本田公司新款3.5L V6渦輪增壓直噴汽油機的開發(fā)

【日】 S.Furumata T.Kakinuma H.Tochiki

介紹了新開發(fā)的配裝NSX新車型用的超級跑車發(fā)動機。新開發(fā)的發(fā)動機要滿足車身布置要求的高動力性能。通過選擇3.5L排量及采用V6氣缸布置和渦輪增壓器，發(fā)動機達到較高的功率且結(jié)構(gòu)緊湊，能在車身后部安裝由混合動力電機與新開發(fā)的變速箱組合而成的動力系統(tǒng)。潤滑系統(tǒng)采用干式油底殼系統(tǒng)，它能確保超級跑車在所有可能的行駛狀況下得到可靠的潤滑。燃燒系統(tǒng)采用高滾流氣道、直接噴射和進氣道噴射的雙噴射系統(tǒng)，能提高動力性能、熱效率并降低排放。為了應(yīng)對高功率帶來的熱負荷增加，在燃燒室和排氣道周圍采用3段式水套，優(yōu)化了氣缸蓋各部分的冷卻液，因而能抑制爆燃和冷卻排氣道。缸孔采用噴鐵涂層，它能增強冷卻效果并減輕質(zhì)量。噴鐵涂層缸套比傳統(tǒng)鑄鐵缸套和鋁制缸套更硬、更薄，因而能在不增加缸心距的同時，在氣缸間布置冷卻水道。

雙噴射系統(tǒng) 缸體鐵噴涂 干式油底殼

0 前言

本田公司決定開發(fā)1款追求駕駛樂趣的新一代NSX車型。為了展示這一超級跑車的優(yōu)異車輛性能，開發(fā)了1款新發(fā)動機。為了采用縱向中間布置，必須在保證高動力性能的同時，緊湊地布置混合動力電機和變速箱。該發(fā)動機采用了Ⅴ型6缸與配裝渦輪增壓器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，以滿足高動力性能和節(jié)省空間的要求。

1 開發(fā)目標

為了滿足新車型NSX對高動力性能和車輛性能的要求，設(shè)定了以下幾項開發(fā)目標： (1) 能實現(xiàn)低重心的輕量、高剛度發(fā)動機本體結(jié)構(gòu)(采用噴鐵涂層缸套，75°氣缸V形夾角，搖臂式配氣機構(gòu)和緊湊氣缸蓋)；(2) 采用大截面高滾流進氣道的燃燒技術(shù)，最大功率達到373kW，最大扭矩達到550N·m；(3) 開發(fā)干式油底殼潤滑系統(tǒng)，以滿足跑車的行駛狀況；(4) 改善渦輪增壓響應(yīng)性，在發(fā)動機低速時產(chǎn)生充足的扭矩。

2 發(fā)動機機艙布置

為了保證跑車有良好的動態(tài)性能，需要保持軸距和輪距不變。除發(fā)動機和變速箱外，還要配裝混合動力系統(tǒng)，這就需要在有限的空間中安裝電機、蓄電池和燃油箱。為此，采用了能在發(fā)動機長度保持最小的情況下使發(fā)動機在跑車上安裝重心較低的結(jié)構(gòu)布置[1]。圖1所示就是車輛動力傳動系統(tǒng)的布局。

圖1 車輛動力傳動系統(tǒng)的布局

發(fā)動機安裝采用通過凸輪軸罩蓋連接的頂部安裝系統(tǒng)，干式油底殼潤滑系統(tǒng)和 75°氣缸V形夾角，這使發(fā)動機在增加功率的同時滿足布置的要求。圖2是動力總成和發(fā)動機的布局。

圖2 動力總成和發(fā)動機的布局

3 發(fā)動機技術(shù)規(guī)格

表1是新款發(fā)動機和傳統(tǒng)3.5L自然吸氣發(fā)動機主要技術(shù)規(guī)格的比較。為了獲得較高的輸出功率，新發(fā)動機相對于前款V6自然吸氣發(fā)動機做了較大的變更。排量相同，但對缸徑和行程進行了重新配置，以適應(yīng)渦輪增壓，燃油供給系統(tǒng)可以提供更高的流量，以滿足直接噴射和進氣道噴射的需求。配氣機構(gòu)采用簡單的搖臂機構(gòu)，以減小氣缸蓋尺寸。采用的壓縮比為10.0，通過增強冷卻和優(yōu)化燃燒來抑制爆燃，以確保達到目標性能。

