1.0 L汽油直喷涡轮增压小型化发动机的开发

浅利大

本田公司近期开发出了1款1.0 L汽油直喷涡轮增压发动机，兼具出色的环保性能和优越的驾驶性能。与配备了可变气门正时和升程电子控制系统（VTEC）的直列4缸涡轮增压发动机的燃烧过程一样，该款发动机采用了相同的设计理念，并通过相关技术尽可能降低摩擦。在欧洲行驶循环条件下，与该机型相匹配的车型，其燃油经济性最多可改善约26%，驾驶性能最多可提升约20%。

涡轮增压;火花点火发动机;小型化;降低摩擦

0 前言

为了满足日趋严苛的燃油经济性要求，欧洲原始设备制造商（OEM）针对发动机小型化技术开展了一系列研究。数年前，日本本田公司推出了采用绿色环保技术，以及可变气门正时与升程电子控制（VTEC）系统的4缸涡轮增压发动机，分别有1.5 L[1-2]和2.0 L [2-3]2种排量以供用户选择，并兼具优异的环保性能和驾驶性能。为了满足未来的燃油经济性要求，提高产品市场竞争力，同时推动全球化市场发展，本田公司近期又开发出了1.0 L VTEC TURBO型发动机。目前，该款发动机已搭载于CIVIC车型，并在中国及欧洲市场进行销售。本文将针对该款发动机，对其结构及技术性能进行简要介绍。

1 开发目标

与同等功率的自然吸气发动机相比，小型涡轮增压发动机具有排量小、摩擦损失低的优势，同时在低速高负荷工况下的泵气损失较低，并可显著提升整机燃油经济性。在加速及高速行驶等需要较大输出功率的情况下，涡轮增压也可为小排量车型提供充足的动力来源。研究人员按照以下目标，针对小型化、降低摩擦并提高燃油经济性的目标而开发了1.0 L 3缸发动机。该车型相关技术特点如下：

（1）相比其他1.8 L 自然吸气发动机，该款机型可使燃油经济性提高20%以上;

（2）可使整机中、低速扭矩提升20%;

（3）可有效抑制往复运动过程中3气缸特有的振动现象。

根据以上改善燃油经济性的目标，研究人员针对1.8 L 自然吸气发动机降低摩擦及实现小型化的问题开展了相关研究，同时根据起动时加速响应性的变化情况，对发动机排量进行选择。图1为发动机外观图。

图1 发动机外观图

2 发动机性能及主要部件

表1列出了该款发动机的主要性能参数。为了最大限度地利用现有生产条件，该款机型的缸径等主要参数与原1.5 L 自然吸气发动机相同。研究人员对其中约50%的部件进行了重新开发。为了降低摩擦，该款发动机主要采用细轴曲轴、变容机油泵、电控恒温器等部件。

3 结构及应用技术

3.1 气缸体及气缸盖

研究人员利用压铸法制造出铝合金气缸体，并在其内部铸入铸铁缸套。为实现冷却性能随功率密度增加而提高的目標，研究人员在缸体前方设置了分支水套，冷却水在此处进行分流，形成双冷却结构。其中1条冷却水道直通气缸盖，另1条冷却水道流经缸体水套后再进入气缸盖（图2）。

研究人员采用了可将气缸盖分为上下两部分，并分别进行冷却的两段式冷却水套结构。通过横向流经燃烧室的冷却水，各气缸燃烧室得以均匀冷却（图3）。

3.2 冷却系统

发动机冷却水道出口设有电控蜡丸恒温器（图4），研究人员将开阀温度设定在103 ℃，较原系统高出约20 ℃。研究人员通过在低负荷工况设置较高的冷却水温，从而确保润滑油具有较高的温度，由此降低摩擦，进而使燃油经济性提高约0.6%。另外，由于恒温器活塞内部设有陶瓷加热器，通过直接加热蜡丸，冷却系统可以在低于预设要求的冷却水温下打开阀门。在较高的负荷工况下，冷却系统可为陶瓷加热器冷却，降低开阀温度，从而实现较强的冷却水温控制能力，确保发动机在高负荷工况下的可靠性。

3.3 往复运动部件

曲轴采用高强度氮化钢制成。主轴颈直径及连杆轴颈直径采用细轴设计，以降低摩擦。图5为曲轴外观。表2为该曲轴与1.5 L 自然吸气发动机曲轴的尺寸对比。针对一次惯性力偶产生的振动，在减小往复运动质量的基础上，研究人员在对车体振动影响较大的发动机安装点处，对平衡率进行了设定，从而可以降低垂直方向的振动。在发动机开发之初，研究人员对0%和75%的平衡率进行了比较，并选择了后者。

图6为一次性惯性力偶下安装点处振动与对标车型的对比结果。通过与对标车型的比较，研究人员可以确认该款发动机这一位置处的振动已降至较低程度。

为解决增压带来的热负荷增加等问题，研究人员在活塞中布设了冷却水道（图7）。由此可使活塞顶部温度降低约20 ℃，在确保活塞强度的基础上，也可以改善敲缸特性，同时通过提高压缩比，使燃油经济性改善了0.5%。

该发动机的连杆设计方案与1.5 L及2.0 L VTEC TURBO发动机相同。由于采用了增压系统，为应对较高的负荷，研究人员为其配备了通过可控锻造技术制造的连杆，重点采用二级锻造工艺强化杆身部分。通过提高杆身弯曲强度，使连杆与以往同类产品相比，质量降低了18%。

