高效燃燒汽油機技術特點分析與研究

王占峰 王陸怡 韓令海 馬赫陽 李金成

（1.中國第一汽車股份有限公司 研發總院，長春 130013；2.中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司，天津 300462）

主題詞：汽油機 高熱效 增壓技術

1 前言

如今，國六油耗及排放法規已經在國內多地實施，日益嚴格的油耗及排放標準驅使各主機廠紛紛開發高熱效率內燃機。前不久豐田發布的2.5 L汽油機在混動車型上的最高熱效率已經達到了41%[1]，此汽油機采用了阿特金森循環設計，結合廢氣再循環（EGR）、電動進排氣可變正時（DVVT）、混合噴射、高能點火、激光熔覆座圈、電控冷卻水泵、大沖程/缸徑（S/B）比、寬進氣道快速燃燒等先進技術，將基礎機型的熱效率提升了3%。綜合來看，熱效提升貢獻較大的因素還是因為此汽油機采用了高達13:1的壓縮比，混動版更是達到了14:1的壓縮比。但高壓縮比的實用是以放棄進氣增壓抑制爆震為代價的，導致內燃機犧牲了部分動力性。升功率可以從側面反映一個內燃機動力性的強弱。如圖1所示，升功率和熱效率是互相制約的一對因素，兼顧兩者需要技術上的突破。馬自達公司采用均質充量壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI）技術的發動機SKYACTIV-X就給出了技術解決方案，其采用火花引燃式壓燃技術將汽油機工作平順與柴油機工作高效的特性結合了起來，高效工作區間寬廣，為高熱效率技術方案提供了新的解決思路。

圖1 升功率-熱效率趨勢[2]

2 馬自達汽油機SKYACTIV-X技術路線

SKYACTIV-X發動機的主要開發思路是通過對壓縮比、空燃比和燃燒速率3個因數的提高實現快速稀薄燃燒，超過30:1的空燃比在提升比熱及熱效率的同時很好的抑制NOx的生成。使得SKYACTIV-X在擁有更低燃油消耗率的同時獲得了更高的動力特性，如圖2、圖3所示[3]。但想實現如此之大的空燃比混合氣體燃燒并不容易，這就需要借助火花塞控制點火壓燃 SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）技術予以實現。借助高能點火火花塞、分段燃油噴射、超高壓燃油噴射系統和缸內壓力傳感器等技術手段，讓SKYACTIV-X在全工況內可以根據燃燒效率在SI和CI點火模式間自由切換，高熱效范圍將進一步擴大。據官方公布數據，此發動機搭載在馬自達3S上，WLTP的額定油耗為50.4 mpg(5.6 L/100 km)，二氧化碳排放量為102 g/km。

圖2 SKYACTIV系列發動機比油耗曲線[3]

圖3 SKYACTIV系列發動機外特性曲線[3]

由圖2和圖3可見SKYACTIV-X發動機較上代提高20%同時，在頻繁使用低車速的區域，由于使用超級稀薄燃燒，燃油經濟性可提高多達30%。SKYAC-

式中，ηt為發動機循環熱效率；εc為發動機壓縮比；k為等熵指數。

市面主流的增壓發動機壓縮比都在10:1左右，若將壓縮比提升至15:1，則理論熱效率至少提升9%[4]，而SKYACTIV-X壓縮比高達16.3:1。

2.2 稀薄燃燒

普通汽油機為保證點火可靠，通常將燃燒室空燃比控制在10:1～20:1左右。稀薄燃燒具有燃燒充分、燃油經濟性好、充分抑制氮氧化物生成等優點，越來越受到主機廠重視，如圖4、5所示。其技術又可細分為進氣道噴射稀燃系統（PFI）、直接噴射稀燃系統（GDI）和均質混合氣壓燃系統（HCCI）。HCCI具有兼有動力性和經濟性、結合EGR降低傳熱損失、燃燒速率可控等優點，已經成為近些年高熱效率發動機設計爭先采用的技術[6]。TIV-X的發動機排量為2.0 L，它比目前的SKYACTIV-G至少提升了10%的扭矩，在某些轉速下可提高30%。

2.1 高壓縮比

SKYACTIV-X發動機在中低負荷都工作在30:1以上的空燃比工況下，欲點燃如此稀薄的混合氣自然需要較大的壓縮比，縮小混合氣分子間距離，提高初始熱能令混合氣更易點燃。另一方面高壓縮比可以提升缸內燃燒速率增加定容度，這也從另一方面解釋了壓縮比與熱效率之間的關系。由內燃機學公式（1）可知發動機循環熱效率與壓縮比有如下關系：

圖4 比油耗與過量空氣系數（Lambda）關系曲線[5]

圖5 NOx與Lambda關系曲線[5]

SKYACTIV-X發動機采用SPCCI技術讓發動機在特定工況下可以在36.8:1的空燃比下穩定工作，同時配合高強度的廢氣再循環系統使熱效率及NOx排放都控制在行業領軍水平。

