1.0 L汽油直噴渦輪增壓小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)

淺利大

本田公司近期開發(fā)出了1款1.0 L汽油直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，兼具出色的環(huán)保性能和優(yōu)越的駕駛性能。與配備了可變氣門正時(shí)和升程電子控制系統(tǒng)（VTEC）的直列4缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程一樣，該款發(fā)動(dòng)機(jī)采用了相同的設(shè)計(jì)理念，并通過(guò)相關(guān)技術(shù)盡可能降低摩擦。在歐洲行駛循環(huán)條件下，與該機(jī)型相匹配的車型，其燃油經(jīng)濟(jì)性最多可改善約26%，駕駛性能最多可提升約20%。

渦輪增壓;火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī);小型化;降低摩擦

0 前言

為了滿足日趨嚴(yán)苛的燃油經(jīng)濟(jì)性要求，歐洲原始設(shè)備制造商（OEM）針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化技術(shù)開展了一系列研究。數(shù)年前，日本本田公司推出了采用綠色環(huán)保技術(shù)，以及可變氣門正時(shí)與升程電子控制（VTEC）系統(tǒng)的4缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，分別有1.5 L[1-2]和2.0 L [2-3]2種排量以供用戶選擇，并兼具優(yōu)異的環(huán)保性能和駕駛性能。為了滿足未來(lái)的燃油經(jīng)濟(jì)性要求，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)推動(dòng)全球化市場(chǎng)發(fā)展，本田公司近期又開發(fā)出了1.0 L VTEC TURBO型發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，該款發(fā)動(dòng)機(jī)已搭載于CIVIC車型，并在中國(guó)及歐洲市場(chǎng)進(jìn)行銷售。本文將針對(duì)該款發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)其結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 開發(fā)目標(biāo)

與同等功率的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，小型渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有排量小、摩擦損失低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在低速高負(fù)荷工況下的泵氣損失較低，并可顯著提升整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。在加速及高速行駛等需要較大輸出功率的情況下，渦輪增壓也可為小排量車型提供充足的動(dòng)力來(lái)源。研究人員按照以下目標(biāo)，針對(duì)小型化、降低摩擦并提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)而開發(fā)了1.0 L 3缸發(fā)動(dòng)機(jī)。該車型相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）相比其他1.8 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，該款機(jī)型可使燃油經(jīng)濟(jì)性提高20%以上;

（2）可使整機(jī)中、低速扭矩提升20%;

（3）可有效抑制往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中3氣缸特有的振動(dòng)現(xiàn)象。

根據(jù)以上改善燃油經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)，研究人員針對(duì)1.8 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)降低摩擦及實(shí)現(xiàn)小型化的問(wèn)題開展了相關(guān)研究，同時(shí)根據(jù)起動(dòng)時(shí)加速響應(yīng)性的變化情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排量進(jìn)行選擇。圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)外觀圖。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)外觀圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能及主要部件

表1列出了該款發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)。為了最大限度地利用現(xiàn)有生產(chǎn)條件，該款機(jī)型的缸徑等主要參數(shù)與原1.5 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相同。研究人員對(duì)其中約50%的部件進(jìn)行了重新開發(fā)。為了降低摩擦，該款發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用細(xì)軸曲軸、變?nèi)輽C(jī)油泵、電控恒溫器等部件。

3 結(jié)構(gòu)及應(yīng)用技術(shù)

3.1 氣缸體及氣缸蓋

研究人員利用壓鑄法制造出鋁合金氣缸體，并在其內(nèi)部鑄入鑄鐵缸套。為實(shí)現(xiàn)冷卻性能隨功率密度增加而提高的目標(biāo)，研究人員在缸體前方設(shè)置了分支水套，冷卻水在此處進(jìn)行分流，形成雙冷卻結(jié)構(gòu)。其中1條冷卻水道直通氣缸蓋，另1條冷卻水道流經(jīng)缸體水套后再進(jìn)入氣缸蓋（圖2）。

研究人員采用了可將氣缸蓋分為上下兩部分，并分別進(jìn)行冷卻的兩段式冷卻水套結(jié)構(gòu)。通過(guò)橫向流經(jīng)燃燒室的冷卻水，各氣缸燃燒室得以均勻冷卻（圖3）。

3.2 冷卻系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水道出口設(shè)有電控蠟丸恒溫器（圖4），研究人員將開閥溫度設(shè)定在103 ℃，較原系統(tǒng)高出約20 ℃。研究人員通過(guò)在低負(fù)荷工況設(shè)置較高的冷卻水溫，從而確保潤(rùn)滑油具有較高的溫度，由此降低摩擦，進(jìn)而使燃油經(jīng)濟(jì)性提高約0.6%。另外，由于恒溫器活塞內(nèi)部設(shè)有陶瓷加熱器，通過(guò)直接加熱蠟丸，冷卻系統(tǒng)可以在低于預(yù)設(shè)要求的冷卻水溫下打開閥門。在較高的負(fù)荷工況下，冷卻系統(tǒng)可為陶瓷加熱器冷卻，降低開閥溫度，從而實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的冷卻水溫控制能力，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工況下的可靠性。

