本田汽車公司新型1.6L轎車柴油機(jī)

【日】 N.Ikegami S.Mori T.Yano T.Miyake

本田汽車公司開(kāi)發(fā)了第3代轎車柴油機(jī),該機(jī)型的廢氣排放更低，動(dòng)力性能更強(qiáng)勁。1.6L 小型化4缸廢氣渦輪增壓機(jī)型的結(jié)構(gòu)非常緊湊，質(zhì)量比老機(jī)型更輕。與目前的2.2L柴油機(jī)相比，新機(jī)型配裝于新款Civic轎車后，燃油耗降低14.5%，按新歐洲行駛循環(huán)運(yùn)行的百公里燃油耗為3.6L，CO2排放量?jī)H94g/km。

柴油機(jī) 燃油耗 CO2排放 發(fā)動(dòng)機(jī)小型化

1 背景

本田汽車公司的目標(biāo)是： 至2020年，新車型的CO2排放比2000年降低30%。同時(shí)，為了不損害駕駛樂(lè)趣，本田汽車公司開(kāi)發(fā)了所謂“地球夢(mèng)科技”技術(shù)，包括提高內(nèi)燃機(jī)和變速器效率，以及進(jìn)一步發(fā)展新一代電氣化動(dòng)力總成系統(tǒng)的技術(shù)。2012年底推出的1.6L直列4缸渦輪增壓柴油機(jī)(Honda i-DTEC 1.6L )是歐洲市場(chǎng)“地球夢(mèng)科技”技術(shù)的首款代表機(jī)型[1]。

2004年，本田汽車公司將首款自主研發(fā)的2.2L 直列4缸渦輪增壓柴油機(jī)投放市場(chǎng)，該機(jī)型以低噪聲和低燃油耗獲得充分肯定。隨后，進(jìn)一步優(yōu)化了第2代機(jī)型的摩擦和燃油耗[4,5]，并于2008年以“i-DTEC 2.2L”為名投放市場(chǎng)。

隨著消費(fèi)者環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，市場(chǎng)上對(duì)緊湊型汽車的需求非常強(qiáng)烈。柴油機(jī)因氣缸壓力高而需要非常堅(jiān)固的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，以及外形尺寸相對(duì)較大的排氣后處理裝置，這兩方面原因致使柴油機(jī)與排量相同的汽油機(jī)相比，顯得更大、更笨重。近年來(lái)，柴油機(jī)在緊湊型汽車領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越多的市場(chǎng)份額，其中，小而輕的動(dòng)力總成系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注。

出于上述原因，本田汽車公司開(kāi)發(fā)了新型緊湊型1.6L柴油機(jī)，作為第3代轎車柴油機(jī)，并以小型化和低燃油耗獲得市場(chǎng)認(rèn)可。Civic i-DTEC 1.6L緊湊型轎車按新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)運(yùn)行的百公里燃油耗為3.6L，CO2排放量?jī)H94g/km，與配裝2.2L柴油機(jī)的Civic轎車相比，降低了14.5%。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

新型柴油機(jī)的設(shè)計(jì)滿足效率高(降低CO2排放量)、質(zhì)量輕和外形尺寸緊湊的要求，本田汽車公司通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，并將排量從2.2L減小到1.6L。當(dāng)然，只采取小型化措施并不足以使上述各方面要求都達(dá)到較高的水平，因而采取以下技術(shù)組合作為重要的優(yōu)化措施(圖1)：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體小型化和輕量化；(2)降低摩擦功率；(3)高 效率、低排放的燃燒過(guò)程。優(yōu)先開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，以滿足質(zhì)量輕和外形尺寸緊湊的要求。機(jī)體的突出特點(diǎn)是具有開(kāi)放式頂面結(jié)構(gòu)和高剛度的氣缸蓋。優(yōu)化的摩擦功率性能提高了效率，并進(jìn)一步降低了燃油耗。經(jīng)過(guò)仔細(xì)優(yōu)化，活塞質(zhì)量更輕且摩擦更小，曲軸采用新材料，優(yōu)化的冷卻系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱更快，這些措施促使摩擦進(jìn)一步降低。此外，新的活塞和曲軸都有助于減輕質(zhì)量。

