Acura RLX轎車用新型V6 3.5 L汽油機的開發

【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

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

本田公司應用最新的動力總成技術“地球夢科技”，開發了1款3.5 L V6汽油機。該發動機的總體設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和可變氣缸管理系統。將這種配氣機構技術與缸內直接噴射技術相結合，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，開發了新型發動機懸置系統，以改善3缸運行模式的發動機振動。闡述了帶可變氣缸管理系統及缸內直接噴射系統的三級可變氣門正時及升程電控技術、減摩技術，以及新型發動機懸置系統的結構及優勢。

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

0 前言

作為中型豪華轎車品牌，Acura開發了1款新型汽油機，其目標是在實現環保性能的同時引發用戶強烈的駕駛興趣：（1）頂級的燃油經濟性；（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）系統是本田公司降低V6汽油機燃油耗的技術。該系統允許V6發動機以2臺3缸機的模式運行。根據行駛狀態，停用1組氣缸（即3個氣缸）的配氣機構，只用另外3個氣缸工作。當需要提高發動機動力性能（例如超車）時，可將發動機快速切換到6缸運行模式。VCM系統可使發動機同時兼具大排量發動機的高功率性能和小排量發動機的低燃油耗性能[1]。

采用VCM系統，并結合可變氣門正時及升程電控（VTEC）技術和缸內直噴系統，能夠最大限度地擴大發動機的3缸運行范圍。為了控制3缸發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動機懸置（ACM）系統。綜合運用這些技術的結果是拓展了停缸運行的工況范圍。

1 發動機概述

采用缸內直接噴射系統需要開發一些經專門設計的部件，包括具有特定形狀的燃燒室、進氣道及進氣歧管。將缸內直接噴射系統布置于V型夾角中，可保持外部尺寸與原機型的相同，而發動機總排量從3.7 L降至3.5 L。采用缸內直接噴射系統能夠提高充氣效率，并降低爆燃趨向。圖1為發動機外形圖，表1列出了發動機的主要技術規格。

圖1 本田公司J35Y4型汽油機

表1 發動機的主要技術規格

2 功率輸出

圖2表示發動機的動力性能。由于缸內直接噴射系統提高了充氣效率，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，優化氣門正時及增加進排氣質量流率，最大輸出功率提高了3.3％，達到231 k W。

圖2 發動機的功率和扭矩對比

3 燃油耗

圖3為發動機在轉速1 500 r/min時的有效燃油消耗率特性曲線。發動機在6缸運行模式下的功率為12.5 k W，由于缸內直接噴射系統提高了熱效率，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 發動機的燃油消耗率（發動機轉速1 500 r/min）

4 主要應用技術

4.1 帶VCM系統的三級VTEC系統

VTEC系統和VCM系統的功能具有內在聯系，包括1個三級配氣機構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

本田公司曾經為Civic車及其混合動力車型開發了三級氣門搖臂系統。如將這種機構應用在新型V6發動機上，會使設計布局受到限制。因此，該公司結合VTEC和VCM的優勢，開發了新型配氣機構。圖5為凸輪軸凸臺和搖臂外形。

圖5 搖臂和凸輪軸

采用VCM系統的三級VTEC技術需要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，現有的三級搖臂理念并不適用（圖5中“基礎設計”）。新型搖臂結構將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“新設計”）。因此，其可加工性得到改善，同時在緊湊的空間內集成了必需的7個凸輪軸功能。

下文將介紹搖臂設計。以前的三級SOHC VTEC機型的最高限定轉速為6 500 r/min，為了提高發動機性能，將新機型的最大功率轉速設定為6 500 r/min，最高限定轉速設定為6 800 r/min。因三搖臂系統的慣性質量增加，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，開發了內置同心脹銷的三搖臂同軸同步銷系統。

當發動機需要高轉速氣門升程時，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，在發動機高轉速時將3個搖臂相互連接起來。由于搖臂的慣性質量低，在不增加氣門彈簧力的條件下就能夠實現控制。在高轉速時不增加氣門彈簧力的情況下，穩定的氣門機構性能可降低摩擦。圖6為三搖臂同軸同步銷系統的結構。

