好文推荐 | 本田汽车公司新型1.6L轿车柴油机

一、背景

       本田汽车公司的目标是： 至2020年，新车型的CO2排放比2000年降低30%。同时，为了不损害驾驶乐趣，本田汽车公司开发了所谓“地球梦科技”技术，包括提高内燃机和变速器效率，以及进一步发展新一代电气化动力总成系统的技术。2012年底推出的1.6L直列4缸涡轮增压柴油机(Honda i-DTEC 1.6L )是欧洲市场“地球梦科技”技术的首款代表机型。

       2004年，本田汽车公司将首款自主研发的2.2L 直列4缸涡轮增压柴油机投放市场，该机型以低噪声和低燃油耗获得充分肯定。随后，进一步优化了第2代机型的摩擦和燃油耗，并于2008年以“i-DTEC 2.2L”为名投放市场。

       随着消费者环保意识的日益增强，市场上对紧凑型汽车的需求非常强烈。柴油机因气缸压力高而需要非常坚固的发动机机体，以及外形尺寸相对较大的排气后处理装置，这两方面原因致使柴油机与排量相同的汽油机相比，显得更大、更笨重。近年来，柴油机在紧凑型汽车领域占据越来越多的市场份额，其中，小而轻的动力总成系统受到广泛关注。

        出于上述原因，本田汽车公司开发了新型紧凑型1.6L柴油机，作为第3代轿车柴油机，并以小型化和低燃油耗获得市场认可。Civic i-DTEC 1.6L紧凑型轿车按新欧洲行驶循环(NEDC)运行的百公里燃油耗为3.6L，CO2排放量仅94g/km，与配装2.2L柴油机的Civic轿车相比，降低了14.5%。

二、发动机设计

       新型柴油机的设计满足效率高(降低CO2排放量)、质量轻和外形尺寸紧凑的要求，本田汽车公司通过发动机小型化实现上述目标，并将排量从2.2L减小到1.6L。当然，只采取小型化措施并不足以使上述各方面要求都达到较高的水平，因而采取以下技术组合作为重要的优化措施(图1)：(1)发动机机体小型化和轻量化；(2)降低摩擦功率；(3)高 效率、低排放的燃烧过程。优先开发动机机体，以满足质量轻和外形尺寸紧凑的要求。机体的突出特点是具有开放式顶面结构和高刚度的气缸盖。优化的摩擦功率性能提高了效率，并进一步降低了燃油耗。经过仔细优化，活塞质量更轻且摩擦更小，曲轴采用新材料，优化的冷却系统使发动机预热更快，这些措施促使摩擦进一步降低。此外，新的活塞和曲轴都有助于减轻质量。

图1 1.6L柴油机采用的技术组合

      优化燃烧性能，结合具有更小喷孔直径的多孔喷油嘴、优化的燃烧室几何形状和低压EGR等技术措施的效果，提高了效率。在1.6L柴油机上，低压EGR有助于提高工作过程的效率和降低氮氧化物(NOx)排放。此外，发动机小型化通常要缩小缸径，导致优化燃烧变得更加困难，对燃烧效率会产生不利影响，而通过应用上述技术措施，新型柴油机达到了更高的水平。

3 机体小型化和轻量化

       众所周知，2.2L柴油机采用先进的半固态铸造工艺制造，具有封闭式顶面的铝气缸体；新机型的气缸体则采用开放式顶面结构，并且不再采用半固态铸造工艺，而是采用高压压铸工艺制造，这能进一步减轻发动机机体质量。图2示出了1.6L和2.2L柴油机的不同结构。开放式顶面气缸体避免了气缸盖密封垫卷边在缸孔范围内的垂直运动。并且，出于上述原因，优化了个别零件的几何形状和刚度，从而提高了缸孔形状的稳定性和气缸盖的刚度。这些改进所增加的质量被控制在最低水平。

