【日】 中田浩一

汽油機的低燃油耗技術(shù)

【日】 中田浩一

混合動力技術(shù)對降低車輛的燃油耗和CO2發(fā)揮了巨大作用?；旌蟿恿Πl(fā)動機上采用阿特金森循環(huán)、冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)、電控水泵，以及低摩擦技術(shù)均有利于提高熱效率(或降低燃油耗)。這些實用技術(shù)今后也有望應(yīng)用于常規(guī)發(fā)動機中。介紹了提高發(fā)動機熱效率的具體途徑及未來發(fā)展趨勢，著重論述了高熱效率(ESTEC)技術(shù)在混合動力發(fā)動機、常規(guī)發(fā)動機，以及增壓發(fā)動機上的具體應(yīng)用。

汽油機 低燃油耗 阿特金森循環(huán) 熱效率 廢氣再循環(huán)

0 前言

發(fā)動機作為汽車的動力源，其熱效率的提高為降低燃油耗起到了重要作用。豐田公司從第1代混合動力車(Prius車)開始，就關(guān)注于提高發(fā)動機的熱效率并進行相關(guān)的研發(fā)。由于采用阿特金森循環(huán)、冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)、電動水泵，以及低摩擦等技術(shù)，使最高熱效率提高至38．5%。今后，提高發(fā)動機的熱效率越來越重要。在遠期規(guī)劃中，設(shè)定了實現(xiàn)熱效率50%的目標;在短期計劃中，要使常規(guī)車用發(fā)動機的熱效率提高到40%以上。因此，以燃燒技術(shù)為基礎(chǔ)的低摩擦技術(shù)，以及氣門傳動系統(tǒng)的改進等也顯得越來越重要。此外，由于這類技術(shù)也可在增壓發(fā)動機上進行應(yīng)用，因此能對各種車輛降低燃油耗發(fā)揮重要作用。

本文圍繞改進燃燒技術(shù)有利于提高發(fā)動機熱效率這一核心課題，論述了提高熱效率的各類技術(shù)的開發(fā)動向。另外，本田公司將這種低燃油耗技術(shù)稱為具有高熱效率(ESTEC)技術(shù)［1］，自2014年起，ESTEC技術(shù)開始在自然吸氣發(fā)動機、增壓發(fā)動機上進行應(yīng)用，下面將具體介紹該技術(shù)。

1 發(fā)動機熱效率的發(fā)展趨勢

圖1示出了汽油機熱效率的演變及未來的變化趨勢。如前文所述，在混合動力車用發(fā)動機開發(fā)中，使其最高熱效率提高到38.5%［2］，并且在將來，要求混合動力車用發(fā)動機實現(xiàn)熱效率50%［3］。

ESTEC技術(shù)不但能提高發(fā)動機的最高熱效率，也可以提高部分負荷(低負荷)工況下的效率。借助該技術(shù)克服自然吸氣汽油機的缺點，如熱效率不高等。由于在增壓發(fā)動機上開展這類技術(shù)應(yīng)用，需滿足多樣化和低燃油耗的需求。

圖1 汽油機熱效率的演變與未來發(fā)展趨勢

2 提高熱效率方法與未來發(fā)動機技術(shù)發(fā)展趨勢

本章介紹提高汽油機效率的方法，下一章將介紹混合動力(HV)車用發(fā)動機、常規(guī)車用發(fā)動機、增壓式發(fā)動機的技術(shù)開發(fā)實例(含ESTEC技術(shù)在上述發(fā)動機上的應(yīng)用)。

汽油機的理論熱效率ηth可用奧托循環(huán)的理想循環(huán)效率計算式來表達。

式(1)中，ηth表示理論熱效率，ε表示膨脹比或壓縮比，κ表示熱容比。由式(1)可知，要提高熱效率，可考慮提高幾何壓縮比，延遲排氣門開啟正時，并可應(yīng)用包括混合動力車用發(fā)動機在內(nèi)的各種發(fā)動機。為了提高熱容比，采用稀薄燃燒［4］是有效的措施，不過，由于氮氧化物(NOx)的排放課題待解決，其普及應(yīng)用受到限制。

其次，實際發(fā)動機中產(chǎn)生的各種損失(圖2)，包括摩擦損失、泵氣損失、冷卻損失、排氣損失和未燃損失等。如果發(fā)動機負荷增大，則可能發(fā)生爆燃，考慮到推遲點火正時，會使排氣損失增大。為提高熱效率，降低損失，采用這些技術(shù)是必要的。

