【日】 N.Suzuki Y.Hayashi M.Odell T.Esaki A.Sato K.Ishiki S.Watanabe

Acura RLX轎車用新型V6 3.5 L汽油機的開發(fā)

【日】 N.Suzuki Y.Hayashi M.Odell T.Esaki A.Sato K.Ishiki S.Watanabe

本田公司應(yīng)用最新的動力總成技術(shù)“地球夢科技”，開發(fā)了1款3.5 L V6汽油機。該發(fā)動機的總體設(shè)計目標是降低二氧化碳排放，并向客戶提供駕駛樂趣。“地球夢科技”的理念旨在降低排放的同時改善燃油經(jīng)濟性。為達到這一目標，并為用戶提供駕駛樂趣，采用了三級可變氣門正時及升程電控技術(shù)和可變氣缸管理系統(tǒng)。將這種配氣機構(gòu)技術(shù)與缸內(nèi)直接噴射技術(shù)相結(jié)合，可提升3.3％的功率，并降低燃油耗20％。為滿足中型豪華轎車對噪聲及振動水平的要求，開發(fā)了新型發(fā)動機懸置系統(tǒng)，以改善3缸運行模式的發(fā)動機振動。闡述了帶可變氣缸管理系統(tǒng)及缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)的三級可變氣門正時及升程電控技術(shù)、減摩技術(shù)，以及新型發(fā)動機懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢。

車用汽油機 可變氣門正時及升程電控技術(shù) 可變氣缸管理系統(tǒng) 燃油經(jīng)濟性 主動控制式發(fā)動機懸置系統(tǒng)

0 前言

作為中型豪華轎車品牌，Acura開發(fā)了1款新型汽油機，其目標是在實現(xiàn)環(huán)保性能的同時引發(fā)用戶強烈的駕駛興趣：（1）頂級的燃油經(jīng)濟性；（2）頂級的輸出功率競爭力；（3）滿足中型豪華轎車的噪聲振動性能要求。

可變氣缸管理（VCM）系統(tǒng)是本田公司降低V6汽油機燃油耗的技術(shù)。該系統(tǒng)允許V6發(fā)動機以2臺3缸機的模式運行。根據(jù)行駛狀態(tài)，停用1組氣缸（即3個氣缸）的配氣機構(gòu)，只用另外3個氣缸工作。當需要提高發(fā)動機動力性能（例如超車）時，可將發(fā)動機快速切換到6缸運行模式。VCM系統(tǒng)可使發(fā)動機同時兼具大排量發(fā)動機的高功率性能和小排量發(fā)動機的低燃油耗性能[1]。

采用VCM系統(tǒng)，并結(jié)合可變氣門正時及升程電控（VTEC）技術(shù)和缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，能夠最大限度地擴大發(fā)動機的3缸運行范圍。為了控制3缸發(fā)動機在大扭矩條件下時的振動，采用了增強型主動控制式發(fā)動機懸置（ACM）系統(tǒng)。綜合運用這些技術(shù)的結(jié)果是拓展了停缸運行的工況范圍。

1 發(fā)動機概述

采用缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)需要開發(fā)一些經(jīng)專門設(shè)計的部件，包括具有特定形狀的燃燒室、進氣道及進氣歧管。將缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)布置于V型夾角中，可保持外部尺寸與原機型的相同，而發(fā)動機總排量從3.7 L降至3.5 L。采用缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)能夠提高充氣效率，并降低爆燃趨向。圖1為發(fā)動機外形圖，表1列出了發(fā)動機的主要技術(shù)規(guī)格。

圖1 本田公司J35Y4型汽油機

表1 發(fā)動機的主要技術(shù)規(guī)格

2 功率輸出

圖2表示發(fā)動機的動力性能。由于缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)提高了充氣效率，并降低了爆燃趨向，增加了扭矩，使升扭矩提高6％。結(jié)果，即使排量減小，扭矩特性仍超過原機型的水平。通過提高壓縮比，優(yōu)化氣門正時及增加進排氣質(zhì)量流率，最大輸出功率提高了3.3％，達到231 k W。

圖2 發(fā)動機的功率和扭矩對比

3 燃油耗

圖3為發(fā)動機在轉(zhuǎn)速1 500 r/min時的有效燃油消耗率特性曲線。發(fā)動機在6缸運行模式下的功率為12.5 k W，由于缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)提高了熱效率，并降低了摩擦，因而有效燃油消耗率降低5.2％。在相同條件下，發(fā)動機在3缸運行模式下因泵氣損失降低而使有效燃油消耗率降低20.1％。

圖3 發(fā)動機的燃油消耗率（發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min）

4 主要應(yīng)用技術(shù)

