從2015年以來，本田公司已將VTEC Turbo的渦輪增壓直噴式汽油機(jī)系列產(chǎn)品投放市場。2007年年初又將新開發(fā)的3缸1.0 L直噴式汽油機(jī)引入歐洲市場，充分將發(fā)動機(jī)小型化和降低摩擦的技術(shù)使用在第10代思域（Civic）轎車上，與原機(jī)型相比節(jié)油達(dá)26%。

1新型3缸機(jī)概況

為了拓寬VTEC Turbo渦輪增壓直噴式汽油機(jī)系列產(chǎn)品, 本田公司又新開發(fā)了3缸1.0 L渦輪增壓直噴式汽油機(jī)（圖1）,不僅降低了燃油耗，而且還改善了行駛功率。眾所周知，VTEC渦輪增壓發(fā)動機(jī)的共同特點(diǎn)是采用缸內(nèi)充量高滾流運(yùn)動、側(cè)置多孔噴油器以及電控增壓壓力調(diào)節(jié)閥智能調(diào)節(jié)增壓壓力，實(shí)現(xiàn)快速燃燒。為了實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)，在采用雙凸輪軸相位調(diào)節(jié)器（VTC）的基礎(chǔ)上，進(jìn)氣門附加了應(yīng)用可變氣門正時(shí)和升程電子控制（VTEC）技術(shù)，從而在小氣門升程時(shí)降低了燃油耗，同時(shí)還應(yīng)用了降低摩擦的技術(shù)，以進(jìn)一步提高效率，與原機(jī)型相比，其新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）燃油耗降低了約26%（圖2）。

圖1 新型3缸1.0L增壓直噴式汽油機(jī)

圖2 NEDC行駛循環(huán)CO2排放的比較

2技術(shù)規(guī)格和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

這款新型1.0 L渦輪增壓直噴式汽油機(jī)是作為1.5～1.8 L自然吸氣機(jī)型的后續(xù)機(jī)型開發(fā)的，表1列出了新機(jī)型與原機(jī)型重要的技術(shù)參數(shù)的比較。如氣缸直徑、缸心距、曲軸箱高度、氣缸中心線偏斜、氣門機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和噴油器位置等，其基本特性參數(shù)提高了生產(chǎn)效率和1.5 L自然吸氣機(jī)型通用件。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖3示出了該發(fā)動機(jī)的縱橫剖面圖及其冷卻液循環(huán)流動狀況。氣缸體曲軸箱采用鋁合金壓鑄而成，并鑲鑄進(jìn)鑄鐵氣缸套內(nèi)。冷卻液由一個(gè)設(shè)置在氣缸套曲軸箱前的預(yù)分配器分成兩股支流，其中一股支流進(jìn)入氣缸體曲軸箱，并向上流入氣缸蓋，而另一股支流則被直接引入氣缸蓋，以此可調(diào)節(jié)氣缸體曲軸箱與氣缸蓋之間的冷卻液流量，并通過氣缸蓋密封墊上開孔橫截面的變化而進(jìn)行優(yōu)化，采取該方式就能確保合適的溫度狀況，同時(shí)還能改善燃燒室的冷卻狀況。除了上述的冷卻液流動之外，將氣缸蓋中的冷卻水套垂直分成上下兩部分，這樣溫度較低的冷卻液流經(jīng)氣缸蓋下方的冷卻水套，使每個(gè)氣缸的燃燒室得到均勻的冷卻，同時(shí)這種分成兩部分的冷卻水套能從上方和下方有效地冷卻排氣管。

圖3 發(fā)動機(jī)縱橫剖面圖及其冷卻循環(huán)回路

為了降低熱慣性，氣缸蓋裝備了一個(gè)整體式排氣歧管，可有助于迅速地激活催化轉(zhuǎn)化器，并降低暖機(jī)期間催化轉(zhuǎn)化器加熱階段的燃油耗，最終達(dá)到降低廢氣排放的目標(biāo)。同時(shí)，還能降低全負(fù)荷時(shí)的廢氣溫度，使廢氣渦輪增壓器采用標(biāo)準(zhǔn)的耐高溫材料。該型式還能降低氣缸蓋的熱負(fù)荷，并有效減少高負(fù)荷時(shí)的燃油加濃問題，從而獲得更低的燃油耗。

