氣門、水冷直列雙缸四沖程汽油機，采用第二代雙離合變速器和電子控制燃油噴射系統(tǒng)。

1　RC61E發(fā)動機主要特征[1]

1.1RC61E發(fā)動機主要參數(shù)

發(fā)動機型號：HONDARC61E

發(fā)動機類型：水冷、四沖程、直列雙缸、

單頂置凸輪軸、4氣門、PGM-FI電子控制燃油噴射

缸徑（mm）：73

行程（mm）：80

排量（mL）：669

壓縮比：10.7：1

最大功率：38.1kW（6250r/min）

最大扭矩：62N·m（4750r/min）

1.2RC61E發(fā)動機外觀

RC61E外形如圖1、圖2所示。

圖1左視圖

圖2右視圖

2　RC61E發(fā)動機技術特點

2.1總體配置

開發(fā)團隊希望設計一款中等排量的摩托車發(fā)動機。發(fā)動機不以絕對性能指標見長，而是能使用戶充分享受中低速的強勁扭矩所帶來的明顯加速感覺。為此，團隊確定了以下設計理念：

追求成熟品味的駕駛感覺，以輕量、緊湊的發(fā)動機布局為目標。為了獲得“一款緊湊的、具有世界級環(huán)保性能的新難度系數(shù)發(fā)動機”，開發(fā)之初設計團隊首先圍繞基本布局展開討論，深入討論了何種發(fā)動機能夠輸出所需要的動力特性。詳細的討論話題包括排量，氣缸數(shù)（一至四缸），發(fā)動機形式（單缸、多缸，直列、V型或水平對置，OHC或DOHC）以及平衡軸（一級-二級平衡軸，耦合平衡軸）。最后結出結論，能夠達到目的的最佳發(fā)動機結構應為水冷頂置凸輪、直列、雙缸、前傾角62°（發(fā)動機安裝角度）。

為獲得“成熟品味的駕駛感覺”，必須在均勻和非均勻點火間隔之間做出選擇。圖3為雙缸發(fā)動機三種曲柄夾角點火間隔比較圖。團隊最終選擇了270°曲柄夾角、非均勻點火間隔這一方案，而不是有序的、平穩(wěn)的均勻點火方案，這樣做的目的是為了獲得近似于V型雙缸發(fā)動機的那種顫動的感覺。

圖3　非均勻點火間隔比較圖

發(fā)動機設計采用了本田公司早在1985年申請了專利的270°曲柄技術，如圖4所示。因為這種曲柄結構曲拐夾角為270°，傳統(tǒng)上下兩半的制造方法會在曲柄臂留下相當多的雍余部分。而且，曲柄臂難以加工完全。另外，這種方法制造的曲柄還會導致重量增加、成本上升，不合乎開發(fā)理念。

為了解決這個問題，開發(fā)團隊承擔了制造一個“擰轉(zhuǎn)曲柄”的挑戰(zhàn)。團隊采用包括用上下兩半的方法鍛造一個360°的曲柄，如圖5所示，以便將雍余部分減至最少，然后，在曲柄軸頸部分冷卻前立即將其擰轉(zhuǎn)90°，以得到270°曲柄，如圖6所示。

圖4 270°曲軸

圖5曲柄扭轉(zhuǎn)前（鍛造后）

圖6 曲柄扭轉(zhuǎn)后

這種“擰轉(zhuǎn)曲柄”的制造方法在此之前已成功用于本田V型6缸汽車發(fā)動機上。它是將曲柄擰轉(zhuǎn)60°。在與本田汽車摩托車研發(fā)中心工程師的通力合作下，使曲柄進行90°擰轉(zhuǎn)成為可能，從而成功地實現(xiàn)了不采用機加工方法就能制造出帶有優(yōu)化平衡重曲柄的目標，避免了制造成本的上升。

2.2單級平衡軸

采用270°曲柄，理論上不能利用兩個氣缸活塞的往復運動來消除一級振動；然而這種方法可以消除二級振動。通過增加一根平衡軸，如圖7所示，可以將270°曲柄的一級和二級振動都消除。

對于普通發(fā)動機，采用單平衡軸時，與曲軸平衡軸距離成正比的一級耦合振動依然存在，如果采用雙平衡軸，即引入第二根平衡軸，就可以消除這種振動[2]，如圖8所示。

圖7　單平衡軸示意圖

圖8雙平衡軸

而對于RC61E發(fā)動機，由于采用了270°曲柄，因此發(fā)動機沒有任何二級振動，只需消除一級振動即可使發(fā)動機的振動很小。所以，駕駛搭載RC61E發(fā)動機的摩托車的感覺與駕駛帶有二級平衡軸、直列4缸發(fā)動機的CBR1000RR或水平對置6缸發(fā)動機的GL1800一樣。

活塞垂直運動，曲柄旋轉(zhuǎn)運動。作用在曲軸上的旋轉(zhuǎn)力使曲軸橫向移動，產(chǎn)生橫向振動，圖9（左）所示。即使活塞垂直運動產(chǎn)生的振動由曲柄運動抵消，曲柄轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的橫向振動仍然存在。所以設置一個曲柄配重一半的平衡軸，并反向旋轉(zhuǎn)，這樣就抵消了曲柄的橫向振動，如圖9（右）所示。RC61E的設計師們希望保留一部分擺動力偶。他們認為這樣可以提供類似歐洲摩托車發(fā)動機一樣的操控體驗3。

圖9 單平衡軸

2.3集成于缸蓋內(nèi)的進氣道

為了達到“適合于成熟品味的駕駛感覺”，除了采用270°曲柄和單平衡軸以外，團隊還改變了氣缸蓋內(nèi)進氣道的布局，以適應燃燒定時的變化。并列雙缸發(fā)動機通常有兩個相鄰但相互獨立工作的進氣道，這樣兩缸的進氣過程互不干涉。但在該發(fā)動機里，進氣過程卻有意設計成相互干涉，產(chǎn)生微小的燃燒變動，達到開發(fā)理念所追求的“成熟品味”。

