本田汽車公司新型1.6L轎車柴油機

本田汽車公司新型1.6L轎車柴油機

【日】 N.Ikegami S.Mori T.Yano T.Miyake

本田汽車公司開發了第3代轎車柴油機,該機型的廢氣排放更低，動力性能更強勁。1.6L 小型化4缸廢氣渦輪增壓機型的結構非常緊湊，質量比老機型更輕。與目前的2.2L柴油機相比，新機型配裝于新款Civic轎車后，燃油耗降低14.5%，按新歐洲行駛循環運行的百公里燃油耗為3.6L，CO2排放量僅94g/km。

柴油機 燃油耗 CO2排放 發動機小型化

1 背景

本田汽車公司的目標是： 至2020年，新車型的CO2排放比2000年降低30%。同時，為了不損害駕駛樂趣，本田汽車公司開發了所謂“地球夢科技”技術，包括提高內燃機和變速器效率，以及進一步發展新一代電氣化動力總成系統的技術。2012年底推出的1.6L直列4缸渦輪增壓柴油機(Honda i-DTEC 1.6L )是歐洲市場“地球夢科技”技術的首款代表機型[1]。

2004年，本田汽車公司將首款自主研發的2.2L 直列4缸渦輪增壓柴油機投放市場，該機型以低噪聲和低燃油耗獲得充分肯定。隨后，進一步優化了第2代機型的摩擦和燃油耗[4,5]，并于2008年以“i-DTEC 2.2L”為名投放市場。

隨著消費者環保意識的日益增強，市場上對緊湊型汽車的需求非常強烈。柴油機因氣缸壓力高而需要非常堅固的發動機機體，以及外形尺寸相對較大的排氣后處理裝置，這兩方面原因致使柴油機與排量相同的汽油機相比，顯得更大、更笨重。近年來，柴油機在緊湊型汽車領域占據越來越多的市場份額，其中，小而輕的動力總成系統受到廣泛關注。

出于上述原因，本田汽車公司開發了新型緊湊型1.6L柴油機，作為第3代轎車柴油機，并以小型化和低燃油耗獲得市場認可。Civic i-DTEC 1.6L緊湊型轎車按新歐洲行駛循環(NEDC)運行的百公里燃油耗為3.6L，CO2排放量僅94g/km，與配裝2.2L柴油機的Civic轎車相比，降低了14.5%。

2 發動機設計

新型柴油機的設計滿足效率高(降低CO2排放量)、質量輕和外形尺寸緊湊的要求，本田汽車公司通過發動機小型化實現上述目標，并將排量從2.2L減小到1.6L。當然，只采取小型化措施并不足以使上述各方面要求都達到較高的水平，因而采取以下技術組合作為重要的優化措施(圖1)：(1)發動機機體小型化和輕量化；(2)降低摩擦功率；(3)高 效率、低排放的燃燒過程。優先開發動機機體，以滿足質量輕和外形尺寸緊湊的要求。機體的突出特點是具有開放式頂面結構和高剛度的氣缸蓋。優化的摩擦功率性能提高了效率，并進一步降低了燃油耗。經過仔細優化，活塞質量更輕且摩擦更小，曲軸采用新材料，優化的冷卻系統使發動機預熱更快，這些措施促使摩擦進一步降低。此外，新的活塞和曲軸都有助于減輕質量。

優化燃燒性能，結合具有更小噴孔直徑的多孔噴油嘴、優化的燃燒室幾何形狀和低壓EGR等技術措施的效果，提高了效率。在1.6L柴油機上，低壓EGR有助于提高工作過程的效率和降低氮氧化物(NOx)排放。此外，發動機小型化通常要縮小缸徑，導致優化燃燒變得更加困難，對燃燒效率會產生不利影響，而通過應用上述技術措施，新型柴油機達到了更高的水平。

3 機體小型化和輕量化

眾所周知，2.2L柴油機采用先進的半固態鑄造工藝制造，具有封閉式頂面的鋁氣缸體；新機型的氣缸體則采用開放式頂面結構，并且不再采用半固態鑄造工藝，而是采用高壓壓鑄工藝制造，這能進一步減輕發動機機體質量。圖2示出了1.6L和2.2L柴油機的不同結構。開放式頂面氣缸體避免了氣缸蓋密封墊卷邊在缸孔范圍內的垂直運動。并且，出于上述原因，優化了個別零件的幾何形狀和剛度，從而提高了缸孔形狀的穩定性和氣缸蓋的剛度。這些改進所增加的質量被控制在最低水平。