表1 發(fā)動機技術(shù)規(guī)格

4 燃燒技術(shù)

4.1 燃燒技術(shù)概述

采用直接噴射與進氣道噴射相結(jié)合的多孔噴油器燃油系統(tǒng)來實現(xiàn)跑車發(fā)動機的高性能，以及降低排放和燃油耗。另外，采用高滾流進氣道來形成均質(zhì)空-燃混合氣和提高燃油蒸發(fā)能力。燃燒室為屋脊形，活塞頭部采用無凹坑的平頂表面，以抑制燃油粘附和減少爆燃(圖3)。

圖3 燃燒技術(shù)

4.2 高滾流進氣道

為了達到高功率所需的流量系數(shù)和高滾流比，采用計算流體力學(CFD)軟件(里卡多公司VECTIS 3.12版)對高滾流進氣道設(shè)計進行了優(yōu)化。圖4所示為各種氣道形狀流量系數(shù)與滾流比的關(guān)系。流量系數(shù)與滾流比基本上呈現(xiàn)負相關(guān)，所以根據(jù)以前研究確定的目標流量系數(shù)選擇了能達到最高滾流比的進氣道形狀。

圖4 流量系數(shù)與滾流比的關(guān)系(模擬結(jié)果)

圖5是優(yōu)化后的高滾流氣道形狀與量產(chǎn)的V6自然吸氣進氣道形狀的比較，以及由CFD軟件得到的各自缸內(nèi)氣流速度分布情況。在量產(chǎn)V6自然吸氣發(fā)動機中，空氣從進氣道流入后沿著氣缸進氣側(cè)和排氣側(cè)壁面流動。相反，新款發(fā)動機的高滾流氣道則在排氣側(cè)形成高速氣流，因而能達到預(yù)期的滾流效果。

4.3 直噴噴油器

直噴噴油器的噴霧形狀是影響燃燒、碳煙排放和性能的重要因素。首先，基于量產(chǎn)V6自然吸氣發(fā)動機的6孔電磁閥噴油器來設(shè)計噴霧形狀，使之不會和進氣門干涉(圖6)。

利用CFD對2種不同的噴霧形狀進行了分析，A型與量產(chǎn)V6自然吸氣發(fā)動機的噴霧形狀相同；B型與A型相比，兩側(cè)的噴霧都向上、向外偏移，以減少活塞上粘附燃油。圖7是噴霧形狀的布局，圖8是由CFD得到的燃油著壁情況。就活塞粘附燃油而言(它是碳煙形成的原因之一)，在任何噴油壓力下A型和B型并無差異。對于缸套粘附燃油(它是稀釋的原因之一)來說，結(jié)果顯示，在燃油壓力9MPa時B型的燃油著壁量較多，相比之下A型較好。因此，選擇了能使活塞和缸套燃油著壁量較為均衡的A型。

圖5 進氣道形狀和CFD軟件獲得的流量分布的比較

圖6 噴油器的噴霧形狀

圖7 噴霧的布置

圖8 活塞和缸套的燃油著壁量

5 雙可變氣門正時控制

進氣和排氣都采用可變氣門正時機構(gòu)，以提高動力性和燃油經(jīng)濟性。

圖9是雙可變正時控制策略及其對應(yīng)的發(fā)動機運行區(qū)域。掃氣是提高低速扭矩的有效方法，它只有在進氣壓力高于排氣壓力的增壓運行區(qū)域才采用。在進氣壓力相當高的情況下，通過設(shè)定較大的進排氣門疊開角，能將缸內(nèi)的殘余氣體排到排氣系統(tǒng)，因而能提高充氣效率和減少爆燃。此外，由于掃氣氣流大大提高了發(fā)動機低速區(qū)域的扭矩(圖9中的③區(qū)域)，同時也提高了渦輪轉(zhuǎn)速。在部分負荷區(qū)域，在保證燃燒穩(wěn)定的情況下優(yōu)化了氣門的疊開角并采用了內(nèi)部廢氣再循環(huán)(EGR)，以降低燃油耗(圖9中的②區(qū)域)。在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速區(qū)域，逐漸減小氣門疊開角，以抑制因排氣壓力較高而引起的殘留氣體增加和減少爆燃(圖9中的④區(qū)域)。另外，怠速時減小氣門疊開角，以減少缸內(nèi)的殘留氣體和保證燃燒穩(wěn)定性。

