提高汽油機(jī)熱效率的技術(shù)

【日】 中田浩一 佐々木望 太田篤治

0 前言

為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，以及抑制全球氣溫變暖，改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性變得越來(lái)越重要。在日本國(guó)內(nèi)，混合動(dòng)力車得到發(fā)展和普及，而在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中，提高熱效率的措施變得極為重要。在各種提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的方法中，有效運(yùn)用阿特金森循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及廢氣再循環(huán)（EGR）[1]等技術(shù)正在逐步實(shí)用化。此外，對(duì)于大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率來(lái)說(shuō)，增壓稀燃技術(shù)是極為有效的[2-4]。因此，本文就圍繞提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率所開(kāi)展的研究作了簡(jiǎn)要介紹。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率

火花點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的理論熱效率ηth可用式（1）來(lái)表述。這是被稱為“奧托循環(huán)”的理想循環(huán)效率，式（1）顯示，要提高熱效率，有效的方法是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比ε和采用稀燃技術(shù)。

式中，κ為熱容比。

實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)定膨脹比高于壓縮比的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)已處于實(shí)用化階段。

另外，在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中，存在理論算式中未予考慮并列出的各種損失。圖1顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)的熱平衡，以及直列式發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力為0.2 MPa和0.8 MPa的結(jié)果。由圖1可知，高負(fù)荷時(shí)，泵氣損失、摩擦損失及冷卻損失的比例趨于降低。這表明，提高負(fù)荷對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率是有效的。但是，一旦提高汽油機(jī)的負(fù)荷，則有可能會(huì)發(fā)生爆燃，因此，防止爆燃的措施與技術(shù)也是極為重要的。

綜上所述，要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，除了提高膨脹比之外，采取防止爆燃的措施，以及采用稀燃技術(shù)等都是有效的方法。尤其是將稀燃技術(shù)與增壓技術(shù)相結(jié)合，其效果將更為顯著。

2 提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的技術(shù)

本文在簡(jiǎn)要介紹阿特金森循環(huán)及冷卻EGR技術(shù)的效果之后，又討論了增壓稀燃技術(shù)的效果。此外，闡述了燃料辛烷值對(duì)增壓稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

2.1 阿特金森循環(huán)和冷卻EGR

豐田汽車公司早在第1代Prius車上就已開(kāi)始采用阿特金森循環(huán)，不僅能提高最高熱效率，即便在低負(fù)荷區(qū)域，也因高膨脹比效果及泵氣損失降低效果而使熱效率得到提高。另外，目前市售的Prius車已采用冷卻EGR裝置，由于防爆燃效果的改善，以及降低了冷卻損失，其最高熱效率得到進(jìn)一步提高。圖2為各種技術(shù)改善熱效率的實(shí)例。

2.2 增壓稀燃

如前文所述，從理論上來(lái)講，要提高熱效率，稀燃技術(shù)是極為有效的。此外，即使從降低冷卻損失的觀點(diǎn)來(lái)看，稀燃技術(shù)也比EGR裝置更為有效。其原因如圖3所示，稀燃能使燃燒時(shí)的總氣體量增多，也就是說(shuō)，可以提高氣體的熱容量，從而降低燃燒氣體的溫度。

若采用自然吸氣汽油機(jī)，并應(yīng)用稀燃技術(shù)，由于吸人空氣量受到限制，會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的降低。這思味著機(jī)械損失比例會(huì)增加，無(wú)法使最高熱效率有太大的提高。因此，有效運(yùn)用增壓器提高扭矩是很重要的。下文將介紹增壓稀燃技術(shù)的研究實(shí)例。

2.2.1 研究用發(fā)動(dòng)機(jī)

