【日】 島崎勇一 前田義男 津江光洋 田中大二郎 野口究 山下幸宏 山本日出彥

綜合評(píng)述

環(huán)境與車輛技術(shù)70年發(fā)展回顧
——汽油機(jī)的開發(fā)

【日】 島崎勇一 前田義男 津江光洋 田中大二郎 野口究 山下幸宏 山本日出彥

近年來(lái)，汽油機(jī)的動(dòng)力性，排放控制、燃油經(jīng)濟(jì)性等得到穩(wěn)步提升，而汽油機(jī)燃油耗每年都以較大幅度降低，也為降低CO2排放作出了貢獻(xiàn)。汽油機(jī)的技術(shù)進(jìn)步得益于稀燃與直噴的燃油系統(tǒng)、可變氣門配氣機(jī)構(gòu)、高效催化裝置與計(jì)算機(jī)測(cè)量技術(shù)的迅猛發(fā)展。著重介紹了日本從經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展開始，進(jìn)入汽車普及化階段之后的各個(gè)時(shí)期，汽車廠家推出的各具特色的車用汽油機(jī)產(chǎn)品，闡述了汽油機(jī)零部件技術(shù)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)研究、可視化與計(jì)測(cè)、數(shù)值計(jì)算等方面的技術(shù)亮點(diǎn)和發(fā)展前景。

汽油機(jī)可視化基礎(chǔ)研究熱效率

0 前言

日本汽車技術(shù)會(huì)是于第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束兩年后，即1947年2月1日成立的，其目的是“謀求汽車相關(guān)的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與繁榮，學(xué)術(shù)文化的振興及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及為提高國(guó)民生活水平作出貢獻(xiàn)”，2017年迎來(lái)了汽車技術(shù)會(huì)成立70周年。為紀(jì)念這一重要事件，汽車技術(shù)會(huì)的汽油機(jī)部門委員會(huì)根據(jù)從汽車技術(shù)會(huì)設(shè)立時(shí)到目前的時(shí)代背景與社會(huì)需求，論述了關(guān)于裝配汽油機(jī)的汽車、零部件、汽油機(jī)學(xué)術(shù)研究等各方面的技術(shù)發(fā)展。由此預(yù)測(cè)將來(lái)的發(fā)展前景，并整理成文。

1 車用發(fā)動(dòng)機(jī)

圖1是車用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的70年回顧(按年表形式歸納)。

1.1 戰(zhàn)后復(fù)興期

在汽車技術(shù)會(huì)最初設(shè)立的1947年，為了戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)復(fù)興，只容許生產(chǎn)卡車。但從1947年起，轎車的生產(chǎn)得到許可，1949年解除了轎車生產(chǎn)臺(tái)數(shù)限制。為了學(xué)習(xí)歐美的汽車技術(shù)，曾主要利用歐美的技術(shù)協(xié)作以開展裝配式生產(chǎn)。但是，豐田汽車公司(以下稱“豐田”)在這種潮流中選擇自主研發(fā)，并開發(fā)出純?nèi)毡緡?guó)產(chǎn)轎車“Toyopet Crown”，以及出租車專用轎車“Toyopet Soupaur”。該車型搭載4缸、頂置氣門(OHV)1.5 L、35 kW的R型發(fā)動(dòng)機(jī)(圖2)，展示出日產(chǎn)車具有較高的可靠性。

1.2 日本汽車開始普及

從上世紀(jì)50年代中期，日本進(jìn)入經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，1949年制定了輕型汽車標(biāo)準(zhǔn)，限定車身的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，作為受民眾歡迎的產(chǎn)品，制定了其優(yōu)惠措施[1]。1954年，排量規(guī)定為360 mL，1958年，富士重工業(yè)公司銷售的斯巴魯360型車配裝了空氣冷卻2缸EK31型發(fā)動(dòng)機(jī)(圖3)，成了備受市場(chǎng)青睞的車型。然后，各汽車制造商參與研制，使日本的汽車普及化得到了快速發(fā)展。1961年，豐田公司開發(fā)了獨(dú)特的實(shí)用小型車，在整備質(zhì)量為580 kg的日本制造“大眾Publica”基礎(chǔ)上，配裝空氣冷卻水平對(duì)置雙缸U型發(fā)動(dòng)機(jī)(圖4)，該車以38.9萬(wàn)日元的低價(jià)格上市銷售。

進(jìn)入上世紀(jì)60年代，基于1964年?yáng)|京舉辦奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的特殊需求，日本實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，1968年國(guó)民生產(chǎn)總值(GNP)排名世界第2位。圖5示出了配裝在Sunny車上的A型發(fā)動(dòng)機(jī)。