2.3 SPCCI火花塞點火控制壓燃技術

SKYACTIV-X最大的技術亮點就是SPCCI火花塞點火控制壓燃系統，HCCI技術問世已有一段時間，但將其用于量產發動機上的公司寥寥無幾。究其原因是因為汽油壓燃式點火模式無法在發動機全工況領域內使用，尤其在低轉速高扭矩區域和高負荷區域，發動機工作粗暴，燃燒過于激烈，發動機壽命受到嚴重影響，如圖6所示。

圖6 SKYACTIV-X工作模式切換邏輯[7]

SKYACTIV-X工作在低負荷工況時，首先在進氣階段隨著活塞的下移機械增壓后的空氣進入燃燒室，在活塞頂凹坑及桶型進氣道的綜合作用下形成具有較強湍動能的渦流，伴隨著少量燃油的注入形成極稀的初級混合氣。隨著活塞的上升，100 MPa噴油系統逐步將余下燃油噴入缸內，直到活塞運動到上止點，最終形成上濃下稀的稀燃混合氣，使火花塞周圍濃度維持在SI(Spark Ignition)可工作濃度范圍內。最終隨著100 mJ的高能火花塞跳火，點燃混合氣形成初級火球，隨著火核的生長，燃燒室內壓力及溫度達到汽油混合氣壓燃條件，發生壓燃點火實現均質壓燃。在高負荷區域控制混合氣濃度實現單純SI點火，因此可在CI(Compression Ignition)與SI兩種點火模式間自由切換，結合了汽油機與柴油機的優點。光學發動機下不同空燃比SI點燃及高λCI點燃情況如圖7所示。

圖7 14.7/29.4:1空燃比混合氣SI與36.8:1 CI對比[7]

2.4 其他熱效率附件

為了實施SPCCI技術，需要發動機多子系統的協同工作。其中包括100 MPa燃油噴射系統（集成缸壓傳感器）、電動VVT、解耦式機械增壓器、EGR冷卻器等。同時在發動機本體零件方面也進行了多處優化設計，如凹坑活塞頂，低轉動慣量飛輪。

解耦式機械增壓器可在低轉速工況下停止工作，保證混合氣濃度不會低于穩定著火空燃比下限。100 MPa的供油系統保證了燃油的瞬間汽化，進一步促進稀燃發生。缸壓傳感器可以實時監測缸內壓力，保證HCCI的順利進行并對燃燒參數進行閉環控制。

經過精心設計的活塞頂造型可以巧妙得避讓火花塞、氣門等運動機構，增加燃燒室的容積和混合氣量，在壓縮過程中形成環流，避免在燃料初期火焰接觸活塞頭，使燃燒更加均勻。此外馬自達此次沿用了與上代機型SKYACTIV-G相同的整體飛輪設計，較更早機型降低飛輪轉動慣量17%，減輕飛輪質量9%，使得發動機空載加速能力增加150 r/s。

3 現代起亞Smartstream 1.5 L Turbo GDI Engine

現代Smartstream 1.5T發動機最大的亮點就是采用了“連續氣門可變持續期”（Continuously Variable Valve Duration，CVVD）技術。當代主流內燃機通常參考機型的不同定位采用不同的做功循環。例如，配合大功率電機（位于離合器后方）工作的內燃機通常采用阿特金森循環，注重動力性能的發動機通常采用米勒循環，而兼顧綜合性能技術門檻最低的發動機通常使用奧托循環。以往的VVT及VVL技術只能調節進排氣門開啟時機及升程，由于凸輪軸包角不變因此并不能控制開啟持續期，這就導致了一臺發動機無法在3種循環模式下工作。而現代這臺發動機通過巧妙的可變偏心凸輪軸機構完成了對氣門開啟持續期的控制，擺脫了經濟性與動力性“Trade-Off”的關系。此外，該發動機還運用LP-EGR、高效燃燒活塞頂及氣缸優化等手段，將發動機性能提升4%，燃油效率提升5%，此外還將尾氣排放減少12%，如圖8所示。

3.1 CVVD技術

CVVD機構主要由CVVD執行器和CVVD運動機構總成組成。凸輪通過滑塊機構與凸輪軸鏈接（扭矩傳遞），如圖9所示，當滑塊組旋轉中心與凸輪軸不重合時便會出現凸輪與凸輪軸之間角速度不等的現象，CVVD正是運用此現象達到延長或縮短進氣門開啟時間的目的。

圖8 Smartstream 1.5 L Turbo GDI主要技術[8]

圖9中紅色桿系代表凸輪軸，藍色桿系代表凸輪，黃色表示滑塊組，當滑塊組旋轉中心與主軸系重合時，凸輪具有與凸輪軸一致的旋轉速度（中圖）；當凸輪軸系相對于滑塊軸系向一側運動時，若凸輪轉到相同側，則旋轉速度降低，若轉到異側則旋轉速度上升。這也就意味著進氣門開啟時間可以在195～360°CA內變化（圖10）。

