推荐文章 |本田汽车公司的新型1.6L轿车柴油发动机

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一、背景

本田汽车公司的目标是：到2020年，新车型的二氧化碳排放量将比2000年减少30%。同时，为了不损害驾驶乐趣，本田汽车公司开发了所谓的“地球梦技术” ”技术，包括提高内燃机和变速器效率的技术，以及进一步开发下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缸涡轮增压柴油发动机（本田i-DTEC 1.6L）是“地球梦想技术”技术在欧洲市场的首款代表车型。

2004年，本田汽车公司向市场推出了首款自主开发的2.2L直列4缸涡轮增压柴油发动机。该车型以其低噪音、低油耗的特点得到了充分认可。随后，第二代车型的摩擦力和油耗进一步优化，并于2008年以“i-DTEC 2.2L”的名称上市。

随着消费者环保意识的增强，市场对紧凑型轿车的需求强劲。柴油发动机由于气缸压力高，需要非常坚固的发动机机体，以及相对较大的排气后处理装置。这两个原因使得柴油机比同排量的汽油机体积更大、笨重。近年来，柴油机在紧凑型轿车领域占据的市场份额越来越大，小型、轻型动力总成系统受到广泛关注。

鉴于上述原因，本田汽车公司开发了新型紧凑型1.6L柴油发动机作为第三代轿车柴油发动机，并以其小型化和低油耗获得了市场认可。思域i-DTEC 1.6L紧凑型轿车在新欧洲工况循环（NEDC）下百公里油耗为3.6L，二氧化碳排放量仅为94g/km。与搭载2.2L柴油发动机的思域轿车相比，低14.5倍。 %。

2. 发动机设计

新型柴油机的设计满足高效率（减少二氧化碳排放）、轻量化和紧凑尺寸的要求。本田汽车公司通过发动机小型化，将排量从2.2L减少到1.6L，实现了上述目标。当然，仅靠小型化措施还不足以达到上述各方面的高水平要求。因此，采用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、轻量化； (2))降低摩擦功率； (3)高效、低排放的燃烧过程。优先考虑开放式发动机缸体，以满足轻量化和紧凑尺寸的要求。车身的突出特点是其开放式顶部结构和高刚性缸盖。优化的摩擦动力性能提高了效率并进一步降低了燃油消耗。仔细的优化进一步减少了摩擦，包括更轻的活塞和更低的摩擦、曲轴的新材料以及允许发动机更快预热的优化冷却系统。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

优化的燃烧性能，结合较小喷嘴直径的多孔喷油器、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柴油发动机上，低压EGR有助于提高工作过程的效率并减少氮氧化物（NOx）的排放。此外，发动机小型化通常涉及减小缸径，这使得优化燃烧变得更加困难并对燃烧效率产生不利影响。但通过上述技术措施的应用，新型柴油机已达到了更高的水平。

3、机身小型化、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，具有封闭顶面的铝制气缸体；新车型的缸体采用了开放式顶面结构，不再采用半固态铸造工艺，而是采用高压压铸工艺制造，可以进一步减轻发动机本体的重量。图2所示为1.6L和2.2L柴油机的不同结构。顶部开口的气缸体避免了气缸盖垫片卷曲在气缸孔内的垂直运动。并且，出于上述原因，对各个零件的几何形状和刚度进行了优化，从而提高了缸孔形状的稳定性和缸盖的刚度。这些改进所增加的质量被保持在最低限度。

图2 2.2L柴油机与1.6L柴油机缸盖及机体对比

通过有限元法（FEM）和疲劳强度分析，优化加强筋的布局和形状将有助于进一步减轻质量。此外，本田汽车公司将曲轴轴承紧固方式由传统的主轴承座框架结构改为单主轴承盖式。当使用单个主轴承盖时，气缸体和主轴承瓦之间可能会发生摩擦和磨损。因此，采用非线性有限元方法改善单主轴承盖的刚度和形状来解决这一问题。通过采取上述措施，1.6L柴油机的车身总成质量比i-DTEC 2.2L柴油机减少了11.6kg（减少33%）。

4 高刚度气缸盖

在高气压柴油发动机中，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将凸轮轴轴承座集成到气缸盖中的结构（图2）。此外，在对气缸盖垫片表面压力分析的基础上，采用有限元法对气缸体冷却水套深度、气缸盖紧固螺栓螺纹孔深度、气缸盖密封垫壁厚等进行优化设计。气缸孔，以及气门凹座的深度和气缸盖的高度，以提高气缸盖的性能。通过盖螺栓的低拧紧扭矩即可实现充分的密封。这些措施提高了气缸盖的整体刚度，并首次成功设计了开顶式气缸盖。

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，50%是由振动部件的惯性矩引起的。因此，新型号的活塞特别轻，摩擦力很小（图3），同时保持油冷却。在通道入口和出口以及制造公差保持不变的情况下，活塞裙面积减少了26%。通常，减小活塞裙的面积会使耐磨性变差，但在新型号上，通过改进几何形状并增加裙部的强度，在不增加摩擦的情况下避免了上述缺陷。新活塞减少了 5% 的摩擦，同时也减轻了质量。

图3 减小活塞裙面积

为了减少曲轴的摩擦损失，可减小曲轴轴颈和轴承直径。虽然新型小型柴油机输出扭矩较高，但减小曲轴主轴颈和连杆轴颈直径不会影响强度。为此，应用新开发的氮化工艺，使细小的Mo-V分子扩散渗透到材料的表层，从而使其振动疲劳强度比传统材料提高45%以上，同时也有助于降低曲轴的质量。

