思域“地球夢”核心燃燒概念

有聊的Jeff Sun

很多車友就思域這款神車進行進一步改裝，不斷提升其動力性能，做到了近乎跑車的加速、操控性能，使本田思域成為本田旗下“最值錢”的品牌之一。正是因為思域搭載的“DreamEarth地球夢”發動機，以及教科書級別的vtec氣門正時等技術，造就并穩固了本田在汽車發動機領域的王者姿態。

除了一些本田強大的營銷能力之外，這款發動機做為業內非常強勢的存在，是真正有其獨特技術儲備的，例如其增壓系統的匹配調校、進氣VVT的設計控制等等，一系列技術操作使其在平價買菜車領域稱神，甚至一度挑戰公路高性能轎跑，見誰超誰。其官網數據顯示2019款十代思域搭載的220TURBO發動機讓思域從靜止加速到100km/h僅用8.5s，而民間實測要更快一些。動力調校齊全的套件再加帥氣的外觀使思域一度供不應求。

思域作為一代車神，被無數模仿，甚至“抄襲”之中，拋開帥氣的外觀，單拿出動力系統來看，到底什么成就了思域，“好學生”的作業到底怎么抄，DreamEarth地球夢核心燃燒系統必然是不可忽略的重中之重。

本文將深度剖析思域基于1.5L燃燒系統開發的最新一代DreamEarth地球夢燃燒系統，抽絲剝繭，提取最核心的技術干貨。

2014年本田展示了其1.5L概念的燃燒系統，并以此代替之前的1.8L燃燒系統，從而實現小型化的目標（downsizing）。兩年之后，本田重新開發了這款1.5L概念的燃燒系統，在此基礎上進一步優化進氣、噴射等一系列核心部件。一頓操作后，完成了現在應用于思域發動機中的燃燒系統，并提出了其獨特的高性能、低排放的設計思路。該思路在業界一度成為標桿，作為中小排量車型的首選對標系統，精簡而言，“油氣”玩得好，是本田這套動力系統的重點。基于對噴霧、氣流的深度理解，可以想象思域的工程師們針對如何優化燃油噴霧與進氣氣流的“油氣相互作用”下足了功夫，設計了不計其數的仿真模型以及光學實驗。

新1.5L燃燒系統熱效率進一步提升，不僅僅將整機的最高熱效率提到了38%以上，同時大家熟知的，思域的動力性仍然一如既往的出色。這說明非常直接地對這臺1.5T發動機的燃燒室進行了優化，造就了充分、給力的高效燃燒。

缸內極盡優化直噴油氣配合，雙可變氣門技術（D-VCT），以及良好的增壓控制系統是該燃燒系統的核心技術，組成了整個燃燒系統“快速響應、快速燃燒”理念。

該機通過重新優化排氣以及三元催化的連接布局，成就了一大亮點——低排放。從圖中可以看到三元催化器與增壓器的連接極為緊密，這種布置方式為三元催化器提供了更短的排氣路徑，可以減少熱損，更好地利用排氣溫度。這種布置看似簡單，實際上是整機溫度管理的優化。在發動機噴油策略中存在大量的妥協，其中冷啟動推遲點火提高排氣溫度以啟動三元催化器就是其中的妥協，一旦我們這樣做了，就意味著燃燒不充分、效率低下，相當于某種意義上的飲鴆止渴。如果我們可以快速加熱三元催化器，不僅僅是后處理單元的效率提升，也是缸內燃燒系統的優化。在更高級別的車型、混動車型中，電輔助加熱三元催化技術也應運而生，不過在成本限制下思域的這套系統設計是非常成功的。

相比于1.8L自然吸氣，渦輪的介入使得溫度驟降，增壓器的安裝，使得三元催化的溫度有一定損失，思域使用了全新的三元催化單元，使得低溫可以更好啟動。三元催化器單元，新的三元催化器可以達到更好的催化還原效果。

快速燃燒是燃燒系統優化的核心，可以看出，思域的發動機提升燃燒系統是關鍵，其中快速燃燒更是扮演了重要作用，從燃燒室結構上看，該系統采用了一個大的行程/缸徑比（1.22），這種設計主要目的在于使得整體燃燒室布局更傾向于活塞拉動氣流進入，以此配合進氣設計制造更強的進氣流速和湍流度，增強霧化以及滾流強度。這里其主要技術亮點是其特有的高滾流系統、側置缸內直噴技術以及他們的相互配合優化。其中為了實現所設想的高滾流系統，本田同時優化了進氣道、氣門以及活塞頂部的形狀設計，使其缸內滾流更加完整、強勁。我們知道當前一個主流的氣流技術就是缸內高滾流技術，也就是進氣“滾進”燃燒室，形成回旋。這種進氣方式在壓縮過程中會將完整的滾流擠碎，形成很強的小渦旋，就是所謂的湍流，并提升整個燃燒空間的湍流度（TKE）。這種湍流度分布均勻會在著火后快速將火焰由中心火花塞向整個燃燒室擴散，加快燃燒速度。快速燃燒可以直接縮短氣體化學燃燒的時間，在更加定容的條件下完成燃燒，從而提升熱效率，并減少排放，增加穩定性。這也就是為什么各大車企費盡心機優化燃燒室結構的主要原因。

另一方面，為了配合噴霧以及油氣的相互作用，一些設計理念也相應會做調整，并不是一味地增強其湍流度。另外傳統意義上增強滾流度勢必會降低其充量系數，從而影響熱效率，這就要求發動機要有良好的增壓配置以及設計方法，盡可能降低渦流遲滯、阻塞等一系列問題，及時為進氣提升更強的充氣能量，彌補進氣損失。另外，為了配合這套高滾流進氣系統以及押寶自身過硬的增壓技術，實現在高動力工況的油氣混合，本田也選擇了比較獨特的側置噴油方式，這種方式很顯然會帶來濕壁的風險。當然這也就導致本田這臺發動機整體上有著出色的動力性以及良好的高負荷排放性，但是在極端工況會出現機油稀釋問題。