在缸蓋內(nèi)集成進氣道給制造過程提出了很多挑戰(zhàn)。尤其是如何解決由于左、右氣道金屬厚度不同導致熔化鋁冷卻不均情況下的變形問題。通過反復的計算，在先進的CAE分析中加入冷卻分析，使變形得到了控制，從而保證了制造精度。

2.4氣門定時

為了便于產(chǎn)生微妙的進氣干涉，增強“適合于成熟品味的駕駛感覺”，每個氣缸分別設置了優(yōu)化的進氣門開閉時間。直列多缸機通常不將氣門正時分別設置，但在RC61E發(fā)動機中，通過改變直列雙缸往復式發(fā)動機每個凸輪軸的氣門正時，設置了兩種進氣正時，如圖10所示。如前所述，在一個凸輪軸上設置兩種進氣正時不會給加工帶來很大問題，但會導致成本增加。

圖10　兩種進氣正時示意圖

2.5燃燒效率

設計團隊參考了汽車發(fā)動機燃燒技術，這種技術對于中低速領域給與了額外的關注，在改善燃油經(jīng)濟性的同時確保燃燒可靠、驅(qū)動有力。在以提升輸出動力為目的的發(fā)動機中，普遍的做法是把高轉(zhuǎn)速范圍的進氣效率放在最優(yōu)先考慮的地位。然而，在這臺發(fā)動機中，重點考慮的是非常規(guī)的中低速范圍，關注中低速范圍的燃燒效率而不是高速時的進氣效率，最終選擇Φ73mm缸徑和80mm沖程。

在中低速范圍下，可靠而穩(wěn)定的燃燒來源于理想的缸徑/沖程比、理想的燃燒室形狀以及優(yōu)化的氣門正時的結合。

2.6排放凈化系統(tǒng)

為了使排放凈化效率最大化，團隊將三元催化觸媒直接裝于排氣道下方，這樣在發(fā)動機啟動時觸媒能更早地起作用。這種設計使燃燒廢氣還處于高溫狀態(tài)時流過觸媒，這種將觸媒直接置于排氣道下方的做法在大型摩托車上尚屬首次，但在小排量發(fā)動機上，這種觸媒的研究應用已有一段時間了。由于在大型發(fā)動機上諸如熱負荷等絕對數(shù)值的不一致，這種技術的應用還遠遠不具有普遍性。

原因之一是在只有兩個氣缸的情況下，觸媒只能直接置于兩個排氣道的下方，在摩托車有限的空間內(nèi)，很難有效地安放觸媒，而且從成本上考慮也是不利的。所以，在這臺發(fā)動機上，兩個排氣道在氣缸蓋內(nèi)合二為一，這使得在其正下方可以有效地放置一個足夠大的觸媒。

團隊還利用汽車熱管理CAE分析技術確定了摩托車的優(yōu)化參數(shù)，設計出了能夠承受相關熱負荷的觸媒，優(yōu)化了氣道形狀和布局。正如前面已經(jīng)提到的，團隊不僅合并了進氣道，還合并了排氣道，從而獲得了流線型的發(fā)動機和緊湊的進排氣布局。

2.7減小摩擦

為了減小摩擦，在這臺發(fā)動機的活塞上不僅使用了樹脂涂層，還首次在搖臂上使用了鋁合金這種輕型材料。通過合并一些零部件的功能，比如利用平衡軸驅(qū)動油泵和利用凸輪軸驅(qū)動水泵，一方面減少了所需軸的總數(shù)，另一方面也把摩擦降低到極限。

2.8水泵、冷卻水管路布置

在這臺發(fā)動機上，為了從凸輪軸獲得旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，將水泵布置在發(fā)動機上方氣缸蓋的左側(cè)。這種布置會縮短水管長度，使其總長度比采用傳統(tǒng)的布置方式時短三分之一。這樣就減少了冷卻水的容積，對于減輕重量和管路系統(tǒng)的美觀都是有益的。在把發(fā)動機開發(fā)構想的重點放在中低轉(zhuǎn)速而非高速的情況下，這種利用凸輪軸驅(qū)動水泵的方式最理想，

3　結論

1）RC61E發(fā)動機具有低速大扭矩的特性。

2）采用270°曲柄夾角，增加了單軸平衡，降低了發(fā)動機的振動，使駕駛者乘騎起來更加舒適。

參考文獻

1日本本田公司.Global700m LEngine for Next-Generation [EB/OL].http：//world.honda.com，2014-03-21

2葉盛焱.摩托車發(fā)動機設計[M].北京：人民郵電出版社，1997

3Jack Yamaguchi.本田新一代摩托車動力系統(tǒng)[EB/OL]. http://www.industrysourcing.cn/article/255298，2012-06-01

中圖分類號：TK403

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0075-04

收稿日期：（2015-06-29）

*基金項目：天津市重大科技專項（13ZCZDGX04400）。

作者簡介：秦德（1963-），男，高級工程師，主要研究方向為發(fā)動機總體設計。

Analysison the Characteristicsof the New Generation ofMotorcycle Power RC61E

Qin De,Song Rugang,LiZhihua
Tianjin InternalCombustion Engine Research Institute,Tianjin University(Tianjin,300072,China）

Abstract：At present,there are severalmotorcycle enterprises producing large displacementmotorcycle engines.Analysis of technical characteristics of RC61E engine will be helpful to the development and technical improvementof large displacementmotorcycle engine.

Keywords：Honda,Engine,Valve timing,Combustion efficiency