優(yōu)化燃燒性能，結(jié)合具有更小噴孔直徑的多孔噴油嘴、優(yōu)化的燃燒室?guī)缀涡螤詈偷蛪篍GR等技術(shù)措施的效果，提高了效率。在1.6L柴油機(jī)上，低壓EGR有助于提高工作過(guò)程的效率和降低氮氧化物(NOx)排放。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化通常要縮小缸徑，導(dǎo)致優(yōu)化燃燒變得更加困難，對(duì)燃燒效率會(huì)產(chǎn)生不利影響，而通過(guò)應(yīng)用上述技術(shù)措施，新型柴油機(jī)達(dá)到了更高的水平。

3 機(jī)體小型化和輕量化

眾所周知，2.2L柴油機(jī)采用先進(jìn)的半固態(tài)鑄造工藝制造，具有封閉式頂面的鋁氣缸體；新機(jī)型的氣缸體則采用開(kāi)放式頂面結(jié)構(gòu)，并且不再采用半固態(tài)鑄造工藝，而是采用高壓壓鑄工藝制造，這能進(jìn)一步減輕發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體質(zhì)量。圖2示出了1.6L和2.2L柴油機(jī)的不同結(jié)構(gòu)。開(kāi)放式頂面氣缸體避免了氣缸蓋密封墊卷邊在缸孔范圍內(nèi)的垂直運(yùn)動(dòng)。并且，出于上述原因，優(yōu)化了個(gè)別零件的幾何形狀和剛度，從而提高了缸孔形狀的穩(wěn)定性和氣缸蓋的剛度。這些改進(jìn)所增加的質(zhì)量被控制在最低水平。

通過(guò)有限元法(FEM)和疲勞強(qiáng)度分析，優(yōu)化加強(qiáng)筋的布置及其形狀，有利于進(jìn)一步減輕質(zhì)量。此外，本田汽車公司還將曲軸軸承的緊固方法由傳統(tǒng)的主軸承座框架結(jié)構(gòu)型式改為單個(gè)主軸承蓋型式。在采用單個(gè)主軸承蓋的情況下，氣缸體與主軸承瓦之間可能出現(xiàn)摩擦磨損，因此，借助于非線性FEM改善單個(gè)主軸承蓋的剛度及其造型，從而解決這一問(wèn)題。通過(guò)采取上述措施，1.6L柴油機(jī)的機(jī)體總成質(zhì)量比i-DTEC 2.2L柴油機(jī)減輕11.6kg(降低33%)。

4 高剛度氣缸蓋

在氣體壓力較高的柴油機(jī)中，氣缸蓋墊片的性能至關(guān)重要。為了滿足這一要求，本田汽車公司為新型柴油機(jī)選擇了凸輪軸軸承座集成在氣缸蓋上的結(jié)構(gòu)(圖2)。此外，根據(jù)氣缸蓋墊片的表面壓力分析，借助于FEM優(yōu)化氣缸體中冷卻水套的深度、氣缸蓋緊固螺栓的螺紋孔深度、氣缸孔壁厚，以及氣門凹陷深度和氣缸蓋高度，從而在氣缸蓋螺栓擰緊力矩較低的情況下達(dá)到足夠的密封性。這些措施改善了氣缸蓋的整體剛度，使開(kāi)放式頂面結(jié)構(gòu)的氣缸蓋設(shè)計(jì)首次獲得成功。

5 降低摩擦功率的技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功率的55%是由機(jī)械摩擦產(chǎn)生的，而其中50%是由振動(dòng)零件的慣性矩所引起的，因此，新機(jī)型的活塞特別輕，摩擦很小(圖3)，在保持機(jī)油冷卻通道進(jìn)出口和制造公差不變的同時(shí)，活塞裙部面積縮小26%。通常，縮小活塞裙部面積會(huì)使耐磨損性變差，但在新機(jī)型上，通過(guò)改進(jìn)幾何形狀和提高裙部強(qiáng)度，避免了出現(xiàn)上述缺陷，同時(shí)也沒(méi)有增加摩擦。新型活塞的摩擦降低5%，同時(shí)也減輕了質(zhì)量。