3燃燒方案

與已投放市場的4缸1.5 L和2.0 L-VTEC發(fā)動機(jī)一樣，新型3缸機(jī)也采用快速燃燒方式，而挑戰(zhàn)在于新款3缸機(jī)采用73 mm相對較小的氣缸直徑和側(cè)置燃油直接噴射，卻要達(dá)到功率和廢氣排放的高目標(biāo)值。

對自然吸氣機(jī)型的氣門、火花塞以及噴油器位置等角度出發(fā)，進(jìn)行燃燒室的設(shè)計(jì)。進(jìn)氣道和活塞頂?shù)男螤畋辉O(shè)計(jì)成能促進(jìn)缸內(nèi)充量滾流運(yùn)動快速燃燒的形式，并且為了避免被燃油潤濕減小了進(jìn)氣門直徑。圖4所示的缸內(nèi)流動模擬圖表明，吸入的空氣沿著屋頂形燃燒室和平坦的碟形活塞頂流動，并且與1.5L自然吸氣機(jī)型相比，能產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的滾流運(yùn)動。

（a）

（b）

圖4 缸內(nèi)流動和燃燒延遲與FEV現(xiàn)有發(fā)動機(jī)分布帶的比較

這種新機(jī)型的滾流運(yùn)動在壓縮行程期間一直持續(xù)進(jìn)行，并最終在到達(dá)上止點(diǎn)前還會轉(zhuǎn)化成較高的擾流動力學(xué)能量，該現(xiàn)象對于通過火焰的迅速傳播以獲得高的燃燒速度是十分重要的。同樣在圖4示出的全負(fù)荷燃燒延遲也位于FEV現(xiàn)有發(fā)動機(jī)分布帶的下端，這就表明了加強(qiáng)滾流流動的有利效果，這不僅在模擬計(jì)算而且也在著火運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)中得到了證實(shí)。

4曲柄連桿機(jī)構(gòu)

圖5示出了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。在3缸發(fā)動機(jī)上由第一階慣性矩引起的振動是難以消除的，即使如此，為了避免增加摩擦和質(zhì)量，仍沒有使用平衡軸，而是采用平衡塊來優(yōu)化振動質(zhì)量的平衡狀況，這樣能降低發(fā)動機(jī)懸掛點(diǎn)上的垂直振動，相比水平振動更有助于改善車身的振動。在發(fā)動機(jī)開發(fā)時(shí)曾試驗(yàn)過各種不同的平衡方案，最終選擇了平衡75%振動質(zhì)量的方案，可見該方案的垂直振動最小。

除此之外，為了減小發(fā)動機(jī)的滾動摩擦，選擇了異乎尋常小的主軸承和連桿軸承直徑，這通過氮化鋼的應(yīng)用即可實(shí)現(xiàn)。圖5上示出的振動部件平均摩擦壓力的比較表明，這種新機(jī)型的摩擦處于當(dāng)時(shí)FEV分布帶的下端。減小軸承直徑會導(dǎo)致較高的扭轉(zhuǎn)振動，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)噪聲和振動狀況的惡化，但是為了避免出現(xiàn)此類問題，曲軸扭振減振器的慣性質(zhì)量和自振頻率已經(jīng)進(jìn)行了仔細(xì)的優(yōu)化。

活塞具有機(jī)油冷卻通道，這樣借助于機(jī)油噴嘴的強(qiáng)制冷卻，活塞頂溫度能降低30 K以上，并有效改善爆震的性能。當(dāng)采用較高的壓縮比和最佳的點(diǎn)火定時(shí)，能使新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）燃油耗節(jié)油達(dá)0.5%，而且活塞頂溫度的降低還能減少了活塞環(huán)槽的磨損，因此即使在發(fā)動機(jī)具有高的升功率的情況下，活塞仍不需要相應(yīng)的表面處理（如陽極氧化處理）。用于冷卻活塞的機(jī)油噴嘴具有一個(gè)整體式的止回閥，而且被設(shè)計(jì)成僅在按需調(diào)節(jié)機(jī)油泵高壓力運(yùn)行時(shí)，才打開此閥噴射機(jī)油冷卻活塞頂，同時(shí)機(jī)油泵由電磁閥根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行電子控制。

（a）

(b)

圖5 曲柄連桿機(jī)構(gòu)及其摩擦情況

5氣門機(jī)構(gòu)

