【日】 N.Suzuki Y.Hayashi M.Odell T.Esaki A.Sato K.Ishiki S.Watanabe
Acura RLX轎車(chē)用新型V6 3.5 L汽油機(jī)的開(kāi)發(fā)
【日】 N.Suzuki Y.Hayashi M.Odell T.Esaki A.Sato K.Ishiki S.Watanabe
本田公司應(yīng)用最新的動(dòng)力總成技術(shù)“地球夢(mèng)科技”,開(kāi)發(fā)了1款3.5 L V6汽油機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是降低二氧化碳排放,并向客戶(hù)提供駕駛樂(lè)趣?!暗厍驂?mèng)科技”的理念旨在降低排放的同時(shí)改善燃油經(jīng)濟(jì)性。為達(dá)到這一目標(biāo),并為用戶(hù)提供駕駛樂(lè)趣,采用了三級(jí)可變氣門(mén)正時(shí)及升程電控技術(shù)和可變氣缸管理系統(tǒng)。將這種配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)與缸內(nèi)直接噴射技術(shù)相結(jié)合,可提升3.3%的功率,并降低燃油耗20%。為滿(mǎn)足中型豪華轎車(chē)對(duì)噪聲及振動(dòng)水平的要求,開(kāi)發(fā)了新型發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng),以改善3缸運(yùn)行模式的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。闡述了帶可變氣缸管理系統(tǒng)及缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)的三級(jí)可變氣門(mén)正時(shí)及升程電控技術(shù)、減摩技術(shù),以及新型發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)。
車(chē)用汽油機(jī) 可變氣門(mén)正時(shí)及升程電控技術(shù) 可變氣缸管理系統(tǒng) 燃油經(jīng)濟(jì)性 主動(dòng)控制式發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)
作為中型豪華轎車(chē)品牌,Acura開(kāi)發(fā)了1款新型汽油機(jī),其目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)環(huán)保性能的同時(shí)引發(fā)用戶(hù)強(qiáng)烈的駕駛興趣:(1)頂級(jí)的燃油經(jīng)濟(jì)性;(2)頂級(jí)的輸出功率競(jìng)爭(zhēng)力;(3)滿(mǎn)足中型豪華轎車(chē)的噪聲振動(dòng)性能要求。
可變氣缸管理(VCM)系統(tǒng)是本田公司降低V6汽油機(jī)燃油耗的技術(shù)。該系統(tǒng)允許V6發(fā)動(dòng)機(jī)以2臺(tái)3缸機(jī)的模式運(yùn)行。根據(jù)行駛狀態(tài),停用1組氣缸(即3個(gè)氣缸)的配氣機(jī)構(gòu),只用另外3個(gè)氣缸工作。當(dāng)需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能(例如超車(chē))時(shí),可將發(fā)動(dòng)機(jī)快速切換到6缸運(yùn)行模式。VCM系統(tǒng)可使發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)兼具大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率性能和小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的低燃油耗性能[1]。
采用VCM系統(tǒng),并結(jié)合可變氣門(mén)正時(shí)及升程電控(VTEC)技術(shù)和缸內(nèi)直噴系統(tǒng),能夠最大限度地?cái)U(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)的3缸運(yùn)行范圍。為了控制3缸發(fā)動(dòng)機(jī)在大扭矩條件下時(shí)的振動(dòng),采用了增強(qiáng)型主動(dòng)控制式發(fā)動(dòng)機(jī)懸置(ACM)系統(tǒng)。綜合運(yùn)用這些技術(shù)的結(jié)果是拓展了停缸運(yùn)行的工況范圍。
采用缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)一些經(jīng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的部件,包括具有特定形狀的燃燒室、進(jìn)氣道及進(jìn)氣歧管。將缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)布置于V型夾角中,可保持外部尺寸與原機(jī)型的相同,而發(fā)動(dòng)機(jī)總排量從3.7 L降至3.5 L。采用缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)能夠提高充氣效率,并降低爆燃趨向。圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)外形圖,表1列出了發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格。
