一种新型1.5L直列四缸涡轮增压直喷汽油机的研发外文翻译资料

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一种新型1.5L直列四缸涡轮增压直喷汽油机的研发

作者：Yusuke Wada, Koji Nakano, Kei Mochizuki, and Ryuichi Hata
单位：Honda Ramp;D Co., Ltd.

摘要

为了实现较好的动力和环保性能，开发了1种小型化1．5 L涡轮增压发动机。该发动机旨在替代1．8-2．4 L的自然吸气发动机。在小型化涡轮增压发动机中，混合气均匀性对抑制爆燃和减排十分重要。特别是在发动机高负荷运行时，创造快速燃烧和均匀混合气是关键的技术。采用了长行程直喷发动机作为满足这些要求的基本机型，它具有显著的快速燃烧能力和较高的热效率。将长行程与高滚流气道和支持滚流的浅盆形活塞相结合，增强了混合气在气缸内的流动。建立的燃烧系统包含1个能减少爆燃的充钠排气门和1个有利于形成均匀混合气和减少燃油湿壁的多孔(6孔)喷射器。依靠快速燃烧，能够实现很高的缸内压力，因而能提高平均指示有效压力，即使在转速1 500 r/min全负荷下推迟点火正时的情况下也是如此。双气门正时控制(VTC)有可能为不同的发动机转速和负荷设定最佳的进排气门重叠角和气门正时。VTC与上述燃烧系统相结合实现了220 g/(kW·h)^-1的最低比油耗和38%的最大热效率。还介绍了发动机的动力输出性能和燃油经济性，以及为达到低排放、减少振动和噪声、实现轻量化和整车性能采用的技术。

关键词

汽油增压直喷 燃烧 热效率 排放 噪声 轻量化

前言

本田汽车公司的目标是要开发一些具备驾驶乐趣，同时又能满足全球越来越严的环保法规的发动机。为此，本田汽车公司开发了1种热效率和输出性能较好的1.5L小型化涡轮增压发动机。该发动机拟用来替代1.8-2.4L的自然吸气发动机。本文将特别探讨在本田汽车(Civic)紧凑型轿车上用这种发动机取代1．8 L自然吸气发动机的好处。设定的4个发展目标如下:

(1)实现一种由进气道产生缸内高速滚流的新型燃烧系统;

(2)能在发动机低转速范围产生充裕扭矩的功率特性;

(3)一流的燃油经济性和排放性能;

(4)通过使用轻量化、高刚性的发动机框架结构达到卓越的振动和噪声水平。

本文将介绍发动机的技术规格、燃烧概念、输出特性、燃油经济性、降低排放、降低振动-噪声、轻量化和车辆性能等方面的情况。

1.发动机技术规格

本田汽车选择现有的1种1．5L自然吸气发动机［1］作为基本机型，以实现比以前几种1．8L自然吸气发动机更好的驱动性和燃油经济性。该项目采用1．5L自然吸气发动机作为参考机型来实现高热效率。长行程结构可提供相当快速的进气流，因而能增加燃烧室内的紊流。通过这种方式，能快速燃烧和抑制爆燃［2］。尤其在涡轮增压发动机中，该爆燃策略在高增压压力条件下能带来更高的热效率［3］。

因此，上述燃烧的优点具有如下优点：此燃烧可以能通过长行程(行程/缸径比为1．22)和配用涡轮增压器的小缸径(直径73 mm)结构得以实现。图1为这种小型化涡轮增压发动机在热效率和平均有效压力(BMEP)方面的优越性能。发动机的技术规格列于如表1，图2为发动机的外观视图。

图1 新型1.5 L小型化涡轮增压发动机的性能位置

(图中所示3种发动机的相应参数列于表1中)

图2 1.5 L小型化发动机的外观视图

采用双VTC能够为各种不同的发动机负荷和转速提供最佳的进/排气门重叠角和气门正时。通过调整内部EGR量和充气效率，能使发动机达到目标燃油经济性和输出功率。并采用汽油直喷射器来提高热效率和形成均匀的混合气。发动机设计成可使用普通汽油运行，在压缩比为10．6的情况下燃油耗与动力性达到最佳平衡。

为了激活排气催化剂使之较早起燃，在排气门到催化器的所有通路上都采用了低热质量结构(图3)。该结构包括1个直接安装在气缸盖整体式排气歧管上的单流道涡轮增压器，与1个在其下游的双床催化器直接紧耦合。发动机向后倾斜7°，而这些排气系统组件均布置在发动机的前端。

表1 发动机主要技术规格

图3 在从排气门到催化器的所有通路上都采用的低热质量结构

2.燃烧的概念

建立的燃烧系统由高滚流气道(在小型化涡轮增压发动机所需的高负荷下产生快速燃烧和均匀的混合气)、浅盆形活塞(支持滚流)、充钠排气门(减少爆燃)，和多孔喷射器(减少气缸燃油湿壁)组合而成(图4)。

