思域“地球夢(mèng)”核心燃燒概念

有聊的Jeff Sun

很多車(chē)友就思域這款神車(chē)進(jìn)行進(jìn)一步改裝，不斷提升其動(dòng)力性能，做到了近乎跑車(chē)的加速、操控性能，使本田思域成為本田旗下“最值錢(qián)”的品牌之一。正是因?yàn)樗加虼钶d的“DreamEarth地球夢(mèng)”發(fā)動(dòng)機(jī)，以及教科書(shū)級(jí)別的vtec氣門(mén)正時(shí)等技術(shù)，造就并穩(wěn)固了本田在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的王者姿態(tài)。

除了一些本田強(qiáng)大的營(yíng)銷(xiāo)能力之外，這款發(fā)動(dòng)機(jī)做為業(yè)內(nèi)非常強(qiáng)勢(shì)的存在，是真正有其獨(dú)特技術(shù)儲(chǔ)備的，例如其增壓系統(tǒng)的匹配調(diào)校、進(jìn)氣VVT的設(shè)計(jì)控制等等，一系列技術(shù)操作使其在平價(jià)買(mǎi)菜車(chē)領(lǐng)域稱(chēng)神，甚至一度挑戰(zhàn)公路高性能轎跑，見(jiàn)誰(shuí)超誰(shuí)。其官網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示2019款十代思域搭載的220TURBO發(fā)動(dòng)機(jī)讓思域從靜止加速到100km/h僅用8.5s，而民間實(shí)測(cè)要更快一些。動(dòng)力調(diào)校齊全的套件再加帥氣的外觀使思域一度供不應(yīng)求。

思域作為一代車(chē)神，被無(wú)數(shù)模仿，甚至“抄襲”之中，拋開(kāi)帥氣的外觀，單拿出動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)看，到底什么成就了思域，“好學(xué)生”的作業(yè)到底怎么抄，DreamEarth地球夢(mèng)核心燃燒系統(tǒng)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(tǒng)開(kāi)發(fā)的最新一代DreamEarth地球夢(mèng)燃燒系統(tǒng)，抽絲剝繭，提取最核心的技術(shù)干貨。

2014年本田展示了其1.5L概念的燃燒系統(tǒng)，并以此代替之前的1.8L燃燒系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)小型化的目標(biāo)（downsizing）。兩年之后，本田重新開(kāi)發(fā)了這款1.5L概念的燃燒系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣、噴射等一系列核心部件。一頓操作后，完成了現(xiàn)在應(yīng)用于思域發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒系統(tǒng)，并提出了其獨(dú)特的高性能、低排放的設(shè)計(jì)思路。該思路在業(yè)界一度成為標(biāo)桿，作為中小排量車(chē)型的首選對(duì)標(biāo)系統(tǒng)，精簡(jiǎn)而言，“油氣”玩得好，是本田這套動(dòng)力系統(tǒng)的重點(diǎn)。基于對(duì)噴霧、氣流的深度理解，可以想象思域的工程師們針對(duì)如何優(yōu)化燃油噴霧與進(jìn)氣氣流的“油氣相互作用”下足了功夫，設(shè)計(jì)了不計(jì)其數(shù)的仿真模型以及光學(xué)實(shí)驗(yàn)。

新1.5L燃燒系統(tǒng)熱效率進(jìn)一步提升，不僅僅將整機(jī)的最高熱效率提到了38%以上，同時(shí)大家熟知的，思域的動(dòng)力性仍然一如既往的出色。這說(shuō)明非常直接地對(duì)這臺(tái)1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室進(jìn)行了優(yōu)化，造就了充分、給力的高效燃燒。

缸內(nèi)極盡優(yōu)化直噴油氣配合，雙可變氣門(mén)技術(shù)（D-VCT），以及良好的增壓控制系統(tǒng)是該燃燒系統(tǒng)的核心技術(shù)，組成了整個(gè)燃燒系統(tǒng)“快速響應(yīng)、快速燃燒”理念。

該機(jī)通過(guò)重新優(yōu)化排氣以及三元催化的連接布局，成就了一大亮點(diǎn)——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(jiǎn)單，實(shí)際上是整機(jī)溫度管理的優(yōu)化。在發(fā)動(dòng)機(jī)噴油策略中存在大量的妥協(xié)，其中冷啟動(dòng)推遲點(diǎn)火提高排氣溫度以啟動(dòng)三元催化器就是其中的妥協(xié)，一旦我們這樣做了，就意味著燃燒不充分、效率低下，相當(dāng)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(nèi)燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化。在更高級(jí)別的車(chē)型、混動(dòng)車(chē)型中，電輔助加熱三元催化技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，不過(guò)在成本限制下思域的這套系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)。三元催化器單元，新的三元催化器可以達(dá)到更好的催化還原效果。