圖1 本田公司J35Y4型汽油機(jī)
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格
圖2表示發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。由于缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)提高了充氣效率,并降低了爆燃趨向,增加了扭矩,使升扭矩提高6%。結(jié)果,即使排量減小,扭矩特性仍超過(guò)原機(jī)型的水平。通過(guò)提高壓縮比,優(yōu)化氣門(mén)正時(shí)及增加進(jìn)排氣質(zhì)量流率,最大輸出功率提高了3.3%,達(dá)到231 k W。
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩對(duì)比
圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)的有效燃油消耗率特性曲線(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)在6缸運(yùn)行模式下的功率為12.5 k W,由于缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)提高了熱效率,并降低了摩擦,因而有效燃油消耗率降低5.2%。在相同條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)在3缸運(yùn)行模式下因泵氣損失降低而使有效燃油消耗率降低20.1%。
圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min)
4.1 帶VCM系統(tǒng)的三級(jí)VTEC系統(tǒng)
VTEC系統(tǒng)和VCM系統(tǒng)的功能具有內(nèi)在聯(lián)系,包括1個(gè)三級(jí)配氣機(jī)構(gòu)控制低氣門(mén)升程和高氣門(mén)升程,以及停缸零升程(圖4)。
圖4 帶VCM的三級(jí)VTEC技術(shù)
本田公司曾經(jīng)為Civic車(chē)及其混合動(dòng)力車(chē)型開(kāi)發(fā)了三級(jí)氣門(mén)搖臂系統(tǒng)。如將這種機(jī)構(gòu)應(yīng)用在新型V6發(fā)動(dòng)機(jī)上,會(huì)使設(shè)計(jì)布局受到限制。因此,該公司結(jié)合VTEC和VCM的優(yōu)勢(shì),開(kāi)發(fā)了新型配氣機(jī)構(gòu)。圖5為凸輪軸凸臺(tái)和搖臂外形。
圖5 搖臂和凸輪軸
采用VCM系統(tǒng)的三級(jí)VTEC技術(shù)需要7個(gè)凸輪軸凸臺(tái),用于高、低氣門(mén)升程,以及零氣門(mén)升程。其中,進(jìn)氣搖臂需要3個(gè)專(zhuān)用凸臺(tái);此外,每個(gè)排氣門(mén)需要2個(gè)凸臺(tái),用于標(biāo)準(zhǔn)氣門(mén)升程和零氣門(mén)升程。由于最小凸輪寬度受到搖臂滾輪壽命和凸輪軸制造工藝的限制,現(xiàn)有的三級(jí)搖臂理念并不適用(圖5中“基礎(chǔ)設(shè)計(jì)”)。新型搖臂結(jié)構(gòu)將3個(gè)零氣門(mén)升程凸臺(tái)合并為1個(gè)共用凸臺(tái),使所需的凸臺(tái)數(shù)量從7個(gè)減少到5個(gè),同時(shí)能夠滿(mǎn)足7個(gè)搖臂的要求(圖5中“新設(shè)計(jì)”)。因此,其可加工性得到改善,同時(shí)在緊湊的空間內(nèi)集成了必需的7個(gè)凸輪軸功能。
下文將介紹搖臂設(shè)計(jì)。以前的三級(jí)SOHC VTEC機(jī)型的最高限定轉(zhuǎn)速為6 500 r/min,為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能,將新機(jī)型的最大功率轉(zhuǎn)速設(shè)定為6 500 r/min,最高限定轉(zhuǎn)速設(shè)定為6 800 r/min。因三搖臂系統(tǒng)的慣性質(zhì)量增加,所以需要增加氣門(mén)彈簧負(fù)荷,以保持正常的氣門(mén)機(jī)構(gòu)性能,但這會(huì)加大摩擦,降低滾輪壽命。為了克服這些缺點(diǎn),開(kāi)發(fā)了內(nèi)置同心脹銷(xiāo)的三搖臂同軸同步銷(xiāo)系統(tǒng)。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要高轉(zhuǎn)速氣門(mén)升程時(shí),只需連接高搖臂和中搖臂。然而,在這種情況下,若無(wú)高的空轉(zhuǎn)彈簧力,低搖臂將不受控制。