關(guān)于1.5 L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機的開發(fā)過程詳解

摘要:為了實現(xiàn)較好的動力和環(huán)保性能，開發(fā)了1種小型化1．5 L渦輪增壓發(fā)動機。該發(fā)動機旨在替代1．8～2．4 L的自然吸氣發(fā)動機。在小型化渦輪增壓發(fā)動機中，混合氣均勻性對抑制爆燃和減排十分重要。特別是在發(fā)動機高負荷運行時，創(chuàng)造快速燃燒和均勻混合氣是關(guān)鍵的技術(shù)。采用了長行程直噴發(fā)動機作為滿足這些要求的基本機型，它具有顯著的快速燃燒能力和較高的熱效率。將長行程與高滾流氣道和支持滾流的淺盆形活塞相結(jié)合，增強了混合氣在氣缸內(nèi)的流動。建立的燃燒系統(tǒng)包含1個能減少爆燃的充鈉排氣門和1個有利于形成均勻混合氣和減少燃油濕壁的多孔(6孔)噴射器。依靠快速燃燒，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的缸內(nèi)壓力，因而能提高平均指示有效壓力，即使在轉(zhuǎn)速1 500 r/min全負荷下推遲點火正時的情況下也是如此。雙氣門正時控制(VTC)有可能為不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷設(shè)定最佳的進排氣門重疊角和氣門正時。VTC與上述燃燒系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)了220 g/(kW·h)－1的最低比油耗和38%的最大熱效率。還介紹了發(fā)動機的動力輸出性能和燃油經(jīng)濟性，以及為達到低排放、減少振動和噪聲、實現(xiàn)輕量化和整車性能采用的技術(shù)。

本田汽車公司的目標是要開發(fā)一些具備駕駛樂趣，同時又能滿足全球越來越嚴的環(huán)保法規(guī)的發(fā)動機。為此，本田汽車公司開發(fā)了1種熱效率和輸出性能較好的1．5 L小型化渦輪增壓發(fā)動機。該發(fā)動機旨擬用來替代1．8～2．4 L的自然吸氣發(fā)動機。本文將特別探討在本田汽車(Civic)緊湊型轎車上用這種發(fā)動機取代1．8 L自然吸氣發(fā)動機的好處。設(shè)定的4個發(fā)展目標如下:

(1)實現(xiàn)一種由進氣道產(chǎn)生缸內(nèi)高速滾流的新型燃燒系統(tǒng);

(2)能在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速范圍產(chǎn)生充裕扭矩的功率特性;

(3)一流的燃油經(jīng)濟性和排放性能;

(4)通過使用輕量化、高剛性的發(fā)動機框架結(jié)構(gòu)達到卓越的振動和噪聲水平。

本文將介紹發(fā)動機的技術(shù)規(guī)格、燃燒概念、輸出特性、燃油經(jīng)濟性、降低排放、降低振動-噪聲、輕量化和車輛性能等方面的情況。

1發(fā)動機技術(shù)規(guī)格

本田汽車選擇現(xiàn)有的1種1．5 L自然吸氣發(fā)動機作為基本機型，以實現(xiàn)比以前幾種1．8 L自然吸氣發(fā)動機更好的驅(qū)動性和燃油經(jīng)濟性。該項開發(fā)的出發(fā)點是采用1．5 L自然吸氣發(fā)動機作為參考機型來實現(xiàn)高熱效率。長行程結(jié)構(gòu)可提供相當快速的進氣流，因而能增加燃燒室內(nèi)的紊流。通過這種方式，能快速燃燒和抑制爆燃。

尤其是在渦輪增壓發(fā)動機中，該爆燃對策在高增壓壓力條件下能帶來更高的熱效率。因此，這就能通過長行程(行程/缸徑比為1．22)和小缸徑(直徑73 mm)的結(jié)構(gòu)配用渦輪增壓器來得以實現(xiàn)，這正是上述燃燒的優(yōu)點。圖1所示為這種小型化渦輪增壓發(fā)動機在熱效率和平均有效壓力(BMEP)方面的優(yōu)越性能。發(fā)動機的技術(shù)規(guī)格列于如表1，圖2為發(fā)動機的外觀視圖。