3.3 往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件

曲軸采用高強(qiáng)度氮化鋼制成。主軸頸直徑及連桿軸頸直徑采用細(xì)軸設(shè)計(jì)，以降低摩擦。圖5為曲軸外觀。表2為該曲軸與1.5 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的尺寸對(duì)比。針對(duì)一次慣性力偶產(chǎn)生的振動(dòng)，在減小往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，研究人員在對(duì)車體振動(dòng)影響較大的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝點(diǎn)處，對(duì)平衡率進(jìn)行了設(shè)定，從而可以降低垂直方向的振動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)之初，研究人員對(duì)0%和75%的平衡率進(jìn)行了比較，并選擇了后者。

圖6為一次性慣性力偶下安裝點(diǎn)處振動(dòng)與對(duì)標(biāo)車型的對(duì)比結(jié)果。通過(guò)與對(duì)標(biāo)車型的比較，研究人員可以確認(rèn)該款發(fā)動(dòng)機(jī)這一位置處的振動(dòng)已降至較低程度。

為解決增壓帶來(lái)的熱負(fù)荷增加等問(wèn)題，研究人員在活塞中布設(shè)了冷卻水道（圖7）。由此可使活塞頂部溫度降低約20 ℃，在確?；钊麖?qiáng)度的基礎(chǔ)上，也可以改善敲缸特性，同時(shí)通過(guò)提高壓縮比，使燃油經(jīng)濟(jì)性改善了0.5%。

該發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿設(shè)計(jì)方案與1.5 L及2.0 L VTEC TURBO發(fā)動(dòng)機(jī)相同。由于采用了增壓系統(tǒng)，為應(yīng)對(duì)較高的負(fù)荷，研究人員為其配備了通過(guò)可控鍛造技術(shù)制造的連桿，重點(diǎn)采用二級(jí)鍛造工藝強(qiáng)化桿身部分。通過(guò)提高桿身彎曲強(qiáng)度，使連桿與以往同類產(chǎn)品相比，質(zhì)量降低了18%。

3.4 氣門機(jī)構(gòu)

在氣門機(jī)構(gòu)中，進(jìn)排氣兩側(cè)采用了VTC，進(jìn)氣側(cè)則采用可切換高低升程的VTEC搖臂結(jié)構(gòu)。根據(jù)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速工況，研究人員可對(duì)VTC及VTEC進(jìn)行控制，在確保具有較高扭矩的同時(shí)，可相應(yīng)改善低負(fù)荷工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性。圖8為氣門機(jī)構(gòu)外觀圖。由于空間僅可容納3個(gè)氣缸，為此需要高效配置可變氣門機(jī)構(gòu)控制裝置。因此，研究人員采用了配備有電磁閥及機(jī)油控制閥（OCV）的VTC（圖9）。通過(guò)這種設(shè)置，研究人員可以簡(jiǎn)化機(jī)油管路，并通過(guò)設(shè)置止回閥，以確保氣門機(jī)構(gòu)的高響應(yīng)性。

研究人員在進(jìn)氣側(cè)配裝了VTEC機(jī)構(gòu)，在升程較低的工況下，可利用進(jìn)氣門早關(guān)的阿特金森循環(huán)，使整機(jī)燃油消耗率減少5%，行駛?cè)加秃臏p少2%。圖10為進(jìn)排氣側(cè)氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的升程量。圖11為VTC與VTEC的切換圖。在阿特金森循環(huán)下，在低負(fù)荷泵氣損失降低的同時(shí)，由于氣門正時(shí)及升程量受限，高負(fù)荷工況下的扭矩下降，從而無(wú)法兼顧較低的燃油耗和較高的輸出功率。

為解決這一問(wèn)題，研究人員采用了獨(dú)創(chuàng)的VTEC技術(shù)，能根據(jù)負(fù)荷切換凸輪，由此可同時(shí)改善低負(fù)荷工況下的油耗和高負(fù)荷工況下的扭矩。圖12為缸內(nèi)壓力示意圖。在低負(fù)荷工況下，系統(tǒng)可提前關(guān)閉氣門，由此降低泵氣損失。

凸輪軸及機(jī)油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的正時(shí)皮帶驅(qū)動(dòng)（圖13）。由于該系統(tǒng)設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，充分降低了皮帶噪聲。同時(shí)，相對(duì)以往采用的正時(shí)鏈，該正時(shí)皮帶系統(tǒng)的摩擦降低了1.8%。由于該系統(tǒng)會(huì)頻繁與潤(rùn)滑油相接觸，研究人員特別為其選用了經(jīng)久耐用的材料。正時(shí)皮帶結(jié)構(gòu)如圖14所示。表3對(duì)比了該新款正時(shí)皮帶材料與原款正時(shí)皮帶材料的差異。