圖2 發(fā)動機熱平衡

圖3以混合動力車用發(fā)動機為實例，說明了在實際發(fā)動機開發(fā)過程中，出于提高熱效率的目的，已開發(fā)出混合動力技術(shù)，以及未來考慮采用的相關(guān)技術(shù)。第1代混合動力車Prius所采用的發(fā)動機中，顯著提高熱效率的方法是實現(xiàn)高膨脹比，以及采用了阿特金森循環(huán)來提高抗爆燃性。在該方法中，采用低摩擦技術(shù)，最高熱效率可達37%。而且，以該技術(shù)為核心，由于采用EGR冷卻技術(shù)及電控水泵裝置，實現(xiàn)了抗爆燃性能的改善，以及冷卻損失和摩擦的降低，因此，目前最好的發(fā)動機將熱效率提高到38.5%。由此可知，在這些技術(shù)研發(fā)中，EGR技術(shù)不僅可以應(yīng)用于部分負荷工況下，用以降低泵氣損失。而且，在高負荷工況下利用EGR冷卻技術(shù)，能有效改善抗爆燃性。

圖3 未來的技術(shù)研發(fā)趨勢

根據(jù)近年來的社會需求，提高熱效率的重要性也與日俱增。除了混合動力車用發(fā)動機的熱效率達40%以上，將常規(guī)車用發(fā)動機的熱效率也提高到40%以上，成為未來發(fā)動機技術(shù)的研發(fā)趨勢。

為實現(xiàn)這些目標，降低泵氣損失與冷卻損失、提高抗爆燃性能對于燃燒的改善具有重大意義。本文以利于改善燃油經(jīng)濟性及提高發(fā)動機動力性能的燃燒技術(shù)為中心，介紹降低燃油耗的相關(guān)技術(shù)。

3 降低燃油消耗的發(fā)動機技術(shù)

3．1 混合動力車用發(fā)動機的研究實例

最大限度運用EGR及稀薄燃燒技術(shù)是實現(xiàn)高效燃燒的有效方法。為了促進燃燒，以在缸內(nèi)產(chǎn)生強烈紊流為目標，對渦流、擠氣和滾流(的應(yīng)用)進行了研究。在此除了說明這些氣流運動的特征之外，還論述了其成為未來主要應(yīng)用的氣流運動的理由。

要產(chǎn)生渦輪，需要在進氣系統(tǒng)裝配渦流控制閥(SCV)，不過，如果轉(zhuǎn)速高，則會產(chǎn)生泵氣損失，不利于提升發(fā)動機性能。另外，從擠氣運動來看，活塞處于上止點附近時，由于在氣缸蓋與活塞之間產(chǎn)生強烈氣流互動，可以看到缸孔附近的爆燃現(xiàn)象。不過，如果擠氣率不夠大［5］，則使得抑制EGR極限擴大與稀薄燃燒極限拓展無法產(chǎn)生預(yù)期的效果。所以，該技術(shù)的實用化并不容易。另一方面，通過對進氣道形狀的精心設(shè)計，確保滾流更好的促進缸內(nèi)的紊流現(xiàn)象并確保足夠的空氣流量。所以該技術(shù)被認為是下一代發(fā)動機主流技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步擴大。在此，通過介紹假設(shè)的混合動力車用發(fā)動機，對其快速燃燒的實例進行了研究［6］。

對圖4所示混合動力車Prius用發(fā)動機的進氣道形狀進行變更研究，力求產(chǎn)生強烈滾流。如圖5所示，與目前已經(jīng)量產(chǎn)的進氣道形狀相比較，改進后的進氣道形狀更接近直筒狀(杯形)，圖6顯示了這時的實體發(fā)動機燃燒研究結(jié)果。由此可知，由于滾流的有效應(yīng)用，EGR的燃燒限界得以拓展，從而提高了熱效率。

為了有效利用滾流，對活塞形狀進行的優(yōu)化也是重要手段之一［7］。因此，通過缸內(nèi)的流動計算及實體發(fā)動機的試驗驗證，對活塞形狀進行了改進。此外，由于實施缸內(nèi)強滾流化，如果氣體流動增強，會產(chǎn)生電火花被吹滅的現(xiàn)象。因此，也實施了點燃式發(fā)動機的強化。

