解讀關于高熱效率的低燃油耗技術ESTEC分析

我們于5月16日更新了“采用低熱損失燃燒概念的高效率柴油機——豐田直列4缸2.8 L ESTEC 1GD-FTV發(fā)動機”一文，在讀者中反響強烈，不少讀者對ESTEC技術產(chǎn)生了濃厚的興趣。本期的“好文推薦”我們將對ESTEC技術進行總體性的介紹。下期的“好文推薦”我們將針對具體的型號ESTEC發(fā)動機進行介紹，讀者朋友們就等著一飽眼福吧！

混合動力車上市距今已近20 年，這一技術為全球CO2 減排作出了重大貢獻。眾多研究都致力于使混合動力發(fā)動機達到最低燃油耗( 即最高熱效率) ，可通過控制發(fā)動機運行區(qū)域達到這一要求。同時，考慮到氣候變化和能源問題，關注常規(guī)車型的低燃油耗研究進展也同樣重要。采用高壓縮比的阿特金森循環(huán)是提高混合動力發(fā)動機熱效率的常用方法，但缺點是會造成發(fā)動機扭矩下降。相比混合動力發(fā)動機，常規(guī)發(fā)動機的低負荷工況熱效率更加重要，因此必須克服上述問題。介紹具有高熱效率的低燃油耗技術ESTEC，敘述其實現(xiàn)高熱效率的途徑，以及將該技術用于常規(guī)發(fā)動機的具體方法。

氣候變化和能源問題使改善車輛燃油經(jīng)濟性成為當務之急。發(fā)動機制造商、零部件供應商和研究機構正努力提高熱效率，以改善車輛的燃油經(jīng)濟性。

圖1 發(fā)動機熱效率的演化

圖1 示出了傳統(tǒng)火花點火發(fā)動機的熱效率及其未來變化趨勢。當前，常規(guī)發(fā)動機的熱效率約為36%，混合動力發(fā)動機則達到38%以上。在混合動力發(fā)動機上應用阿特金森循環(huán)、冷卻廢氣再循環(huán)( EGR) 、電控水泵和低摩擦技術，能對提高熱效率起重要作用。未來有望將上述技術用于常規(guī)發(fā)動機，從而使兩者的熱效率均達到40%以上。上述技術能夠提高發(fā)動機在低負荷工況下的熱效率，目前正在評估這些技術能否克服自然吸氣汽油機的缺點。從未來的發(fā)展趨勢來看，要使發(fā)動機熱效率達到40%以上，采用大容量冷卻EGR 和稀薄燃燒是必不可少的，這意味著燃燒過程對發(fā)動機的開發(fā)而言越來越重要。此外，也要關注低摩擦和氣門傳動系統(tǒng)等基礎技術的改進。下文將具體介紹具有高熱效率的低燃油耗( ESTEC) 發(fā)動機的相關技術。

1 發(fā)動機熱效率

首先從理論角度闡述提高發(fā)動機熱效率的方法，然后觀察實際的運行狀況，最后指出其未來趨勢。奧托循環(huán)的理論熱效率可以表述為:

式中，ε 表示壓縮比或膨脹比，Cp 為定容比熱，Cv 為定壓比熱。式( 1) 和式( 2) 表明，高壓縮比或高比熱比可以改善發(fā)動機熱效率。具體而言，可以考慮提高幾何壓縮比，推遲排氣門開啟正時，以及采用稀薄燃燒等。圖2 為計算了機械損失、泵氣損失、冷卻損失、排氣損失，以及未燃損失后發(fā)動機的實際熱效率值。

圖2 發(fā)動機的熱平衡對比( 2ZR-FXE 直列4 缸1.8 L 發(fā)動機，轉(zhuǎn)速2000 r /min)

降低機械損失是基本的發(fā)動機技術，具體的技術方案有減小活塞環(huán)張力、優(yōu)化軸承軸線和寬度等?？梢岳孟冗M的氣門機構、EGR 和稀薄燃燒等技術逐步達到降低泵氣損失的目的。EGR 和稀薄燃燒等技術還能降低燃燒溫度，進而減少冷卻損失，同時，諸如長行程設計和優(yōu)化燃燒室設計等對降低冷卻損失也很重要。增大膨脹比是減少排氣損失的首選方法，如上文所述，增大膨脹比意味著提高幾何壓縮比或推遲排氣門開啟正時，但如果提高幾何壓縮比，則必須改善發(fā)動機的抗爆性。

