關(guān)于汽油機(jī)的低燃油耗技術(shù)分析介紹

混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)降低車輛的燃油耗和CO2發(fā)揮了巨大作用?；旌蟿?dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)用技術(shù)今后也有望應(yīng)用于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中。介紹了提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的具體途徑及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，著重論述了高熱效率(ESTEC)技術(shù)在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)、常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，以及增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上的具體應(yīng)用。

0前言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的動(dòng)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(dòng)力車(Prius車)開(kāi)始，就關(guān)注于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率并進(jìn)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(dòng)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(dòng)機(jī)的熱效率越來(lái)越重要。在遠(yuǎn)期規(guī)劃中，設(shè)定了實(shí)現(xiàn)熱效率50%的目標(biāo);在短期計(jì)劃中，要使常規(guī)車用發(fā)動(dòng)機(jī)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(mén)傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)等也顯得越來(lái)越重要。此外，由于這類技術(shù)也可在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用，因此能對(duì)各種車輛降低燃油耗發(fā)揮重要作用。

本文圍繞改進(jìn)燃燒技術(shù)有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)發(fā)動(dòng)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)，自2014年起，ESTEC技術(shù)開(kāi)始在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用，下面將具體介紹該技術(shù)。

1發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的發(fā)展趨勢(shì)

圖1示出了汽油機(jī)熱效率的演變及未來(lái)的變化趨勢(shì)。如前文所述，在混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中，使其最高熱效率提高到38.5%，并且在將來(lái)，要求混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)熱效率50%。

ESTEC技術(shù)不但能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的最高熱效率，也可以提高部分負(fù)荷(低負(fù)荷)工況下的效率。借助該技術(shù)克服自然吸氣汽油機(jī)的缺點(diǎn)，如熱效率不高等。由于在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)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(jī)熱效率的演變與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

2熱效率提升方法與未來(lái)技術(shù)趨勢(shì)

本章介紹提高汽油機(jī)效率的方法，下一章將介紹混合動(dòng)力(HV)車用發(fā)動(dòng)機(jī)、常規(guī)車用發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)例(含ESTEC技術(shù)在上述發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用)。

汽油機(jī)的理論熱效率ηth可用奧托循環(huán)的理想循環(huán)效率計(jì)算式來(lái)表達(dá)。

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(mén)開(kāi)啟正時(shí)，并可應(yīng)用包括混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的各種發(fā)動(dòng)機(jī)。為了提高熱容比，采用稀薄燃燒是有效的措施，不過(guò)，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(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，則可能發(fā)生爆燃，考慮到推遲點(diǎn)火正時(shí)，會(huì)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(dòng)機(jī)熱平衡

圖3以混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)為實(shí)例，說(shuō)明了在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，出于提高熱效率的目的，已開(kāi)發(fā)出混合動(dòng)力技術(shù)，以及未來(lái)考慮采用的相關(guān)技術(shù)。第1代混合動(dòng)力車Prius所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)中，顯著提高熱效率的方法是實(shí)現(xiàn)高膨脹比，以及采用了阿特金森循環(huán)來(lái)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(dá)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(shí)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(dòng)機(jī)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(fù)荷工況下，用以降低泵氣損失。而且，在高負(fù)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(lái)的技術(shù)研發(fā)趨勢(shì)

根據(jù)近年來(lái)的社會(huì)需求，提高熱效率的重要性也與日俱增。除了混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率達(dá)40%以上，將常規(guī)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率也提高到40%以上，成為未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研發(fā)趨勢(shì)。

為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，降低泵氣損失與冷卻損失、提高抗爆燃性能對(duì)于燃燒的改善具有重大意義。本文以利于改善燃油經(jīng)濟(jì)性及提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(dòng)機(jī)技術(shù)

3.1混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)的研究實(shí)例高滾

最大限度運(yùn)用EGR及稀薄燃燒技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效燃燒的有效方法。為了促進(jìn)燃燒，以在缸內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈紊流為目標(biāo)，對(duì)渦流、擠氣和滾流(的應(yīng)用)進(jìn)行了研究。在此除了說(shuō)明這些氣流運(yùn)動(dòng)的特征之外，還論述了其成為未來(lái)主要應(yīng)用的氣流運(yùn)動(dòng)的理由。

