关于1.5 L涡轮增压汽油直喷发动机的开发过程详解

摘要:为了实现较好的动力和环保性能，开发了1种小型化1．5 L涡轮增压发动机。该发动机旨在替代1．8～2．4 L的自然吸气发动机。在小型化涡轮增压发动机中，混合气均匀性对抑制爆燃和减排十分重要。特别是在发动机高负荷运行时，创造快速燃烧和均匀混合气是关键的技术。采用了长行程直喷发动机作为满足这些要求的基本机型，它具有显著的快速燃烧能力和较高的热效率。将长行程与高滚流气道和支持滚流的浅盆形活塞相结合，增强了混合气在气缸内的流动。建立的燃烧系统包含1个能减少爆燃的充钠排气门和1个有利于形成均匀混合气和减少燃油湿壁的多孔(6孔)喷射器。依靠快速燃烧，能够实现很高的缸内压力，因而能提高平均指示有效压力，即使在转速1 500 r/min全负荷下推迟点火正时的情况下也是如此。双气门正时控制(VTC)有可能为不同的发动机转速和负荷设定最佳的进排气门重叠角和气门正时。VTC与上述燃烧系统相结合实现了220 g/(kW·h)－1的最低比油耗和38%的最大热效率。还介绍了发动机的动力输出性能和燃油经济性，以及为达到低排放、减少振动和噪声、实现轻量化和整车性能采用的技术。

本田汽车公司的目标是要开发一些具备驾驶乐趣，同时又能满足全球越来越严的环保法规的发动机。为此，本田汽车公司开发了1种热效率和输出性能较好的1．5 L小型化涡轮增压发动机。该发动机旨拟用来替代1．8～2．4 L的自然吸气发动机。本文将特别探讨在本田汽车(Civic)紧凑型轿车上用这种发动机取代1．8 L自然吸气发动机的好处。设定的4个发展目标如下:

(1)实现一种由进气道产生缸内高速滚流的新型燃烧系统;

(2)能在发动机低转速范围产生充裕扭矩的功率特性;

(3)一流的燃油经济性和排放性能;

(4)通过使用轻量化、高刚性的发动机框架结构达到卓越的振动和噪声水平。

本文将介绍发动机的技术规格、燃烧概念、输出特性、燃油经济性、降低排放、降低振动-噪声、轻量化和车辆性能等方面的情况。

1发动机技术规格

本田汽车选择现有的1种1．5 L自然吸气发动机作为基本机型，以实现比以前几种1．8 L自然吸气发动机更好的驱动性和燃油经济性。该项开发的出发点是采用1．5 L自然吸气发动机作为参考机型来实现高热效率。长行程结构可提供相当快速的进气流，因而能增加燃烧室内的紊流。通过这种方式，能快速燃烧和抑制爆燃。

尤其是在涡轮增压发动机中，该爆燃对策在高增压压力条件下能带来更高的热效率。因此，这就能通过长行程(行程/缸径比为1．22)和小缸径(直径73 mm)的结构配用涡轮增压器来得以实现，这正是上述燃烧的优点。图1所示为这种小型化涡轮增压发动机在热效率和平均有效压力(BMEP)方面的优越性能。发动机的技术规格列于如表1，图2为发动机的外观视图。

图1 1.5 L小型化涡轮增压发动机的性能位置

(图中所示3种发动机的相应参数列于表1中)

图2 1．5 L小型化发动机的外观视图

采用双VTC能够为各种不同的发动机负荷和转速提供最佳的进/排气门重叠角和气门正时。通过调整内部EGR量和充气效率，能使发动机达到目标燃油经济性和输出功率。并采用汽油直喷射器来提高热效率和形成均匀的混合气。发动机设计成可使用普通汽油运行，在压缩比为10．6的情况下燃油耗与动力性达到最佳平衡。

为了激活排气催化剂使之较早起燃，在排气门到催化器的所有通路上都采用了低热质量结构(图3)。该结构包括1个直接安装在气缸盖整体式排气歧管上的单流道涡轮增压器，与1个在其下游的双床催化器直接紧耦合。发动机向后倾斜7°，而这些排气系统组件均布置在发动机的前端。

表1 发动机主要技术规格

图3 在从排气门到催化器的所有通路上

采用的低热质量结构

2燃烧概念

建立的燃烧系统由高滚流气道(在小型化涡轮增压发动机所需的高负荷下产生快速燃烧和均匀的混合气)、浅盆形活塞(支持滚流)、充钠排气门(减少爆燃)，和多孔喷射器(减少气缸燃油湿壁)组合而成(图4)。