4.1 帶VCM系統(tǒng)的三級VTEC系統(tǒng)

VTEC系統(tǒng)和VCM系統(tǒng)的功能具有內(nèi)在聯(lián)系，包括1個三級配氣機構(gòu)控制低氣門升程和高氣門升程，以及停缸零升程（圖4）。

圖4 帶VCM的三級VTEC技術(shù)

本田公司曾經(jīng)為Civic車及其混合動力車型開發(fā)了三級氣門搖臂系統(tǒng)。如將這種機構(gòu)應(yīng)用在新型V6發(fā)動機上，會使設(shè)計布局受到限制。因此，該公司結(jié)合VTEC和VCM的優(yōu)勢，開發(fā)了新型配氣機構(gòu)。圖5為凸輪軸凸臺和搖臂外形。

圖5 搖臂和凸輪軸

采用VCM系統(tǒng)的三級VTEC技術(shù)需要7個凸輪軸凸臺，用于高、低氣門升程，以及零氣門升程。其中，進氣搖臂需要3個專用凸臺；此外，每個排氣門需要2個凸臺，用于標準氣門升程和零氣門升程。由于最小凸輪寬度受到搖臂滾輪壽命和凸輪軸制造工藝的限制，現(xiàn)有的三級搖臂理念并不適用（圖5中“基礎(chǔ)設(shè)計”）。新型搖臂結(jié)構(gòu)將3個零氣門升程凸臺合并為1個共用凸臺，使所需的凸臺數(shù)量從7個減少到5個，同時能夠滿足7個搖臂的要求（圖5中“新設(shè)計”）。因此，其可加工性得到改善，同時在緊湊的空間內(nèi)集成了必需的7個凸輪軸功能。

下文將介紹搖臂設(shè)計。以前的三級SOHC VTEC機型的最高限定轉(zhuǎn)速為6 500 r/min，為了提高發(fā)動機性能，將新機型的最大功率轉(zhuǎn)速設(shè)定為6 500 r/min，最高限定轉(zhuǎn)速設(shè)定為6 800 r/min。因三搖臂系統(tǒng)的慣性質(zhì)量增加，所以需要增加氣門彈簧負荷，以保持正常的氣門機構(gòu)性能，但這會加大摩擦，降低滾輪壽命。為了克服這些缺點，開發(fā)了內(nèi)置同心脹銷的三搖臂同軸同步銷系統(tǒng)。

當發(fā)動機需要高轉(zhuǎn)速氣門升程時，只需連接高搖臂和中搖臂。然而，在這種情況下，若無高的空轉(zhuǎn)彈簧力，低搖臂將不受控制。為了避免這種額外的彈簧力，在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時將3個搖臂相互連接起來。由于搖臂的慣性質(zhì)量低，在不增加氣門彈簧力的條件下就能夠?qū)崿F(xiàn)控制。在高轉(zhuǎn)速時不增加氣門彈簧力的情況下，穩(wěn)定的氣門機構(gòu)性能可降低摩擦。圖6為三搖臂同軸同步銷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖6 三搖臂同軸同步銷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖7顯示了VTEC和VCM系統(tǒng)運行時機油路徑的轉(zhuǎn)換情況。在默認條件下，向機油路徑2提供液壓壓力，使中搖臂外大銷與低搖臂銷咬合，獲得低轉(zhuǎn)速氣門升程，而中內(nèi)銷推動高搖臂銷，阻止高轉(zhuǎn)速氣門升程起作用。當需要停缸時，將液壓壓力加到機油路徑1，通過推出低搖臂銷，斷開低搖臂銷與中搖臂銷之間的連接，防止氣門運動。當需要高氣門升程時，將液壓壓力加到機油路徑3，高搖臂銷被推出，連接高、中、低搖臂，從而起動高氣門升程。

圖8表示進氣門特性。通過采用新型同步銷結(jié)構(gòu)，氣門的當量質(zhì)量減輕31 g，允許將發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高到7 000 r/min，而無需增大氣門彈簧力來控制氣門反跳。

常規(guī)的三級轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在低液壓條件下用2個供油路徑進行VCM控制，在高液壓壓力條件下，僅用1個供油路徑實施VTEC控制。新型同步銷結(jié)構(gòu)能夠在低液壓壓力下用3個機油路徑，進行3種氣門驅(qū)動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而更加靈活地設(shè)定驅(qū)動狀態(tài)。該技術(shù)優(yōu)勢也能應(yīng)用于未來的設(shè)計。

4.2 直接噴射燃燒系統(tǒng)

圖7 三搖臂機構(gòu)的機油路徑

圖8 氣門機構(gòu)特性

圖9 缸內(nèi)直接噴射燃燒系統(tǒng)

