秦　德　宋如鋼　李志化（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所　天津　300072）

·振動(dòng)·噪聲·

新一代摩托車動(dòng)力RC61E技術(shù)特點(diǎn)分析*

秦德宋如鋼李志化
（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

摘要：目前國內(nèi)已有幾家摩托車企業(yè)生產(chǎn)大排量摩托車用發(fā)動(dòng)機(jī)。通過對(duì)RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)的分析，希望有助于對(duì)大排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)和技術(shù)改進(jìn)提供一些借簽。

關(guān)鍵詞：摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣正時(shí)燃燒效率

引言

NC700摩托車系列發(fā)布于 2012年，包括NC700S、NC700X和INTEGRA，它們均使用相同的車架和RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)。RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)是一款單頂置凸輪軸、四氣門、水冷直列雙缸四沖程汽油機(jī)，采用第二代雙離合變速器和電子控制燃油噴射系統(tǒng)。

1　RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)主要特征[1]

1.1RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：HONDARC61E

發(fā)動(dòng)機(jī)類型：水冷、四沖程、直列雙缸、

單頂置凸輪軸、4氣門、PGM-FI電子控制燃油噴射

缸徑（mm）：73

行程（mm）：80

排量（mL）：669

壓縮比：10.7：1

最大功率：38.1kW（6250r/min）

最大扭矩：62N·m（4750r/min）

1.2RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)外觀

RC61E外形如圖1、圖2所示。

圖1左視圖

圖2右視圖

2　RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

2.1總體配置

開發(fā)團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)一款中等排量的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)不以絕對(duì)性能指標(biāo)見長，而是能使用戶充分享受中低速的強(qiáng)勁扭矩所帶來的明顯加速感覺。為此，團(tuán)隊(duì)確定了以下設(shè)計(jì)理念：

追求成熟品味的駕駛感覺，以輕量、緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)布局為目標(biāo)。為了獲得“一款緊湊的、具有世界級(jí)環(huán)保性能的新難度系數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)”，開發(fā)之初設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首先圍繞基本布局展開討論，深入討論了何種發(fā)動(dòng)機(jī)能夠輸出所需要的動(dòng)力特性。詳細(xì)的討論話題包括排量，氣缸數(shù)（一至四缸），發(fā)動(dòng)機(jī)形式（單缸、多缸，直列、V型或水平對(duì)置，OHC或DOHC）以及平衡軸（一級(jí)-二級(jí)平衡軸，耦合平衡軸）。最后結(jié)出結(jié)論，能夠達(dá)到目的的最佳發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)為水冷頂置凸輪、直列、雙缸、前傾角62°（發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角度）。

為獲得“成熟品味的駕駛感覺”，必須在均勻和非均勻點(diǎn)火間隔之間做出選擇。圖3為雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)三種曲柄夾角點(diǎn)火間隔比較圖。團(tuán)隊(duì)最終選擇了270°曲柄夾角、非均勻點(diǎn)火間隔這一方案，而不是有序的、平穩(wěn)的均勻點(diǎn)火方案，這樣做的目的是為了獲得近似于V型雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)的那種顫動(dòng)的感覺。

圖3　非均勻點(diǎn)火間隔比較圖

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)采用了本田公司早在1985年申請(qǐng)了專利的270°曲柄技術(shù)，如圖4所示。因?yàn)檫@種曲柄結(jié)構(gòu)曲拐夾角為270°，傳統(tǒng)上下兩半的制造方法會(huì)在曲柄臂留下相當(dāng)多的雍余部分。而且，曲柄臂難以加工完全。另外，這種方法制造的曲柄還會(huì)導(dǎo)致重量增加、成本上升，不合乎開發(fā)理念。

為了解決這個(gè)問題，開發(fā)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了制造一個(gè)“擰轉(zhuǎn)曲柄”的挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)采用包括用上下兩半的方法鍛造一個(gè)360°的曲柄，如圖5所示，以便將雍余部分減至最少，然后，在曲柄軸頸部分冷卻前立即將其擰轉(zhuǎn)90°，以得到270°曲柄，如圖6所示。

圖4 270°曲軸

圖5曲柄扭轉(zhuǎn)前（鍛造后）

圖6 曲柄扭轉(zhuǎn)后

這種“擰轉(zhuǎn)曲柄”的制造方法在此之前已成功用于本田V型6缸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上。它是將曲柄擰轉(zhuǎn)60°。在與本田汽車摩托車研發(fā)中心工程師的通力合作下，使曲柄進(jìn)行90°擰轉(zhuǎn)成為可能，從而成功地實(shí)現(xiàn)了不采用機(jī)加工方法就能制造出帶有優(yōu)化平衡重曲柄的目標(biāo)，避免了制造成本的上升。