技術人員已經(jīng)開發(fā)了很多提高發(fā)動機熱效率的技術。圖3 示出了現(xiàn)已開發(fā)的混合動力技術和未來可能采用的技術。在開發(fā)第1 代混合動力發(fā)動機時，主要通過采用非常規(guī)高膨脹比的阿特金森循環(huán)和低摩擦技術來提高熱效率。當前的混合動力發(fā)動機還引入了冷卻EGR 和電控水泵，可以達到38%以上的熱效率。研究人員在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，采用大容量冷卻EGR 對改善抗爆性和降低泵氣損失均有明顯收效。未來對混合動力發(fā)動機的開發(fā)重點將會是采用燃燒技術，擴大EGR 上限，并通過稀薄燃燒方式降低發(fā)動機摩擦損失。

圖3 未來發(fā)動機技術開發(fā)趨勢

2 混合動力技術在常規(guī)車型上的應用

提高發(fā)動機熱效率的典型做法是采用高壓縮比的阿特金森循環(huán)，不過，采用高壓縮比的缺點之一是會導致發(fā)動機扭矩下降( 圖4) ?；旌蟿恿ο到y(tǒng)可以借助電動機轉(zhuǎn)矩來補償發(fā)動機扭矩的下降，但對常規(guī)車型來說，這一點很難做到。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1500 ～ 2000 r /min、負荷50%左右的運行范圍內(nèi)，混合動力發(fā)動機具有良好的性能和熱效率( 圖5) 。相比混合動力發(fā)動機，常規(guī)發(fā)動機在低負荷工況下的熱效率更加重要。

本文針對采用阿特金森循環(huán)后造成的低速扭矩不足，介紹補償發(fā)動機扭矩下降的方法，以及在低負荷工況下優(yōu)化內(nèi)部EGR、冷卻EGR、阿特金森循環(huán)的方法和降低摩擦的技術。所有數(shù)據(jù)均來自1NR-FKE型發(fā)動機ESTEC 技術的開發(fā)過程。31NR-FKE 型ESTEC 發(fā)動機概況表1 列出了新開發(fā)的1NR-FKE 型ESTEC發(fā)動機和現(xiàn)有1NR-FE 型發(fā)動機的主要技術規(guī)格，1NR-FE 型發(fā)動機配裝在豐田汽車公司的A級和B級車上。

圖4 混合動力車型和常規(guī)車型的發(fā)動機扭矩

圖5 頻率脈譜對比

圖6 1NR-FKE 型發(fā)動機

阿特金森循環(huán)從1997 年開始正式用于第1 款Prius 混合動力車，為實現(xiàn)卓越的熱效率，采用高達13.5 的幾何壓縮比和水冷EGR 系統(tǒng)。

為了能在常規(guī)車型上應用阿特金森循環(huán)，采用電控VVT-i 或VVT-iE 是關鍵因素。這樣可快速而精確地控制進氣門相位，并避免因冷起動導致的機油溫度和壓力變動對發(fā)動機造成制約。

水冷EGR 系統(tǒng)具有1 個高效的EGR 冷卻器，包括1 個快速響應的EGR閥。此外，進氣歧管、EGR閥和冷卻器之間直接連接，以降低EGR 冷卻器冷凝作用的影響。進氣道采用強滾流、大流量設計，實現(xiàn)快速燃燒，可避免爆震。為了同時滿足發(fā)動機的動力性能和燃油耗要求，新機型采用4-2-1 管狀排氣歧管設計，以減少燃燒后的缸內(nèi)殘余廢氣量。

4 恢復全負荷動力性能

圖7 為恢復發(fā)動機扭矩后的結果。改進排氣歧管形狀，加入1 個新型水套隔片，并優(yōu)化噴油定時。圖8 顯示缸內(nèi)殘余廢氣量下降2.5%，補償了壓縮比從11.5 增加到13.5所造成的燃氣溫度升高效應。管狀排氣歧管的掃氣效果降低了殘余廢氣量。圖9為殼狀排氣歧管與管狀排氣歧管的掃氣效果差異。