圖6示出了氣門機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其在不同特性曲線場區(qū)域中的氣門升程曲線。新機(jī)型的氣門機(jī)構(gòu)在進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)都使用了凸輪軸相位調(diào)節(jié)器（VTC），此外進(jìn)氣側(cè)還采用了可變氣門正時(shí)和升程電子控制系統(tǒng)（VTEC）。在小氣門升程情況下，氣門升程和氣門開啟持續(xù)時(shí)間被調(diào)整到可使進(jìn)氣門早關(guān)從而實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)，而在需要高功率時(shí)，搖臂就被切換到全氣門升程。采取該方式就能改善低負(fù)荷的燃油耗，同時(shí)在高負(fù)荷時(shí)又能獲得大的扭矩。采取這種運(yùn)行策略，在低負(fù)荷時(shí)選擇了進(jìn)氣門早關(guān)就能減少泵吸損失。在小氣門升程時(shí)，比燃油耗（be）可降低5%，而整車NEDC燃油耗則可降低2%。正如圖6中VTEC特性場所示，根據(jù)運(yùn)行狀況（如發(fā)動機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速）進(jìn)行最佳的VTC和VTEC控制。

（a）

(b)

圖6 氣門機(jī)構(gòu)及其換氣控制

總長度較短的3缸機(jī)，在配備廢氣渦輪增壓器的情況下能提供小的結(jié)構(gòu)空間，因此可變凸輪軸相位調(diào)節(jié)器必須十分緊湊。在這里所介紹的發(fā)動機(jī)采取了VTC執(zhí)行器和機(jī)油調(diào)節(jié)閥都位于凸輪軸軸線上的布置方案，這樣能簡化循環(huán)回路，而且集成的止回閥有助于縮短工作時(shí)間。

6皮帶傳動機(jī)構(gòu)

新機(jī)型的凸輪軸和機(jī)油泵都由內(nèi)置式齒形皮帶傳動，如圖7所示。因齒形皮帶位于發(fā)動機(jī)內(nèi)，皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲被隔音而降低，同時(shí)因取消了皮帶導(dǎo)軌，發(fā)動機(jī)的摩擦也降低了1.8%。與傳統(tǒng)的正時(shí)鏈相比，新機(jī)型在NEDC工況下燃油耗降低了0.6%。開發(fā)時(shí)選擇的齒形皮帶材料對機(jī)油具有可靠的穩(wěn)定性。同樣，圖7中也示出了與在空氣中運(yùn)轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)齒形皮帶相比的疲勞強(qiáng)度，其中在機(jī)油中運(yùn)轉(zhuǎn)的齒形皮帶呈現(xiàn)出明顯更高的使用壽命。

（a）

(b)

圖7 皮帶傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和疲勞強(qiáng)度

與傳統(tǒng)齒形皮帶的比較

7按需調(diào)節(jié)機(jī)油泵

渦輪降低發(fā)動機(jī)摩擦和熱損失采用了一種按需調(diào)節(jié)的機(jī)油泵。圖8示出了這種機(jī)油泵的剖面圖，它布置于發(fā)動機(jī)下部，并由曲軸通過在機(jī)油中運(yùn)轉(zhuǎn)的齒形皮帶傳動。機(jī)油泵通過擺動被用作旋轉(zhuǎn)葉片泵外圈的調(diào)節(jié)環(huán)改變偏心度來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，作用于調(diào)節(jié)環(huán)上方和下方的機(jī)油壓力就是用來控制偏心度的，而電控電磁閥則根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速在兩個(gè)等級之間轉(zhuǎn)換機(jī)油壓力，采取這種方式就能保持或降低額定機(jī)油壓力，而機(jī)油壓力則是借助于柱塞從而被調(diào)整到目標(biāo)值的，這樣即使在發(fā)動機(jī)暖機(jī)時(shí)機(jī)油溫度低粘度高的情況下，在低機(jī)油壓力運(yùn)行模式下能防止機(jī)油壓力劇烈升高，此時(shí)切斷機(jī)油噴射冷卻活塞可將熱損失降低到最低程度。