在這一時(shí)期，各汽車公司進(jìn)行了各種新型發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)。本田技研工業(yè)公司(以下稱本田公司)在1963年上市銷售了輕型卡車T360，該款車型是首次配裝了水冷直列4缸DOHC化油器發(fā)動(dòng)機(jī)的輕型商用車型(圖6)。富士重工業(yè)公司(以下稱“富士重工”)于1965年在Soupaur 1000車上，配裝了水平對(duì)置4缸發(fā)動(dòng)機(jī)(圖7)。1963年，日本舉辦了首屆汽車大獎(jiǎng)賽，成為展示高性能汽車的賽事。上世紀(jì)60年代后期，豐田公司推出了2000 GT車型，馬自達(dá)公司在研制的Cosmo跑車(圖8)上，首次配裝了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，日產(chǎn)公司的Fairlady國(guó)產(chǎn)跑車(雙座敞篷低車身高速小型車)也誕生了。

1.3 日本汽車普及化的發(fā)展期

圖1 轎車用汽油機(jī)技術(shù)的70年回顧

圖2 豐田汽車公司的R型4缸發(fā)動(dòng)機(jī)

圖3 富士重工空氣冷卻2缸EK31型發(fā)動(dòng)機(jī)

圖4 豐田汽車公司的水平對(duì)置空氣冷卻2缸U型發(fā)動(dòng)機(jī)

圖5 日產(chǎn)公司的A型4缸發(fā)動(dòng)機(jī)

圖6 本田公司輕型車用DOHC 4缸AK250E發(fā)動(dòng)機(jī)

圖7 富士重工業(yè)公司的水平對(duì)置EA52發(fā)動(dòng)機(jī)

自上世紀(jì)60年代到70年代，汽車的性能有了大幅度提高，不過(guò)，由于廢氣排放導(dǎo)致大氣污染，成為較嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題[2]。1968年，日本頒布了大氣污染防治法規(guī)。1970年，美國(guó)制定了更為嚴(yán)格的馬斯基法(防止大氣污染法規(guī))。1973年，由于石油危機(jī)導(dǎo)致汽油價(jià)格急劇上揚(yáng)，要求汽車實(shí)現(xiàn)低燃油耗。

為了滿足節(jié)能減排要求，1972年，本田公司開始銷售了CVCC發(fā)動(dòng)機(jī)(圖9)，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用副燃燒室與主燃燒室進(jìn)行分層進(jìn)氣，在副燃燒室點(diǎn)火，在整個(gè)燃燒室空間內(nèi)利用稀薄燃燒，進(jìn)行低溫燃燒，降低了氮氧化物(NOx)的排放量，燃油經(jīng)濟(jì)性也有所提高，符合法規(guī)要求。

圖9 本田公司的CVCC發(fā)動(dòng)機(jī)

圖10 日產(chǎn)汽車公司的4缸雙火花塞218發(fā)動(dòng)機(jī)

而且，各汽車制造商開發(fā)了各種各樣的低排放發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，諸如稀薄燃燒技術(shù)，以及排氣中二次引進(jìn)空氣，排氣再燃燒等技術(shù)。日產(chǎn)公司利用大流量廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，力求降低NOx排放，并上市了乙型發(fā)動(dòng)機(jī)(圖10)。該款發(fā)動(dòng)機(jī)使用2個(gè)火花塞，利用快速燃燒方式，兼顧了發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能。這一時(shí)期，燃油經(jīng)濟(jì)性較好的日本小型車，在美國(guó)也拓展了市場(chǎng)銷售份額。

上世紀(jì)70年代后半期，電子控制燃油噴射技術(shù)被實(shí)用化，運(yùn)用了氧濃度傳感器的三效催化器控制技術(shù)也得以實(shí)用化。80年代三效催化器成為滿足排放法規(guī)要求的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)(裝備)，并且在世界各地被廣泛使用，推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)高性能化技術(shù)的研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)。

這一時(shí)期，豐田公司除了開發(fā)了高功率發(fā)動(dòng)機(jī)之外，還開發(fā)了3S-FE Himeco雙凸輪軸開閉方式發(fā)動(dòng)機(jī)(圖11)，該機(jī)型是在批量銷售的基本發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了DOHC的4氣門機(jī)構(gòu)，日產(chǎn)汽車公司則開始銷售渦輪增壓的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖11 豐田汽車公司批量銷售DOHC 4氣門3S-FE發(fā)動(dòng)機(jī)