通過有限元法(FEM)和疲勞強度分析，優化加強筋的布置及其形狀，有利于進一步減輕質量。此外，本田汽車公司還將曲軸軸承的緊固方法由傳統的主軸承座框架結構型式改為單個主軸承蓋型式。在采用單個主軸承蓋的情況下，氣缸體與主軸承瓦之間可能出現摩擦磨損，因此，借助于非線性FEM改善單個主軸承蓋的剛度及其造型，從而解決這一問題。通過采取上述措施，1.6L柴油機的機體總成質量比i-DTEC 2.2L柴油機減輕11.6kg(降低33%)。

4 高剛度氣缸蓋

在氣體壓力較高的柴油機中，氣缸蓋墊片的性能至關重要。為了滿足這一要求，本田汽車公司為新型柴油機選擇了凸輪軸軸承座集成在氣缸蓋上的結構(圖2)。此外，根據氣缸蓋墊片的表面壓力分析，借助于FEM優化氣缸體中冷卻水套的深度、氣缸蓋緊固螺栓的螺紋孔深度、氣缸孔壁厚，以及氣門凹陷深度和氣缸蓋高度，從而在氣缸蓋螺栓擰緊力矩較低的情況下達到足夠的密封性。這些措施改善了氣缸蓋的整體剛度，使開放式頂面結構的氣缸蓋設計首次獲得成功。

5 降低摩擦功率的技術

發動機摩擦功率的55%是由機械摩擦產生的，而其中50%是由振動零件的慣性矩所引起的，因此，新機型的活塞特別輕，摩擦很小(圖3)，在保持機油冷卻通道進出口和制造公差不變的同時，活塞裙部面積縮小26%。通常，縮小活塞裙部面積會使耐磨損性變差，但在新機型上，通過改進幾何形狀和提高裙部強度，避免了出現上述缺陷，同時也沒有增加摩擦。新型活塞的摩擦降低5%，同時也減輕了質量。

為了減少曲軸的摩擦損失，可減小曲軸軸頸和軸承直徑，雖然新型小型化柴油機具有高輸出扭矩，但減小曲軸主軸頸和連桿軸頸的直徑并不會影響強度，為此，應用新開發的氮化處理工藝，使細小的Mo-V分子擴散滲透到材料表層，從而使其振動疲勞強度比傳統材料提高45%以上，而且也有助于減輕曲軸質量。

6 具有快速預熱性能的冷卻系統

在發動機冷起動后的暖機運轉階段，機油黏度較大，因而發動機內部摩擦較大。若能加快發動機預熱，就能減小摩擦，從而降低燃油耗。圖4示出為小型化柴油機開發的節溫器，它能使發動機更快達到運行溫度。采用新型節溫器后，只有來自發動機出水口的熱水從石蠟感溫元件周圍流過，不會與來自汽車散熱器的冷水混合，避免了調節溫度大幅波動，從而實現溫度的精細調節。而且，與傳統節溫器相比，新型節溫器能調整到較高的溫度水平，特別在部分負荷時，這種較高的溫度水平是非常有利的，能夠減少運行范圍內的發動機摩擦，從而降低燃油耗。新型節溫器使配裝于Civic轎車的1.6L柴油機在NEDC中的暖機階段縮短5s，由于發動機摩擦和熱損失減少，CO2排放量降低3.9g/km。

7 低排放、高效率的燃燒過程

為了將排量從2.2L減小到1.6L，本田汽車公司減小了發動機缸徑。當然，較小的氣缸增加了生成碳煙的風險，因為可能有較多的燃油噴束碰到燃燒室壁面而未燃燒，因此，必須重新設計燃燒室中燃油噴霧的尺寸。為了減小多孔噴油嘴的噴孔直徑和增加噴孔數目，使用噴孔直徑為0.114mm的8孔噴油嘴替代目前噴孔直徑為0.123mm 的7孔噴油嘴，在發動機轉速2500r/min、平均有效壓力1.13MPa、空燃比20的穩態運行工況下，碳煙生成減少45%。

8 燃燒室的優化

缸徑減小導致碳煙增加是由燃油噴束碰撞燃燒室壁面所致，因為后者造成活塞頂燃燒室凹坑中局部過量空氣系數(λ)向濃混合氣方向偏移。因此，新型1.6L柴油機不僅重新設計混合氣形成，而且對活塞頂燃燒室凹坑形狀也進行重新設計，以避免出現濃λ區域。

圖5示出了傳統柴油機和新型1.6L柴油機的凹坑形狀及燃燒室中的λ分布狀況。傳統2.2L 柴油機燃燒室凹坑中心頂端至底部是直線連接的，而新機型的凹坑形狀則是彎曲連接。因此，燃燒室中的空氣流能產生強度極高的渦流運動，使燃燒室中濃λ區域明顯減少，在發動機轉速2250r/min、扭矩135N·m的工況下，碳煙生成減少約20%。

