关于3缸1.0 L增压直喷式汽油机性能分析

从2015年以来，本田公司已将VTEC Turbo的涡轮增压直喷式汽油机系列产品投放市场。2007年年初又将新开发的3缸1.0 L直喷式汽油机引入欧洲市场，充分将发动机小型化和降低摩擦的技术使用在第10代思域（Civic）轿车上，与原机型相比节油达26%。

1新型3缸机概况

为了拓宽VTEC Turbo涡轮增压直喷式汽油机系列产品, 本田公司又新开发了3缸1.0 L涡轮增压直喷式汽油机（图1）,不仅降低了燃油耗，而且还改善了行驶功率。众所周知，VTEC涡轮增压发动机的共同特点是采用缸内充量高滚流运动、侧置多孔喷油器以及电控增压压力调节阀智能调节增压压力，实现快速燃烧。为了实现阿特金森循环，在采用双凸轮轴相位调节器（VTC）的基础上，进气门附加了应用可变气门正时和升程电子控制（VTEC）技术，从而在小气门升程时降低了燃油耗，同时还应用了降低摩擦的技术，以进一步提高效率，与原机型相比，其新欧洲行驶循环（NEDC）燃油耗降低了约26%（图2）。

图1 新型3缸1.0L增压直喷式汽油机

图2 NEDC行驶循环CO2排放的比较

2技术规格和发动机结构

这款新型1.0 L涡轮增压直喷式汽油机是作为1.5～1.8 L自然吸气机型的后续机型开发的，表1列出了新机型与原机型重要的技术参数的比较。如气缸直径、缸心距、曲轴箱高度、气缸中心线偏斜、气门机构结构和喷油器位置等，其基本特性参数提高了生产效率和1.5 L自然吸气机型通用件。

表1 发动机主要技术参数

技术参数	新机型 （3缸1.0 L涡轮增压）	参考机型 （4缸1.5 L自然吸气）	原机型 （4缸1.8 L 自然吸气）
缸径/mm	73	73	81
行程/mm	78.7	89.4	87.3
排量/L	0.988	1.496	1.798
缸距 mm	80	80	84
气缸中心线偏斜/mm	14	14	12
压缩比	10.0	11.5	10.6
进气门	15（排气门角度15°）	15（排气门角度15°）	17（排气门角度17°）
进气门	2（2个排气门）	2（2个排气门）	2（2个排气门）
进气门/排气门直径(mm)	28/23	29/25	33/26
曲轴主轴承/连杆轴承直径(mm)	38/35	46/40	55/45
VTC	进气/排气	进气	-
VTEC	进气	进气	进气
凸轮轴传动	齿形皮带	正时链	正时链
喷油系统	直接喷射（侧置）	直接喷射（侧置）	进气道喷射
燃油	RON 95	RON 95	RON 95
涡轮增压器涡轮直径/mm	31（10叶片数）	-	-
涡轮增压器压气机直径/mm	37（5+5叶片数）	-	-
涡轮增压器废气放气阀	电动	-	-
额定功率/kW	95（5500r/min）	97（6600r/min）	106（6500 r/min）
扭矩/N•m	200（2250 r/min）	155（4600 r/min）	174（4300 r/min）

图3示出了该发动机的纵横剖面图及其冷却液循环流动状况。气缸体曲轴箱采用铝合金压铸而成，并镶铸进铸铁气缸套内。冷却液由一个设置在气缸套曲轴箱前的预分配器分成两股支流，其中一股支流进入气缸体曲轴箱，并向上流入气缸盖，而另一股支流则被直接引入气缸盖，以此可调节气缸体曲轴箱与气缸盖之间的冷却液流量，并通过气缸盖密封垫上开孔横截面的变化而进行优化，采取该方式就能确保合适的温度状况，同时还能改善燃烧室的冷却状况。除了上述的冷却液流动之外，将气缸盖中的冷却水套垂直分成上下两部分，这样温度较低的冷却液流经气缸盖下方的冷却水套，使每个气缸的燃烧室得到均匀的冷却，同时这种分成两部分的冷却水套能从上方和下方有效地冷却排气管。

图3 发动机纵横剖面图及其冷却循环回路

为了降低热惯性，气缸盖装备了一个整体式排气歧管，可有助于迅速地激活催化转化器，并降低暖机期间催化转化器加热阶段的燃油耗，最终达到降低废气排放的目标。同时，还能降低全负荷时的废气温度，使废气涡轮增压器采用标准的耐高温材料。该型式还能降低气缸盖的热负荷，并有效减少高负荷时的燃油加浓问题，从而获得更低的燃油耗。