圖1 1.5 L小型化渦輪增壓發(fā)動機的性能位置

(圖中所示3種發(fā)動機的相應(yīng)參數(shù)列于表1中)

圖2 1．5 L小型化發(fā)動機的外觀視圖

采用雙VTC能夠為各種不同的發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速提供最佳的進/排氣門重疊角和氣門正時。通過調(diào)整內(nèi)部EGR量和充氣效率，能使發(fā)動機達到目標燃油經(jīng)濟性和輸出功率。并采用汽油直噴射器來提高熱效率和形成均勻的混合氣。發(fā)動機設(shè)計成可使用普通汽油運行，在壓縮比為10．6的情況下燃油耗與動力性達到最佳平衡。

為了激活排氣催化劑使之較早起燃，在排氣門到催化器的所有通路上都采用了低熱質(zhì)量結(jié)構(gòu)(圖3)。該結(jié)構(gòu)包括1個直接安裝在氣缸蓋整體式排氣歧管上的單流道渦輪增壓器，與1個在其下游的雙床催化器直接緊耦合。發(fā)動機向后傾斜7°，而這些排氣系統(tǒng)組件均布置在發(fā)動機的前端。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)規(guī)格

圖3 在從排氣門到催化器的所有通路上

采用的低熱質(zhì)量結(jié)構(gòu)

2燃燒概念

建立的燃燒系統(tǒng)由高滾流氣道(在小型化渦輪增壓發(fā)動機所需的高負荷下產(chǎn)生快速燃燒和均勻的混合氣)、淺盆形活塞(支持滾流)、充鈉排氣門(減少爆燃)，和多孔噴射器(減少氣缸燃油濕壁)組合而成(圖4)。

圖4 燃燒系統(tǒng)的組件

圖5所示為渦流比與流量系數(shù)之間的關(guān)系。與其他進氣道相比，新型進氣道的定位是高渦流比。圖6所示為渦輪增壓發(fā)動機與基本機型1．5 L自然吸氣發(fā)動機進氣道和活塞形狀的差異。與自然吸氣發(fā)動機相比，渦輪增壓發(fā)動機進氣道的傾斜角度更大。其空氣流大多沿排氣門下面的單坡斜面流動，對面的氣流被限制進入氣缸。這一效應(yīng)是由設(shè)置在進氣道下側(cè)周圍與氣門座腔相連的被稱為突變斜坡刃口(圖6細節(jié)A)造成的。如此可以限制逆向滾流(即限制空氣反向回流)。

圖5 在渦流比與流量系數(shù)的曲線圖上

新型滾流氣道所處的位置

新開發(fā)的渦輪增壓發(fā)動機還采用淺盆形活塞。這種淺盆形頂部形狀由平緩的曲面和上坡面組成(圖6細節(jié)B)。曲面是要在進氣行程期間使?jié)L流流動方向變換成向下，后面的上坡形狀用于引導(dǎo)氣流向上流動。通過這種方式，活塞頂部的形狀就能在壓縮行程期間產(chǎn)生滾流。圖7所示為由計算流體動力學(xué)(CFD)里卡多VECTIS 3．12方法獲得的轉(zhuǎn)速1 500 r/min全負荷時的缸內(nèi)氣流形態(tài)。圖8比較了這兩種發(fā)動機的渦流比和紊流動能。

觀察到在活塞方向有一股強氣流，它在進氣過程的前半部分(曲軸轉(zhuǎn)角100°CA)形成?；钊斆娴臏\盆能使這股氣流反向流動，產(chǎn)生滾動渦流。在壓縮過程中(曲軸轉(zhuǎn)角270°CA)觀察到的滾動的渦旋，在上止點前－60～0°CA BTDC單坡被擠入屋脊斜面，并轉(zhuǎn)化成紊流動能，從而促進火焰?zhèn)鞑ィ咏鼔嚎s上止點時的紊流動能大約是自然吸氣發(fā)動機的2倍。