1980年，日本的汽車產(chǎn)量排名世界第一，以至于引起與美國(guó)的貿(mào)易摩擦。在泡沫經(jīng)濟(jì)興盛的上世紀(jì)80年代后期，各廠家名車同時(shí)競(jìng)相亮相，例如豐田公司的Celsio，日產(chǎn)公司的Skyline GT-R、Unos無(wú)后座敞篷型小汽車、本田公司的NSX等。這一時(shí)期，各汽車廠家也上市了大排量的V8發(fā)動(dòng)機(jī)，以及采用了可變氣門機(jī)構(gòu)技術(shù)的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)。圖12示出了三菱汽車公司(以下稱“三菱”)采用的可變氣門技術(shù)的MIVEC-MD發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖12 三菱汽車公司的可變氣門機(jī)構(gòu)4G9發(fā)動(dòng)機(jī)

1.4 泡沫經(jīng)濟(jì)期后，追求效率與成本

20世紀(jì)90年代初期泡沫經(jīng)濟(jì)崩潰以后，1991年的新車銷售量低于7年前的銷量，日本整體經(jīng)濟(jì)處于長(zhǎng)期不景氣時(shí)期。從這時(shí)起，用戶對(duì)汽車的需求呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)。日本國(guó)內(nèi)汽車銷售的動(dòng)向顯示，以輕型汽車為代表的小型實(shí)用車，以及實(shí)用性好的迷你型小貨車成為銷售主流。

1990年輕型汽車的排量為660 mL，這一時(shí)期，各汽車公司都增加了輕型汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)型式的改進(jìn)力度，除銷售輕型汽車用的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)外，還銷售了4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)等新型發(fā)動(dòng)機(jī)。圖13示出了大發(fā)公司的輕型車用4缸發(fā)動(dòng)機(jī)[3]。

圖13 大發(fā)公司的輕型汽車用4缸JB型發(fā)動(dòng)機(jī)

此外，在這一時(shí)期，開展了各種各樣的熱效率改善技術(shù)的研發(fā)，例如米勒循環(huán)增壓技術(shù)，以及稀薄燃燒缸內(nèi)直噴技術(shù)等。圖14示出了三菱公司的稀薄燃燒缸內(nèi)直噴汽油機(jī)。

圖14 三菱汽車公司的稀薄燃燒缸內(nèi)直噴汽油機(jī)

圖15 豐田公司為混合動(dòng)力電動(dòng)車研制的INZ-FXE發(fā)動(dòng)機(jī)及HEV動(dòng)力系統(tǒng)

而且，在1997年豐田公司銷售了阿特金森循環(huán)的1NZ-FXE發(fā)動(dòng)機(jī)(圖15)，這是世界首例為混合動(dòng)力電動(dòng)車(HEV)研制的發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.5 動(dòng)力系統(tǒng)多樣化，進(jìn)一步改善熱效率

從2000年以來(lái)，先進(jìn)國(guó)家的CO2法規(guī)(GHG法規(guī))限值逐漸收緊，出于降低泵氣損失的目的，開發(fā)了連續(xù)可變氣門機(jī)構(gòu)。同時(shí)利用燃料的氣化潛熱，提高填充效率，同時(shí)抑制汽油機(jī)爆燃發(fā)生，并試圖采用提高壓縮比的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)與變速器多檔化的同時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域換檔到機(jī)械損失較少的區(qū)域，以降低燃油耗為目標(biāo)的小型化增壓技術(shù)，與電動(dòng)式動(dòng)力系統(tǒng)并用，開發(fā)了HEV專用發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，為適應(yīng)發(fā)展中國(guó)家市場(chǎng)的多樣化需求，進(jìn)行了相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)。圖16示出了豐田公司組合了缸內(nèi)直噴與進(jìn)氣道噴射的2GR-FSE發(fā)動(dòng)機(jī)。圖17示出了日產(chǎn)公司生產(chǎn)的連續(xù)可變氣門機(jī)構(gòu)的VQ37VHR發(fā)動(dòng)機(jī)。圖18表示馬自達(dá)公司開發(fā)的壓縮比高達(dá)14的SKYACTIV-G汽油機(jī)。圖19是富士重工業(yè)公司按較小尺寸設(shè)計(jì)的增壓式FB16DIT發(fā)動(dòng)機(jī)(小尺寸的直噴增壓式發(fā)動(dòng)機(jī))。圖20示出了本田公司推出的HEV專用的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，圖21表示了五十鈴公司研制的雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖16 豐田公司的PEI+GDI IRG-FSE型發(fā)動(dòng)機(jī)

圖17 日產(chǎn)汽車公司采用連續(xù)可變氣門機(jī)構(gòu)的VQ37VHR發(fā)動(dòng)機(jī)