3燃烧方案

与已投放市场的4缸1.5 L和2.0 L-VTEC发动机一样，新型3缸机也采用快速燃烧方式，而挑战在于新款3缸机采用73 mm相对较小的气缸直径和侧置燃油直接喷射，却要达到功率和废气排放的高目标值。

对自然吸气机型的气门、火花塞以及喷油器位置等角度出发，进行燃烧室的设计。进气道和活塞顶的形状被设计成能促进缸内充量滚流运动快速燃烧的形式，并且为了避免被燃油润湿减小了进气门直径。图4所示的缸内流动模拟图表明，吸入的空气沿着屋顶形燃烧室和平坦的碟形活塞顶流动，并且与1.5L自然吸气机型相比，能产生更为强烈的滚流运动。

（a）

（b）

图4 缸内流动和燃烧延迟与FEV现有发动机分布带的比较

这种新机型的滚流运动在压缩行程期间一直持续进行，并最终在到达上止点前还会转化成较高的扰流动力学能量，该现象对于通过火焰的迅速传播以获得高的燃烧速度是十分重要的。同样在图4示出的全负荷燃烧延迟也位于FEV现有发动机分布带的下端，这就表明了加强滚流流动的有利效果，这不仅在模拟计算而且也在着火运转试验中得到了证实。

4曲柄连杆机构

图5示出了曲柄连杆机构的设计结构。在3缸发动机上由第一阶惯性矩引起的振动是难以消除的，即使如此，为了避免增加摩擦和质量，仍没有使用平衡轴，而是采用平衡块来优化振动质量的平衡状况，这样能降低发动机悬挂点上的垂直振动，相比水平振动更有助于改善车身的振动。在发动机开发时曾试验过各种不同的平衡方案，最终选择了平衡75%振动质量的方案，可见该方案的垂直振动最小。

除此之外，为了减小发动机的滚动摩擦，选择了异乎寻常小的主轴承和连杆轴承直径，这通过氮化钢的应用即可实现。图5上示出的振动部件平均摩擦压力的比较表明，这种新机型的摩擦处于当时FEV分布带的下端。减小轴承直径会导致较高的扭转振动，从而导致发动机噪声和振动状况的恶化，但是为了避免出现此类问题，曲轴扭振减振器的惯性质量和自振频率已经进行了仔细的优化。

活塞具有机油冷却通道，这样借助于机油喷嘴的强制冷却，活塞顶温度能降低30 K以上，并有效改善爆震的性能。当采用较高的压缩比和最佳的点火定时，能使新欧洲行驶循环（NEDC）燃油耗节油达0.5%，而且活塞顶温度的降低还能减少了活塞环槽的磨损，因此即使在发动机具有高的升功率的情况下，活塞仍不需要相应的表面处理（如阳极氧化处理）。用于冷却活塞的机油喷嘴具有一个整体式的止回阀，而且被设计成仅在按需调节机油泵高压力运行时，才打开此阀喷射机油冷却活塞顶，同时机油泵由电磁阀根据发动机运行状况进行电子控制。

（a）

(b)

图5 曲柄连杆机构及其摩擦情况

5气门机构

图6示出了气门机构的结构及其在不同特性曲线场区域中的气门升程曲线。新机型的气门机构在进气侧和排气侧都使用了凸轮轴相位调节器（VTC），此外进气侧还采用了可变气门正时和升程电子控制系统（VTEC）。在小气门升程情况下，气门升程和气门开启持续时间被调整到可使进气门早关从而实现阿特金森循环，而在需要高功率时，摇臂就被切换到全气门升程。采取该方式就能改善低负荷的燃油耗，同时在高负荷时又能获得大的扭矩。采取这种运行策略，在低负荷时选择了进气门早关就能减少泵吸损失。在小气门升程时，比燃油耗（be）可降低5%，而整车NEDC燃油耗则可降低2%。正如图6中VTEC特性场所示，根据运行状况（如发动机负荷和转速）进行最佳的VTC和VTEC控制。

（a）

(b)

图6 气门机构及其换气控制

总长度较短的3缸机，在配备废气涡轮增压器的情况下能提供小的结构空间，因此可变凸轮轴相位调节器必须十分紧凑。在这里所介绍的发动机采取了VTC执行器和机油调节阀都位于凸轮轴轴线上的布置方案，这样能简化循环回路，而且集成的止回阀有助于缩短工作时间。