图4 燃烧系统的组件

图5所示为涡流比与流量系数之间的关系。与其他进气道相比，新型进气道的定位是高涡流比。图6所示为涡轮增压发动机与基本机型1．5 L自然吸气发动机进气道和活塞形状的差异。与自然吸气发动机相比，涡轮增压发动机进气道的倾斜角度更大。其空气流大多沿排气门下面的单坡斜面流动，对面的气流被限制进入气缸。这一效应是由设置在进气道下侧周围与气门座腔相连的被称为突变斜坡刃口(图6细节A)造成的。如此可以限制逆向滚流(即限制空气反向回流)。

图5 在涡流比与流量系数的曲线图上

新型滚流气道所处的位置

新开发的涡轮增压发动机还采用浅盆形活塞。这种浅盆形顶部形状由平缓的曲面和上坡面组成(图6细节B)。曲面是要在进气行程期间使滚流流动方向变换成向下，后面的上坡形状用于引导气流向上流动。通过这种方式，活塞顶部的形状就能在压缩行程期间产生滚流。图7所示为由计算流体动力学(CFD)里卡多VECTIS 3．12方法获得的转速1 500 r/min全负荷时的缸内气流形态。图8比较了这两种发动机的涡流比和紊流动能。

观察到在活塞方向有一股强气流，它在进气过程的前半部分(曲轴转角100°CA)形成。活塞顶面的浅盆能使这股气流反向流动，产生滚动涡流。在压缩过程中(曲轴转角270°CA)观察到的滚动的涡旋，在上止点前－60～0°CA BTDC单坡被挤入屋脊斜面，并转化成紊流动能，从而促进火焰传播，接近压缩上止点时的紊流动能大约是自然吸气发动机的2倍。

图6 进气道和活塞形状的比较

图7 缸内流动形态(转速1 500 r/min倒拖运行)

选择的直接多孔喷射器能给喷雾形态提供了很大自由度。选用的1种喷油器与高速滚流结合，能够降低缸套湿壁(会影响机油稀释)和活塞湿壁(导致碳烟)。表2所示为考虑到的几种典型的喷雾形态。它会根据进气行程中的滚流主流方向提出3个喷雾方向:向上(朝缸套)，向下(朝活塞)和向中间。这些以混合均匀性和燃油湿壁量为指标，利用CFD计算来选择喷雾方向。这台发动机选择了C型喷雾形态。

表2提出了3种燃油喷雾形态。表中的燃油喷雾布局图表示，x轴值是为横向角位移量，y轴值为纵向角位移量。

图8 涡流比和紊流动能

(转速1 500 r/min倒拖运行)

表2 3种燃油喷雾形态

注:++，好;+，中等;－，差

3输出性能

新型1．5 L涡轮增压发动机最大输出功率为130 kW，比1．8 L自然吸气发动机的最大功率增加了21%，扭矩增加了26%，且发动机最大扭距转速下降了2 600 r/min。转速2 000 r/min时的扭矩与2．4 L发动机的大致相同。这有助于确保车辆在城市地区方便操纵，以足够的功率实现舒适的高速加速(图9)。这些结果可能是因为采用了上述燃烧的规格、双VTC，以及低惯性和高响应度的紧凑型涡轮增压器而获得的。

涡轮增压器的1个独特之处是进气压力大于或等于其排气压力。利用这一特性进行的扫气过程是增加低速扭矩的1种有效手段。在相对较高的进气压力条件下，采用较宽的进排气门叠开角，能使残余气体从缸内清除到排气系统。这可使气缸充入更多的新鲜充量并减少爆燃。同时，扫气流能提高涡轮的转速(图10)。

图9 性能曲线的比较

图10 转速1 500 r/min全负荷时

1.5 L涡轮增压发动机的扫气效果

其结果是，在1 500 r/min时，开发的发动机的扭矩大约要比1．8 L自然吸气发动机的高30%。此外，针对这种扫气将空燃比设定为化学计量比，可以通过催化器来净化废气。图11比较了1 500 r/min全负荷时1．8 L自然吸气基本型发动机和1．5 L涡轮增压发动机的气缸压力曲线。增压压力补偿了由于小型化导致的平均指示有效压力(IMEP)的损耗，这意味着即使在行程容积很小的情况下，也能产生高气缸压力。由图12显示，即使在因增压压力上升而推迟点火正时的情况下，快速燃烧也能达到很高的热效率。

图11 1.5 L涡轮增压发动机和1.8 L

自然吸气发动机的p-V图比较

(1 500 r/min全负荷)

图12 1.5 L涡轮增压发动机和

1.8 L自然吸气发动机放热率的比较

(1 500 r/min全负荷)

在图13中，发动机中、高转速从2区到4区气门叠开角逐渐减小。这就能抑制因排气压力上升而导致的残余气体增加。在加速期间，将电动放气阀控制成立即完全关闭，因而有可能快速增加增压压力。

