思域“地球梦”核心燃烧概念

有聊的Jeff Sun

很多车友就思域这款神车进行进一步改装，不断提升其动力性能，做到了近乎跑车的加速、操控性能，使本田思域成为本田旗下“最值钱”的品牌之一。正是因为思域搭载的“DreamEarth地球梦”发动机，以及教科书级别的vtec气门正时等技术，造就并稳固了本田在汽车发动机领域的王者姿态。

除了一些本田强大的营销能力之外，这款发动机做为业内非常强势的存在，是真正有其独特技术储备的，例如其增压系统的匹配调校、进气VVT的设计控制等等，一系列技术操作使其在平价买菜车领域称神，甚至一度挑战公路高性能轿跑，见谁超谁。其官网数据显示2019款十代思域搭载的220TURBO发动机让思域从静止加速到100km/h仅用8.5s，而民间实测要更快一些。动力调校齐全的套件再加帅气的外观使思域一度供不应求。

思域作为一代车神，被无数模仿，甚至“抄袭”之中，抛开帅气的外观，单拿出动力系统来看，到底什么成就了思域，“好学生”的作业到底怎么抄，DreamEarth地球梦核心燃烧系统必然是不可忽略的重中之重。

本文将深度剖析思域基于1.5L燃烧系统开发的最新一代DreamEarth地球梦燃烧系统，抽丝剥茧，提取最核心的技术干货。

2014年本田展示了其1.5L概念的燃烧系统，并以此代替之前的1.8L燃烧系统，从而实现小型化的目标（downsizing）。两年之后，本田重新开发了这款1.5L概念的燃烧系统，在此基础上进一步优化进气、喷射等一系列核心部件。一顿操作后，完成了现在应用于思域发动机中的燃烧系统，并提出了其独特的高性能、低排放的设计思路。该思路在业界一度成为标杆，作为中小排量车型的首选对标系统，精简而言，“油气”玩得好，是本田这套动力系统的重点。基于对喷雾、气流的深度理解，可以想象思域的工程师们针对如何优化燃油喷雾与进气气流的“油气相互作用”下足了功夫，设计了不计其数的仿真模型以及光学实验。

新1.5L燃烧系统热效率进一步提升，不仅仅将整机的最高热效率提到了38%以上，同时大家熟知的，思域的动力性仍然一如既往的出色。这说明非常直接地对这台1.5T发动机的燃烧室进行了优化，造就了充分、给力的高效燃烧。

缸内极尽优化直喷油气配合，双可变气门技术（D-VCT），以及良好的增压控制系统是该燃烧系统的核心技术，组成了整个燃烧系统“快速响应、快速燃烧”理念。

该机通过重新优化排气以及三元催化的连接布局，成就了一大亮点——低排放。从图中可以看到三元催化器与增压器的连接极为紧密，这种布置方式为三元催化器提供了更短的排气路径，可以减少热损，更好地利用排气温度。这种布置看似简单，实际上是整机温度管理的优化。在发动机喷油策略中存在大量的妥协，其中冷启动推迟点火提高排气温度以启动三元催化器就是其中的妥协，一旦我们这样做了，就意味着燃烧不充分、效率低下，相当于某种意义上的饮鸩止渴。如果我们可以快速加热三元催化器，不仅仅是后处理单元的效率提升，也是缸内燃烧系统的优化。在更高级别的车型、混动车型中，电辅助加热三元催化技术也应运而生，不过在成本限制下思域的这套系统设计是非常成功的。

相比于1.8L自然吸气，涡轮的介入使得温度骤降，增压器的安装，使得三元催化的温度有一定损失，思域使用了全新的三元催化单元，使得低温可以更好启动。三元催化器单元，新的三元催化器可以达到更好的催化还原效果。

快速燃烧是燃烧系统优化的核心，可以看出，思域的发动机提升燃烧系统是关键，其中快速燃烧更是扮演了重要作用，从燃烧室结构上看，该系统采用了一个大的行程/缸径比（1.22），这种设计主要目的在于使得整体燃烧室布局更倾向于活塞拉动气流进入，以此配合进气设计制造更强的进气流速和湍流度，增强雾化以及滚流强度。这里其主要技术亮点是其特有的高滚流系统、侧置缸内直喷技术以及他们的相互配合优化。其中为了实现所设想的高滚流系统，本田同时优化了进气道、气门以及活塞顶部的形状设计，使其缸内滚流更加完整、强劲。我们知道当前一个主流的气流技术就是缸内高滚流技术，也就是进气“滚进”燃烧室，形成回旋。这种进气方式在压缩过程中会将完整的滚流挤碎，形成很强的小涡旋，就是所谓的湍流，并提升整个燃烧空间的湍流度（TKE）。这种湍流度分布均匀会在着火后快速将火焰由中心火花塞向整个燃烧室扩散，加快燃烧速度。快速燃烧可以直接缩短气体化学燃烧的时间，在更加定容的条件下完成燃烧，从而提升热效率，并减少排放，增加稳定性。这也就是为什么各大车企费尽心机优化燃烧室结构的主要原因。

另一方面，为了配合喷雾以及油气的相互作用，一些设计理念也相应会做调整，并不是一味地增强其湍流度。另外传统意义上增强滚流度势必会降低其充量系数，从而影响热效率，这就要求发动机要有良好的增壓配置以及设计方法，尽可能降低涡流迟滞、阻塞等一系列问题，及时为进气提升更强的充气能量，弥补进气损失。另外，为了配合这套高滚流进气系统以及押宝自身过硬的增压技术，实现在高动力工况的油气混合，本田也选择了比较独特的侧置喷油方式，这种方式很显然会带来湿壁的风险。当然这也就导致本田这台发动机整体上有着出色的动力性以及良好的高负荷排放性，但是在极端工况会出现机油稀释问题。