3.4 气门机构

在气门机构中，进排气两侧采用了VTC，进气侧则采用可切换高低升程的VTEC摇臂结构。根据负荷及转速工况，研究人员可对VTC及VTEC进行控制，在确保具有较高扭矩的同时，可相应改善低负荷工况下的燃油经济性。图8为气门机构外观图。由于空间仅可容纳3个气缸，为此需要高效配置可变气门机构控制装置。因此，研究人员采用了配备有电磁阀及机油控制阀（OCV）的VTC（图9）。通过这种设置，研究人员可以简化机油管路，并通过设置止回阀，以确保气门机构的高响应性。

研究人员在进气侧配装了VTEC机构，在升程较低的工况下，可利用进气门早关的阿特金森循环，使整机燃油消耗率减少5%，行驶燃油耗减少2%。图10为进排气侧气门正时机构及对应的升程量。图11为VTC与VTEC的切换图。在阿特金森循环下，在低负荷泵气损失降低的同时，由于气门正时及升程量受限，高负荷工况下的扭矩下降，从而无法兼顾较低的燃油耗和较高的输出功率。

为解决这一问题，研究人员采用了独创的VTEC技术，能根据负荷切换凸轮，由此可同时改善低负荷工况下的油耗和高负荷工况下的扭矩。图12为缸内压力示意图。在低负荷工况下，系统可提前关闭气门，由此降低泵气损失。

凸轮轴及机油泵由发动机内部的正时皮带驱动（图13）。由于该系统设置在发动机内部，充分降低了皮带噪声。同时，相对以往采用的正时链，该正时皮带系统的摩擦降低了1.8%。由于该系统会频繁与润滑油相接触，研究人员特别为其选用了经久耐用的材料。正时皮带结构如图14所示。表3对比了该新款正时皮带材料与原款正时皮带材料的差异。

3.5 润滑系统

为了降低发动机摩擦，研究人员为系统选用了容量可变的机油泵。电磁阀可根据发动机负荷及转速，在2种油压间切换，从而能确保机油压力始终低于目标压力。因此，即使在暖机过程中出现机油温度较低及黏度较高的现象，其压力也不会过度升高，从而可降低摩擦，燃油消耗率也能降低约1%。

移动叶轮泵外侧的凸轮环可改变偏心量，并调整机油泵容量（图15），同时能根据凸轮环上下腔内油压控制偏心量。

3.6 燃烧概念

1.0 L VTEC TURBO型发动机可采用与1.5 L及2.0 L 4缸VTEC TURBO型发动机相同的高速燃烧概念。研究人员通过采用高滚流气道，并在进排气两侧凸轮轴配置VTC，同时将直喷喷油器安装在进气歧管侧面，由此实现了高滚流及混合气空燃比的最佳化。因此，当发动机在高负荷工况下运行时，可以缩短响应时间，并改善燃油经济性。图16为1.0 L直列3缸增压发动机与1.5 L 自然吸气发动机进气口及燃烧室形状的对比。相比自然吸气发动机，该款发动机进气口角度较平，进气口下部边缘竖起，通过将进气导入燃烧室上部，可使气流沿排气侧屋脊型燃烧室壁流动，从而强化滚流（图17）。

4 发动机性能

4.1 输出功率

1.0 L VTEC TURBO型发动机适用于多种轿车车型，开发目标是使整机的扭矩特性优于1.8 L自然吸气发动机。为提高中低转速工况下的扭矩，研究人员特别为其配备了带电动旁通阀的小型涡轮增压器，利用VTC设定了可优化扫气并能在内部运行的EGR系统，并使气门正时在发动机各转速工况下都能实现最优化。在转速为2 250 r/min时，最大扭矩可以达到200 N·m。图18对比了1.0 L直列3缸增压发动机与1.5 L及1.8 L自然吸气发动机的功率特性。相比1.8 L自然吸气发动机，1.0 L VTEC TURBO型发动机在2 250 r/min转速工况下的扭矩提高了约20%。在1.0 L排量下，最高输出功率可达到95 kW，实现了扭矩和功率之间的平衡，并适用于多种车型。

4.2 燃油经济性

图19给出了1.0 L VTEC TURBO型发动机在不同轉速及排量下的机械摩擦水平。图20给出了典型工况点处比油耗（BSFC）的情况。根据发动机转速及排量的变化，机械摩擦基本处于最低水平，燃油经济性则处于同排量增压发动机中的最佳水平。

图21对比了1.0 L VTEC TURBO型发动机与1.8 L 自然吸气发动机的燃油经济性。研究人员通过优化VTC及VTEC控制过程，在较宽广的工况区域内，使BSFC降至240 g/（kW·h），由此使燃油消耗率降低约20%。图22示出了该款发动机与1.8 L 自然吸气发动机配装于同一车型上时， 80～120 km/h工况下的加速性能及行驶油耗的比较。在确保了具有相近甚至更高加速性能的同时，该款发动机可使整车行驶燃油经济性改善约26%。

5 总结

通过采用小型化及降低摩擦的技术，研究人员开发出了新款发动机，并使其性能相比原1.8 L 自然吸气发动机有了进一步提升，总体概况如下：

（1）在同一车型中，燃油消耗率降低了26%;

（2）在输出功率相同的情况下，发动机在中低转速工况下的扭矩提高了20%。

参 考 文 献

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张冬梅 译自 自動車技術，2019，73（9）

伍赛特 编辑

（收稿时间：2020-10-16）