快速燃燒是燃燒系統(tǒng)優(yōu)化的核心，可以看出，思域的發(fā)動(dòng)機(jī)提升燃燒系統(tǒng)是關(guān)鍵，其中快速燃燒更是扮演了重要作用，從燃燒室結(jié)構(gòu)上看，該系統(tǒng)采用了一個(gè)大的行程/缸徑比（1.22），這種設(shè)計(jì)主要目的在于使得整體燃燒室布局更傾向于活塞拉動(dòng)氣流進(jìn)入，以此配合進(jìn)氣設(shè)計(jì)制造更強(qiáng)的進(jìn)氣流速和湍流度，增強(qiáng)霧化以及滾流強(qiáng)度。這里其主要技術(shù)亮點(diǎn)是其特有的高滾流系統(tǒng)、側(cè)置缸內(nèi)直噴技術(shù)以及他們的相互配合優(yōu)化。其中為了實(shí)現(xiàn)所設(shè)想的高滾流系統(tǒng)，本田同時(shí)優(yōu)化了進(jìn)氣道、氣門(mén)以及活塞頂部的形狀設(shè)計(jì)，使其缸內(nèi)滾流更加完整、強(qiáng)勁。我們知道當(dāng)前一個(gè)主流的氣流技術(shù)就是缸內(nèi)高滾流技術(shù)，也就是進(jìn)氣“滾進(jìn)”燃燒室，形成回旋。這種進(jìn)氣方式在壓縮過(guò)程中會(huì)將完整的滾流擠碎，形成很強(qiáng)的小渦旋，就是所謂的湍流，并提升整個(gè)燃燒空間的湍流度（TKE）。這種湍流度分布均勻會(huì)在著火后快速將火焰由中心火花塞向整個(gè)燃燒室擴(kuò)散，加快燃燒速度。快速燃燒可以直接縮短氣體化學(xué)燃燒的時(shí)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(wěn)定性。這也就是為什么各大車(chē)企費(fèi)盡心機(jī)優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)理念也相應(yīng)會(huì)做調(diào)整，并不是一味地增強(qiáng)其湍流度。另外傳統(tǒng)意義上增強(qiáng)滾流度勢(shì)必會(huì)降低其充量系數(shù)，從而影響熱效率，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)要有良好的增壓配置以及設(shè)計(jì)方法，盡可能降低渦流遲滯、阻塞等一系列問(wèn)題，及時(shí)為進(jìn)氣提升更強(qiáng)的充氣能量，彌補(bǔ)進(jìn)氣損失。另外，為了配合這套高滾流進(jìn)氣系統(tǒng)以及押寶自身過(guò)硬的增壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在高動(dòng)力工況的油氣混合，本田也選擇了比較獨(dú)特的側(cè)置噴油方式，這種方式很顯然會(huì)帶來(lái)濕壁的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然這也就導(dǎo)致本田這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)整體上有著出色的動(dòng)力性以及良好的高負(fù)荷排放性，但是在極端工況會(huì)出現(xiàn)機(jī)油稀釋問(wèn)題。

工程師為了打造完美的高滾流系統(tǒng)，在整個(gè)燃燒氣流概念中運(yùn)用了兩個(gè)非常獨(dú)特的設(shè)計(jì)，在進(jìn)氣門(mén)氣道配合處設(shè)計(jì)了一個(gè)比較小的“跳臺(tái)（Mask）”，使得進(jìn)氣在右側(cè)的所謂“反滾流流束”降到最低，讓大量的氣流從向左側(cè)直接以滾流的方式進(jìn)入燃燒室。另外為了形成完整的氣流回旋，減少活塞對(duì)氣流的阻礙衰減作用，將活塞頂部設(shè)計(jì)出一個(gè)斜坡凹坑，這種傾斜的設(shè)計(jì)使得氣流在向右側(cè)回旋的過(guò)程里受阻更小，并且調(diào)整了回旋方向，向右側(cè)氣流碰壁減少，可以形成更加完整強(qiáng)勁的滾流流場(chǎng)。這兩種設(shè)計(jì)看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際上是其角度、尺寸都經(jīng)過(guò)了大量測(cè)試優(yōu)化，在不同的工況下進(jìn)氣量不同，所帶來(lái)的氣流慣性也不同，所以為了適應(yīng)大部分工況，最終敲定了當(dāng)前的設(shè)計(jì)方案。可以肯定的是，這種設(shè)計(jì)方式可以大大增強(qiáng)其滾流強(qiáng)度，但也直觀地看出，在進(jìn)氣效率上，由于只能從左側(cè)氣口進(jìn)入，或者說(shuō)大部分氣流由左側(cè)進(jìn)入，進(jìn)氣效率必定遭到了減損，這就需要增壓系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充，將進(jìn)氣量維持在最佳工況點(diǎn)上。