6 具有快速预热性能的冷却系统

发动机冷启动后的暖机期间，机油的粘度较高，因此发动机的内摩擦较大。如果能够加快发动机预热速度，就可以减少摩擦，从而降低油耗。图 4 显示了专为小型柴油发动机开发的恒温器，可让发动机更快地达到工作温度。采用新型节温器后，只有发动机出水口的热水流过石蜡感温元件周围，不会与汽车散热器的冷水混合。这样就避免了调节温度的较大波动，从而实现了精细的温度调节。而且，与传统恒温器相比，新型恒温器可以调节到更高的温度水平。特别是在部分负载时，这种较高的温度水平非常有益，可以减少工作范围内的发动机摩擦。从而降低油耗。新节温器使思域轿车搭载的1.6L柴油发动机在NEDC工况下的预热阶段缩短了5秒。由于发动机摩擦和热损失的减少，二氧化碳排放量减少了 3.9 克/公里。

图4 传统柴油机与1.6L柴油机节温器结构对比

7 低排放、高效燃烧过程

为了将排量从2.2L减少到1.6L，本田汽车公司缩小了发动机缸径。当然，较小的气缸会增加产生碳烟的风险，因为更多的燃油喷雾可能会撞击燃烧室壁而不燃烧，因此必须重新设计燃烧室中燃油喷雾的尺寸。为了减小多孔喷油器的喷嘴直径，增加喷嘴数量，采用喷嘴直径为0.114mm的8孔喷嘴来代替目前喷嘴直径为0.123mm的7孔喷嘴。当发动机转速2500r/min、平均有效压力1.13MPa、空燃比20时，碳烟产生量减少45%。

8 燃烧室优化

孔径减小引起的碳烟增加是由于喷油射流与燃烧室壁碰撞造成的，因为后者造成活塞顶部燃烧室坑内的局部过量空气系数（λ）转向浓混合物。因此，新型1.6L柴油机不仅重新设计了混合气形成，还重新设计了活塞顶部燃烧室凹坑的形状，以避免出现富拉姆达区域。

图5显示了传统柴油机和新型1.6L柴油机燃烧室内的凹坑形状和λ分布。传统2.2L柴油机燃烧室坑中心从上到下呈直线连接，而新车型的坑形状为曲线连接。因此，燃烧室内的空气流动可产生极高强度的涡流运动，从而显着减少燃烧室内的富氧区域。在发动机转速2250r/min、扭矩135N·m的条件下，碳烟产生量减少约20%。 。

图5 燃烧室凹坑形状及λ分布

9 低压EGR

新型小型化柴油机在传统高压EGR的基础上增加了低压EGR（图6）。低压EGR在废气涡轮后取出部分废气进行再循环，这样当EGR率提高时，不会对通过涡轮的废气流量产生不利影响，从而在废气流量较多时优化增压经过涡轮机，再循环废气进入压缩机，增加了压缩机的体积流量，使压力比向较高压力侧移动，提高了压缩机效率（图7）。另外，当压缩机体积流量较小时，可以额外优化小废气涡轮增压器的效率。因此，低压EGR提高了涡轮增压器效率，提高了发动机的整体机械效率，从而减少了NEDC中的CO2排放。比仅使用高压EGR的柴油机减少3.5g/km。本田汽车公司使用低压EGR并不是为了减少NOx排放，而是为了提高机械效率。

当然，低压 EGR 在瞬态工况期间调节再循环废气的准确性方面存在缺陷。低压EGR的调节管路比高压EGR长很多，因此调节时，额定值与实时值之间会存在时间滞后（图6）。为此，发动机电控系统配备了基于模型的调节回路[6]，以协调低压EGR和高压EGR的配合（图8）。

在瞬态运行期间低压EGR滞后于标称值的情况下，高压EGR在基于模型的控制回路中补偿低压EGR的再循环废气体积流量不足。因此，即使在瞬态工况下，高压EGR也能在最大化节油效果的同时，保证NOx排放仍然得到充分降低。

图6 1.6L柴油机进排气管路

图7 压缩机效率特性曲线场（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组合调节器

10 与竞品驱动力对比

本田汽车公司的新型1.6L柴油发动机在2000r/min转速下可达到300N·m的最大扭矩，在4000r/min转速下可达到88kW的最大功率。该车型搭载本田思域轿车后，NEDC百公里油耗仅为3.6L，二氧化碳排放量仅为94g/km。图9显示了本田思域轿车与竞争车型的0-100公里/小时加速和二氧化碳排放量的比较。思域轿车的价值位于加速和二氧化碳排放之间的理想折衷曲线上，使其成为同类产品中经济性和动力性方面最好的车辆。图10为本田汽车公司1.6L柴油发动机与其他量产车型的质量和扭矩对比。由于采取了多项减重措施，新款1.6L甚至比竞品中同等扭矩的汽油发动机还要好。柴油发动机也是最轻的型号。此外，与目前的2.2L柴油机相比，这种先进的小型化型号还缩小了尺寸，长度缩短了10毫米，宽度减少了50毫米。

图9 本田思域轿车与竞品车型0-100公里/小时加速及CO2排放对比

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对比

因此，这种新型动力总成系统特别适合在紧凑型轿车上使用。

11 结论

为了让柴油发动机在紧凑型轿车上具备优异的油耗优势，本田汽车公司采取了小型化计划，开发了全新的1.6L动力总成系统，在以下方面取得了显着的改进：（1）发动机本体小型化和轻的; (2)最小化摩擦功率； (3)低排放、高效率的燃烧过程。通过采取多种措施，我们实现了轻量化、紧凑且具有优异油耗性能的发动机。 NEDC工况下CO2排放量仅为94g/km。思域i-DTEC 1.6L轿车已经成为目前经济性和动力性能得到最佳折衷的车型。

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