图13 双VTC的控制策略

4燃油经济性

图14为1．8 L自然吸气发动机和1．5 L小型化发动机有效比油耗(BSFC)曲线图谱的比较。图中显示，BSFC 240 g/(kW·h)的区域扩展到了包括较高和较低的扭矩以及较高和较低的发动机转速的范围。新开发的发动机的最小比油耗为220 g/(kW·h)，最高热效率为38%。

图14 1.5 L涡轮增压发动机与

1.8 L自然吸气发动机BSFC图谱的比较

因此，此项开发已经达到了在1 500 r/min和70 N·m(重点运转工况)下比油耗减少10%的目标。此外，由于小型化发动机是要取代排量较高的发动机，所以它不仅需要在日常的负荷下，而且还要在高负荷下运行，并提供良好的燃油经济性。与1．8 L自然吸气发动机相比，新开发的发动机在转速1 500 r/min并接近全负荷140 N·m的情况下，燃油经济性降低了16%。图15所示为燃油耗减少的细分情况。

图15 有效比油耗改善的因素

在自然吸气发动机中，通常会采用较浓的空燃比来增加全负荷的输出功率。然而，增加小型化涡轮增压发动机的输出功率则有可能通过调整增压压力来实现。对于该发动机，可以通过将空燃比设定为化学计量比使BSFC改善57%。通过降低冷却损失和泵气损失能使指示热效率提高42%，并使摩擦损失减少1%。双VTC在宽广的负荷范围内对上述燃油经济性的改善发挥了重要作用，通过提供最佳的内部EGR增强热效率。

另一方面，据预测，按此方式使用内部EGR将会导致进气门和进气道表面积碳的问题。产生这方面问题的一个因素是运行窜漏气体中包含有机油雾。此外，据报道称，机油雾会导致发动机低转速运行和高负荷行驶时出现低速早燃(LSPI)。采用图16和图17所示的一种收集机油雾的结构有可能限制积碳和LSPI。图16所示为呼吸系统的通路。为了从窜漏气体中分离机油雾，在气缸盖罩上设置了2个分离腔。

压力控制阀(PCV)腔位于进气歧管的上游，呼吸腔位于压气机前的进气管上游。图17所示为PCV和呼吸腔的内部结构。这两个称为涡流室的腔室，由两部分组成。一个设置在气缸盖罩内，另一个是专用室盖，并分别设有筋条。上部和下部的筋条可使气流扭转路径。当窜漏气体通过该腔室时，会产生2个涡旋流。当这些气流被转到左右和上下时，窜漏气体中的机油雾就能靠撞壁作用从气体中分离出来，最终成为液态机油返回到凸轮室中。

5低排放

小型化发动机与涡轮增压器相结合是解决燃油经济性和提高功率输出的有效方法。但另一方面，由于涡轮增压器热质量增加会使冷起动后催化器温度上升缓慢。图18示出了为达到LEV3-SULEV30排放目标而采取的几种NMOG+NOx减排措施。基本的NMHC+NOx水平由以前几种满足LEV2-SULEV法规的1．8 L自然吸气发动机机型决定，这些发动机采用了相当于涡轮增压器热质量的排气系统。

图17 设置在气缸盖罩上

用于捕捉油雾的涡旋室结构

图 18 几种 NMOG+NOx的减排措施和

FTP-75测验时的效果

图19所示为在冷起动时(1 500 r/min，快怠速负荷，水温25℃)燃烧波动和碳烟量与点火正时的关系。高滚流形成的混合气均匀性和提高的湍流动能也有稳定延迟燃烧的效果。相比于常规的1．8 L自然吸气发动机，涡轮增压发动机在大尺度延迟燃烧时更为稳定。此外，在低温情况下，燃油没有直接喷射到活塞顶面，所以也能降低碳烟。将点火正时设定为比1．8 L自然吸气发动机延迟12°CA，即使排气系统中涡轮增压器会增加热质量，还是可以确保催化器温度上升所需的热排气(图20)。

图19 IMEP变化率和碳烟量

与点火正时推迟的关系

(转速1 500 r/min，水温为25℃，

快速怠速台架试验时)

图20 冷起动后排废气温度和

催化器温度的变化过程

图21所示为催化器的结构和细节说明。最新的催化器能够激活其自身的早期点火。这种催化器由载体和最近开发的催化涂层组成，前者能在很小的热量下升温，后者即使在低温下也具有可靠的还原性能。该载体具有55%的孔隙率，比常规载体高27%～35%，这可以使热质量降低30%～38%。最近开发的催化涂层中的铂系金属分散性更好，它能增强铂系金属的反应活性。因此，该催化剂能在催化器温度约30℃的情况下，比常规催化器的温度低，却能达到相同的还原水平(图22)。