圖8 按需調(diào)節(jié)機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式

當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行值超過某個(gè)閾值時(shí)，機(jī)油泵就進(jìn)入高機(jī)油壓力運(yùn)行模式。活塞溫度必須通過噴射機(jī)油冷卻或在高負(fù)荷或高轉(zhuǎn)速下降低連桿軸承溫度，就使得發(fā)動機(jī)必須進(jìn)入高機(jī)油壓力運(yùn)行模式。與無壓力調(diào)節(jié)功能的傳統(tǒng)機(jī)油泵相比，按需調(diào)節(jié)機(jī)油泵在燃油耗方面的優(yōu)勢主要在NEDC早期階段通過降低摩擦獲得，而在第二階段中則是通過降低熱損失帶來了明顯的好處。由于降低了摩擦和減少了活塞冷卻的熱損失，NEDC燃油耗總共可降低1%。

8冷卻系統(tǒng)

電動調(diào)節(jié)節(jié)溫器（圖9）能減小摩擦，因而能降低燃油耗，此外還能提高發(fā)動機(jī)的熱可靠性。電動調(diào)節(jié)節(jié)溫器位于發(fā)動機(jī)冷卻液出口處，其中蠟感溫元件打開節(jié)溫器閥盤的溫度被調(diào)整到103 ℃，比傳統(tǒng)機(jī)械式節(jié)溫器的開啟溫度高20 ℃。在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行期間，冷卻液和機(jī)油被保持在較高的溫度，從而能減少機(jī)械摩擦。蠟感溫元件中的圓柱形護(hù)套內(nèi)含有一個(gè)陶瓷加熱元件，因而能夠在較低的冷卻液溫度下借助于蠟加熱膨脹打開節(jié)溫器。

（a）

(b)

圖9 電動調(diào)節(jié)節(jié)溫器剖面圖及其

在NEDC循環(huán)中發(fā)動機(jī)摩擦的比較

電動調(diào)節(jié)節(jié)溫器系統(tǒng)通過提高冷卻液和機(jī)油溫度能顯著降低發(fā)動機(jī)摩擦，從而使NEDC燃油耗降低0.6%。在發(fā)動機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行期間，加熱元件起作用，使冷卻液保持在較低的溫度，因而能如傳統(tǒng)節(jié)溫器系統(tǒng)那樣確保發(fā)動機(jī)的溫度狀況。該節(jié)溫器能在短期內(nèi)起作用，因而能夠在突然加速的情況下防止發(fā)動機(jī)過熱。

9功率和效率

新機(jī)型的最大功率為95 kW，與1.5 L自然吸氣機(jī)型相當(dāng)，而200 N·m的最大扭矩甚至高于1.8 L自然吸氣機(jī)型，在2 250 r/min時(shí)就已達(dá)到了最大扭矩，并且直至4 500 r/min時(shí)仍保持90%最大扭矩的水平，從而在城市交通情況下能有出色的加速性能。圖10示出了新機(jī)型的比燃油耗和部分負(fù)荷燃油耗特性曲線場及其與競爭機(jī)型的比較。

（a）

（b）

圖10 功率特性和比燃油耗與

FEV分布帶的比較

（轉(zhuǎn)速1 500 r/min,

平均有效壓力0.2 MPa）

因采用了所介紹的技術(shù)，最佳的比燃油耗達(dá)到231 g/kW·h，而在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)低于240 g/kW·h。若將轉(zhuǎn)速1 500r/min和0.2 MPa平均有效壓力作為基準(zhǔn)運(yùn)行點(diǎn)來考察比燃油耗的話，則與競爭機(jī)型相比，新機(jī)型呈現(xiàn)出最佳的比燃油耗。

10結(jié)構(gòu)

本田公司已成功開發(fā)出1.0 L增壓直噴式汽油機(jī)，并獲得了以下成果：

(1)與思域（Civic）轎車上的原機(jī)型1.8 L自然吸氣汽油機(jī)相比，使NEDC燃油耗降低了26%；

(2)采用下列技術(shù)在競爭機(jī)型中達(dá)到了最佳燃油耗：極其細(xì)長的曲軸、采用VTEC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)、在機(jī)油中運(yùn)轉(zhuǎn)的齒形皮帶系統(tǒng)、按需調(diào)節(jié)的機(jī)油泵以及采用電動調(diào)節(jié)的節(jié)溫器冷卻系統(tǒng)；

(3)額定功率95 kW和在低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下就達(dá)到最大扭矩200 N·m，使得車輛在日常行駛中具有強(qiáng)勁的動力性能。