圖6 進氣道和活塞形狀的比較

圖7 缸內(nèi)流動形態(tài)(轉(zhuǎn)速1 500 r/min倒拖運行)

選擇的直接多孔噴射器能給噴霧形態(tài)提供了很大自由度。選用的1種噴油器與高速滾流結(jié)合，能夠降低缸套濕壁(會影響機油稀釋)和活塞濕壁(導(dǎo)致碳煙)。表2所示為考慮到的幾種典型的噴霧形態(tài)。它會根據(jù)進氣行程中的滾流主流方向提出3個噴霧方向:向上(朝缸套)，向下(朝活塞)和向中間。這些以混合均勻性和燃油濕壁量為指標，利用CFD計算來選擇噴霧方向。這臺發(fā)動機選擇了C型噴霧形態(tài)。

表2提出了3種燃油噴霧形態(tài)。表中的燃油噴霧布局圖表示，x軸值是為橫向角位移量，y軸值為縱向角位移量。

圖8 渦流比和紊流動能

(轉(zhuǎn)速1 500 r/min倒拖運行)

表2 3種燃油噴霧形態(tài)

注:++，好;+，中等;－，差

3輸出性能

新型1．5 L渦輪增壓發(fā)動機最大輸出功率為130 kW，比1．8 L自然吸氣發(fā)動機的最大功率增加了21%，扭矩增加了26%，且發(fā)動機最大扭距轉(zhuǎn)速下降了2 600 r/min。轉(zhuǎn)速2 000 r/min時的扭矩與2．4 L發(fā)動機的大致相同。這有助于確保車輛在城市地區(qū)方便操縱，以足夠的功率實現(xiàn)舒適的高速加速(圖9)。這些結(jié)果可能是因為采用了上述燃燒的規(guī)格、雙VTC，以及低慣性和高響應(yīng)度的緊湊型渦輪增壓器而獲得的。

渦輪增壓器的1個獨特之處是進氣壓力大于或等于其排氣壓力。利用這一特性進行的掃氣過程是增加低速扭矩的1種有效手段。在相對較高的進氣壓力條件下，采用較寬的進排氣門疊開角，能使殘余氣體從缸內(nèi)清除到排氣系統(tǒng)。這可使氣缸充入更多的新鮮充量并減少爆燃。同時，掃氣流能提高渦輪的轉(zhuǎn)速(圖10)。

圖9 性能曲線的比較

圖10 轉(zhuǎn)速1 500 r/min全負荷時

1.5 L渦輪增壓發(fā)動機的掃氣效果

其結(jié)果是，在1 500 r/min時，開發(fā)的發(fā)動機的扭矩大約要比1．8 L自然吸氣發(fā)動機的高30%。此外，針對這種掃氣將空燃比設(shè)定為化學(xué)計量比，可以通過催化器來凈化廢氣。圖11比較了1 500 r/min全負荷時1．8 L自然吸氣基本型發(fā)動機和1．5 L渦輪增壓發(fā)動機的氣缸壓力曲線。增壓壓力補償了由于小型化導(dǎo)致的平均指示有效壓力(IMEP)的損耗，這意味著即使在行程容積很小的情況下，也能產(chǎn)生高氣缸壓力。由圖12顯示，即使在因增壓壓力上升而推遲點火正時的情況下，快速燃燒也能達到很高的熱效率。

圖11 1.5 L渦輪增壓發(fā)動機和1.8 L

自然吸氣發(fā)動機的p-V圖比較

(1 500 r/min全負荷)

圖12 1.5 L渦輪增壓發(fā)動機和

1.8 L自然吸氣發(fā)動機放熱率的比較

(1 500 r/min全負荷)

在圖13中，發(fā)動機中、高轉(zhuǎn)速從2區(qū)到4區(qū)氣門疊開角逐漸減小。這就能抑制因排氣壓力上升而導(dǎo)致的殘余氣體增加。在加速期間，將電動放氣閥控制成立即完全關(guān)閉，因而有可能快速增加增壓壓力。