3.5 潤(rùn)滑系統(tǒng)

為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦，研究人員為系統(tǒng)選用了容量可變的機(jī)油泵。電磁閥可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速，在2種油壓間切換，從而能確保機(jī)油壓力始終低于目標(biāo)壓力。因此，即使在暖機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)油溫度較低及黏度較高的現(xiàn)象，其壓力也不會(huì)過(guò)度升高，從而可降低摩擦，燃油消耗率也能降低約1%。

移動(dòng)葉輪泵外側(cè)的凸輪環(huán)可改變偏心量，并調(diào)整機(jī)油泵容量（圖15），同時(shí)能根據(jù)凸輪環(huán)上下腔內(nèi)油壓控制偏心量。

3.6 燃燒概念

1.0 L VTEC TURBO型發(fā)動(dòng)機(jī)可采用與1.5 L及2.0 L 4缸VTEC TURBO型發(fā)動(dòng)機(jī)相同的高速燃燒概念。研究人員通過(guò)采用高滾流氣道，并在進(jìn)排氣兩側(cè)凸輪軸配置VTC，同時(shí)將直噴噴油器安裝在進(jìn)氣歧管側(cè)面，由此實(shí)現(xiàn)了高滾流及混合氣空燃比的最佳化。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，可以縮短響應(yīng)時(shí)間，并改善燃油經(jīng)濟(jì)性。圖16為1.0 L直列3缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與1.5 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口及燃燒室形狀的對(duì)比。相比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，該款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口角度較平，進(jìn)氣口下部邊緣豎起，通過(guò)將進(jìn)氣導(dǎo)入燃燒室上部，可使氣流沿排氣側(cè)屋脊型燃燒室壁流動(dòng)，從而強(qiáng)化滾流（圖17）。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)性能

4.1 輸出功率

1.0 L VTEC TURBO型發(fā)動(dòng)機(jī)適用于多種轎車車型，開發(fā)目標(biāo)是使整機(jī)的扭矩特性優(yōu)于1.8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。為提高中低轉(zhuǎn)速工況下的扭矩，研究人員特別為其配備了帶電動(dòng)旁通閥的小型渦輪增壓器，利用VTC設(shè)定了可優(yōu)化掃氣并能在內(nèi)部運(yùn)行的EGR系統(tǒng)，并使氣門正時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速工況下都能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。在轉(zhuǎn)速為2 250 r/min時(shí)，最大扭矩可以達(dá)到200 N·m。圖18對(duì)比了1.0 L直列3缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與1.5 L及1.8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性。相比1.8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，1.0 L VTEC TURBO型發(fā)動(dòng)機(jī)在2 250 r/min轉(zhuǎn)速工況下的扭矩提高了約20%。在1.0 L排量下，最高輸出功率可達(dá)到95 kW，實(shí)現(xiàn)了扭矩和功率之間的平衡，并適用于多種車型。

4.2 燃油經(jīng)濟(jì)性

圖19給出了1.0 L VTEC TURBO型發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速及排量下的機(jī)械摩擦水平。圖20給出了典型工況點(diǎn)處比油耗（BSFC）的情況。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及排量的變化，機(jī)械摩擦基本處于最低水平，燃油經(jīng)濟(jì)性則處于同排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的最佳水平。

圖21對(duì)比了1.0 L VTEC TURBO型發(fā)動(dòng)機(jī)與1.8 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。研究人員通過(guò)優(yōu)化VTC及VTEC控制過(guò)程，在較寬廣的工況區(qū)域內(nèi)，使BSFC降至240 g/（kW·h），由此使燃油消耗率降低約20%。圖22示出了該款發(fā)動(dòng)機(jī)與1.8 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)配裝于同一車型上時(shí)， 80～120 km/h工況下的加速性能及行駛油耗的比較。在確保了具有相近甚至更高加速性能的同時(shí)，該款發(fā)動(dòng)機(jī)可使整車行駛?cè)加徒?jīng)濟(jì)性改善約26%。

5 總結(jié)

通過(guò)采用小型化及降低摩擦的技術(shù)，研究人員開發(fā)出了新款發(fā)動(dòng)機(jī)，并使其性能相比原1.8 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)有了進(jìn)一步提升，總體概況如下：

（1）在同一車型中，燃油消耗率降低了26%;

（2）在輸出功率相同的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速工況下的扭矩提高了20%。

參 考 文 獻(xiàn)

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張冬梅 譯自 自動(dòng)車技術(shù)，2019，73（9）

伍賽特 編輯

（收稿時(shí)間：2020-10-16）