圖9 雙可變氣門正時控制策略

按上述方式對每個運行區(qū)域進行最優(yōu)的雙可變正時控制，就能在確保車輛行駛性能的同時實現(xiàn)高功率和低燃油耗。

6 動力性能

圖10是發(fā)動機的功率和扭矩特性。從圖中的功率曲線可以看出在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為6500～7500r/min的區(qū)間，最大功率達到了373kW，適合于跑車發(fā)動機的功率特性。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000～6000r/min的寬廣區(qū)間，扭矩可達到550N·m，因而能確保市區(qū)行駛時的易操縱性和良好的加速響應(yīng)性。與傳統(tǒng)自然吸氣發(fā)動機相比，最高扭矩和最高功率分別大幅提高了181N·m(增加49%)和141kW(增加61%)。

圖10 發(fā)動機性能

7 加速響應(yīng)性提高

小排量渦輪增壓發(fā)動機可以獲得高功率，但是功率提高的同時會出現(xiàn)渦輪遲滯的問題。為了減少渦輪遲滯，采用了雙渦輪增壓器，并優(yōu)化了雙可變正時控制和電動廢氣閥控制。

圖11是扭矩提高的測量結(jié)果，比較了不同電動廢氣閥默認開啟角度下的扭矩水平。測量顯示了當踩下加速踏板時節(jié)氣門開度從部分負荷的17%瞬間變?yōu)槿摵傻?00%時的扭矩響應(yīng)。電動廢氣閥由默認常開調(diào)整為默認常關(guān)時，響應(yīng)時間縮短了40%。

圖11 瞬時扭矩特性

另外，利用混合動力系統(tǒng)將由直接與發(fā)動機曲軸連接的電機和安裝在車輛前軸的雙電機單元(TMU)產(chǎn)生的扭矩疊加到發(fā)動機扭矩，大幅提高了加速性能。

圖12示出了車輛起步加速時的加速度。前面所提到的發(fā)動機渦輪遲滯的改善與電機輔助相配合，能確保響應(yīng)性能超過0.3s內(nèi)產(chǎn)生0.9個g或更高加速度的開發(fā)目標。

圖12 加速性能

8 燃油經(jīng)濟性特性

圖13是發(fā)動機的有效燃油消耗率萬有特性曲線。如上所述，通過優(yōu)化雙可變正時控制和采用內(nèi)部廢氣再循環(huán)(EGR)來降低中低負荷的泵氣損失，加強了燃燒。另外，直接噴射和高滾流氣道的運用，以及高度冷卻氣缸蓋和噴鐵涂層缸套的使用減少了爆燃，實現(xiàn)了高壓縮比，提高了效率。實施上述措施的結(jié)果是，最低有效燃油消耗率達到了234g/(kW·h)，最大熱效率為36.0%。

圖13 發(fā)動機有效燃油消耗率萬有特性曲線

9 降低排放的技術(shù)

限制催化劑起燃前的發(fā)動機排氣給氣量及實現(xiàn)催化劑快速起燃是降低排放的關(guān)鍵，尤其是渦輪增壓發(fā)動機，由渦輪增壓器帶來的熱質(zhì)量增加是個問題。為了解決這個問題，通過采用高滾流氣道來改善燃燒，同時，在發(fā)動機起動后的暖機過程中，采用在進氣行程和壓縮行程進行分次噴射來確保穩(wěn)定燃燒。另外，抑制了活塞和缸套的燃油著壁量，減少了排氣給氣量，并實現(xiàn)了催化劑的快速起燃。