圖13 雙VTC的控制策略

4燃油經(jīng)濟性

圖14為1．8 L自然吸氣發(fā)動機和1．5 L小型化發(fā)動機有效比油耗(BSFC)曲線圖譜的比較。圖中顯示，BSFC 240 g/(kW·h)的區(qū)域擴展到了包括較高和較低的扭矩以及較高和較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的范圍。新開發(fā)的發(fā)動機的最小比油耗為220 g/(kW·h)，最高熱效率為38%。

圖14 1.5 L渦輪增壓發(fā)動機與

1.8 L自然吸氣發(fā)動機BSFC圖譜的比較

因此，此項開發(fā)已經(jīng)達到了在1 500 r/min和70 N·m(重點運轉(zhuǎn)工況)下比油耗減少10%的目標。此外，由于小型化發(fā)動機是要取代排量較高的發(fā)動機，所以它不僅需要在日常的負荷下，而且還要在高負荷下運行，并提供良好的燃油經(jīng)濟性。與1．8 L自然吸氣發(fā)動機相比，新開發(fā)的發(fā)動機在轉(zhuǎn)速1 500 r/min并接近全負荷140 N·m的情況下，燃油經(jīng)濟性降低了16%。圖15所示為燃油耗減少的細分情況。

圖15 有效比油耗改善的因素

在自然吸氣發(fā)動機中，通常會采用較濃的空燃比來增加全負荷的輸出功率。然而，增加小型化渦輪增壓發(fā)動機的輸出功率則有可能通過調(diào)整增壓壓力來實現(xiàn)。對于該發(fā)動機，可以通過將空燃比設(shè)定為化學(xué)計量比使BSFC改善57%。通過降低冷卻損失和泵氣損失能使指示熱效率提高42%，并使摩擦損失減少1%。雙VTC在寬廣的負荷范圍內(nèi)對上述燃油經(jīng)濟性的改善發(fā)揮了重要作用，通過提供最佳的內(nèi)部EGR增強熱效率。

另一方面，據(jù)預(yù)測，按此方式使用內(nèi)部EGR將會導(dǎo)致進氣門和進氣道表面積碳的問題。產(chǎn)生這方面問題的一個因素是運行竄漏氣體中包含有機油霧。此外，據(jù)報道稱，機油霧會導(dǎo)致發(fā)動機低轉(zhuǎn)速運行和高負荷行駛時出現(xiàn)低速早燃(LSPI)。采用圖16和圖17所示的一種收集機油霧的結(jié)構(gòu)有可能限制積碳和LSPI。圖16所示為呼吸系統(tǒng)的通路。為了從竄漏氣體中分離機油霧，在氣缸蓋罩上設(shè)置了2個分離腔。

壓力控制閥(PCV)腔位于進氣歧管的上游，呼吸腔位于壓氣機前的進氣管上游。圖17所示為PCV和呼吸腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這兩個稱為渦流室的腔室，由兩部分組成。一個設(shè)置在氣缸蓋罩內(nèi)，另一個是專用室蓋，并分別設(shè)有筋條。上部和下部的筋條可使氣流扭轉(zhuǎn)路徑。當竄漏氣體通過該腔室時，會產(chǎn)生2個渦旋流。當這些氣流被轉(zhuǎn)到左右和上下時，竄漏氣體中的機油霧就能靠撞壁作用從氣體中分離出來，最終成為液態(tài)機油返回到凸輪室中。

5低排放

小型化發(fā)動機與渦輪增壓器相結(jié)合是解決燃油經(jīng)濟性和提高功率輸出的有效方法。但另一方面，由于渦輪增壓器熱質(zhì)量增加會使冷起動后催化器溫度上升緩慢。圖18示出了為達到LEV3-SULEV30排放目標而采取的幾種NMOG+NOx減排措施?；镜腘MHC+NOx水平由以前幾種滿足LEV2-SULEV法規(guī)的1．8 L自然吸氣發(fā)動機機型決定，這些發(fā)動機采用了相當于渦輪增壓器熱質(zhì)量的排氣系統(tǒng)。