要產(chǎn)生渦輪，需要在進(jìn)氣系統(tǒng)裝配渦流控制閥(SCV)，不過(guò)，如果轉(zhuǎn)速高，則會(huì)產(chǎn)生泵氣損失，不利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能。另外，從擠氣運(yùn)動(dòng)來(lái)看，活塞處于上止點(diǎn)附近時(shí)，由于在氣缸蓋與活塞之間產(chǎn)生強(qiáng)烈氣流互動(dòng)，可以看到缸孔附近的爆燃現(xiàn)象。不過(guò)，如果擠氣率不夠大，則使得抑制EGR極限擴(kuò)大與稀薄燃燒極限拓展無(wú)法產(chǎn)生預(yù)期的效果。所以，該技術(shù)的實(shí)用化并不容易。另一方面，通過(guò)對(duì)進(jìn)氣道形狀的精心設(shè)計(jì)，確保滾流更好的促進(jìn)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(rèn)為是下一代發(fā)動(dòng)機(jī)主流技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步擴(kuò)大。在此，通過(guò)介紹假設(shè)的混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)其快速燃燒的實(shí)例進(jìn)行了研究。

對(duì)圖4所示混合動(dòng)力車Prius用發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道形狀進(jìn)行變更研究，力求產(chǎn)生強(qiáng)烈滾流。如圖5所示，與目前已經(jīng)量產(chǎn)的進(jìn)氣道形狀相比較，改進(jìn)后的進(jìn)氣道形狀更接近直筒狀(杯形)，圖6顯示了這時(shí)的實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)活塞形狀進(jìn)行的優(yōu)化也是重要手段之一。因此，通過(guò)缸內(nèi)的流動(dòng)計(jì)算及實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)活塞形狀進(jìn)行了改進(jìn)。此外，由于實(shí)施缸內(nèi)強(qiáng)滾流化，如果氣體流動(dòng)增強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生電火花被吹滅的現(xiàn)象。因此，也實(shí)施了點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化。

圖7表示以進(jìn)氣道形狀的變更，活塞形狀的變更，以點(diǎn)火系統(tǒng)的強(qiáng)化為核心，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的提高進(jìn)行了研究。為了促進(jìn)燃燒，進(jìn)而力求EGR冷卻技術(shù)的應(yīng)用，可知在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)上能使熱效率達(dá)到40%。此外，可知由于有效應(yīng)用滾流，進(jìn)而促進(jìn)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(dòng)機(jī)中的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大。

圖4 混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)(2ZR-FXE)

圖5 進(jìn)氣道形狀比較

圖6 進(jìn)氣道形狀變更的效果

圖7 熱效率研究結(jié)果

3.2在車用自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)上的技術(shù)實(shí)例高滾

如前文所述，豐田公司在混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)研發(fā)中，以提高熱效率為重點(diǎn)大力推進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)，并將ESTEC技術(shù)也應(yīng)用于常規(guī)車用發(fā)動(dòng)機(jī)上，并進(jìn)行量產(chǎn)。對(duì)于常規(guī)車用發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其性能的提高相比混合動(dòng)力車來(lái)說(shuō)更為重要。因此，豐田公司正在重點(diǎn)地開(kāi)展促進(jìn)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(dòng)機(jī)(1KRFE)為實(shí)例，論述技術(shù)研發(fā)狀況。圖8為兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗的降低，以及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的提高而采用的技術(shù)總體概況。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)采用的技術(shù)

促進(jìn)燃燒的方法，在采用與前述相同的利用強(qiáng)烈滾流進(jìn)行的EGR冷卻技術(shù)。投入量產(chǎn)時(shí)，為力求兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性，從而進(jìn)行了進(jìn)氣道的精心設(shè)計(jì)。如果要以促進(jìn)燃燒為目標(biāo)，則需強(qiáng)化滾流。如圖9所示，進(jìn)氣道的流量系數(shù)降低，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生影響。因而，如圖10所示，這種發(fā)動(dòng)機(jī)除了對(duì)進(jìn)氣道的形狀進(jìn)行了改進(jìn)以外，在氣門(mén)座附近也進(jìn)行了較大的改進(jìn)，力求兼顧降低燃油耗與提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。