圖18 馬自達(dá)公司的高壓縮比SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)

圖19 富士重工業(yè)公司的FB16DIT發(fā)動(dòng)機(jī)

圖20 本田公司開發(fā)的HEV用阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

圖21 五十鈴公司的雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)

今后，為了滿足排放法規(guī)限值收緊的各國(guó)CO2法規(guī)及新的排放法規(guī)要求，對(duì)于HEV、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(PHEV)所用內(nèi)燃機(jī)的熱效率與低排放的要求更高。因此要繼續(xù)致力于降低汽油機(jī)的熱損失技術(shù)，燃油噴霧顆?；夹g(shù)、低摩擦技術(shù)、輕量小型化技術(shù)、排氣后處理技術(shù)，降低成本等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。而且，組合多種技術(shù)，也要在短時(shí)間內(nèi)使多變量參數(shù)最佳化，以及輔助技術(shù)的研發(fā)?？梢灶A(yù)見到，運(yùn)用以模型庫(kù)開發(fā)(MBD)等為代表的技術(shù)，開發(fā)速度的競(jìng)爭(zhēng)將日趨激烈[4-6]。

2 汽油機(jī)用零部件技術(shù)

圖22 汽油機(jī)零件技術(shù)70年回顧

圖22示出了汽油機(jī)用零部件技術(shù)的70年回顧——汽油機(jī)用零件技術(shù)的發(fā)展是為了適應(yīng)以下各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展要求：(1)縮小尺寸、減小質(zhì)量的發(fā)展；(2)提高功率、動(dòng)力性能為目標(biāo)的技術(shù)發(fā)展；(3)滿足排放、燃油耗法規(guī)的技術(shù)發(fā)展要求。這類技術(shù)的發(fā)展是為了滿足不同的時(shí)代需求，上世紀(jì)70年代之前，為了實(shí)現(xiàn)汽車高性能化，瞄準(zhǔn)縮小體積，降低質(zhì)量及提高性能目標(biāo)的技術(shù)得以發(fā)展，70年代針對(duì)大氣污染的社會(huì)問(wèn)題，滿足排放法規(guī)，引進(jìn)電子控制。從上世紀(jì)90年代起，為滿足排放法規(guī)強(qiáng)化，以及車載故障診斷系統(tǒng)(OBD)的技術(shù)要求。而在2000年，為了防止地球變暖，出臺(tái)了與CO2、燃油耗相關(guān)的法規(guī)，促進(jìn)了汽油機(jī)零件技術(shù)的發(fā)展。

2.1 汽油機(jī)用零部件技術(shù)的發(fā)展回顧

2.1.140年代到70年代

汽油機(jī)系統(tǒng)由化油器，起動(dòng)馬達(dá)(起動(dòng)器)，電動(dòng)發(fā)電機(jī)等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)組成，將縮小尺寸與降低質(zhì)量，提高性能置于主要地位[7]。

2.1.2頒布馬斯基法到1990年

為了滿足以美國(guó)頒布的馬斯基法為代表的排放法規(guī)要求，有必要測(cè)量吸入的空氣量，按照理論空燃比要求，控制燃油噴射量。

排氣凈化系統(tǒng)中，組合前饋式燃油供給裝置，EGR，二次引進(jìn)空氣與氧化催化器曾經(jīng)是主流裝置。不過(guò)，自從上世紀(jì)80年代以來(lái)，使用了氧傳感器的反饋式燃油供給裝置與三效催化轉(zhuǎn)化器成為了主流裝置。

到了20世紀(jì)80年代后半期，電子控制式發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)成為了主流，采用雙氧傳感器(即在三效催化轉(zhuǎn)化器的后方也安裝氧傳感器)的反饋控制系統(tǒng)問(wèn)世。催化器后方的氧傳感器還會(huì)用OBD的催化器老化進(jìn)行檢測(cè)[8-9]。

2.1.320世紀(jì)90年代至2000年

以美國(guó)低排放車(LEV)法規(guī)為代表的法規(guī)限值更加嚴(yán)格。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之后能有效應(yīng)用催化器，有必要提早促進(jìn)催化器暖機(jī)(指提早提高起動(dòng)后排氣的溫度，從而提早催化器活化時(shí)間以獲得催化效果)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)下游布置催化器，能夠采用怠速旋轉(zhuǎn)提速，以及增加點(diǎn)火延遲(有利于催化器早期活化)。此外，為提高空燃比控制精度，上世紀(jì)90年代后半期，開始采用空燃比傳感器(UEG0)。為控制燃燒狀態(tài)，使凸輪相位連續(xù)可變的相位可變氣門(VVT)機(jī)構(gòu)于90年代初實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。90年代后半期，開始引進(jìn)缸內(nèi)直噴技術(shù)。當(dāng)初的以稀薄燃燒為主的發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了缸內(nèi)直噴的方式，在排氣后處理方面，采用了稀燃-NOx催化器(或稀燃-NOx捕集器)。