2.2單級(jí)平衡軸

采用270°曲柄，理論上不能利用兩個(gè)氣缸活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來消除一級(jí)振動(dòng)；然而這種方法可以消除二級(jí)振動(dòng)。通過增加一根平衡軸，如圖7所示，可以將270°曲柄的一級(jí)和二級(jí)振動(dòng)都消除。

對(duì)于普通發(fā)動(dòng)機(jī)，采用單平衡軸時(shí)，與曲軸平衡軸距離成正比的一級(jí)耦合振動(dòng)依然存在，如果采用雙平衡軸，即引入第二根平衡軸，就可以消除這種振動(dòng)[2]，如圖8所示。

圖7　單平衡軸示意圖

圖8雙平衡軸

而對(duì)于RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)，由于采用了270°曲柄，因此發(fā)動(dòng)機(jī)沒有任何二級(jí)振動(dòng)，只需消除一級(jí)振動(dòng)即可使發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)很小。所以，駕駛搭載RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)的摩托車的感覺與駕駛帶有二級(jí)平衡軸、直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的CBR1000RR或水平對(duì)置6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的GL1800一樣。

活塞垂直運(yùn)動(dòng)，曲柄旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。作用在曲軸上的旋轉(zhuǎn)力使曲軸橫向移動(dòng)，產(chǎn)生橫向振動(dòng)，圖9（左）所示。即使活塞垂直運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)由曲柄運(yùn)動(dòng)抵消，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的橫向振動(dòng)仍然存在。所以設(shè)置一個(gè)曲柄配重一半的平衡軸，并反向旋轉(zhuǎn)，這樣就抵消了曲柄的橫向振動(dòng)，如圖9（右）所示。RC61E的設(shè)計(jì)師們希望保留一部分?jǐn)[動(dòng)力偶。他們認(rèn)為這樣可以提供類似歐洲摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的操控體驗(yàn)3。

圖9 單平衡軸

2.3集成于缸蓋內(nèi)的進(jìn)氣道

為了達(dá)到“適合于成熟品味的駕駛感覺”，除了采用270°曲柄和單平衡軸以外，團(tuán)隊(duì)還改變了氣缸蓋內(nèi)進(jìn)氣道的布局，以適應(yīng)燃燒定時(shí)的變化。并列雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)通常有兩個(gè)相鄰但相互獨(dú)立工作的進(jìn)氣道，這樣兩缸的進(jìn)氣過程互不干涉。但在該發(fā)動(dòng)機(jī)里，進(jìn)氣過程卻有意設(shè)計(jì)成相互干涉，產(chǎn)生微小的燃燒變動(dòng)，達(dá)到開發(fā)理念所追求的“成熟品味”。

在缸蓋內(nèi)集成進(jìn)氣道給制造過程提出了很多挑戰(zhàn)。尤其是如何解決由于左、右氣道金屬厚度不同導(dǎo)致熔化鋁冷卻不均情況下的變形問題。通過反復(fù)的計(jì)算，在先進(jìn)的CAE分析中加入冷卻分析，使變形得到了控制，從而保證了制造精度。

2.4氣門定時(shí)

為了便于產(chǎn)生微妙的進(jìn)氣干涉，增強(qiáng)“適合于成熟品味的駕駛感覺”，每個(gè)氣缸分別設(shè)置了優(yōu)化的進(jìn)氣門開閉時(shí)間。直列多缸機(jī)通常不將氣門正時(shí)分別設(shè)置，但在RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過改變直列雙缸往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)凸輪軸的氣門正時(shí)，設(shè)置了兩種進(jìn)氣正時(shí)，如圖10所示。如前所述，在一個(gè)凸輪軸上設(shè)置兩種進(jìn)氣正時(shí)不會(huì)給加工帶來很大問題，但會(huì)導(dǎo)致成本增加。

圖10　兩種進(jìn)氣正時(shí)示意圖

2.5燃燒效率

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)參考了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)，這種技術(shù)對(duì)于中低速領(lǐng)域給與了額外的關(guān)注，在改善燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)確保燃燒可靠、驅(qū)動(dòng)有力。在以提升輸出動(dòng)力為目的的發(fā)動(dòng)機(jī)中，普遍的做法是把高轉(zhuǎn)速范圍的進(jìn)氣效率放在最優(yōu)先考慮的地位。然而，在這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中，重點(diǎn)考慮的是非常規(guī)的中低速范圍，關(guān)注中低速范圍的燃燒效率而不是高速時(shí)的進(jìn)氣效率，最終選擇Φ73mm缸徑和80mm沖程。