圖14示出了從CFD軟件得到的發(fā)動機起動后怠速工況時，火花塞周圍的空燃比分布情況和活塞粘附的燃油量。通過優(yōu)化進氣行程和壓縮行程中的分次噴射正時和噴油量，使得火花塞周圍的空燃比達到了能確保穩(wěn)定燃燒的目標值。這就能使活塞的燃油著壁量明顯比自然吸氣發(fā)動機的少，因為自然吸氣發(fā)動機將燃油噴射到傳統(tǒng)活塞頂部凹坑來實現(xiàn)分層燃燒。

圖14 火花塞周圍的空燃比和活塞的燃油著壁量

圖15示出了HC排放水平和燃燒變化率特性，以及CFD模擬獲得的采用不同的第二次噴油正時時的空燃比分布。從圖15中可以確認，通過控制第二次噴油正時，火花塞周圍的空燃比能得到優(yōu)化，因而能在保證燃燒穩(wěn)定性的同時降低HC排放。采用上述技術(shù)后可以滿足歐6b和美國ULEV125排放法規(guī)的要求。

圖15 HC排放水平和燃燒變化率特性及CFD仿真 獲得的空燃比分布

10 冷卻系統(tǒng)

因新款發(fā)動機高功率產(chǎn)生的散熱量比V6自然吸氣發(fā)動機的散熱量增加了50%以上，為了應(yīng)對散熱量增加的問題，通過提高水泵容量來增加冷卻液流量。同時，為了使冷卻水流量的增加量保持最少，氣缸蓋采用了3段式水套設(shè)計。圖16所示為這種水套的結(jié)構(gòu)。將水套分成3部分有助于在有效冷卻燃燒室和排氣道周圍區(qū)域的同時大幅降低壓力損失。

圖16 3段式水套

采用上述措施后，高功率帶來的各個部分熱應(yīng)力就能得以降低，因而氣缸蓋尺寸也得以減小。另外，整體式排氣歧管結(jié)構(gòu)的排氣冷卻效果有助于降低空燃比的加濃，同時還能改善車輛在高速區(qū)域的燃油經(jīng)濟性。

11 發(fā)動機本體的新技術(shù)

11.1 噴鐵涂層缸套

缸體上的缸孔有噴鐵涂層。缸套除了要有很高的剛度外，還要質(zhì)量輕和有良好的冷卻效率[2]。新款發(fā)動機采用噴鐵涂覆技術(shù)形成0.2mm的涂膜層來提高滑動零部件的抗磨損能力，增強熱傳導(圖17～18)和減小缸心距的增加量，并能在氣缸間布置冷卻水道(圖18)，這有助于增強冷卻和減輕質(zhì)量。

圖17 熱傳導效果

圖18 噴鐵涂層和冷卻水道

噴鐵涂覆的問題是要確保涂層有足夠的粘合強度。因此，為了保證粘合強度，調(diào)整基材表面的粗糙度對保證穩(wěn)定的機械粘合非常重要。驗證了不同尺寸的噴丸介質(zhì)對基材表面的激活能力，并為新款發(fā)動機選擇了1種能確保合適粘合的粗糙度。

另外，噴鐵涂層的表面特性與傳統(tǒng)鐵缸套的有所不同，為此，利用試樣對兩者的摩擦、抗磨損和抗咬合性能進行了對比。通過施加負荷和試樣滑動對試件進行試驗，試樣是從實際的缸套和活塞環(huán)上切取的。圖19所示為試樣試驗示意圖和測試結(jié)果。相對于常規(guī)的鐵缸套，噴鐵涂層缸套的磨損量降低到2%，咬合負荷提高了15倍。另外，車輛耐久試驗后未發(fā)現(xiàn)有磨損。它增強了缸套的冷卻，并使機體減重3.4kg(圖20)。

圖19 試樣試驗示意圖和測試結(jié)果

圖20 缸體減重效果

11.2 干式油底殼潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)在跑車動力系統(tǒng)中起著重要作用。為了確保跑車在所有可能的行駛狀況下都有良好的潤滑，采用了干式油底殼潤滑系統(tǒng)。