图4 燃烧系统的组件

图5所示为涡流比与流量系数之间的关系。与其他进气道相比，新型进气道的定位是高涡流比。图6所示为涡轮增压发动机与基本机型1．5L自然吸气发动机进气道和活塞形状的差异。与自然吸气发动机相比，涡轮增压发动机进气道的倾斜角度更大。其空气流大多沿排气门下面的单坡斜面流动，对面的气流被限制进入气缸。这一效应是由突变斜坡刃口造成的，突变斜坡刃口设置在进气道下侧周围与气门座腔相连的被称为突变斜坡刃口(图6细节A)。这样设置可以限制逆向滚流(即限制空气反向回流)。

图5 在涡流比与流量系数的曲线图上新型滚流气道所处的位置

图6 进气道和活塞形状的比较

新开发的涡轮增压发动机还采用浅盆形活塞。这种浅盆形顶部形状由平缓的曲面和上坡面组成(图6细节B)。曲面是要在进气行程期间使滚流流动方向变换成向下，后面的上坡形状用于引导气流向上流动。通过这种方式，活塞顶部的形状就能在压缩行程期间产生滚流。图7所示为由计算流体动力学(CFD里卡多VECTIS 3．12方法)获得的转速为1 500 r/min、全负荷时的缸内气流形态。

图7 缸内流动形态(转速1 500 r/min倒拖运行)

图8比较了这两种发动机的涡流比和紊流动能。观察到在活塞方向有一股强气流，它在进气过程的前半部分(曲轴转角100°CA)形成。活塞顶面的浅盆能使这股气流反向流动，产生滚动涡流。在压缩过程中(曲轴转角270°CA)观察到的滚动的涡旋，在上止点前－60～0°CA BTDC单坡被挤入屋脊斜面，并转化成紊流动能，从而促进火焰传播，接近压缩上止点时的紊流动能大约是自然吸气发动机的2倍。

图8 涡流比和紊流动能(转速1 500 r/min倒拖运行)

选择的直接多孔喷射器能给喷雾形态提供了很大自由度。选用的1种喷油器与高速滚流结合，能够降低缸套湿壁(会影响机油稀释)和活塞湿壁(导致碳烟)。表2所示为考虑到的几种典型的喷雾形态。它会根据进气行程中的滚流主流方向提出3个喷雾方向:向上(朝缸套)，向下(朝活塞)和向中间。这些以混合均匀性和燃油湿壁量为指标，利用CFD计算来选择喷雾方向。这台发动机选择了C型喷雾形态。

表2提出了3种燃油喷雾形态。表中的燃油喷雾布局图表示，x轴值是为横向角位移量，y轴值为纵向角位移量。每个位移量都是在距离注入器顶端下游40毫米处，相对于注入器中心轴测量的。

注: ，好; ，中等;－，差

表2 三种类型的燃油喷射形式

3.输出性能

新型1．5 L涡轮增压发动机最大输出功率为130 kW，比1．8 L自然吸气发动机的最大功率增加了21%，扭矩增加了26%，且发动机最大扭距转速下降了2 600 r/min。转速2 000 r/min时的扭矩与2．4L发动机的大致相同。这有助于确保车辆在城市地区方便操纵，以足够的功率实现舒适的高速加速(图9)。这些结果可能是因为采用了上述燃烧的规格、双VTC，以及低惯性和高响应度的紧凑型涡轮增压器而获得的。

图9 性能曲线的比较

涡轮增压器的1个独特之处是进气压力大于或等于其排气压力。利用这一特性进行的扫气过程是增加低速扭矩的1种有效手段。在相对较高的进气压力条件下，采用较宽的进排气门叠开角，能使残余气体从缸内清除到排气系统。这可使气缸充入更多的新鲜充量并减少爆燃。同时，扫气流能提高涡轮的转速(图10)。

图10 转速1 500 r/min全负荷时1．5 L涡轮增压发动机的扫气效果

其结果是，在1 500 r/min时，开发的发动机的扭矩大约要比1．8 L自然吸气发动机的高30%。此外，针对这种扫气将空燃比设定为化学计量比，可以通过催化器来净化废气。图11比较了1 500 r/min全负荷时1．8 L自然吸气基本型发动机和1．5 L涡轮增压发动机的气缸压力曲线。增压压力补偿了由于小型化导致的平均指示有效压力(IMEP)的损耗，这意味着即使在行程容积很小的情况下，也能产生高气缸压力。据图12显示，即使在因增压压力上升而推迟点火正时的情况下，快速燃烧也能达到很高的热效率。

图11 1.5 L涡轮增压发动机和1．8 L自然吸气发动机的p-V图比较

(1 500 r/min 全负荷)

图12 1.5 L涡轮增压发动机和1．8 L自然吸气发动机放热率的比较

(1 500 r/min 全负荷)

在图13中，发动机中、高转速从2区到4区气门叠开角逐渐减小。这就能抑制因排气压力上升

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资料编号：[1081]

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