图2 2.2L柴油机和1.6L柴油机的气缸盖和机体比较

通过有限元法(FEM)和疲劳强度分析，优化加强筋的布置及其形状，有利于进一步减轻质量。此外，本田汽车公司还将曲轴轴承的紧固方法由传统的主轴承座框架结构型式改为单个主轴承盖型式。在采用单个主轴承盖的情况下，气缸体与主轴承瓦之间可能出现摩擦磨损，因此，借助于非线性FEM改善单个主轴承盖的刚度及其造型，从而解决这一问题。通过采取上述措施，1.6L柴油机的机体总成质量比i-DTEC 2.2L柴油机减轻11.6kg(降低33%)。

4 高刚度气缸盖

       在气体压力较高的柴油机中，气缸盖垫片的性能至关重要。为了满足这一要求，本田汽车公司为新型柴油机选择了凸轮轴轴承座集成在气缸盖上的结构(图2)。此外，根据气缸盖垫片的表面压力分析，借助于FEM优化气缸体中冷却水套的深度、气缸盖紧固螺栓的螺纹孔深度、气缸孔壁厚，以及气门凹陷深度和气缸盖高度，从而在气缸盖螺栓拧紧力矩较低的情况下达到足够的密封性。这些措施改善了气缸盖的整体刚度，使开放式顶面结构的气缸盖设计首次获得成功。

5 降低摩擦功率的技术

       发动机摩擦功率的55%是由机械摩擦产生的，而其中50%是由振动零件的惯性矩所引起的，因此，新机型的活塞特别轻，摩擦很小(图3)，在保持机油冷却通道进出口和制造公差不变的同时，活塞裙部面积缩小26%。通常，缩小活塞裙部面积会使耐磨损性变差，但在新机型上，通过改进几何形状和提高裙部强度，避免了出现上述缺陷，同时也没有增加摩擦。新型活塞的摩擦降低5%，同时也减轻了质量。

图3 缩小活塞裙部面积

       为了减少曲轴的摩擦损失，可减小曲轴轴颈和轴承直径，虽然新型小型化柴油机具有高输出扭矩，但减小曲轴主轴颈和连杆轴颈的直径并不会影响强度，为此，应用新开发的氮化处理工艺，使细小的Mo-V分子扩散渗透到材料表层，从而使其振动疲劳强度比传统材料提高45%以上，而且也有助于减轻曲轴质量。

6 具有快速预热性能的冷却系统

        在发动机冷起动后的暖机运转阶段，机油黏度较大，因而发动机内部摩擦较大。若能加快发动机预热，就能减小摩擦，从而降低燃油耗。图4示出为小型化柴油机开发的节温器，它能使发动机更快达到运行温度。采用新型节温器后，只有来自发动机出水口的热水从石蜡感温元件周围流过，不会与来自汽车散热器的冷水混合，避免了调节温度大幅波动，从而实现温度的精细调节。而且，与传统节温器相比，新型节温器能调整到较高的温度水平，特别在部分负荷时，这种较高的温度水平是非常有利的，能够减少运行范围内的发动机摩擦，从而降低燃油耗。新型节温器使配装于Civic轿车的1.6L柴油机在NEDC中的暖机阶段缩短5s，由于发动机摩擦和热损失减少，CO2排放量降低3.9g/km。

图4 传统柴油机和1.6L柴油机的节温器结构比较

7 低排放、高效率的燃烧过程

       为了将排量从2.2L减小到1.6L，本田汽车公司减小了发动机缸径。当然，较小的气缸增加了生成碳烟的风险，因为可能有较多的燃油喷束碰到燃烧室壁面而未燃烧，因此，必须重新设计燃烧室中燃油喷雾的尺寸。为了减小多孔喷油嘴的喷孔直径和增加喷孔数目，使用喷孔直径为0.114mm的8孔喷油嘴替代目前喷孔直径为0.123mm 的7孔喷油嘴，在发动机转速2500r/min、平均有效压力1.13MPa、空燃比20的稳态运行工况下，碳烟生成减少45%。

8 燃烧室的优化

       缸径减小导致碳烟增加是由燃油喷束碰撞燃烧室壁面所致，因为后者造成活塞顶燃烧室凹坑中局部过量空气系数(λ)向浓混合气方向偏移。因此，新型1.6L柴油机不仅重新设计混合气形成，而且对活塞顶燃烧室凹坑形状也进行重新设计，以避免出现浓λ区域。