為了避免這種額外的彈簧力,在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)將3個(gè)搖臂相互連接起來(lái)。由于搖臂的慣性質(zhì)量低,在不增加氣門(mén)彈簧力的條件下就能夠?qū)崿F(xiàn)控制。在高轉(zhuǎn)速時(shí)不增加氣門(mén)彈簧力的情況下,穩(wěn)定的氣門(mén)機(jī)構(gòu)性能可降低摩擦。圖6為三搖臂同軸同步銷(xiāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖6 三搖臂同軸同步銷(xiāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖7顯示了VTEC和VCM系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)機(jī)油路徑的轉(zhuǎn)換情況。在默認(rèn)條件下,向機(jī)油路徑2提供液壓壓力,使中搖臂外大銷(xiāo)與低搖臂銷(xiāo)咬合,獲得低轉(zhuǎn)速氣門(mén)升程,而中內(nèi)銷(xiāo)推動(dòng)高搖臂銷(xiāo),阻止高轉(zhuǎn)速氣門(mén)升程起作用。當(dāng)需要停缸時(shí),將液壓壓力加到機(jī)油路徑1,通過(guò)推出低搖臂銷(xiāo),斷開(kāi)低搖臂銷(xiāo)與中搖臂銷(xiāo)之間的連接,防止氣門(mén)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要高氣門(mén)升程時(shí),將液壓壓力加到機(jī)油路徑3,高搖臂銷(xiāo)被推出,連接高、中、低搖臂,從而起動(dòng)高氣門(mén)升程。
圖8表示進(jìn)氣門(mén)特性。通過(guò)采用新型同步銷(xiāo)結(jié)構(gòu),氣門(mén)的當(dāng)量質(zhì)量減輕31 g,允許將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到7 000 r/min,而無(wú)需增大氣門(mén)彈簧力來(lái)控制氣門(mén)反跳。
常規(guī)的三級(jí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在低液壓條件下用2個(gè)供油路徑進(jìn)行VCM控制,在高液壓壓力條件下,僅用1個(gè)供油路徑實(shí)施VTEC控制。新型同步銷(xiāo)結(jié)構(gòu)能夠在低液壓壓力下用3個(gè)機(jī)油路徑,進(jìn)行3種氣門(mén)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,從而更加靈活地設(shè)定驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。該技術(shù)優(yōu)勢(shì)也能應(yīng)用于未來(lái)的設(shè)計(jì)。
4.2 直接噴射燃燒系統(tǒng)
圖7 三搖臂機(jī)構(gòu)的機(jī)油路徑
圖8 氣門(mén)機(jī)構(gòu)特性
圖9 缸內(nèi)直接噴射燃燒系統(tǒng)
新機(jī)型采用的缸內(nèi)直接噴射燃燒系統(tǒng)(圖9)與本田公司直列4缸2.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)具有相同的理念。在燃燒室的進(jìn)氣側(cè)布置1個(gè)6孔噴油器,1股強(qiáng)進(jìn)氣滾流為燃燒提供均質(zhì)混合氣。在催化轉(zhuǎn)化器加熱模式下,多次燃油噴射與活塞上的淺凹坑相結(jié)合,能確保穩(wěn)定的燃燒。
考慮到碰撞安全性,將缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)安裝在V型夾角處。應(yīng)用為缸內(nèi)直噴系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋,以降低怠速噪聲。柱塞泵位于后氣缸蓋一側(cè)的凸輪軸末端,燃油供給前排氣缸和后排氣缸,以降低燃油損失(圖10)。
圖10 新型汽油機(jī)的缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)布局
為了解決因高壓泵運(yùn)行引起正時(shí)皮帶驅(qū)動(dòng)扭矩增加的問(wèn)題,采用了特制的高強(qiáng)度正時(shí)皮帶。
圖11表示發(fā)動(dòng)機(jī)由6缸運(yùn)行轉(zhuǎn)換到3缸運(yùn)行時(shí)的燃油管內(nèi)壓力波動(dòng)狀況。通過(guò)優(yōu)化燃油管節(jié)流孔的尺寸和位置,減少了運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)的波動(dòng),保證每缸間燃油噴射量的均勻(圖12),從而確保了正確的空燃比。
圖11 燃油壓力波動(dòng)狀況
5.1 冷卻控制隔套