圖17 設(shè)置在氣缸蓋罩上

用于捕捉油霧的渦旋室結(jié)構(gòu)

圖 18 幾種 NMOG+NOx的減排措施和

FTP-75測驗時的效果

圖19所示為在冷起動時(1 500 r/min，快怠速負荷，水溫25℃)燃燒波動和碳煙量與點火正時的關(guān)系。高滾流形成的混合氣均勻性和提高的湍流動能也有穩(wěn)定延遲燃燒的效果。相比于常規(guī)的1．8 L自然吸氣發(fā)動機，渦輪增壓發(fā)動機在大尺度延遲燃燒時更為穩(wěn)定。此外，在低溫情況下，燃油沒有直接噴射到活塞頂面，所以也能降低碳煙。將點火正時設(shè)定為比1．8 L自然吸氣發(fā)動機延遲12°CA，即使排氣系統(tǒng)中渦輪增壓器會增加熱質(zhì)量，還是可以確保催化器溫度上升所需的熱排氣(圖20)。

圖19 IMEP變化率和碳煙量

與點火正時推遲的關(guān)系

(轉(zhuǎn)速1 500 r/min，水溫為25℃，

快速怠速臺架試驗時)

圖20 冷起動后排廢氣溫度和

催化器溫度的變化過程

圖21所示為催化器的結(jié)構(gòu)和細節(jié)說明。最新的催化器能夠激活其自身的早期點火。這種催化器由載體和最近開發(fā)的催化涂層組成，前者能在很小的熱量下升溫，后者即使在低溫下也具有可靠的還原性能。該載體具有55%的孔隙率，比常規(guī)載體高27%～35%，這可以使熱質(zhì)量降低30%～38%。最近開發(fā)的催化涂層中的鉑系金屬分散性更好，它能增強鉑系金屬的反應(yīng)活性。因此，該催化劑能在催化器溫度約30℃的情況下，比常規(guī)催化器的溫度低，卻能達到相同的還原水平(圖22)。

圖21 催化器結(jié)構(gòu)和細節(jié)說明

圖22 采用新開發(fā)的催化器

提高了HC和NOx的還原率

6振動和噪聲減少

在1臺小型化發(fā)動機上，要同時實現(xiàn)高輸出、輕量化結(jié)構(gòu)、降低噪聲和振動是頗具挑戰(zhàn)的。新開發(fā)的發(fā)動機采用軸頸直徑較小的長行程曲軸有助于確保低摩擦和高熱效率。采用獨立的曲軸軸承蓋，這種軸承支承系統(tǒng)有助實現(xiàn)更輕的質(zhì)量。利用本田公司自己開發(fā)的工具對各種部件的形狀進行優(yōu)化，以處理振動和噪聲問題。通過修改曲軸的形狀實現(xiàn)了剛性更高的結(jié)構(gòu)，并且通過修改曲軸皮帶輪的規(guī)格，減少了發(fā)動機主要運動系統(tǒng)的振動。如重新設(shè)計獨立軸承蓋的形狀(圖23)。對不同軸頸的軸承蓋作了改進，旨在減少它對振動傳遞的影響。采用這種方式使之具有足夠的剛性，使之在降低質(zhì)量的同時減少振動。

此外，快速燃燒和使用直噴系統(tǒng)對研發(fā)提出了另外一個挑戰(zhàn)——高頻輻射噪聲。通過優(yōu)化鏈條箱零件的表面形狀，以及在那些會產(chǎn)生噪聲輻射的零件上采用氨基甲酸酯隔層。新開發(fā)的發(fā)動機在同類機型中實現(xiàn)了最低的噪聲輻射(圖24)。

圖23 為減振、降噪和輕量化而優(yōu)化的軸承蓋

圖24 新型小型化1．5 L增壓發(fā)動機在聲壓與

發(fā)動機扭矩關(guān)系圖上的位置

(輻射噪聲水平為轉(zhuǎn)速3 000～5 000 r/min

全負荷的平均值)

7輕量化結(jié)構(gòu)