為了減少曲軸的摩擦損失，可減小曲軸軸頸和軸承直徑，雖然新型小型化柴油機(jī)具有高輸出扭矩，但減小曲軸主軸頸和連桿軸頸的直徑并不會(huì)影響強(qiáng)度，為此，應(yīng)用新開(kāi)發(fā)的氮化處理工藝，使細(xì)小的Mo-V分子擴(kuò)散滲透到材料表層，從而使其振動(dòng)疲勞強(qiáng)度比傳統(tǒng)材料提高45%以上，而且也有助于減輕曲軸質(zhì)量。

6 具有快速預(yù)熱性能的冷卻系統(tǒng)

在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后的暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)階段，機(jī)油黏度較大，因而發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦較大。若能加快發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱，就能減小摩擦，從而降低燃油耗。圖4示出為小型化柴油機(jī)開(kāi)發(fā)的節(jié)溫器，它能使發(fā)動(dòng)機(jī)更快達(dá)到運(yùn)行溫度。采用新型節(jié)溫器后，只有來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的熱水從石蠟感溫元件周圍流過(guò)，不會(huì)與來(lái)自汽車散熱器的冷水混合，避免了調(diào)節(jié)溫度大幅波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)溫度的精細(xì)調(diào)節(jié)。而且，與傳統(tǒng)節(jié)溫器相比，新型節(jié)溫器能調(diào)整到較高的溫度水平，特別在部分負(fù)荷時(shí)，這種較高的溫度水平是非常有利的，能夠減少運(yùn)行范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦，從而降低燃油耗。新型節(jié)溫器使配裝于Civic轎車的1.6L柴油機(jī)在NEDC中的暖機(jī)階段縮短5s，由于發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦和熱損失減少，CO2排放量降低3.9g/km。

7 低排放、高效率的燃燒過(guò)程

為了將排量從2.2L減小到1.6L，本田汽車公司減小了發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑。當(dāng)然，較小的氣缸增加了生成碳煙的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榭赡苡休^多的燃油噴束碰到燃燒室壁面而未燃燒，因此，必須重新設(shè)計(jì)燃燒室中燃油噴霧的尺寸。為了減小多孔噴油嘴的噴孔直徑和增加噴孔數(shù)目，使用噴孔直徑為0.114mm的8孔噴油嘴替代目前噴孔直徑為0.123mm 的7孔噴油嘴，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2500r/min、平均有效壓力1.13MPa、空燃比20的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，碳煙生成減少45%。

8 燃燒室的優(yōu)化

缸徑減小導(dǎo)致碳煙增加是由燃油噴束碰撞燃燒室壁面所致，因?yàn)楹笳咴斐苫钊斎紵野伎又芯植窟^(guò)量空氣系數(shù)(λ)向濃混合氣方向偏移。因此，新型1.6L柴油機(jī)不僅重新設(shè)計(jì)混合氣形成，而且對(duì)活塞頂燃燒室凹坑形狀也進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以避免出現(xiàn)濃λ區(qū)域。

圖5示出了傳統(tǒng)柴油機(jī)和新型1.6L柴油機(jī)的凹坑形狀及燃燒室中的λ分布狀況。傳統(tǒng)2.2L 柴油機(jī)燃燒室凹坑中心頂端至底部是直線連接的，而新機(jī)型的凹坑形狀則是彎曲連接。因此，燃燒室中的空氣流能產(chǎn)生強(qiáng)度極高的渦流運(yùn)動(dòng)，使燃燒室中濃λ區(qū)域明顯減少，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2250r/min、扭矩135N·m的工況下，碳煙生成減少約20%。