采用冷卻控制隔套降低活塞滑動(dòng)摩擦,從而改善燃油經(jīng)濟(jì)性。該部件為安裝在氣缸體水套中的塑料隔套(圖13),采用橡膠浮動(dòng)結(jié)構(gòu)控制隔套的振動(dòng)。
將冷卻控制隔套布置在氣缸體冷卻水腔中活塞推力較高的位置,以控制冷卻液的流向(圖14)。
圖12 噴油器燃油流率差異(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min,燃油壓力4 MPa)
圖13 減摩技術(shù)
圖14 冷卻液流速分布(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min)
圖15為安裝冷卻控制隔套前、后的氣缸內(nèi)壁面溫度和氣缸內(nèi)徑。氣缸內(nèi)壁面溫度約升高10℃,氣缸內(nèi)徑擴(kuò)張9%。同時(shí)降低了活塞和活塞環(huán)的滑動(dòng)摩擦,并且,有效燃油消耗率降低0.8%。
圖15 氣缸內(nèi)壁面溫度和氣缸內(nèi)徑
5.2 兩級(jí)減壓機(jī)油泵
采用兩級(jí)減壓機(jī)油泵降低中、低轉(zhuǎn)速時(shí)的機(jī)油泵功率損失。在兩級(jí)減壓機(jī)油泵中增加1個(gè)附加減壓閥,并在低轉(zhuǎn)速至中等轉(zhuǎn)速范圍開(kāi)啟。考慮到VTEC及VCM系統(tǒng)運(yùn)行和金屬銷(xiāo)所需的液壓壓力,安裝減壓閥能夠減少不必要的功耗,同時(shí)保證所需的液壓壓力。
圖16顯示了減壓機(jī)油泵結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行情況。在常規(guī)的減壓結(jié)構(gòu)中,當(dāng)液壓壓力超過(guò)減壓閥開(kāi)啟壓力時(shí),閥門(mén)開(kāi)啟,機(jī)油從減壓閥外殼的減壓孔中噴出。在減壓閥外殼的減壓孔上游設(shè)置機(jī)油通道可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)減壓。其中,一級(jí)減壓是在液壓壓力高于閥門(mén)開(kāi)啟壓力時(shí),減壓閥開(kāi)啟,允許機(jī)油進(jìn)入減壓閥外殼的閥門(mén)和機(jī)油通道,并從減壓孔噴出。當(dāng)液壓壓力繼續(xù)增加,減壓閥進(jìn)一步開(kāi)啟,減壓閥外殼的閥門(mén)和機(jī)油通道關(guān)閉,一級(jí)減壓停止。隨著液壓壓力繼續(xù)升高,減壓閥行程增加,在壓力高于二級(jí)閥門(mén)開(kāi)啟壓力時(shí),二級(jí)減壓孔開(kāi)啟,實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的減壓。
圖16 兩級(jí)減壓機(jī)油泵的減壓閥結(jié)構(gòu)
圖17表示實(shí)施兩級(jí)減壓時(shí)中、低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的液壓壓力優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化液壓壓力,機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)扭矩降低了35%。
圖17 機(jī)油壓力和機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)扭矩
在上述措施基礎(chǔ)上,還采用了其他降低機(jī)械摩擦的技術(shù),如活塞裙部花式鍍鉬工藝(圖18),減小活塞環(huán)張力,減小油封摩擦,降低發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油黏度,降低附件驅(qū)動(dòng)皮帶張力等,最終使有效燃油消耗率降低4%。
圖18 花式鍍鉬工藝
為拓展停缸運(yùn)行的工況范圍,需要做到以下2點(diǎn):(1)在3缸停缸運(yùn)行時(shí),提高發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩;(2)在停缸時(shí)優(yōu)化傳動(dòng)比,以提高驅(qū)動(dòng)功率。此外,作為中型豪華轎車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī),必須確保該發(fā)動(dòng)機(jī)具有優(yōu)異的噪聲振動(dòng)性能,使用戶(hù)無(wú)法感覺(jué)到3缸停缸運(yùn)行的狀態(tài)。
6.1 增強(qiáng)型ACM系統(tǒng)的特性
為將新型發(fā)動(dòng)機(jī)作為中型豪華轎車(chē)的動(dòng)力源,研發(fā)人員設(shè)定了1個(gè)新的目標(biāo),即在現(xiàn)有中型豪華轎車(chē)的基礎(chǔ)上將噪聲振動(dòng)水平改善3 dB。這一噪聲水平能使駕駛者和乘客均感覺(jué)不到3缸停缸運(yùn)行的狀態(tài)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),研發(fā)人員改進(jìn)了ACM的特性。支撐發(fā)動(dòng)機(jī)前、后端的懸置點(diǎn)以與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)相同的相位和周期,伸長(zhǎng)和縮短安裝在液封懸置底部的執(zhí)行器。這有助于使駕駛者忽略3缸停缸運(yùn)行的狀態(tài)[2]。Acura RLX轎車(chē)采用新型發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí),可通過(guò)改善ACM驅(qū)動(dòng)電壓輸出,實(shí)現(xiàn)由停缸運(yùn)行時(shí)最大扭矩決定的ACM所需位移性能。圖19為新機(jī)型與原機(jī)型的ACM抵消位移量對(duì)比。
