1.0 L汽油直喷涡轮增压小型化发动机的开发

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  本田公司近期开发出了1款1.0 L汽油直喷涡轮增压发动机,兼具出色的环保性能和优越的驾驶性能。与配备了可变气门正时和升程电子控制系统(VTEC)的直列4缸涡轮增压发动机的燃烧过程一样,该款发动机采用了相同的设计理念,并通过相关技术尽可能降低摩擦。在欧洲行驶循环条件下,与该机型相匹配的车型,其燃油经济性最多可改善约26%,驾驶性能最多可提升约20%。
  涡轮增压;火花点火发动机;小型化;降低摩擦
  0 前言
  为了满足日趋严苛的燃油经济性要求,欧洲原始设备制造商(OEM)针对发动机小型化技术开展了一系列研究。数年前,日本本田公司推出了采用绿色环保技术,以及可变气门正时与升程电子控制(VTEC)系统的4缸涡轮增压发动机,分别有1.5 L[1-2]和2.0 L [2-3]2种排量以供用户选择,并兼具优异的环保性能和驾驶性能。为了满足未来的燃油经济性要求,提高产品市场竞争力,同时推动全球化市场发展,本田公司近期又开发出了1.0 L VTEC TURBO型发动机。目前,该款发动机已搭载于CIVIC车型,并在中国及欧洲市场进行销售。本文将针对该款发动机,对其结构及技术性能进行简要介绍。
  1 开发目标
  与同等功率的自然吸气发动机相比,小型涡轮增压发动机具有排量小、摩擦损失低的优势,同时在低速高负荷工况下的泵气损失较低,并可显著提升整机燃油经济性。在加速及高速行驶等需要较大输出功率的情况下,涡轮增压也可为小排量车型提供充足的动力来源。研究人员按照以下目标,针对小型化、降低摩擦并提高燃油经济性的目标而开发了1.0 L 3缸发动机。该车型相关技术特点如下:
  (1)相比其他1.8 L 自然吸气发动机,该款机型可使燃油经济性提高20%以上;
  (2)可使整机中、低速扭矩提升20%;
  (3)可有效抑制往复运动过程中3气缸特有的振动现象。
  根据以上改善燃油经济性的目标,研究人员针对1.8 L 自然吸气发动机降低摩擦及实现小型化的问题开展了相关研究,同时根据起动时加速响应性的变化情况,对发动机排量进行选择。图1为发动机外观图。
  图1 发动机外观图
  2 发动机性能及主要部件
  表1列出了该款发动机的主要性能参数。为了最大限度地利用现有生产条件,该款机型的缸径等主要参数与原1.5 L 自然吸气发动机相同。研究人员对其中约50%的部件进行了重新开发。为了降低摩擦,该款发动机主要采用细轴曲轴、变容机油泵、电控恒温器等部件。
  3 结构及应用技术
  3.1 气缸体及气缸盖
  研究人员利用压铸法制造出铝合金气缸体,并在其内部铸入铸铁缸套。为实现冷却性能随功率密度增加而提高的目標,研究人员在缸体前方设置了分支水套,冷却水在此处进行分流,形成双冷却结构。其中1条冷却水道直通气缸盖,另1条冷却水道流经缸体水套后再进入气缸盖(图2)。
  研究人员采用了可将气缸盖分为上下两部分,并分别进行冷却的两段式冷却水套结构。通过横向流经燃烧室的冷却水,各气缸燃烧室得以均匀冷却(图3)。
  3.2 冷却系统
  发动机冷却水道出口设有电控蜡丸恒温器(图4),研究人员将开阀温度设定在103 ℃,较原系统高出约20 ℃。研究人员通过在低负荷工况设置较高的冷却水温,从而确保润滑油具有较高的温度,由此降低摩擦,进而使燃油经济性提高约0.6%。另外,由于恒温器活塞内部设有陶瓷加热器,通过直接加热蜡丸,冷却系统可以在低于预设要求的冷却水温下打开阀门。在较高的负荷工况下,冷却系统可为陶瓷加热器冷却,降低开阀温度,从而实现较强的冷却水温控制能力,确保发动机在高负荷工况下的可靠性。
  3.3 往复运动部件
  曲轴采用高强度氮化钢制成。主轴颈直径及连杆轴颈直径采用细轴设计,以降低摩擦。图5为曲轴外观。表2为该曲轴与1.5 L 自然吸气发动机曲轴的尺寸对比。针对一次惯性力偶产生的振动,在减小往复运动质量的基础上,研究人员在对车体振动影响较大的发动机安装点处,对平衡率进行了设定,从而可以降低垂直方向的振动。在发动机开发之初,研究人员对0%和75%的平衡率进行了比较,并选择了后者。
  图6为一次性惯性力偶下安装点处振动与对标车型的对比结果。通过与对标车型的比较,研究人员可以确认该款发动机这一位置处的振动已降至较低程度。
  为解决增压带来的热负荷增加等问题,研究人员在活塞中布设了冷却水道(图7)。由此可使活塞顶部温度降低约20 ℃,在确保活塞强度的基础上,也可以改善敲缸特性,同时通过提高压缩比,使燃油经济性改善了0.5%。
  该发动机的连杆设计方案与1.5 L及2.0 L VTEC TURBO发动机相同。由于采用了增压系统,为应对较高的负荷,研究人员为其配备了通过可控锻造技术制造的连杆,重点采用二级锻造工艺强化杆身部分。通过提高杆身弯曲强度,使连杆与以往同类产品相比,质量降低了18%。
  3.4 气门机构