圖7表示以進氣道形狀的變更，活塞形狀的變更，以點火系統(tǒng)的強化為核心，進行了發(fā)動機的改進，對發(fā)動機熱效率的提高進行了研究。為了促進燃燒，進而力求EGR冷卻技術(shù)的應(yīng)用，可知在自然吸氣發(fā)動機上能使熱效率達到40%。此外，可知由于有效應(yīng)用滾流，進而促進了燃燒，不僅如此，在改善抗爆燃性方面也有效果。所以，滾流技術(shù)在量產(chǎn)發(fā)動機中的應(yīng)用也在不斷擴大。

圖4 混合動力車用發(fā)動機(2ZR-FXE)

圖5 進氣道形狀比較

圖6 進氣道形狀變更的效果

圖7 熱效率研究結(jié)果

3．2 在常規(guī)車用自然吸氣發(fā)動機上采用的技術(shù)實例

如前文所述，豐田公司在混合動力車用發(fā)動機的技術(shù)研發(fā)中，以提高熱效率為重點大力推進技術(shù)開發(fā)，并將ESTEC技術(shù)也應(yīng)用于常規(guī)車用發(fā)動機上，并進行量產(chǎn)。對于常規(guī)車用發(fā)動機而言，其性能的提高相比混合動力車來說更為重要。因此，豐田公司正在重點地開展促進燃燒，以及抗爆燃措施的技術(shù)研發(fā)。在此，以排量1．0 L的3缸發(fā)動機(1KRFE)為實例［8］，論述技術(shù)研發(fā)狀況。

圖8為兼顧發(fā)動機燃油耗的降低，以及發(fā)動機動力性能的提高而采用的技術(shù)總體概況。

圖8 發(fā)動機采用的技術(shù)

促進燃燒的方法，在采用與前述相同的利用強烈滾流進行的EGR冷卻技術(shù)。投入量產(chǎn)時，為力求兼顧發(fā)動機燃油經(jīng)濟性與動力性，從而進行了進氣道的精心設(shè)計。如果要以促進燃燒為目標，則需強化滾流。如圖9所示，進氣道的流量系數(shù)降低，將對發(fā)動機性能產(chǎn)生影響。因而，如圖10所示，這種發(fā)動機除了對進氣道的形狀進行了改進以外，在氣門座附近也進行了較大的改進，力求兼顧降低燃油耗與提高發(fā)動機動力性能。

其次，對兼顧抗爆燃性與低摩擦要求的技術(shù)進行了介紹。滾流由于在進氣行程中促進缸套與排氣側(cè)上部的熱交換，提高了混合氣的溫度。由此可知，通過降低該部分的溫度，可獲得抑制爆燃的效果［9］。另一方面，可知通過提高缸套中部的溫度，在不惡化抗爆燃性能的同時，實現(xiàn)低摩擦的效果。因此，如圖11所示，通過設(shè)計最佳的冷卻水套隔板(隔片)，以控制缸套部的溫度，力求兼顧改善抗爆燃性能及實現(xiàn)低摩擦的效果。

圖9 滾流比與流量系數(shù)

圖10 進氣道的改進實例

圖11 冷卻系統(tǒng)的改進實例

由于集中利用這些技術(shù)，如圖12所示，新型發(fā)動機相比于原發(fā)動機，能夠改善發(fā)動機全部工況下的燃油耗。

3．3 在增壓式發(fā)動機上采用的技術(shù)實例

豐田公司從2014年起，采用了ESTEC技術(shù)的增壓發(fā)動機投入量產(chǎn)。新開發(fā)的排量為2．0 L的增壓發(fā)動機是全方位兼顧低燃油耗與動力性能的機型。圖13表示了發(fā)動機的開發(fā)概況［10］。

關(guān)于促進燃燒的技術(shù)，采用了前文介紹過的強滾流。與1KR-FE發(fā)動機一樣，為兼顧強滾流與高流量系數(shù)，在進氣道形狀結(jié)構(gòu)上作了精心考慮。此外，該發(fā)動機的特征在于配備了缸內(nèi)直噴噴油器與進氣道噴油器。圖14示出了燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖12 燃油耗的研究結(jié)果

圖13 發(fā)動機采用的技術(shù)

圖14 燃油噴射系統(tǒng)