自1994年起開始執(zhí)行務(wù)必安裝車載故障診斷(OBDⅡ)裝置的規(guī)定，在失火檢測(cè)中，普通方法利用發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)變動(dòng)檢測(cè)的方法，而部分高速跑車發(fā)動(dòng)機(jī)也采用了離子電流的檢測(cè)方式。蒸發(fā)(氣化)氣體的循環(huán)系統(tǒng)中，要求檢測(cè)蒸氣漏泄，采用了排氣閥及壓力傳感器。

此外，上世紀(jì)90年代后半期，混合動(dòng)力車開始了量產(chǎn)，發(fā)電機(jī)組(MG)，逆變器，DC/DC轉(zhuǎn)換器，電池等新型零部件問(wèn)世了。

2.1.42000年至現(xiàn)在

以歐洲CO2法規(guī)為代表的燃油耗法規(guī)，CO2法規(guī)開始被強(qiáng)化。2000年代前半期，渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、設(shè)備小型化等概念問(wèn)世了。為兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性與輸出功率，采用了渦輪增壓器。缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用理論空燃比的燃燒方式成為主流，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)小型化要求，并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖23 汽油機(jī)研究領(lǐng)域70年回顧與發(fā)展前景

怠速停止系統(tǒng)在2000年代后半期開始普及，皮帶傳動(dòng)ISG問(wèn)世，并逐漸得到廣泛應(yīng)用。另外，采用輔助電源的雙電源系統(tǒng)也得到了應(yīng)用[10]。

在吸入空氣量的控制方面，目前電子節(jié)流閥仍在普遍應(yīng)用。

氣門控制方面，控制凸輪升程量的升程可變氣門裝置被引進(jìn)了。到了2000年代后半期，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)式相位可變氣門機(jī)構(gòu)問(wèn)世了。

2.2 汽油機(jī)零件技術(shù)的發(fā)展前景

為了滿足更加嚴(yán)格的法規(guī)強(qiáng)化要求，預(yù)計(jì)要實(shí)施內(nèi)燃機(jī)的改良與電動(dòng)化。另外，在燃燒改善領(lǐng)域，推進(jìn)大流量EGR，以及稀薄燃燒技術(shù)。為促進(jìn)燃料與空氣的混合，對(duì)燃料系統(tǒng)零件要求可實(shí)現(xiàn)油霧顆?；?。要求點(diǎn)火系統(tǒng)零部件實(shí)現(xiàn)高電壓化與高能量化。在增壓器領(lǐng)域，不限于渦輪增壓器的研究與應(yīng)用。目前隨著電動(dòng)化，也在研究電動(dòng)增壓器的引進(jìn)。

在排氣方面，由于顆粒物排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，在部分工況下，有必要采用顆粒(PM)過(guò)濾器及顆粒傳感器。在電動(dòng)化方面，同時(shí)進(jìn)行12 V與48 V的ISG系統(tǒng)的引進(jìn)。并且，可預(yù)想利用這些電能的電動(dòng)水泵及電動(dòng)機(jī)油泵也會(huì)得以引進(jìn)。

今后的燃油耗法規(guī)限值會(huì)更加收緊，在大排量車方面，有必要提高混合動(dòng)力車的電動(dòng)化比例。另一方面，也要保證汽油機(jī)效率的不斷提升，推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的多樣化。

3 汽油機(jī)研究領(lǐng)域

3.1 基礎(chǔ)研究的概況

圖23表示汽油機(jī)研究領(lǐng)域70年發(fā)展回顧及今后的前景。

自1900年代起，瞄準(zhǔn)汽油機(jī)高性能化目標(biāo)的基礎(chǔ)研究，通過(guò)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)及大學(xué)的研究人員開展了相關(guān)工作。作為利用基礎(chǔ)研究取得的成果對(duì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)產(chǎn)生作用的實(shí)例，包括目前占主流市場(chǎng)的有缸內(nèi)直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)(以下稱為直噴發(fā)動(dòng)機(jī))、上世紀(jì)70年代的Ford汽車的程序化燃燒(PROCO)發(fā)動(dòng)機(jī)，以及控制燃燒系統(tǒng)(TCCS)發(fā)動(dòng)機(jī)等[3]。此外，近年來(lái)面向?qū)嵱没_展研究的均質(zhì)充量壓燃(HCCI)發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用了ATAC燃燒技術(shù)的大西發(fā)動(dòng)機(jī)最為人們所熟知[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中基礎(chǔ)研究最為重要，對(duì)缸內(nèi)現(xiàn)象有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，尤其是有助于從混合氣的形成到點(diǎn)火、燃燒及排氣過(guò)程的把握，以及闡明燃燒機(jī)理的測(cè)試方法與數(shù)值計(jì)算方法的開發(fā)及有效運(yùn)用。