图21 催化器结构和细节说明

图22 采用新开发的催化器

提高了HC和NOx的还原率

6振动和噪声减少

在1台小型化发动机上，要同时实现高输出、轻量化结构、降低噪声和振动是颇具挑战的。新开发的发动机采用轴颈直径较小的长行程曲轴有助于确保低摩擦和高热效率。采用独立的曲轴轴承盖，这种轴承支承系统有助实现更轻的质量。利用本田公司自己开发的工具对各种部件的形状进行优化，以处理振动和噪声问题。通过修改曲轴的形状实现了刚性更高的结构，并且通过修改曲轴皮带轮的规格，减少了发动机主要运动系统的振动。如重新设计独立轴承盖的形状(图23)。对不同轴颈的轴承盖作了改进，旨在减少它对振动传递的影响。采用这种方式使之具有足够的刚性，使之在降低质量的同时减少振动。

此外，快速燃烧和使用直喷系统对研发提出了另外一个挑战——高频辐射噪声。通过优化链条箱零件的表面形状，以及在那些会产生噪声辐射的零件上采用氨基甲酸酯隔层。新开发的发动机在同类机型中实现了最低的噪声辐射(图24)。

图23 为减振、降噪和轻量化而优化的轴承盖

图24 新型小型化1．5 L增压发动机在声压与

发动机扭矩关系图上的位置

(辐射噪声水平为转速3 000～5 000 r/min

全负荷的平均值)

7轻量化结构

降低发动机质量还会对车辆的燃油耗产生重大影响。通过研究降低发动机质量，其质量相比同等输出功率的常规自然吸气发动机减轻了约30 kg。下面介绍采用的具体技术。

7.1　排气门高滚

发动机零部件要在因增压导致热量上升情况下保持可靠耐用十分重要。该发动机采用充钠的中空头部排气门。为了确保气门头部的热量有效地向下端传递，并防止排气门和附近的结构过热，充钠一直延伸到了气门头部(传统气门只在阀杆中充钠)。这有助于降低气门的温度。其结果是在不改变1．5 L自然吸气发动机气门材料的情况下，气门材料更耐用且质量减轻18%(图25，图26)。

图25 充钠排气门横截面

图26 排气门的温度和强度(最大功率点)

7.2　加强工字梁杆身区的连杆强度高滚

为了承受增压产生的高气缸燃烧压力，连杆的工字梁杆身区域采用了新锻造技术，并采用适应涡轮增压发动机的局部加强锻压法工艺。过程由两步锻造工艺组成的。第一步锻压为正常的热锻，杆身工字梁的横截面锻函比最终设计尺寸稍大。第二步锻压为冷锻，锻压过程仅在杆身梁区施压，采用非常精确的模具进行冲压控制，使连杆能够承受高负荷。这一效果相当于连杆抗弯强度增加了约30%。

增加强度的典型措施通常是替换连杆材料，或者使用某种类型的热处理工艺，如回火。与此相反，本发动机使用的连杆仅在工字梁区得到了加强，大小端的材料硬度则与常规材料的相同。这就能在提高连杆强度和减重15%的同时，使得大小端在的机加工过程中较为容易操作(图27)。图28为不同连杆的比较。

图27 加强工字梁区的连杆

7.3轻量化的中冷器连接高滚

传统上，中冷器前后的管子都采用铝材来制造，但新开发的发动机改为采用吹塑成型的PP-GF15树脂。将丙烯酸橡胶(ACM)软管做成波纹管的形状，因而缩短了总长度，并有助于吸收管子的振动。与传统结构相比，这种管子的成本更低，质量可减轻20%(图29)。

8车辆性能

由于1．5 L小型化的涡轮增压发动机采用了上述改善燃油经济性和减轻发动机质量的措施，配装该发动机的车辆达到了表3中所列的性能。

图28 不同连杆的比较

图29 采用轻质材料的中冷器连接管

表3 车辆性能

9结论

为了实现良好的行驶性能和环保理念，开发了一种1．5 L小型化涡轮增压发动机。该发动机旨在用来替代1．8～2．4 L自然吸气发动机。采用高滚流气道、浅盆形活塞和多孔喷油器与长行程结构相结合，实现了快速燃烧和均匀的混合气。双VTC和小涡轮增压器的应用增强了低端扭矩，能使用户在使用普通汽油的情况下获得驾驶的乐趣。该发动机达到的性能指标如下:

(1)最大输出功率130 kW，比1．8 L自然吸气发动机的功率提高了21%。同时，扭矩增加了26%，而最大扭矩时发动机转速下降了2 600 r/min。

(2)发动机的最小比油耗是220 g/(kW·h)，最大热效率为38%。

(3)能达到LEV3-SULEV30排放标准。