新機型采用的缸內(nèi)直接噴射燃燒系統(tǒng)（圖9）與本田公司直列4缸2.4 L發(fā)動機的系統(tǒng)具有相同的理念。在燃燒室的進氣側(cè)布置1個6孔噴油器，1股強進氣滾流為燃燒提供均質(zhì)混合氣。在催化轉(zhuǎn)化器加熱模式下，多次燃油噴射與活塞上的淺凹坑相結(jié)合，能確保穩(wěn)定的燃燒。

考慮到碰撞安全性，將缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)安裝在V型夾角處。應(yīng)用為缸內(nèi)直噴系統(tǒng)專門設(shè)計的發(fā)動機罩蓋，以降低怠速噪聲。柱塞泵位于后氣缸蓋一側(cè)的凸輪軸末端，燃油供給前排氣缸和后排氣缸，以降低燃油損失（圖10）。

圖10 新型汽油機的缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)布局

為了解決因高壓泵運行引起正時皮帶驅(qū)動扭矩增加的問題，采用了特制的高強度正時皮帶。

圖11表示發(fā)動機由6缸運行轉(zhuǎn)換到3缸運行時的燃油管內(nèi)壓力波動狀況。通過優(yōu)化燃油管節(jié)流孔的尺寸和位置，減少了運行模式轉(zhuǎn)換時的波動，保證每缸間燃油噴射量的均勻（圖12），從而確保了正確的空燃比。

圖11 燃油壓力波動狀況

5 減摩技術(shù)

5.1 冷卻控制隔套

采用冷卻控制隔套降低活塞滑動摩擦，從而改善燃油經(jīng)濟性。該部件為安裝在氣缸體水套中的塑料隔套（圖13），采用橡膠浮動結(jié)構(gòu)控制隔套的振動。

將冷卻控制隔套布置在氣缸體冷卻水腔中活塞推力較高的位置，以控制冷卻液的流向（圖14）。

圖12 噴油器燃油流率差異（發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min，燃油壓力4 MPa）

圖13 減摩技術(shù)

圖14 冷卻液流速分布（發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min）

圖15為安裝冷卻控制隔套前、后的氣缸內(nèi)壁面溫度和氣缸內(nèi)徑。氣缸內(nèi)壁面溫度約升高10℃，氣缸內(nèi)徑擴張9％。同時降低了活塞和活塞環(huán)的滑動摩擦，并且，有效燃油消耗率降低0.8％。

圖15 氣缸內(nèi)壁面溫度和氣缸內(nèi)徑

5.2 兩級減壓機油泵

采用兩級減壓機油泵降低中、低轉(zhuǎn)速時的機油泵功率損失。在兩級減壓機油泵中增加1個附加減壓閥，并在低轉(zhuǎn)速至中等轉(zhuǎn)速范圍開啟。考慮到VTEC及VCM系統(tǒng)運行和金屬銷所需的液壓壓力，安裝減壓閥能夠減少不必要的功耗，同時保證所需的液壓壓力。

圖16顯示了減壓機油泵結(jié)構(gòu)及其運行情況。在常規(guī)的減壓結(jié)構(gòu)中，當液壓壓力超過減壓閥開啟壓力時，閥門開啟，機油從減壓閥外殼的減壓孔中噴出。在減壓閥外殼的減壓孔上游設(shè)置機油通道可實現(xiàn)兩級減壓。其中，一級減壓是在液壓壓力高于閥門開啟壓力時，減壓閥開啟，允許機油進入減壓閥外殼的閥門和機油通道，并從減壓孔噴出。當液壓壓力繼續(xù)增加，減壓閥進一步開啟，減壓閥外殼的閥門和機油通道關(guān)閉，一級減壓停止。隨著液壓壓力繼續(xù)升高，減壓閥行程增加，在壓力高于二級閥門開啟壓力時，二級減壓孔開啟，實現(xiàn)進一步的減壓。

圖16 兩級減壓機油泵的減壓閥結(jié)構(gòu)

圖17表示實施兩級減壓時中、低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的液壓壓力優(yōu)化。通過優(yōu)化液壓壓力，機油泵的驅(qū)動扭矩降低了35％。

圖17 機油壓力和機油泵驅(qū)動扭矩

在上述措施基礎(chǔ)上，還采用了其他降低機械摩擦的技術(shù)，如活塞裙部花式鍍鉬工藝（圖18），減小活塞環(huán)張力，減小油封摩擦，降低發(fā)動機潤滑油黏度，降低附件驅(qū)動皮帶張力等，最終使有效燃油消耗率降低4％。