其次，對(duì)兼顧抗爆燃性與低摩擦要求的技術(shù)進(jìn)行了介紹。滾流由于在進(jìn)氣行程中促進(jìn)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(guò)降低該部分的溫度，可獲得抑制爆燃的效果。另一方面，可知通過(guò)提高缸套中部的溫度，在不惡化抗爆燃性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低摩擦的效果。因此，如圖11所示，通過(guò)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)低摩擦的效果。

圖9 滾流比與流量系數(shù)

圖10 進(jìn)氣道的改進(jìn)實(shí)例

圖11 冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)實(shí)例

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

3.2在增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的技術(shù)實(shí)例高

豐田公司從2014年起，采用了ESTEC技術(shù)的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)投入量產(chǎn)。新開(kāi)發(fā)的排量為2．0 L的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)是全方位兼顧低燃油耗與動(dòng)力性能的機(jī)型。圖13表示了發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)概況。

關(guān)于促進(jìn)燃燒的技術(shù)，采用了前文介紹過(guò)的強(qiáng)滾流。與1KR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，為兼顧強(qiáng)滾流與高流量系數(shù)，在進(jìn)氣道形狀結(jié)構(gòu)上作了精心考慮。此外，該發(fā)動(dòng)機(jī)的特征在于配備了缸內(nèi)直噴噴油器與進(jìn)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(dòng)機(jī)采用的技術(shù)

圖14 燃油噴射系統(tǒng)

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

混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)采用了阿特金森循環(huán)，除了可以提高高負(fù)荷工況下的熱效率外，也可在低負(fù)荷工況下有效降低泵氣損失，不過(guò)，如果常規(guī)車用發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)分推遲進(jìn)氣門(mén)正時(shí)的關(guān)閉，雖然能改善燃油經(jīng)濟(jì)性，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)中的問(wèn)題待解決，采用進(jìn)氣門(mén)正時(shí)受到一定制約，因此沒(méi)有采用。發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)了帶有鎖銷結(jié)構(gòu)的電動(dòng)連續(xù)可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)(VVT-iw)，使得兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能與低油耗要求成為可能。此外，由于可變氣門(mén)正時(shí)(VVT)油路的改進(jìn)，力求提高氣門(mén)正時(shí)變更時(shí)的靈敏度(響應(yīng)性)，對(duì)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(jìn)行了機(jī)油噴射切換裝置及新機(jī)油的開(kāi)發(fā)，并且兼顧低油耗的前提，以及避免增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的低速預(yù)點(diǎn)火(LSPI)。此外，由于新開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)動(dòng)車用戶在世界各地順暢行駛。

在今后的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中，以本文介紹的技術(shù)為指導(dǎo)，力求進(jìn)一步發(fā)展，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與汽車駕駛愉悅性得到兼顧。

4結(jié)語(yǔ)

豐田公司為改善混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，致力于提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)水泵等設(shè)備的應(yīng)用。加上這類混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中發(fā)展起來(lái)的低油耗技術(shù)，豐田公司將該類以重點(diǎn)促進(jìn)燃燒的新技術(shù)稱為ESTEC技術(shù)。自2014年起，該技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)。其結(jié)論如下:

(1)作為促進(jìn)燃燒的手段，采用強(qiáng)烈滾流是卓有成效的。由于該技術(shù)應(yīng)用于混合動(dòng)力用發(fā)動(dòng)機(jī)上使得進(jìn)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(jī)可以實(shí)現(xiàn)熱效率40%。

(2)利用滾流以促進(jìn)燃燒的技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)車輛的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的高性能化，所以針對(duì)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)開(kāi)展了兼顧強(qiáng)滾流化及發(fā)動(dòng)機(jī)高動(dòng)力性能化要求的研發(fā)。此外，由于同時(shí)引進(jìn)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(dòng)機(jī)中，應(yīng)用強(qiáng)滾流技術(shù)也是非常有效的。而且，新開(kāi)發(fā)的2．0 L發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于采用缸內(nèi)直噴與進(jìn)氣道噴射2種噴射方式，使得發(fā)動(dòng)機(jī)從冷起動(dòng)到暖機(jī)后的燃燒得到了改善。此外，為實(shí)現(xiàn)在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的阿特金森循環(huán)技術(shù)，應(yīng)用開(kāi)發(fā)新的VVT-iw技術(shù)，謀求兼顧低油耗與發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能的平衡。

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