工程師為了打造完美的高滾流系統，在整個燃燒氣流概念中運用了兩個非常獨特的設計，在進氣門氣道配合處設計了一個比較小的“跳臺（Mask）”，使得進氣在右側的所謂“反滾流流束”降到最低，讓大量的氣流從向左側直接以滾流的方式進入燃燒室。另外為了形成完整的氣流回旋，減少活塞對氣流的阻礙衰減作用，將活塞頂部設計出一個斜坡凹坑，這種傾斜的設計使得氣流在向右側回旋的過程里受阻更小，并且調整了回旋方向，向右側氣流碰壁減少，可以形成更加完整強勁的滾流流場。這兩種設計看似簡單，但實際上是其角度、尺寸都經過了大量測試優化，在不同的工況下進氣量不同，所帶來的氣流慣性也不同，所以為了適應大部分工況，最終敲定了當前的設計方案?？梢钥隙ǖ氖?，這種設計方式可以大大增強其滾流強度，但也直觀地看出，在進氣效率上，由于只能從左側氣口進入，或者說大部分氣流由左側進入，進氣效率必定遭到了減損，這就需要增壓系統及時進行補充，將進氣量維持在最佳工況點上。

從優化結果上來看，如圖，可以看到在進氣沖程里，更多的氣體由左側進入，隨著活塞運動進行回旋，在壓縮過程里形成了完整的滾流。由于活塞頂部優化的設計，在右側壓縮過程里有著更強的流速，滾流中心更加完整。最終最大滾流比做到了接近1.5，湍流度提升至最高25 m2/s2。整個燃燒室滾流設計不僅從數據上進行了提升，在整個燃燒室布局中也更加完整。在一些不成熟的燃燒系統設計中，一味地追求高滾流比、高湍流度，但是忽視了缸內的滾流形狀，高滾流并沒有與燃燒室、噴霧進行配合設計也就失去了其真正的意義。

在完成了氣流設計后，噴霧就要思考如何配合氣流以達到最好的缸內油氣混合效果了。一方面要考慮的是濕壁問題，也就是氣缸壁面和活塞壁面的折中，另一方面也就是如何配合氣流，形成更好的油氣混合體，達到最好的均勻性。本田在思考這個問題中提出了3種方案。這里的噴霧的油束分布落點是以安裝位置向缸內看的方位，也就是說上端為進氣氣流高滾流氣流側，下側為活塞頂側。正對著的是氣缸壁面。這個噴油落點是發動機噴油器設計的關鍵參數之一，也就是說調整這個噴油油束分布就可以做到對配合氣流、減少濕壁這幾個方面的調整。思域的工程師以簡單的排序給出了這幾種方案優缺思考，A設計使得大量的油在中上堆積分布，以更多的燃油隨高滾流氣流“送”入缸內，配合氣流以達到更好的均勻油氣混合，并且在下方活塞碰壁較少。但是這種方案在背壓較低的工況下，氣流作用不明顯，氣缸壁濕壁嚴重，也就是機油稀釋的風險大大提升。B方案則相反，將較多的燃油分布在下方，這使得隨氣流混合而實現的均質性降低，不過在小負荷工況不會惡化濕壁。在不斷的調整下，最終選擇了折中的方式C，在盡可能濕壁優化的前提下，充分利用氣流的作用霧化混合燃油。

有了良好的油氣配合系統，下一步就是如何調控以達到在整個運行區間內的最佳狀態，這就需要本田的雙VCT技術來控制氣流。我們看到在整個運行MAP圖中，本田劃出了幾個重要的區域分別給出了相應的氣門控制策略。由于其雙VVT設計，氣門重疊角的可更改將大幅提升氣流控制的可變性。在增壓區域以相對正常的氣門重疊角進行工作，以達到最好的熱效率;在高轉速中減少重疊角以增強排氣背壓，使得增壓強度充足;在低速小負荷則減少掃氣，以保存油氣;在低速大負荷區域，增強氣門重疊角以增強掃氣作用，減少爆震。其中在加速中從中速向高速轉換的過程里，需要氣門正時的迅速調整，搭配缸內的高滾流設計，再進一步增加油氣配合。所有這一系列的聯動都為了配置最優的缸內油氣混合。而湍流度高、高均質的油氣混合氣體會在打火的瞬間將火核傳播出去，以極快的燃燒速度完成缸內燃燒，這種快速不僅僅提升了動力性，同樣也盡可能地充分燃燒，降低了缸內有害氣體的生成?？梢哉f思域將高滾流快速燃燒技術開發到了極致，是油氣配合的高手。

以上就是思域這款車最核心的燃燒系統概念了，實際上汽車開發廠商會儲存很多燃燒系統設計概念以及控制策略，以及衍生的成百上千個燃燒系統模型。在不同的需求、調校中選取最優的解決方案。隨著技術以及電氣化的進步，越來越多的控制參數加入到核心的燃燒系統當中，以尋求最佳的燃燒效果。但實際上每一種燃燒技術都有利有弊，如何取其精華去其糟粕，是基于核心燃燒概念中的控制策略，而不是單純的技術堆積。如果堆積不當，會出現很多副作用，這也就是很多其他廠商明明應用了很全的技術，但是最終的性能、排放、經濟性就是不好的原因。

總之，萬變不離其宗，玩好油氣混合，玩好控制策略才是燃燒系統優化的關鍵，也是上億上百億研發經費的正確流向。