工程师为了打造完美的高滚流系统，在整个燃烧气流概念中运用了两个非常独特的设计，在进气门气道配合处设计了一个比较小的“跳台（Mask）”，使得进气在右侧的所谓“反滚流流束”降到最低，让大量的气流从向左侧直接以滚流的方式进入燃烧室。另外为了形成完整的气流回旋，减少活塞对气流的阻碍衰减作用，将活塞顶部设计出一个斜坡凹坑，这种倾斜的设计使得气流在向右侧回旋的过程里受阻更小，并且调整了回旋方向，向右侧气流碰壁减少，可以形成更加完整强劲的滚流流场。这两种设计看似简单，但实际上是其角度、尺寸都经过了大量测试优化，在不同的工况下进气量不同，所带来的气流惯性也不同，所以为了适应大部分工况，最终敲定了当前的设计方案。可以肯定的是，这种设计方式可以大大增强其滚流强度，但也直观地看出，在进气效率上，由于只能从左侧气口进入，或者说大部分气流由左侧进入，进气效率必定遭到了减损，这就需要增压系统及时进行补充，将进气量维持在最佳工况点上。

从优化结果上来看，如图，可以看到在进气冲程里，更多的气体由左侧进入，随着活塞运动进行回旋，在压缩过程里形成了完整的滚流。由于活塞顶部优化的设计，在右侧压缩过程里有着更强的流速，滚流中心更加完整。最终最大滚流比做到了接近1.5，湍流度提升至最高25 m2/s2。整个燃烧室滚流设计不仅从数据上进行了提升，在整个燃烧室布局中也更加完整。在一些不成熟的燃烧系统设计中，一味地追求高滚流比、高湍流度，但是忽视了缸内的滚流形状，高滚流并没有与燃烧室、喷雾进行配合设计也就失去了其真正的意义。

在完成了气流设计后，喷雾就要思考如何配合气流以达到最好的缸内油气混合效果了。一方面要考虑的是湿壁问题，也就是气缸壁面和活塞壁面的折中，另一方面也就是如何配合气流，形成更好的油气混合体，达到最好的均匀性。本田在思考这个问题中提出了3种方案。这里的喷雾的油束分布落点是以安装位置向缸内看的方位，也就是说上端为进气气流高滚流气流侧，下侧为活塞顶侧。正对着的是气缸壁面。这个喷油落点是发动机喷油器设计的关键参数之一，也就是说调整这个喷油油束分布就可以做到对配合气流、减少湿壁这几个方面的调整。思域的工程师以简单的排序给出了这几种方案优缺思考，A设计使得大量的油在中上堆积分布，以更多的燃油随高滚流气流“送”入缸内，配合气流以达到更好的均匀油气混合，并且在下方活塞碰壁较少。但是这种方案在背压较低的工况下，气流作用不明显，气缸壁湿壁严重，也就是机油稀释的风险大大提升。B方案则相反，将较多的燃油分布在下方，这使得随气流混合而实现的均质性降低，不过在小负荷工况不会恶化湿壁。在不断的调整下，最终选择了折中的方式C，在尽可能湿壁优化的前提下，充分利用气流的作用雾化混合燃油。

有了良好的油气配合系统，下一步就是如何调控以达到在整个运行区间内的最佳状态，这就需要本田的双VCT技术来控制气流。我们看到在整个运行MAP图中，本田划出了几个重要的区域分别给出了相应的气门控制策略。由于其双VVT设计，气门重叠角的可更改将大幅提升气流控制的可变性。在增压区域以相对正常的气门重叠角进行工作，以达到最好的热效率;在高转速中减少重叠角以增强排气背压，使得增压强度充足;在低速小负荷则减少扫气，以保存油气;在低速大负荷区域，增强气门重叠角以增强扫气作用，减少爆震。其中在加速中从中速向高速转换的过程里，需要气门正时的迅速调整，搭配缸內的高滚流设计，再进一步增加油气配合。所有这一系列的联动都为了配置最优的缸内油气混合。而湍流度高、高均质的油气混合气体会在打火的瞬间将火核传播出去，以极快的燃烧速度完成缸内燃烧，这种快速不仅仅提升了动力性，同样也尽可能地充分燃烧，降低了缸内有害气体的生成。可以说思域将高滚流快速燃烧技术开发到了极致，是油气配合的高手。

以上就是思域这款车最核心的燃烧系统概念了，实际上汽车开发厂商会储存很多燃烧系统设计概念以及控制策略，以及衍生的成百上千个燃烧系统模型。在不同的需求、调校中选取最优的解决方案。随着技术以及电气化的进步，越来越多的控制参数加入到核心的燃烧系统当中，以寻求最佳的燃烧效果。但实际上每一种燃烧技术都有利有弊，如何取其精华去其糟粕，是基于核心燃烧概念中的控制策略，而不是单纯的技术堆积。如果堆积不当，会出现很多副作用，这也就是很多其他厂商明明应用了很全的技术，但是最终的性能、排放、经济性就是不好的原因。

总之，万变不离其宗，玩好油气混合，玩好控制策略才是燃烧系统优化的关键，也是上亿上百亿研发经费的正确流向。