9 低壓EGR

新型小型化柴油機(jī)在傳統(tǒng)的高壓EGR基礎(chǔ)上又增加了低壓EGR(圖6)。低壓EGR是在廢氣渦輪后取出部分廢氣進(jìn)行再循環(huán)，以便在提高EGR率時(shí)不會(huì)對(duì)通過(guò)渦輪的廢氣流量產(chǎn)生不利影響，從而在有更多廢氣流量通過(guò)渦輪時(shí)優(yōu)化增壓，再循環(huán)廢氣進(jìn)入壓氣機(jī)增大了壓氣機(jī)的體積流量，使壓比移向更高壓力側(cè)，壓氣機(jī)效率得以改善(圖7)。此外，在壓氣機(jī)體積流量較小時(shí)，小的廢氣渦輪增壓器效率可得到額外優(yōu)化，因此，低壓EGR提高了渦輪增壓器效率，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的總機(jī)械效率，從而使NEDC中的CO2排放量比只采用高壓EGR的柴油機(jī)減少3.5g/km。本田汽車公司利用低壓EGR并非是為了降低NOx排放，而是為了改善機(jī)械效率。

當(dāng)然，在瞬態(tài)運(yùn)行狀況下，低壓EGR在調(diào)節(jié)再循環(huán)廢氣的精度方面存在缺陷。低壓EGR的調(diào)節(jié)管路比高壓EGR長(zhǎng)很多，因而在進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，額定值與實(shí)時(shí)值之間會(huì)產(chǎn)生時(shí)間上的滯后(圖6)。為此，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中設(shè)有1個(gè)基于模型的調(diào)節(jié)回路[6]，用于協(xié)調(diào)低壓EGR與高壓EGR的配合(圖8)。

在瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)低壓EGR滯后達(dá)到額定值的情況下，在基于模型的調(diào)節(jié)回路中，高壓EGR會(huì)補(bǔ)償?shù)蛪篍GR不足的再循環(huán)廢氣體積流量，因此，即使在瞬態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，也能在節(jié)油效果最大化的同時(shí)，確保NOx排放仍有足夠的降低。

①為符合原著本意，本文仍沿用原文中的非法定單位——編注。

10 與競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型的行駛功率比較

本田汽車公司的新型1.6L柴油機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000r/min時(shí)能達(dá)到最大扭矩300N·m，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4000r/min時(shí)能達(dá)到最大功率88kW。該機(jī)型配裝于本田Civic轎車后，在NEDC中的百公里燃油耗僅3.6L, CO2排放量?jī)H94g/km。圖9示出了本田Civic轎車與競(jìng)爭(zhēng)車型的0～100km/h加速性和CO2排放量的比較。Civic轎車的數(shù)值位于加速性與CO2排放量之間理想折中的曲線上，因此就經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能而言，它是該等級(jí)車輛中的最佳車型。圖10示出了本田汽車公司1.6L柴油機(jī)與其他量產(chǎn)機(jī)型的質(zhì)量和扭矩比較，因采取多項(xiàng)減輕質(zhì)量的措施，在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型中，甚至與扭矩相當(dāng)?shù)钠蜋C(jī)相比，新型1.6L柴油機(jī)也是最輕的機(jī)型。此外，與目前的2.2L柴油機(jī)相比，這種先進(jìn)的小型化機(jī)型減小了外形尺寸，長(zhǎng)度縮短10mm，寬度縮小50mm。

因此，這種新型動(dòng)力總成系統(tǒng)特別適合配裝在緊湊型轎車上。

11 結(jié)語(yǔ)

為了使具有出色燃油耗優(yōu)勢(shì)的柴油機(jī)能配裝于緊湊型轎車，本田汽車公司采用小型化方案，開(kāi)發(fā)了全新的1.6L動(dòng)力總成系統(tǒng)，特別在以下方面獲得了明顯改善：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體小型化和輕量化；(2)將摩擦功率降至最低程度；(3)低排放、高效率的燃燒過(guò)程。通過(guò)采取各項(xiàng)措施，得到了輕量、緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)，并具有出色的燃油耗性能，在NEDC中的CO2排放量?jī)H94g/km，Civic i-DTEC 1.6L轎車已成為目前經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性能獲得最佳折中的車型。

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ， 2014， 75(3)

張 慰 編輯

2014-07-30)