圖24 上世紀(jì)60年代的可視化發(fā)動(dòng)機(jī)

3.2 可視化

在缸內(nèi)現(xiàn)象的測(cè)試方面，目前，光學(xué)測(cè)量仍然是最有用的技術(shù)手段。而在19世紀(jì)末，已經(jīng)有使用玻璃氣缸，利用煙霧以進(jìn)行吸氣過(guò)程流場(chǎng)測(cè)試的實(shí)例。自那以后，開始使用設(shè)置觀察窗的氣缸，進(jìn)行異常燃燒(爆燃)的觀察，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y(cè)試等。不過(guò)，上世紀(jì)30年代，缸內(nèi)可視化技術(shù)就已取得較大的發(fā)展[5]。也就是說(shuō)，可以進(jìn)行整個(gè)燃燒室觀察的可視化發(fā)動(dòng)機(jī)，以及高速攝影方法的開發(fā)。利用這些開發(fā)成果，對(duì)缸內(nèi)燃燒動(dòng)態(tài)的詳細(xì)觀察，以及循環(huán)變動(dòng)的觀察成為了可能。到了第二次世界大戰(zhàn)以后，可視化方法就已經(jīng)有效應(yīng)用于提高壓縮比以改善燃油耗的研究上。至1950年，可視化方法已應(yīng)用于排放特性的研究上。到上世紀(jì)60年代，逐漸有了大量應(yīng)用的可視化發(fā)動(dòng)機(jī)的原型，即設(shè)計(jì)出利用石英制活塞的可視化發(fā)動(dòng)機(jī)(圖24)，并在其中進(jìn)行缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)時(shí)測(cè)試。而且，在20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)出了帶單氣門的可視化發(fā)動(dòng)機(jī)，以及在氣缸側(cè)面設(shè)置了觀察窗的矩形氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)等，至目前為止，加以各種改進(jìn)的為數(shù)眾多可視化發(fā)動(dòng)機(jī)正在得以應(yīng)用。

在可視化發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的同時(shí)，能夠較簡(jiǎn)便地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒動(dòng)態(tài)的快速壓縮裝置(或者快速壓縮膨脹裝置，以下稱RCM)，也在作為有用的工具而得以使用。RCM是上世紀(jì)10年代開發(fā)的，然后，各種各樣的改良型被開發(fā)出來(lái)。而擁有壓縮氣體驅(qū)動(dòng)活塞的RCM，在上世紀(jì)60年代被開發(fā)出來(lái)，為了在更短的壓縮時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高壓壓縮，目前仍在實(shí)施改良(圖25)。

圖25 快速壓縮裝置實(shí)測(cè)

圖26 利用激光計(jì)測(cè)以測(cè)量混合氣濃度分布

伴隨可視化發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)，應(yīng)用激光測(cè)試對(duì)氣缸內(nèi)現(xiàn)象進(jìn)行了深入了解。激光喇曼散射法在上世紀(jì)70年代被用于缸內(nèi)空燃比計(jì)測(cè)。但是，散射光強(qiáng)度是微弱的，也存在背景光的干涉問(wèn)題，該計(jì)測(cè)方法進(jìn)展并不大。而到了上世紀(jì)80年代后半期，通過(guò)利用高靈敏度電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)及高功率紫外線(UV)激光器，空燃比及化學(xué)物種(指混合氣組成等)濃度分布的高精度測(cè)試成為可能。據(jù)報(bào)道，上世紀(jì)90年代中期，進(jìn)行了缸內(nèi)混合氣化學(xué)物種濃度的定量測(cè)量(圖26)。另?yè)?jù)報(bào)道，利用激光瑞利(雷利)散射法進(jìn)行缸內(nèi)混合氣濃度測(cè)量是上世紀(jì)80年代中期首次實(shí)施的項(xiàng)目。目前，使用了由燃料自身或示蹤物(氟利昂等)的熒光激光誘導(dǎo)熒光法(LIF)，該方法在20世紀(jì)90年代初期應(yīng)用于缸內(nèi)的燃料濃度分析測(cè)量，并提出了同時(shí)測(cè)量液相與氣相的方法(LIEF)等的建議。此外，利用激光多普勒測(cè)速法(LDV)，以及粒子散射法(PIV)，進(jìn)行流動(dòng)場(chǎng)的測(cè)試；利用相干非斯托克斯喇曼光譜學(xué)(CARS)實(shí)施溫度測(cè)量，利用LIF實(shí)施活性化學(xué)物種濃度計(jì)測(cè)，以及溫度測(cè)量等各種各樣的激光計(jì)測(cè)方法。近年來(lái)，科研人員也正在嘗試組合不同的物理量的同時(shí)測(cè)試的方法。