在中低速范圍下，可靠而穩(wěn)定的燃燒來源于理想的缸徑/沖程比、理想的燃燒室形狀以及優(yōu)化的氣門正時(shí)的結(jié)合。

2.6排放凈化系統(tǒng)

為了使排放凈化效率最大化，團(tuán)隊(duì)將三元催化觸媒直接裝于排氣道下方，這樣在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)觸媒能更早地起作用。這種設(shè)計(jì)使燃燒廢氣還處于高溫狀態(tài)時(shí)流過觸媒，這種將觸媒直接置于排氣道下方的做法在大型摩托車上尚屬首次，但在小排量發(fā)動(dòng)機(jī)上，這種觸媒的研究應(yīng)用已有一段時(shí)間了。由于在大型發(fā)動(dòng)機(jī)上諸如熱負(fù)荷等絕對(duì)數(shù)值的不一致，這種技術(shù)的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不具有普遍性。

原因之一是在只有兩個(gè)氣缸的情況下，觸媒只能直接置于兩個(gè)排氣道的下方，在摩托車有限的空間內(nèi)，很難有效地安放觸媒，而且從成本上考慮也是不利的。所以，在這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，兩個(gè)排氣道在氣缸蓋內(nèi)合二為一，這使得在其正下方可以有效地放置一個(gè)足夠大的觸媒。

團(tuán)隊(duì)還利用汽車熱管理CAE分析技術(shù)確定了摩托車的優(yōu)化參數(shù)，設(shè)計(jì)出了能夠承受相關(guān)熱負(fù)荷的觸媒，優(yōu)化了氣道形狀和布局。正如前面已經(jīng)提到的，團(tuán)隊(duì)不僅合并了進(jìn)氣道，還合并了排氣道，從而獲得了流線型的發(fā)動(dòng)機(jī)和緊湊的進(jìn)排氣布局。

2.7減小摩擦

為了減小摩擦，在這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞上不僅使用了樹脂涂層，還首次在搖臂上使用了鋁合金這種輕型材料。通過合并一些零部件的功能，比如利用平衡軸驅(qū)動(dòng)油泵和利用凸輪軸驅(qū)動(dòng)水泵，一方面減少了所需軸的總數(shù)，另一方面也把摩擦降低到極限。

2.8水泵、冷卻水管路布置

在這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，為了從凸輪軸獲得旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，將水泵布置在發(fā)動(dòng)機(jī)上方氣缸蓋的左側(cè)。這種布置會(huì)縮短水管長度，使其總長度比采用傳統(tǒng)的布置方式時(shí)短三分之一。這樣就減少了冷卻水的容積，對(duì)于減輕重量和管路系統(tǒng)的美觀都是有益的。在把發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)構(gòu)想的重點(diǎn)放在中低轉(zhuǎn)速而非高速的情況下，這種利用凸輪軸驅(qū)動(dòng)水泵的方式最理想，

3　結(jié)論

1）RC61E發(fā)動(dòng)機(jī)具有低速大扭矩的特性。

2）采用270°曲柄夾角，增加了單軸平衡，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，使駕駛者乘騎起來更加舒適。

參考文獻(xiàn)

1日本本田公司.Global700m LEngine for Next-Generation [EB/OL].http：//world.honda.com，2014-03-21

2葉盛焱.摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，1997

3Jack Yamaguchi.本田新一代摩托車動(dòng)力系統(tǒng)[EB/OL]. http://www.industrysourcing.cn/article/255298，2012-06-01

中圖分類號(hào)：TK403

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）05-0075-04

收稿日期：（2015-06-29）

*基金項(xiàng)目：天津市重大科技專項(xiàng)（13ZCZDGX04400）。

作者簡介：秦德（1963-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)。

Analysison the Characteristicsof the New Generation ofMotorcycle Power RC61E

Qin De,Song Rugang,LiZhihua
Tianjin InternalCombustion Engine Research Institute,Tianjin University(Tianjin,300072,China）

Abstract：At present,there are severalmotorcycle enterprises producing large displacementmotorcycle engines.Analysis of technical characteristics of RC61E engine will be helpful to the development and technical improvementof large displacementmotorcycle engine.

Keywords：Honda,Engine,Valve timing,Combustion efficiency