降低發(fā)動機質(zhì)量還會對車輛的燃油耗產(chǎn)生重大影響。通過研究降低發(fā)動機質(zhì)量，其質(zhì)量相比同等輸出功率的常規(guī)自然吸氣發(fā)動機減輕了約30 kg。下面介紹采用的具體技術(shù)。

7.1排氣門高滾

發(fā)動機零部件要在因增壓導(dǎo)致熱量上升情況下保持可靠耐用十分重要。該發(fā)動機采用充鈉的中空頭部排氣門。為了確保氣門頭部的熱量有效地向下端傳遞，并防止排氣門和附近的結(jié)構(gòu)過熱，充鈉一直延伸到了氣門頭部(傳統(tǒng)氣門只在閥桿中充鈉)。這有助于降低氣門的溫度。其結(jié)果是在不改變1．5 L自然吸氣發(fā)動機氣門材料的情況下，氣門材料更耐用且質(zhì)量減輕18%(圖25，圖26)。

圖25 充鈉排氣門橫截面

圖26 排氣門的溫度和強度(最大功率點)

7.2加強工字梁桿身區(qū)的連桿強度高滾

為了承受增壓產(chǎn)生的高氣缸燃燒壓力，連桿的工字梁桿身區(qū)域采用了新鍛造技術(shù)，并采用適應(yīng)渦輪增壓發(fā)動機的局部加強鍛壓法工藝。過程由兩步鍛造工藝組成的。第一步鍛壓為正常的熱鍛，桿身工字梁的橫截面鍛函比最終設(shè)計尺寸稍大。第二步鍛壓為冷鍛，鍛壓過程僅在桿身梁區(qū)施壓，采用非常精確的模具進行沖壓控制，使連桿能夠承受高負荷。這一效果相當于連桿抗彎強度增加了約30%。

增加強度的典型措施通常是替換連桿材料，或者使用某種類型的熱處理工藝，如回火。與此相反，本發(fā)動機使用的連桿僅在工字梁區(qū)得到了加強，大小端的材料硬度則與常規(guī)材料的相同。這就能在提高連桿強度和減重15%的同時，使得大小端在的機加工過程中較為容易操作(圖27)。圖28為不同連桿的比較。

圖27 加強工字梁區(qū)的連桿

7.3輕量化的中冷器連接高滾

傳統(tǒng)上，中冷器前后的管子都采用鋁材來制造，但新開發(fā)的發(fā)動機改為采用吹塑成型的PP-GF15樹脂。將丙烯酸橡膠(ACM)軟管做成波紋管的形狀，因而縮短了總長度，并有助于吸收管子的振動。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，這種管子的成本更低，質(zhì)量可減輕20%(圖29)。

8車輛性能

由于1．5 L小型化的渦輪增壓發(fā)動機采用了上述改善燃油經(jīng)濟性和減輕發(fā)動機質(zhì)量的措施，配裝該發(fā)動機的車輛達到了表3中所列的性能。

圖28 不同連桿的比較

圖29 采用輕質(zhì)材料的中冷器連接管

表3 車輛性能

9結(jié)論

為了實現(xiàn)良好的行駛性能和環(huán)保理念，開發(fā)了一種1．5 L小型化渦輪增壓發(fā)動機。該發(fā)動機旨在用來替代1．8～2．4 L自然吸氣發(fā)動機。采用高滾流氣道、淺盆形活塞和多孔噴油器與長行程結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)了快速燃燒和均勻的混合氣。雙VTC和小渦輪增壓器的應(yīng)用增強了低端扭矩，能使用戶在使用普通汽油的情況下獲得駕駛的樂趣。該發(fā)動機達到的性能指標如下:

(1)最大輸出功率130 kW，比1．8 L自然吸氣發(fā)動機的功率提高了21%。同時，扭矩增加了26%，而最大扭矩時發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降了2 600 r/min。

(2)發(fā)動機的最小比油耗是220 g/(kW·h)，最大熱效率為38%。

(3)能達到LEV3-SULEV30排放標準。