從優(yōu)化結(jié)果上來(lái)看，如圖，可以看到在進(jìn)氣沖程里，更多的氣體由左側(cè)進(jìn)入，隨著活塞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行回旋，在壓縮過(guò)程里形成了完整的滾流。由于活塞頂部?jī)?yōu)化的設(shè)計(jì)，在右側(cè)壓縮過(guò)程里有著更強(qiáng)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(gè)燃燒室滾流設(shè)計(jì)不僅從數(shù)據(jù)上進(jìn)行了提升，在整個(gè)燃燒室布局中也更加完整。在一些不成熟的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一味地追求高滾流比、高湍流度，但是忽視了缸內(nèi)的滾流形狀，高滾流并沒(méi)有與燃燒室、噴霧進(jìn)行配合設(shè)計(jì)也就失去了其真正的意義。

在完成了氣流設(shè)計(jì)后，噴霧就要思考如何配合氣流以達(dá)到最好的缸內(nèi)油氣混合效果了。一方面要考慮的是濕壁問(wèn)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(dá)到最好的均勻性。本田在思考這個(gè)問(wèn)題中提出了3種方案。這里的噴霧的油束分布落點(diǎn)是以安裝位置向缸內(nèi)看的方位，也就是說(shuō)上端為進(jìn)氣氣流高滾流氣流側(cè)，下側(cè)為活塞頂側(cè)。正對(duì)著的是氣缸壁面。這個(gè)噴油落點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，也就是說(shuō)調(diào)整這個(gè)噴油油束分布就可以做到對(duì)配合氣流、減少濕壁這幾個(gè)方面的調(diào)整。思域的工程師以簡(jiǎn)單的排序給出了這幾種方案優(yōu)缺思考，A設(shè)計(jì)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(nèi)，配合氣流以達(dá)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(yán)重，也就是機(jī)油稀釋的風(fēng)險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)的均質(zhì)性降低，不過(guò)在小負(fù)荷工況不會(huì)惡化濕壁。在不斷的調(diào)整下，最終選擇了折中的方式C，在盡可能濕壁優(yōu)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(tǒng)，下一步就是如何調(diào)控以達(dá)到在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)的最佳狀態(tài)，這就需要本田的雙VCT技術(shù)來(lái)控制氣流。我們看到在整個(gè)運(yùn)行MAP圖中，本田劃出了幾個(gè)重要的區(qū)域分別給出了相應(yīng)的氣門(mén)控制策略。由于其雙VVT設(shè)計(jì)，氣門(mén)重疊角的可更改將大幅提升氣流控制的可變性。在增壓區(qū)域以相對(duì)正常的氣門(mén)重疊角進(jìn)行工作，以達(dá)到最好的熱效率;在高轉(zhuǎn)速中減少重疊角以增強(qiáng)排氣背壓，使得增壓強(qiáng)度充足;在低速小負(fù)荷則減少掃氣，以保存油氣;在低速大負(fù)荷區(qū)域，增強(qiáng)氣門(mén)重疊角以增強(qiáng)掃氣作用，減少爆震。其中在加速中從中速向高速轉(zhuǎn)換的過(guò)程里，需要?dú)忾T(mén)正時(shí)的迅速調(diào)整，搭配缸內(nèi)的高滾流設(shè)計(jì)，再進(jìn)一步增加油氣配合。所有這一系列的聯(lián)動(dòng)都為了配置最優(yōu)的缸內(nèi)油氣混合。而湍流度高、高均質(zhì)的油氣混合氣體會(huì)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(nèi)燃燒，這種快速不僅僅提升了動(dòng)力性，同樣也盡可能地充分燃燒，降低了缸內(nèi)有害氣體的生成。可以說(shuō)思域?qū)⒏邼L流快速燃燒技術(shù)開(kāi)發(fā)到了極致，是油氣配合的高手。

以上就是思域這款車(chē)最核心的燃燒系統(tǒng)概念了，實(shí)際上汽車(chē)開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商會(huì)儲(chǔ)存很多燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念以及控制策略，以及衍生的成百上千個(gè)燃燒系統(tǒng)模型。在不同的需求、調(diào)校中選取最優(yōu)的解決方案。隨著技術(shù)以及電氣化的進(jìn)步，越來(lái)越多的控制參數(shù)加入到核心的燃燒系統(tǒng)當(dāng)中，以尋求最佳的燃燒效果。但實(shí)際上每一種燃燒技術(shù)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(shù)堆積。如果堆積不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)很多副作用，這也就是很多其他廠(chǎng)商明明應(yīng)用了很全的技術(shù)，但是最終的性能、排放、經(jīng)濟(jì)性就是不好的原因。

總之，萬(wàn)變不離其宗，玩好油氣混合，玩好控制策略才是燃燒系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵，也是上億上百億研發(fā)經(jīng)費(fèi)的正確流向。