供油泵和回油泵為整體結(jié)構(gòu)同軸布置，在發(fā)動機的右下側(cè)位置。轉(zhuǎn)子的直徑較小，以達到緊湊的結(jié)構(gòu)，通過提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(高于曲軸轉(zhuǎn)速)來提高輸油流量。供油泵采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，同時每個轉(zhuǎn)子的輪齒按不同的相位排列，以降低泵油脈動和驅(qū)動扭矩?；谙嗤脑?，回油泵側(cè)每個轉(zhuǎn)子的輪齒也按不同的相位排列(圖21)。

圖21 干式油底殼系統(tǒng)布置/機油回油泵轉(zhuǎn)子

回油泵采用的結(jié)構(gòu)是要使不同通道吸入空氣后集油效率降低到最小。這種結(jié)構(gòu)能夠使回油泵對每個回油通道(3個曲軸箱、凸輪軸箱、鏈傳動室和渦輪增壓器回油)進行單獨集油，以避免跑車在行駛時集油能力的降低(圖22)。

如圖23所示，機油泵容量的設(shè)定以供油側(cè)所需的輸油流量為基準，基于以前V6干式油底殼發(fā)動機的開發(fā)試驗數(shù)據(jù)，將供油和回油輸油流量比設(shè)定在機油箱中不會出現(xiàn)含氣量和機油量惡化的區(qū)域。每個通道的設(shè)定回油泵能力相對于所需的集油水平都有一定的安全裕度。

另外，機油箱是確保機油壓力的重要部件，為了承受很高的轉(zhuǎn)彎加速度，要求采用立式機油箱[3]?？紤]到車載布置，機油箱位于發(fā)動機的右后方，在恒定側(cè)向加速度1.8個g、減速度1.2個g、加速度1.0個g的情況下，這種機油箱的形狀可以避免機油壓力的下降和防止機油流入與機油箱一體的通風室內(nèi)(圖24)。

圖22 獨立的機油回油通道

圖23 回油泵/供油泵流量比設(shè)定

此圖顯示了轉(zhuǎn)彎時的預(yù)測機油液面變化和含氣量。將發(fā)動機傾斜安裝在臺架上進行了試驗。試驗結(jié)果證實，在各種發(fā)動機轉(zhuǎn)速下含氣量幾乎都沒有惡化。這表明了選擇的設(shè)定值能在實際行駛狀況下防止機油壓力的下降(圖25)。

12 結(jié)語

新款發(fā)動機采用了直接噴射+進氣道噴射與高滾流進氣道相結(jié)合的燃燒技術(shù)，同時采用雙可變氣門正時來優(yōu)化換氣，使發(fā)動機達到了功率373kW和扭矩550N·m 的高動力、低燃油耗和低排放。

圖24 機油箱形狀

圖25 發(fā)動機傾斜安裝在臺架上

新款發(fā)動機不僅采用電動廢氣閥改善了渦輪增壓發(fā)動機典型的渦輪遲滯問題，而且還利用混合動力系統(tǒng)的電機輔助功能大幅度提高了響應(yīng)性。因此，車輛全油門起步加速時產(chǎn)生的加速度在0.3s內(nèi)達到了0.9個g甚至更高。

新款發(fā)動機采用了新開發(fā)的噴鐵涂層缸套和干式油底殼技術(shù)，實現(xiàn)了缸體減重3.4kg，重心明顯降低，并提高了操縱穩(wěn)定性，可以承受很高的轉(zhuǎn)彎加速度，因而能滿足跑車的高車輛性能的要求。

[1] Takahiro O, Takeshi F, Akira H. Development of V10 500-HP engine technologies for high-performance and low-emission clean powertrain[J]. Honda Technical Review, 22(2)： 41-48.

[2] Takahiro O, Makoto N. Development of V10 500-HP engine technologies for high performance and reliability[J]. Honda Technical Review, (22)2： 49-56.

[3] Kiyoshi K, Hajime E, Tetsuo G. Technical description of formula one engine structural design[J]. Honda Technical Review F1 Special (The third Era Activities)： 42-50.

陳 佳 譯自 SAE Paper 2016-01-1012

朱炳全 校

虞 展 編輯

2016-07-11)