3.3 數(shù)值計(jì)算

自上世紀(jì)70年代后半期至80年代初期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值分析方法的先進(jìn)化，使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的多維數(shù)值計(jì)算也成為可能，并開發(fā)出了各種各樣的計(jì)算規(guī)則。作為應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)研究的二維數(shù)值計(jì)算的代表性規(guī)則(代碼)，例如Los Alamos國(guó)立研究所的CONCHAS-SPRAY、KIVA、普林斯頓大學(xué)的REC(RICE規(guī)則的后續(xù)規(guī)則)等。這些規(guī)則主要應(yīng)用于均質(zhì)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)及分開式燃燒室(預(yù)燃室)分層燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的分析等(圖27)。近年來(lái)，以KIVA為首的FLU-ENT，STAR-CD等上市銷售的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件正在被應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)分析。關(guān)于燃燒仿真必須的化學(xué)反應(yīng)計(jì)算，其微分方程式的求解方法于上世紀(jì)50年代被開發(fā)出來(lái)。70年代，科研人員提出建立最初的HC反應(yīng)模型，并隨之建立了各種各樣的反應(yīng)模型。而上世紀(jì)90年代中期所開發(fā)的GRI-Mech，目前仍在被許多研究人員使用。由于反應(yīng)模型以及靈敏度分析方法的開發(fā)，HC燃料反應(yīng)機(jī)理的闡明獲得了進(jìn)展(圖28)。

圖27 分開式燃燒室(預(yù)燃室)分層燃燒的數(shù)值計(jì)算實(shí)例

圖28 烷烴(碳?xì)浠衔?的主要反應(yīng)過(guò)程

3.4 基礎(chǔ)研發(fā)的作用

如上文所述，氣缸內(nèi)工作過(guò)程的可視化，主要從上世紀(jì)30年代后半期起其研究得以高速發(fā)展，激光計(jì)測(cè)面向發(fā)動(dòng)機(jī)研究的應(yīng)用是從70年代開始的。從70年代后期進(jìn)行了缸內(nèi)現(xiàn)象的多維數(shù)值分析。時(shí)至今日，這類計(jì)測(cè)方法，數(shù)值計(jì)算方法被廣泛運(yùn)用。不過(guò)，在使用了均勻混合氣的PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)領(lǐng)域，可認(rèn)為測(cè)試及數(shù)值分析僅發(fā)揮了次要的作用。因?yàn)樵诰|(zhì)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的分析中，燃燒、放熱系數(shù)分析，排氣測(cè)試等傳統(tǒng)的方法仍然是可靠的手段。不過(guò)，近年來(lái)，為了進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放，要進(jìn)行均質(zhì)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的必要改進(jìn)，這類測(cè)試、分析方法將發(fā)揮較大的作用。1996年，世界首例器壁制導(dǎo)分層缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)得以實(shí)用化，可以推測(cè)激光米氏散射法、相位多普勒流速計(jì)、LIF、攝影照片、紋影照相、高速化學(xué)發(fā)光測(cè)試等多種測(cè)試方法的研究發(fā)揮了重要作用(圖29)。早期的分層稀燃缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)中，與其說(shuō)是廣泛應(yīng)用了散值計(jì)算，不如說(shuō)是廣泛應(yīng)用了光學(xué)測(cè)試手段。關(guān)于碳煙排放研究的開展，光學(xué)測(cè)試也逐漸成為有用的工具(圖30)。在噴射油霧制導(dǎo)分層稀燃直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研究領(lǐng)域，壓電式噴油器的開發(fā)有效應(yīng)用了光學(xué)測(cè)試和數(shù)值分析。噴油器內(nèi)部的可視化，PIV測(cè)量，基于激光誘導(dǎo)熒光法的噴油蓄附近現(xiàn)象的可視化等相關(guān)領(lǐng)域基于數(shù)值分析開展了由局部過(guò)濃區(qū)域來(lái)預(yù)測(cè)碳煙的生成。至于發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣生成過(guò)程等缸內(nèi)現(xiàn)象是非常復(fù)雜的，利用數(shù)值分析與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)以進(jìn)行計(jì)算測(cè)量，這兩方面的分析是較為重要的(圖31)。