圖6 三搖臂同軸同步銷系統的結構

圖7顯示了VTEC和VCM系統運行時機油路徑的轉換情況。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，獲得低轉速氣門升程，而中內銷推動高搖臂銷，阻止高轉速氣門升程起作用。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構，氣門的當量質量減輕31 g，允許將發動機轉速提高到7 000 r/min，而無需增大氣門彈簧力來控制氣門反跳。

常規的三級轉換結構在低液壓條件下用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。新型同步銷結構能夠在低液壓壓力下用3個機油路徑，進行3種氣門驅動狀態的轉換，從而更加靈活地設定驅動狀態。該技術優勢也能應用于未來的設計。

4.2 直接噴射燃燒系統

圖7 三搖臂機構的機油路徑

圖8 氣門機構特性

圖9 缸內直接噴射燃燒系統

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

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

圖10 新型汽油機的缸內直接噴射系統布局

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

圖11表示發動機由6缸運行轉換到3缸運行時的燃油管內壓力波動狀況。通過優化燃油管節流孔的尺寸和位置，減少了運行模式轉換時的波動，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

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），采用橡膠浮動結構控制隔套的振動。

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（發動機轉速2 000 r/min，燃油壓力4 MPa）

圖13 減摩技術

圖14 冷卻液流速分布（發動機轉速1 500 r/min）

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

圖15 氣缸內壁面溫度和氣缸內徑

5.2 兩級減壓機油泵

采用兩級減壓機油泵降低中、低轉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，并在低轉速至中等轉速范圍開啟。考慮到VTEC及VCM系統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構及其運行情況。在常規的減壓結構中，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置機油通道可實現兩級減壓。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。當液壓壓力繼續增加，減壓閥進一步開啟，減壓閥外殼的閥門和機油通道關閉，一級減壓停止。隨著液壓壓力繼續升高，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，實現進一步的減壓。

圖16 兩級減壓機油泵的減壓閥結構

圖17表示實施兩級減壓時中、低轉速范圍內的液壓壓力優化。通過優化液壓壓力，機油泵的驅動扭矩降低了35％。

圖17 機油壓力和機油泵驅動扭矩

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

圖18 花式鍍鉬工藝

6 VCM應用技術

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，提高發動機的扭矩；（2）在停缸時優化傳動比，以提高驅動功率。此外，作為中型豪華轎車用發動機，必須確保該發動機具有優異的噪聲振動性能，使用戶無法感覺到3缸停缸運行的狀態。

6.1 增強型ACM系統的特性

為將新型發動機作為中型豪華轎車的動力源，研發人員設定了1個新的目標，即在現有中型豪華轎車的基礎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。

為了實現這一目標，研發人員改進了ACM的特性。支撐發動機前、后端的懸置點以與發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行器。這有助于使駕駛者忽略3缸停缸運行的狀態[2]。Acura RLX轎車采用新型發動機時，可通過改善ACM驅動電壓輸出，實現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，以及排氣和轉向系統，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，提高了停缸發動機的扭矩，調整了傳動比。RLX轎車配套發動機采用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持續停缸運行的區域。

圖23為在高速行駛工況下VCM的運行情況。采用上述新技術，不僅在相同轉速或較低轉速時可持續停缸運行，而且在緩慢加速行駛時也可以實現停缸運行，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濟性

圖24表示高速行駛工況下RLX轎車燃油經濟性的改善效果及其細目。采用上述技術后，加上減輕車身質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車型的燃油經濟性比原車型改善了29％。

圖24 高速行駛工況下的燃油經濟性

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

表2 美國不同行駛工況下的燃油經濟性

8 結語

本田公司開發的新型汽油機實現了以下性能：（1）采用帶VCM系統的三級VTEC技術、缸內直接噴射系統，以及各種減摩技術和發動機小型化技術，在發動機轉速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技術的開發拓展了停缸運行工況范圍；（3）新機型采用了新型發動機懸置系統及其他技術，配裝車輛在高速行駛工況下的燃油經濟性改善了29％。

[1]Noguchi K，Fujiwara 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）