為了促進燃燒，圖14中所示的技術(shù)是在每一個循環(huán)中實施多次噴射，以及在低溫條件下積極地運用進氣道噴射，抑制燃油對機油的稀釋等，最大限度地發(fā)揮缸內(nèi)直噴及進氣道噴射的作用。

混合動力發(fā)動機采用了阿特金森循環(huán)，除了可以提高高負荷工況下的熱效率外，也可在低負荷工況下有效降低泵氣損失，不過，如果常規(guī)車用發(fā)動機過分推遲進氣門正時的關(guān)閉，雖然能改善燃油經(jīng)濟性，但是由于發(fā)動機起動中的問題待解決，采用進氣門正時受到一定制約，因此沒有采用。發(fā)動機開發(fā)了帶有鎖銷結(jié)構(gòu)的電動連續(xù)可變氣門正時機構(gòu)(VVT-iw)，使得兼顧發(fā)動機起動性能與低油耗要求成為可能。此外，由于可變氣門正時(VVT)油路的改進，力求提高氣門正時變更時的靈敏度(響應(yīng)性)，對兼顧行駛性能與低燃油耗也能起到一定作用。

此外，為了冷卻活塞，進行了機油噴射切換裝置及新機油的開發(fā)，并且兼顧低油耗的前提，以及避免增壓發(fā)動機的低速預(yù)點火(LSPI)。此外，由于新開發(fā)的發(fā)動機包括了渦輪增壓器在內(nèi)的排氣系統(tǒng)，與本文介紹的技術(shù)一并使用，可使機動車用戶在世界各地順暢行駛。

在今后的發(fā)動機開發(fā)中，以本文介紹的技術(shù)為指導(dǎo)，力求進一步發(fā)展，使得發(fā)動機的經(jīng)濟性與汽車駕駛愉悅性得到兼顧。

4 結(jié)語

豐田公司為改善混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性，致力于提高發(fā)動機的熱效率。該技術(shù)的核心包含有阿特金森循環(huán)的應(yīng)用、用于冷卻的EGR技術(shù)、低摩擦技術(shù)、電動水泵等設(shè)備的應(yīng)用。加上這類混合動力車用發(fā)動機開發(fā)中發(fā)展起來的低油耗技術(shù)，豐田公司將該類以重點促進燃燒的新技術(shù)稱為ESTEC技術(shù)。自2014年起，該技術(shù)開始應(yīng)用于自然吸氣發(fā)動機與增壓式發(fā)動機。其結(jié)論如下:

(1)作為促進燃燒的手段，采用強烈滾流是卓有成效的。由于該技術(shù)應(yīng)用于混合動力用發(fā)動機上使得進一步采用冷卻的EGR技術(shù)能改善抗爆燃性，使降低冷卻損失成為可能，作為汽油機可以實現(xiàn)熱效率40%。

(2)利用滾流以促進燃燒的技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)車輛的自然吸氣發(fā)動機上，其改善油耗效果也非常顯著。而在常規(guī)車輛方面，由于要求發(fā)動機的高性能化，所以針對進氣道設(shè)計開展了兼顧強滾流化及發(fā)動機高動力性能化要求的研發(fā)。此外，由于同時引進改善抗爆燃性的新技術(shù)，可以兼顧低油耗與高性能化的要求。

(3)即便在增壓發(fā)動機中，應(yīng)用強滾流技術(shù)也是非常有效的。而且，新開發(fā)的2．0 L發(fā)動機中，由于采用缸內(nèi)直噴與進氣道噴射2種噴射方式，使得發(fā)動機從冷起動到暖機后的燃燒得到了改善。此外，為實現(xiàn)在混合動力發(fā)動機上應(yīng)用的阿特金森循環(huán)技術(shù)，應(yīng)用開發(fā)新的VVT-iw技術(shù)，謀求兼顧低油耗與發(fā)動機的起動性能的平衡。

除了本文介紹的技術(shù)改進之外，同時也進行了新的技術(shù)研發(fā)。在滿足社會需求的同時，由于實現(xiàn)愉悅的駕駛，也能滿足客戶的要求與愿望。

［1］中田浩一．ガソリンエンジンの低燃費化技術(shù)［M］．トヨタテクニカルレビュ，60，2014．

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彭惠民 譯自 自動車技術(shù)，2015，69(9)

伍賽特 編輯

2016-05-05)