圖18 花式鍍鉬工藝

6 VCM應(yīng)用技術(shù)

為拓展停缸運行的工況范圍，需要做到以下2點：（1）在3缸停缸運行時，提高發(fā)動機的扭矩；（2）在停缸時優(yōu)化傳動比，以提高驅(qū)動功率。此外，作為中型豪華轎車用發(fā)動機，必須確保該發(fā)動機具有優(yōu)異的噪聲振動性能，使用戶無法感覺到3缸停缸運行的狀態(tài)。

6.1 增強型ACM系統(tǒng)的特性

為將新型發(fā)動機作為中型豪華轎車的動力源，研發(fā)人員設(shè)定了1個新的目標，即在現(xiàn)有中型豪華轎車的基礎(chǔ)上將噪聲振動水平改善3 dB。這一噪聲水平能使駕駛者和乘客均感覺不到3缸停缸運行的狀態(tài)。

為了實現(xiàn)這一目標，研發(fā)人員改進了ACM的特性。支撐發(fā)動機前、后端的懸置點以與發(fā)動機振動相同的相位和周期，伸長和縮短安裝在液封懸置底部的執(zhí)行器。這有助于使駕駛者忽略3缸停缸運行的狀態(tài)[2]。Acura RLX轎車采用新型發(fā)動機時，可通過改善ACM驅(qū)動電壓輸出，實現(xiàn)由停缸運行時最大扭矩決定的ACM所需位移性能。圖19為新機型與原機型的ACM抵消位移量對比。

圖19 ACM抵消位移量

另外，通過改進變速器變矩器，以及排氣和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，顯著擴大了停缸運行的工況范圍（扭矩提高），同時降低了停缸運行的噪聲振動水平（圖20、圖21）。

圖20 ACM改進的效果

6.2 優(yōu)化傳動比

圖22 傳動比和VCM運行范圍

通過改進ACM性能，提高了停缸發(fā)動機的扭矩，調(diào)整了傳動比。RLX轎車配套發(fā)動機采用6檔自動變速器。圖22示出在高速行駛工況下6檔車速的行駛阻力。相比基準傳動比的可行駛范圍，優(yōu)化的傳動比擴大了車輛的可行駛速度范圍，增加了在更大行駛工況范圍內(nèi)持續(xù)停缸運行的區(qū)域。

圖23為在高速行駛工況下VCM的運行情況。采用上述新技術(shù)，不僅在相同轉(zhuǎn)速或較低轉(zhuǎn)速時可持續(xù)停缸運行，而且在緩慢加速行駛時也可以實現(xiàn)停缸運行，從而使68％的高速行駛工況采用停缸運行成為可能。

圖23 高速行駛工況下VCM的運行情況

7 不同運行模式下的燃油經(jīng)濟性

圖24表示高速行駛工況下RLX轎車燃油經(jīng)濟性的改善效果及其細目。采用上述技術(shù)后，加上減輕車身質(zhì)量及通過更好的空氣動力學措施降低行駛阻力，配裝新機型的RLX車型的燃油經(jīng)濟性比原車型改善了29％。

圖24 高速行駛工況下的燃油經(jīng)濟性

表2列出了不同行駛工況下能實現(xiàn)的燃油經(jīng)濟性。與原機型相比，在聯(lián)邦試驗規(guī)程（FTP）工況下的燃油經(jīng)濟性改善18％，高速行駛工況下的燃油經(jīng)濟性改善29％。以混合工況行駛時，燃油經(jīng)濟性改善約20％。

表2 美國不同行駛工況下的燃油經(jīng)濟性

8 結(jié)語

本田公司開發(fā)的新型汽油機實現(xiàn)了以下性能：（1）采用帶VCM系統(tǒng)的三級VTEC技術(shù)、缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)，以及各種減摩技術(shù)和發(fā)動機小型化技術(shù)，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min時輸出功率達12.5 k W，燃油耗降低約20％；（2）通過發(fā)動機小型化，新機型的扭矩特性與原機型的保持相同，最大輸出功率提高到231 k W，比原機型提高3.3％；（3）改善了停缸運行的噪聲振動性能，新型ACM技術(shù)的開發(fā)拓展了停缸運行工況范圍；（3）新機型采用了新型發(fā)動機懸置系統(tǒng)及其他技術(shù)，配裝車輛在高速行駛工況下的燃油經(jīng)濟性改善了29％。

[1]Noguchi K，F(xiàn)ujiwara M，Segawa M，et al.Development of V6 i-VTEC engine with variable cylinder management[J].Honda R＆D Technical Review，2004，16.

[2]Matsuoka H，Mikasa T，Nemoto H.NV countermeasure technology for a cylinder-on-demand engine—development of active control engine mount[C].SAE Paper 2004-01-0413.

王曉滕 李研芳 譯自 SAE Paper 2013-01-1728

劉巽俊 校

虞 展 編輯

2013-09-16）