圖29 利用激光計(jì)測(cè)以測(cè)試缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)動(dòng)態(tài)

在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，由于化學(xué)反應(yīng)計(jì)算是較為重要的，目前正在進(jìn)行HC燃料的大規(guī)模反應(yīng)模型的簡(jiǎn)化。針對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了多點(diǎn)自發(fā)點(diǎn)火或者火焰?zhèn)鞑サ膬蓚€(gè)模式(狀態(tài))，并且正在繼續(xù)開展與其相關(guān)的討論。近年來(lái)，根據(jù)其直接數(shù)值分析(DNS)，澄清了混合氣的不均勻性等對(duì)于這兩種模式可能造成的影響。從這些研究得到啟示，可以期待DNS在將來(lái)可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)研究。

3.5 基礎(chǔ)研究的發(fā)展前景

圖30 缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中的缸內(nèi)碳煙生成動(dòng)態(tài)測(cè)試

圖31 噴霧導(dǎo)向直噴發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)動(dòng)態(tài)的計(jì)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的比較

作為將來(lái)有望廣泛運(yùn)用的測(cè)試方法，例如高速、高靈敏度的攝影方法，高重復(fù)頻率激光，多個(gè)物理量的同時(shí)測(cè)量等，均有較高的技術(shù)開發(fā)價(jià)值。而測(cè)量實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)自身缸內(nèi)傳感器的開發(fā)也是較為重要的。雖然單缸可視化發(fā)動(dòng)機(jī)是利用數(shù)值分析方法驗(yàn)證燃燒室形狀最佳化的有用工具，但使用這種測(cè)試方法通常是在較低負(fù)荷，較低轉(zhuǎn)速條件下實(shí)施的。另外，氣缸間的偏差分析也是較難實(shí)現(xiàn)的。在開發(fā)中的多氣缸實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)置觀察用窗口并不現(xiàn)實(shí)。但是，要實(shí)現(xiàn)實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)可視化，采用照相設(shè)備會(huì)成為有效的手段。

作為數(shù)值分析方法，RANS曾經(jīng)是發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中較為有用的方法，而在將來(lái)，其重要性不會(huì)降低。雖不能預(yù)測(cè)循環(huán)變動(dòng)等過(guò)程的缺點(diǎn)，但與原始模型組合起來(lái)，就可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制。為進(jìn)行循環(huán)變動(dòng)分析，LES對(duì)于多次循環(huán)的計(jì)算是必要的。在進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的比較方面，對(duì)計(jì)算結(jié)果的處理要引起注意。DNS限于低雷諾數(shù)條件或者簡(jiǎn)易形狀的分析，通常認(rèn)為難以應(yīng)用DNS技術(shù)對(duì)實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)形狀進(jìn)行分析。如上文所述，從基礎(chǔ)研究的觀點(diǎn)出發(fā)，闡明每種物理現(xiàn)象都是有作用的。因此可以期待RANS及LES在子模型的驗(yàn)證中，也會(huì)成為有效的方法。

4 結(jié)語(yǔ)

在日本，從70年前的第二次世界大戰(zhàn)汽車技術(shù)會(huì)剛成立起，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)取得了驚人的發(fā)展。首先，是汽車普及與發(fā)動(dòng)機(jī)高性能化。在汽車廣泛普及后出現(xiàn)了廢氣排放問(wèn)題。并且氣溫上升也成為全球問(wèn)題。為解決這類問(wèn)題，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的研究正在繼續(xù)開展。

可以預(yù)計(jì)將來(lái)能源問(wèn)題(或能源危機(jī))會(huì)日漸凸現(xiàn)，因此可以適應(yīng)電力、氫燃料、生物質(zhì)燃料等多種多樣的能源的動(dòng)力系統(tǒng)是必不可少的。此外，燃料電池車(FCV)及純電動(dòng)車(BEV)等雖然有所增加，但在今后20年內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)(包括HEV)的動(dòng)力系統(tǒng)還會(huì)作為汽車的主流動(dòng)力。因此，研發(fā)人員今后還要繼續(xù)開展研究，特別是對(duì)高熱效率的發(fā)動(dòng)機(jī)的研究(圖32)。

圖32 汽油機(jī)面臨的研究課題

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彭惠民 譯自 自動(dòng)車技術(shù)，2016，70(1)

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2016-11-09)