為實(shí)現(xiàn)稀燃，促進(jìn)燃燒是非常重要的。這里簡(jiǎn)要介紹有效運(yùn)用擠氣與滾流的相關(guān)實(shí)例[5]。圖4為研究用發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。圖4（a）是在柴油機(jī)上安裝火花塞的實(shí)例。在這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，可以確認(rèn)燃燒的改善，因此，在后文所述熱效率研究中，運(yùn)用經(jīng)改良的汽油機(jī)氣缸蓋進(jìn)行了相關(guān)的研究。圖4（b）是在屋脊型燃燒室中采用雙火花塞的實(shí)例，其采用高滾流氣道，滾流比為1.5。

2.2.2 擠氣的應(yīng)用

為研究擠氣對(duì)促進(jìn)燃燒的效果，采用不同擠氣率的活塞研究了其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩及燃燒速度的影響。

圖5為在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下各點(diǎn)火定時(shí)的扭矩特性。圖5所示MBT點(diǎn)或輕度爆燃點(diǎn)的燃燒持續(xù)期示于圖6。由圖5和圖6可知，擠氣率越高，促進(jìn)燃燒的效果就越好。當(dāng)擠氣率達(dá)80%以上時(shí)，主燃燒持續(xù)期在10°CA以下，實(shí)現(xiàn)了非常快速的燃燒。另一方面，當(dāng)擠氣率高達(dá)90%以后，會(huì)出現(xiàn)扭矩降低及產(chǎn)生燃燒噪聲等問(wèn)題。擠氣率達(dá)90%會(huì)引起扭矩降低，被認(rèn)為是缸內(nèi)混合氣的紊流強(qiáng)化，以及受燃燒室形狀的影響而使冷卻損失增大的緣故。這里，按相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸截面積的擠氣部分面積比例來(lái)定義擠氣率。

柴油機(jī)改進(jìn)后的研究結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩是在擠氣率為80%時(shí)達(dá)到最大值，故將汽油機(jī)的擠氣率設(shè)定為80%，進(jìn)行熱效率的相關(guān)研究。

圖7為熱效率的研究結(jié)果。在應(yīng)用稀燃技術(shù)的情況下，由于混合氣稀燃極限與氮氧化物（NOx）的關(guān)系很重要，所以，圖7以空燃比為參數(shù)加以整理。圖7中的“●”符號(hào)是在不用增壓器的情況下增大空燃比（混合氣趨于稀薄）的結(jié)果。混合氣越稀薄，熱效率就越高，空燃比22.0時(shí)的熱效率為40.2%，而達(dá)到混合氣稀燃極限，即空燃比23.0時(shí)，熱效率降低。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降低后，摩擦損失比例增大的緣故。如確認(rèn)此時(shí)的點(diǎn)火放電時(shí)間，則由于0.5 ms以下的循環(huán)增多而強(qiáng)化了點(diǎn)火系統(tǒng)。為了在結(jié)構(gòu)上使放電時(shí)間增至1 ms以上，并且強(qiáng)化放電電流，將市售的每組3個(gè)串聯(lián)的點(diǎn)火線圈按并聯(lián)結(jié)構(gòu)布置成2組。

圖7中的“○”符號(hào)表示采用強(qiáng)化點(diǎn)火能點(diǎn)火裝置進(jìn)行熱效率研究的結(jié)果。由于強(qiáng)化了點(diǎn)火，稀氣極限達(dá)到了空燃比25.0的水平。但在非增壓狀態(tài)下，由于扭矩降低，導(dǎo)致熱效率也降低了。因此，采用增壓器研究了熱效率，并在圖7中用“▲”符號(hào)來(lái)表示研究結(jié)果。在空燃比為23.6時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到41.6%，相比安裝增壓器之前的狀態(tài)，稀氣極限變得更為狹窄，這是因?yàn)椴捎迷鰤浩骱蟊紬l件更為苛刻，因此不能提前點(diǎn)火定時(shí)。

為進(jìn)一步擴(kuò)大稀氣極限以提高熱效率，對(duì)雙火花塞的方案進(jìn)行了研究。火花塞的位置如圖7所示，火花塞間的距離不足10 mm，2點(diǎn)之間相當(dāng)接近。圖7中的“■”符號(hào)表示試驗(yàn)結(jié)果，稀氣極限擴(kuò)大到空燃比29.0，熱效率提高到42.9%。此外，NOx排放量也降低到1 g/（k W·h）以下。