       图5示出了传统柴油机和新型1.6L柴油机的凹坑形状及燃烧室中的λ分布状况。传统2.2L 柴油机燃烧室凹坑中心顶端至底部是直线连接的，而新机型的凹坑形状则是弯曲连接。因此，燃烧室中的空气流能产生强度极高的涡流运动，使燃烧室中浓λ区域明显减少，在发动机转速2250r/min、扭矩135N·m的工况下，碳烟生成减少约20%。

图5 燃烧室凹坑形状及λ分布状况

9 低压EGR

       新型小型化柴油机在传统的高压EGR基础上又增加了低压EGR(图6)。低压EGR是在废气涡轮后取出部分废气进行再循环，以便在提高EGR率时不会对通过涡轮的废气流量产生不利影响，从而在有更多废气流量通过涡轮时优化增压，再循环废气进入压气机增大了压气机的体积流量，使压比移向更高压力侧，压气机效率得以改善(图7)。此外，在压气机体积流量较小时，小的废气涡轮增压器效率可得到额外优化，因此，低压EGR提高了涡轮增压器效率，改善了发动机的总机械效率，从而使NEDC中的CO2排放量比只采用高压EGR的柴油机减少3.5g/km。本田汽车公司利用低压EGR并非是为了降低NOx排放，而是为了改善机械效率。

      当然，在瞬态运行状况下，低压EGR在调节再循环废气的精度方面存在缺陷。低压EGR的调节管路比高压EGR长很多，因而在进行调节时，额定值与实时值之间会产生时间上的滞后(图6)。为此，发动机电控系统中设有1个基于模型的调节回路[6]，用于协调低压EGR与高压EGR的配合(图8)。

       在瞬态运行时低压EGR滞后达到额定值的情况下，在基于模型的调节回路中，高压EGR会补偿低压EGR不足的再循环废气体积流量，因此，即使在瞬态运行状态下，也能在节油效果最大化的同时，确保NOx排放仍有足够的降低。

图6 1.6L柴油机的进排气管路

图7 压气机效率特性曲线场(发动机转速2000r/min，平均有效压力0.9MPa)

图8 基于模型的低压EGR和高压EGR联合调节器

10 与竞争机型的行驶功率比较

       本田汽车公司的新型1.6L柴油机在发动机转速2000r/min时能达到最大扭矩300N·m，在发动机转速4000r/min时能达到最大功率88kW。该机型配装于本田Civic轿车后，在NEDC中的百公里燃油耗仅3.6L, CO2排放量仅94g/km。图9示出了本田Civic轿车与竞争车型的0～100km/h加速性和CO2排放量的比较。Civic轿车的数值位于加速性与CO2排放量之间理想折中的曲线上，因此就经济性和动力性能而言，它是该等级车辆中的最佳车型。图10示出了本田汽车公司1.6L柴油机与其他量产机型的质量和扭矩比较，因采取多项减轻质量的措施，在竞争机型中，甚至与扭矩相当的汽油机相比，新型1.6L柴油机也是最轻的机型。此外，与目前的2.2L柴油机相比，这种先进的小型化机型减小了外形尺寸，长度缩短10mm，宽度缩小50mm。

图9 本田Civic轿车与竞争车型的0～100 km/h加速性和CO2排放量比较

图10 本田汽车公司1.6L柴油机与其他量产发动机的质量和扭矩比较

因此，这种新型动力总成系统特别适合配装在紧凑型轿车上。

11 结语

        为了使具有出色燃油耗优势的柴油机能配装于紧凑型轿车，本田汽车公司采用小型化方案，开发了全新的1.6L动力总成系统，特别在以下方面获得了明显改善：(1)发动机机体小型化和轻量化；(2)将摩擦功率降至最低程度；(3)低排放、高效率的燃烧过程。通过采取各项措施，得到了轻量、紧凑的发动机，并具有出色的燃油耗性能，在NEDC中的CO2排放量仅94g/km，Civic i-DTEC 1.6L轿车已成为目前经济性与动力性能获得最佳折中的车型。