圖9 CVVD工作原理[8]

圖10 CVVD進氣凸輪軸包角變化范圍[8]

此外CVVD還能實現4:1～10:1壓縮比范圍內的靈活調整，可以實現變壓縮比的功效。在發動機工作在低負荷工作區域時推遲進氣門關閉角，減少壓縮負功，將發動機調校到偏向阿特金森循環的特性，提升燃油經濟性；發動機工作在高負荷區域時盡早關閉進氣門，增大進氣量，最大限度保留湍流強度，使混合氣快速燃燒，提升BMEP。

3.2 LP-EGR技術

EGR技術可以將一部分燃燒廢氣重新導入氣缸參與燃燒，降低燃燒溫度和減小傳熱損失，同時很好的抑制NOx生成。而此款發動機采用低壓廢氣再循環技術，相比以往常用的EGR具有更寬廣的EGR可控范圍。如圖11所示，傳統EGR的再循環接入點位于進氣歧管處，當發動機在低轉速、高載荷點工作時由于進氣量少，EGR率必須控制得很低以穩定燃燒。同時由于接入點位于壓氣機后方，EGR循環壓差很有限，也使得廢氣流通速度降低。采用低壓再循環以后，再循環接入點位于壓氣機前側，配合進氣門節流作用可以產生穩定的進氣壓差，使低負荷區域EGR率得以提升。

圖11 LP-EGR與傳統EGR結構及工作區域對比[8]

結合CVVD，LP-EGR可以將工作區域擴展到最大。如圖12所示，在區域1，縱使采用了CVVD技術，EGR率仍然受著燃燒穩定的制約，但EGR的引入減少了部分泵氣損失，提高了效率；在區域2，CVVD使燃燒穩定性得到保障，因此可以充分發揮LP-EGR的優勢，使燃油經濟效率提升1%～8%；在區域3，CVVD控制策略偏向以進氣為主，將發動機工作點控制在爆震線邊緣，但EGR的參與可以在一定程度上提高比熱，降低燃燒溫度和減小熱損。因此仍然可以貢獻出2%～9%的燃油經濟率。

圖12 LP-EGR對燃油經濟性的貢獻率[8]

3.3 燃燒技術

相比上代機型，此次現代起亞汽車公司對發動機進氣道和燃燒室進行了重新設計。進氣道相比以前變得更加平直，且末端增加了銳利邊緣以最大限度組織滾流。

相比老款機型，新機沖程由84 mm提升至92 mm，較高的S/B比也有利于滾流的保持與增強。經過正確的設計活塞頂可將湍流旋轉中心保持在氣缸幾何中心附近，最大限度得保留湍動能。由CDF仿真結果可知，缸內滾流可一直保留到壓縮最后階段，可以將火花塞附近的混合氣濃度控制到最優，如圖13所示。

圖13 缸內流場CFD仿真結果[8]

除此之外，新機型還將火花塞電弧位置調整至點火效率最高的混合氣濃度區，并將點火能從80 mJ提升至120 mJ，使燃燒速度進一步提升。

3.4 排氣道優化

I4代機型相比I3代將排氣歧管集成入了缸蓋內，在提升整車熱效率的同時也縮短了排氣歧管的長度，因此必須考慮排氣干涉問題。低轉速下排氣脈沖干涉效應顯著，高轉速下剩余廢氣的增加則會引起爆震。因此現代重新設計了排氣歧管，將其設計成4-2-1形式，最大限度得隔離了相鄰點火缸的排氣干涉效應。I4機型還在渦輪進氣道內鑄造了隔離筋，進一步增強雙進氣道隔離作用，如圖14所示。

圖14 4-2-1排氣管結構圖[8]

排氣系統的優化使1 000 r/min～1 300 r/min轉速區域穩態扭矩提升5.9%～7%；1 500 r/min和2 000 r/min的瞬態扭矩響應時間分別提升了18.9%和13.6%。

4 結論

（1）如今，隨著均質壓燃點火及氣門持續時間可控等先進發動機技術的問世，升功率和熱效率已不再是不可兼得的一對性能指標，兩者可同時提升。

（2）SPCCI火花塞控制點火壓燃技術可從根本上改變汽油機燃燒方式。其技術利用類似于柴油機的壓燃方式點火，可直接將熱效率提升3%以上，是未來高熱效率發動機的重要技術手段之一。

（3）CVVD連續氣門可變持續期技術解決了DVVT技術面世以來長期無法解決的自由切換做工循環難題。此技術可依照駕駛員意圖及具體工況改變氣門配氣策略，發揮三大循環的各自優點，為高熱效率發動機設計提供了新的解決思路。

（4）快速燃燒及傳熱損失控制是高熱效率發動機的必備技術手段。設計人員可通過對進氣道、活塞頂、火花塞位置及點火能量的優化，設計創造出最大滾流進行快速燃燒。

（5）結合集成式排氣歧管、變排量水泵、機油泵等節能附件的使用手段降低能量損耗，進一步提升發動機熱效率。