6皮带传动机构

新机型的凸轮轴和机油泵都由内置式齿形皮带传动，如图7所示。因齿形皮带位于发动机内，皮带的运转噪声被隔音而降低，同时因取消了皮带导轨，发动机的摩擦也降低了1.8%。与传统的正时链相比，新机型在NEDC工况下燃油耗降低了0.6%。开发时选择的齿形皮带材料对机油具有可靠的稳定性。同样，图7中也示出了与在空气中运转的传统齿形皮带相比的疲劳强度，其中在机油中运转的齿形皮带呈现出明显更高的使用寿命。

（a）

(b)

图7 皮带传动机构的结构和疲劳强度

与传统齿形皮带的比较

7按需调节机油泵

涡轮降低发动机摩擦和热损失采用了一种按需调节的机油泵。图8示出了这种机油泵的剖面图，它布置于发动机下部，并由曲轴通过在机油中运转的齿形皮带传动。机油泵通过摆动被用作旋转叶片泵外圈的调节环改变偏心度来实现调节功能，作用于调节环上方和下方的机油压力就是用来控制偏心度的，而电控电磁阀则根据发动机负荷和转速在两个等级之间转换机油压力，采取这种方式就能保持或降低额定机油压力，而机油压力则是借助于柱塞从而被调整到目标值的，这样即使在发动机暖机时机油温度低粘度高的情况下，在低机油压力运行模式下能防止机油压力剧烈升高，此时切断机油喷射冷却活塞可将热损失降低到最低程度。

图8 按需调节机油泵的结构和运行模式

当发动机运行值超过某个阈值时，机油泵就进入高机油压力运行模式。活塞温度必须通过喷射机油冷却或在高负荷或高转速下降低连杆轴承温度，就使得发动机必须进入高机油压力运行模式。与无压力调节功能的传统机油泵相比，按需调节机油泵在燃油耗方面的优势主要在NEDC早期阶段通过降低摩擦获得，而在第二阶段中则是通过降低热损失带来了明显的好处。由于降低了摩擦和减少了活塞冷却的热损失，NEDC燃油耗总共可降低1%。

8冷却系统

电动调节节温器（图9）能减小摩擦，因而能降低燃油耗，此外还能提高发动机的热可靠性。电动调节节温器位于发动机冷却液出口处，其中蜡感温元件打开节温器阀盘的温度被调整到103 ℃，比传统机械式节温器的开启温度高20 ℃。在发动机低负荷运行期间，冷却液和机油被保持在较高的温度，从而能减少机械摩擦。蜡感温元件中的圆柱形护套内含有一个陶瓷加热元件，因而能够在较低的冷却液温度下借助于蜡加热膨胀打开节温器。

（a）

(b)

图9 电动调节节温器剖面图及其

在NEDC循环中发动机摩擦的比较

电动调节节温器系统通过提高冷却液和机油温度能显著降低发动机摩擦，从而使NEDC燃油耗降低0.6%。在发动机高负荷运行期间，加热元件起作用，使冷却液保持在较低的温度，因而能如传统节温器系统那样确保发动机的温度状况。该节温器能在短期内起作用，因而能够在突然加速的情况下防止发动机过热。

9功率和效率

新机型的最大功率为95 kW，与1.5 L自然吸气机型相当，而200 N·m的最大扭矩甚至高于1.8 L自然吸气机型，在2 250 r/min时就已达到了最大扭矩，并且直至4 500 r/min时仍保持90%最大扭矩的水平，从而在城市交通情况下能有出色的加速性能。图10示出了新机型的比燃油耗和部分负荷燃油耗特性曲线场及其与竞争机型的比较。

（a）

（b）

图10 功率特性和比燃油耗与

FEV分布带的比较

（转速1 500 r/min,

平均有效压力0.2 MPa）

因采用了所介绍的技术，最佳的比燃油耗达到231 g/kW·h，而在宽广的特性曲线场范围内低于240 g/kW·h。若将转速1 500r/min和0.2 MPa平均有效压力作为基准运行点来考察比燃油耗的话，则与竞争机型相比，新机型呈现出最佳的比燃油耗。

10结构

本田公司已成功开发出1.0 L增压直喷式汽油机，并获得了以下成果：

(1)与思域（Civic）轿车上的原机型1.8 L自然吸气汽油机相比，使NEDC燃油耗降低了26%；

(2)采用下列技术在竞争机型中达到了最佳燃油耗：极其细长的曲轴、采用VTEC系统实现阿特金森循环、在机油中运转的齿形皮带系统、按需调节的机油泵以及采用电动调节的节温器冷却系统；

(3)额定功率95 kW和在低发动机转速下就达到最大扭矩200 N·m，使得车辆在日常行驶中具有强劲的动力性能。