圖19 ACM抵消位移量
另外,通過(guò)改進(jìn)變速器變矩器,以及排氣和轉(zhuǎn)向系統(tǒng),顯著擴(kuò)大了停缸運(yùn)行的工況范圍(扭矩提高),同時(shí)降低了停缸運(yùn)行的噪聲振動(dòng)水平(圖20、圖21)。
圖20 ACM改進(jìn)的效果
6.2 優(yōu)化傳動(dòng)比
圖22 傳動(dòng)比和VCM運(yùn)行范圍
通過(guò)改進(jìn)ACM性能,提高了停缸發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩,調(diào)整了傳動(dòng)比。RLX轎車(chē)配套發(fā)動(dòng)機(jī)采用6檔自動(dòng)變速器。圖22示出在高速行駛工況下6檔車(chē)速的行駛阻力。相比基準(zhǔn)傳動(dòng)比的可行駛范圍,優(yōu)化的傳動(dòng)比擴(kuò)大了車(chē)輛的可行駛速度范圍,增加了在更大行駛工況范圍內(nèi)持續(xù)停缸運(yùn)行的區(qū)域。
圖23為在高速行駛工況下VCM的運(yùn)行情況。采用上述新技術(shù),不僅在相同轉(zhuǎn)速或較低轉(zhuǎn)速時(shí)可持續(xù)停缸運(yùn)行,而且在緩慢加速行駛時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)停缸運(yùn)行,從而使68%的高速行駛工況采用停缸運(yùn)行成為可能。
圖23 高速行駛工況下VCM的運(yùn)行情況
圖24表示高速行駛工況下RLX轎車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的改善效果及其細(xì)目。采用上述技術(shù)后,加上減輕車(chē)身質(zhì)量及通過(guò)更好的空氣動(dòng)力學(xué)措施降低行駛阻力,配裝新機(jī)型的RLX車(chē)型的燃油經(jīng)濟(jì)性比原車(chē)型改善了29%。
圖24 高速行駛工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性
表2列出了不同行駛工況下能實(shí)現(xiàn)的燃油經(jīng)濟(jì)性。與原機(jī)型相比,在聯(lián)邦試驗(yàn)規(guī)程(FTP)工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性改善18%,高速行駛工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性改善29%。以混合工況行駛時(shí),燃油經(jīng)濟(jì)性改善約20%。
表2 美國(guó)不同行駛工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性
本田公司開(kāi)發(fā)的新型汽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了以下性能:(1)采用帶VCM系統(tǒng)的三級(jí)VTEC技術(shù)、缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng),以及各種減摩技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)小型化技術(shù),在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)輸出功率達(dá)12.5 k W,燃油耗降低約20%;(2)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化,新機(jī)型的扭矩特性與原機(jī)型的保持相同,最大輸出功率提高到231 k W,比原機(jī)型提高3.3%;(3)改善了停缸運(yùn)行的噪聲振動(dòng)性能,新型ACM技術(shù)的開(kāi)發(fā)拓展了停缸運(yùn)行工況范圍;(3)新機(jī)型采用了新型發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其他技術(shù),配裝車(chē)輛在高速行駛工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性改善了29%。
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王曉滕 李研芳 譯自 SAE Paper 2013-01-1728
劉巽俊 校
虞 展 編輯
2013-09-16)