9 低壓EGR

新型小型化柴油機在傳統的高壓EGR基礎上又增加了低壓EGR(圖6)。低壓EGR是在廢氣渦輪后取出部分廢氣進行再循環，以便在提高EGR率時不會對通過渦輪的廢氣流量產生不利影響，從而在有更多廢氣流量通過渦輪時優化增壓，再循環廢氣進入壓氣機增大了壓氣機的體積流量，使壓比移向更高壓力側，壓氣機效率得以改善(圖7)。此外，在壓氣機體積流量較小時，小的廢氣渦輪增壓器效率可得到額外優化，因此，低壓EGR提高了渦輪增壓器效率，改善了發動機的總機械效率，從而使NEDC中的CO2排放量比只采用高壓EGR的柴油機減少3.5g/km。本田汽車公司利用低壓EGR并非是為了降低NOx排放，而是為了改善機械效率。

當然，在瞬態運行狀況下，低壓EGR在調節再循環廢氣的精度方面存在缺陷。低壓EGR的調節管路比高壓EGR長很多，因而在進行調節時，額定值與實時值之間會產生時間上的滯后(圖6)。為此，發動機電控系統中設有1個基于模型的調節回路[6]，用于協調低壓EGR與高壓EGR的配合(圖8)。

在瞬態運行時低壓EGR滯后達到額定值的情況下，在基于模型的調節回路中，高壓EGR會補償低壓EGR不足的再循環廢氣體積流量，因此，即使在瞬態運行狀態下，也能在節油效果最大化的同時，確保NOx排放仍有足夠的降低。

①為符合原著本意，本文仍沿用原文中的非法定單位——編注。

10 與競爭機型的行駛功率比較

本田汽車公司的新型1.6L柴油機在發動機轉速2000r/min時能達到最大扭矩300N·m，在發動機轉速4000r/min時能達到最大功率88kW。該機型配裝于本田Civic轎車后，在NEDC中的百公里燃油耗僅3.6L, CO2排放量僅94g/km。圖9示出了本田Civic轎車與競爭車型的0～100km/h加速性和CO2排放量的比較。Civic轎車的數值位于加速性與CO2排放量之間理想折中的曲線上，因此就經濟性和動力性能而言，它是該等級車輛中的最佳車型。圖10示出了本田汽車公司1.6L柴油機與其他量產機型的質量和扭矩比較，因采取多項減輕質量的措施，在競爭機型中，甚至與扭矩相當的汽油機相比，新型1.6L柴油機也是最輕的機型。此外，與目前的2.2L柴油機相比，這種先進的小型化機型減小了外形尺寸，長度縮短10mm，寬度縮小50mm。

因此，這種新型動力總成系統特別適合配裝在緊湊型轎車上。

11 結語

為了使具有出色燃油耗優勢的柴油機能配裝于緊湊型轎車，本田汽車公司采用小型化方案，開發了全新的1.6L動力總成系統，特別在以下方面獲得了明顯改善：(1)發動機機體小型化和輕量化；(2)將摩擦功率降至最低程度；(3)低排放、高效率的燃燒過程。通過采取各項措施，得到了輕量、緊湊的發動機，并具有出色的燃油耗性能，在NEDC中的CO2排放量僅94g/km，Civic i-DTEC 1.6L轎車已成為目前經濟性與動力性能獲得最佳折中的車型。

[1] Yamanc J, Ikoma K, Matsui R, et al. The new “earth dreams technology i-DTEC” 1.6 L diesel engine from Honda[C]. 34. Wiener Motorensymposium, 2013.

[2] Nagahiro K, Abe T, Okawara K， u.a. Die entwicklung der diesel-motorreihe i-CTDi von Honda[J]. MTZ, 2005, 66(7/8)： 546-550.

[3] Nagahiro K, Aoki I, Minaml H, et al. Development of new 2.2-liter turbocharged diesel engine for the EURO-IV standards[C]. SAE Paper 2004-01-1316.

[4] Matsui R, Shimoyama K, Nonake S, et al. Development of high performance diesel engine compliant with Euro-V[C]. SAE Paper 2008-01-1198.

[5] Murata Y, Tajiri K， Sasaki Y, et al. Development of the new 2.2L fuel-efficient diesel engine for Honda Civic[C]. 21. Aachener Kolloquium Automobil-und Motorentechnik, 2012.

[6] Nishio Y, Hasegawa M, Tsutsumi K, et.al. Development of new generation 1.6L diesel engine[C]. SAE Paper 2013-24-0133.

范明強 譯自 MTZ， 2014， 75(3)

張 慰 編輯

2014-07-30)