由以上結(jié)果可知，強(qiáng)化缸內(nèi)混合氣的紊流，以及優(yōu)化點(diǎn)火系統(tǒng)的措施，都對(duì)促進(jìn)燃燒有較大的效果。此外，組合應(yīng)用增壓器與稀燃技術(shù)對(duì)提高熱效率也極為有效。但是，此類發(fā)動(dòng)機(jī)受配氣正時(shí)因素的制約，同時(shí)也存在理論空燃比條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)燃燒室內(nèi)溫度過(guò)高等問(wèn)題，因此，下文將介紹運(yùn)用滾流的相關(guān)研究結(jié)果。

2.2.3 滾流的有效應(yīng)用

下面介紹將滾流比提高到1.5的發(fā)動(dòng)機(jī)研究結(jié)果。根據(jù)擠氣的相關(guān)研究可知，提高點(diǎn)火能，以及采用雙火花塞對(duì)提高熱效率極為有效。因此，設(shè)定點(diǎn)火線圈的能量為100 mJ，并采用雙火花塞的設(shè)計(jì)。雙火花塞分別布置在燃燒室的中央和氣缸邊緣。雖然針對(duì)邊緣與中央部位的點(diǎn)火時(shí)間差能擴(kuò)大稀燃極限[5]，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不同，最佳點(diǎn)火定時(shí)也會(huì)有差異，因此在此次試驗(yàn)中，設(shè)定中央與邊緣同時(shí)點(diǎn)火。

由于同時(shí)應(yīng)用滾流和強(qiáng)化點(diǎn)火系統(tǒng)的技術(shù)將有利于拓展稀燃極限，因此如表1所列，采用辛烷值較高的生物質(zhì)燃料乙醇及丁醇[6，7]作為試驗(yàn)燃料的評(píng)價(jià)對(duì)象，以研究提高熱效率的可能性。圖8為相對(duì)平均有效壓力的熱效率特性。結(jié)果顯示，辛烷值越高的燃料，改善爆燃的效果就越大，因此在高負(fù)荷區(qū)域的熱效率也越高。圖9為各種燃料的最高熱效率，RON 99.6的燃料熱效率達(dá)42.0%。若燃用乙醇，則熱效率可高達(dá)44.0%。這已經(jīng)達(dá)到了與柴油機(jī)相同或更高的水平，這對(duì)在將來(lái)減少二氧化碳排放也是極為有利的。

表1 研究用燃料

圖10為使用汽油與醇類燃料時(shí)的混合氣稀燃極限及NOx排放量。關(guān)于混合氣稀燃極限，由于是對(duì)汽油與醇類燃料進(jìn)行比較，因此不用空燃比，而是用過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)表述。由圖10可知，如果燃用醇類燃料，則混合氣稀燃極限擴(kuò)大，并且NOx排放較少[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱后，醇類燃料顯示出優(yōu)異的燃燒特性，另一方面，也有報(bào)告提出，燃用醇類燃料需解決冷態(tài)運(yùn)行時(shí)的一些問(wèn)題，所以，可以考慮將其作為辛烷值增強(qiáng)劑來(lái)加以適量運(yùn)用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了EGR、增壓稀燃等提高汽油機(jī)熱效率的技術(shù)實(shí)例。為了實(shí)現(xiàn)并發(fā)展這些技術(shù)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒是極為重要的。此外，在應(yīng)用稀燃技術(shù)時(shí)，研發(fā)排氣后處理新技術(shù)，以及降低成本都是不可或缺的。雖然本文沒(méi)有涉及，但降低發(fā)動(dòng)機(jī)零部件摩擦等措施也能對(duì)提高熱效率起到良好效果。目前，內(nèi)燃機(jī)仍是汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的主力，作為發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)人員，必須致力于研究能進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的技術(shù)，為降低燃油耗作出貢獻(xiàn)。