  在气门机构中,进排气两侧采用了VTC,进气侧则采用可切换高低升程的VTEC摇臂结构。根据负荷及转速工况,研究人员可对VTC及VTEC进行控制,在确保具有较高扭矩的同时,可相应改善低负荷工况下的燃油经济性。图8为气门机构外观图。由于空间仅可容纳3个气缸,为此需要高效配置可变气门机构控制装置。因此,研究人员采用了配备有电磁阀及机油控制阀(OCV)的VTC(图9)。通过这种设置,研究人员可以简化机油管路,并通过设置止回阀,以确保气门机构的高响应性。
  研究人员在进气侧配装了VTEC机构,在升程较低的工况下,可利用进气门早关的阿特金森循环,使整机燃油消耗率减少5%,行驶燃油耗减少2%。图10为进排气侧气门正时机构及对应的升程量。图11为VTC与VTEC的切换图。在阿特金森循环下,在低负荷泵气损失降低的同时,由于气门正时及升程量受限,高负荷工况下的扭矩下降,从而无法兼顾较低的燃油耗和较高的输出功率。   为解决这一问题,研究人员采用了独创的VTEC技术,能根据负荷切换凸轮,由此可同时改善低负荷工况下的油耗和高负荷工况下的扭矩。图12为缸内压力示意图。在低负荷工况下,系统可提前关闭气门,由此降低泵气损失。
  凸轮轴及机油泵由发动机内部的正时皮带驱动(图13)。由于该系统设置在发动机内部,充分降低了皮带噪声。同时,相对以往采用的正时链,该正时皮带系统的摩擦降低了1.8%。由于该系统会频繁与润滑油相接触,研究人员特别为其选用了经久耐用的材料。正时皮带结构如图14所示。表3对比了该新款正时皮带材料与原款正时皮带材料的差异。
  3.5 润滑系统
  为了降低发动机摩擦,研究人员为系统选用了容量可变的机油泵。电磁阀可根据发动机负荷及转速,在2种油压间切换,从而能确保机油压力始终低于目标压力。因此,即使在暖机过程中出现机油温度较低及黏度较高的现象,其压力也不会过度升高,从而可降低摩擦,燃油消耗率也能降低约1%。
  移动叶轮泵外侧的凸轮环可改变偏心量,并调整机油泵容量(图15),同时能根据凸轮环上下腔内油压控制偏心量。
  3.6 燃烧概念
  1.0 L VTEC TURBO型发动机可采用与1.5 L及2.0 L 4缸VTEC TURBO型发动机相同的高速燃烧概念。研究人员通过采用高滚流气道,并在进排气两侧凸轮轴配置VTC,同时将直喷喷油器安装在进气歧管侧面,由此实现了高滚流及混合气空燃比的最佳化。因此,当发动机在高负荷工况下运行时,可以缩短响应时间,并改善燃油经济性。图16为1.0 L直列3缸增压发动机与1.5 L 自然吸气发动机进气口及燃烧室形状的对比。相比自然吸气发动机,该款发动机进气口角度较平,进气口下部边缘竖起,通过将进气导入燃烧室上部,可使气流沿排气侧屋脊型燃烧室壁流动,从而强化滚流(图17)。
  4 发动机性能
  4.1 输出功率
  1.0 L VTEC TURBO型发动机适用于多种轿车车型,开发目标是使整机的扭矩特性优于1.8 L自然吸气发动机。为提高中低转速工况下的扭矩,研究人员特别为其配备了带电动旁通阀的小型涡轮增压器,利用VTC设定了可优化扫气并能在内部运行的EGR系统,并使气门正时在发动机各转速工况下都能实现最优化。在转速为2 250 r/min时,最大扭矩可以达到200 N·m。图18对比了1.0 L直列3缸增压发动机与1.5 L及1.8 L自然吸气发动机的功率特性。相比1.8 L自然吸气发动机,1.0 L VTEC TURBO型发动机在2 250 r/min转速工况下的扭矩提高了约20%。在1.0 L排量下,最高输出功率可达到95 kW,实现了扭矩和功率之间的平衡,并适用于多种车型。
  4.2 燃油经济性
  图19给出了1.0 L VTEC TURBO型发动机在不同轉速及排量下的机械摩擦水平。图20给出了典型工况点处比油耗(BSFC)的情况。根据发动机转速及排量的变化,机械摩擦基本处于最低水平,燃油经济性则处于同排量增压发动机中的最佳水平。
  图21对比了1.0 L VTEC TURBO型发动机与1.8 L 自然吸气发动机的燃油经济性。研究人员通过优化VTC及VTEC控制过程,在较宽广的工况区域内,使BSFC降至240 g/(kW·h),由此使燃油消耗率降低约20%。图22示出了该款发动机与1.8 L 自然吸气发动机配装于同一车型上时, 80~120 km/h工况下的加速性能及行驶油耗的比较。在确保了具有相近甚至更高加速性能的同时,该款发动机可使整车行驶燃油经济性改善约26%。
  5 总结
  通过采用小型化及降低摩擦的技术,研究人员开发出了新款发动机,并使其性能相比原1.8 L 自然吸气发动机有了进一步提升,总体概况如下:
  (1)在同一车型中,燃油消耗率降低了26%;
  (2)在输出功率相同的情况下,发动机在中低转速工况下的扭矩提高了20%。
  参 考 文 献
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  张冬梅 译自 自動車技術,2019,73(9)
  伍赛特 编辑
  (收稿时间:2020-10-16)
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