圖7 恢復發(fā)動機扭矩后的效果

圖8 燃氣溫度的折中效應

圖9 排氣歧管的掃氣效果

5 優(yōu)化EGR 系統(tǒng)

混合動力發(fā)動機應用阿特金森循環(huán)和冷卻EGR降低燃油耗。但是，冷卻EGR 的應用受到扭矩波動的限制，而后者是由于過于依賴低溫燃燒導致燃燒品質(zhì)變差引起的。因此，在低負荷工況下的熱EGR區(qū)域采用內(nèi)部EGR，可以有效控制燃燒溫度，并降低燃油耗。圖10 為轉(zhuǎn)速1 200 r /min、負荷30%的低負荷工況數(shù)據(jù)。在大流量冷卻EGR 條件下，EGR 率為12% ～ 20%，扭矩波動量超過判據(jù)值，未燃碳氫化合物( HC) 排放較高，因此燃燒溫度似乎過低。另一方面，采用內(nèi)部EGR 時，氣門重疊角為45 °CA，冷卻EGR 率為0。此時，燃油耗低于大流量冷卻EGR 條件下的，扭矩波動量表現(xiàn)良好，且未燃HC 排放有所下降。最終優(yōu)化的EGR 如圖10 中所示，氣門重疊角為45°CA，冷卻EGR 率為3%，此時燃油耗最低。

圖11 示出了優(yōu)化的氣門正時和EGR 閥步長。低負荷工況下，提前排氣門正時，采用內(nèi)部EGR; 中等及高負荷工況下，推遲排氣門正時，EGR 閥步長提前。

圖10 內(nèi)部熱EGR 的效果( 轉(zhuǎn)速1200 r /min，負荷30%，冷卻水溫88℃，機油溫度110℃，進氣溫度25℃，空燃比14.6)

圖11 優(yōu)化后的EGR 和可變氣門正時( 1200 r /min)

6 摩擦損失的降低

對于高壓縮比造成的發(fā)動機扭矩下降問題，優(yōu)化冷卻是很好的應對方法，但改善冷卻后會增加摩擦損失和冷卻損失，對燃油耗產(chǎn)生負面影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，采用全新外圍水套隔片后，與氣缸表面相配，其效果得到大幅增強。圖12 為外圍水套隔片的形狀，圖13 示出了隔片在水套中的安裝情況。

圖12 外圍水套隔片

圖13 外圍水套隔片的安裝

使用外圍水套隔片的目的在于控制氣缸表面溫度。圖14 為氣缸表面溫度分布圖。采用外圍水套隔片后，氣缸中部冷卻水一側的溫度會快速升高，而頂部和底部的溫度幾乎保持相同。

圖14 使用外圍水套隔片前后的溫度對比( 轉(zhuǎn)速2800r /min，全負荷工況，冷卻水溫度82℃)

如圖15 所示，由于采用外圍水套隔片降低了摩擦損失，所以在相同水溫下的發(fā)動機扭矩得以提高。氣缸活塞一側頂部溫度與中部溫度保持相同( 圖14) ，此時點火滯后最小。

圖15 采用外圍水套隔片后的效果( 機油溫度110℃，進氣溫度25℃)

7 結語

得益于各種技術方案的實施，1NR-FKE 型ESTEC 發(fā)動機能保持與1NR-FE 型發(fā)動機相同的高動力性能，同時具有高達38%的卓越熱效率。圖16示出了該機型的動力性能。新機型的低燃油耗運行區(qū)域大幅增加，低負荷工況燃油耗大幅下降。與美國市區(qū)LA4 工況相似，在JC08 試驗工況下，1NRFKE型ESTEC 發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性改善率達到11%。其中，高壓縮比阿特金森循環(huán)為主要因素，摩擦降低居其次( 圖17) 。

圖16 1NR-FKE 型發(fā)動機的動力性能( 冷卻水溫度88℃，機油溫度110℃，進氣溫度25℃)

圖17 JC08 試驗工況下燃油耗的降幅