劉耀東 宮艷峰 李金成 陳海娥

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：熱效率 汽油機(jī) 45% 50%

1 前言

隨著全球油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，以及新能源車快速發(fā)展所帶來的競爭壓力，顯著地提升熱效率成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的迫切需求。目前的量產(chǎn)汽油機(jī)，最高熱效率已經(jīng)達(dá)到41%[1]，它由Toyota的TNGA理念設(shè)計(jì)[2-4]，主要采用了阿特金森循環(huán)、冷卻EGR、電動(dòng)可變氣門正時(shí)、缸內(nèi)/氣道雙噴射、高能點(diǎn)火、激光熔覆座圈、電動(dòng)水泵以及低摩擦等先進(jìn)技術(shù)，將原有量產(chǎn)汽油機(jī)的熱效率提升了1～3個(gè)單位。但是，想要進(jìn)一步提高量產(chǎn)汽油機(jī)的熱效率，受限于升功率與熱效率的“Trade-off”（取舍）關(guān)系（如圖1所示），尤其是從41%到45%，Sellnau認(rèn)為需要更加精益化的設(shè)計(jì)，甚至是創(chuàng)新的燃燒模式。

圖1 最高熱效率與最大升功率的關(guān)系[5]

近幾年，內(nèi)燃機(jī)界加快了提升熱效率的日程和工作。由日本50多個(gè)大學(xué)和企業(yè)參與的國家戰(zhàn)略重大研究項(xiàng)目SIP剛剛結(jié)題，目標(biāo)是50%熱效率，并給出了技術(shù)途徑[6]。Honda采用1.5的沖程缸徑比、超高的滾流比、17的壓縮比、超過30%的EGR和450 mJ的高能點(diǎn)火等技術(shù)，在過量空氣系數(shù)為1時(shí)，通過一維模擬將熱效率提高到45%[7]。Toyota也采用1.5的沖程缸徑比、超高的滾流比、13的壓縮比、19.7%的EGR和高能點(diǎn)火等技術(shù)，在稀燃的條件下將熱效率提高到45.7%[8]。Delphi汽油機(jī)Gen3X采用了類似柴油機(jī)的燃燒模式，稱之為“GDCI（Gasoline Direct Injection Compression Ignition）”，通過中置50 MPa噴油器將汽油噴入缸內(nèi)壓燃，配合稀燃、無節(jié)氣門、進(jìn)氣加熱、缸壓反饋傳感器、排氣“Rebreathing”（排氣再回流）、短集成排氣歧管和高效變噴嘴渦輪增壓器等技術(shù)，將最高熱效率提升到43%，雖然沒有達(dá)到45%，但是40%的工況區(qū)域覆蓋廣泛，并通過模擬預(yù)測，加上50%絕熱等技術(shù)之后，熱效率達(dá)到47.6%[5]。

對于上述技術(shù)路線的量產(chǎn)可行性，一方面，像Honda和Toyota，將某一工況點(diǎn)的熱效率做到很高，但最大升功率不足，只能用于增程式發(fā)動(dòng)機(jī)的單點(diǎn)高效運(yùn)行；另一方面，像Delphi，將全Map的熱效率都提升到較高且可觀的程度，但系統(tǒng)的復(fù)雜性較高，可靠性有待驗(yàn)證。另外，上述幾種技術(shù)路線也將大幅提高成本，所以想要把45%～50%熱效率應(yīng)用于量產(chǎn)，還有很多問題需要解決。下面將分別介紹Honda、Toyota和Delphi的45%～50%熱效率技術(shù)路線。

2 Honda的45%熱效率技術(shù)路線[7]

Honda通過一維模擬計(jì)算來選取達(dá)到最高熱效率的各項(xiàng)參數(shù)。采用91 RON的汽油，過量空氣系數(shù)設(shè)定為1，最高熱效率點(diǎn)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 000 r/min。

2.1 沖程缸徑比

沖程缸徑比在汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有著重要的作用，它影響到傳熱、摩擦和壓縮比等關(guān)鍵要素的選擇。

如圖2所示，在相同沖程缸徑比的條件下，面容比隨著壓縮比的增大而增大；為了減小傳熱損失，在較小的相同面容比下，可以通過增大沖程缸徑比來提高壓縮比，進(jìn)而提高熱效率。

但是，不斷增大沖程缸徑比不會(huì)一直提高熱效率。如圖3所示，Ikeya的研究表明傳熱損失隨著沖程缸徑比的增大而減小，泵氣和摩擦損失隨著沖程缸徑比的增大而增大，所以熱效率隨著沖程缸徑比增大而先增大后減小，在沖程缸徑比為1.5左右時(shí)，熱效率達(dá)到最高，接近39%。

2.2 有效壓縮比

膨脹比大于壓縮比是提高熱效率的另一種方法，可以通過進(jìn)氣門晚關(guān)降低有效壓縮比來實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，壓縮比為17時(shí)，進(jìn)氣門晚關(guān)的熱效率明顯大于奧拓循環(huán)，也大于壓縮比13.5的奧拓循環(huán)，這時(shí)的最高熱效率達(dá)到約42%。

圖2 沖程缸徑比對面容比和壓縮比的影響[7]

圖3 沖程缸徑比對傳熱、泵氣和摩擦的影響[7]

圖4 壓縮比和熱力循環(huán)對熱效率的影響[7]

2.3EGR下的燃燒

EGR也是提高熱效率的一種方法，為了在EGR率超過30%的條件下保證快速燃燒和穩(wěn)定點(diǎn)火，需要通過增大湍動(dòng)能和點(diǎn)火能量來彌補(bǔ)。

為了保證30%以上的EGR率，Honda將點(diǎn)火能量設(shè)為450 mJ。

2.4 噴油落點(diǎn)和噴射時(shí)刻

為了進(jìn)一步提高熱效率，Honda對噴油落點(diǎn)和噴射時(shí)刻也進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化之后的最高熱效率已經(jīng)接近43%。

2.5 EGR和增壓系統(tǒng)

為了同時(shí)得到較高的熱效率和功率，Honda采用了兩級(jí)增壓：在最高熱效率工況點(diǎn)運(yùn)行小流量增壓器；在外特性工況點(diǎn)運(yùn)行大流量增壓器。

至此，Honda通過一維模擬計(jì)算，逐步優(yōu)化各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)，最終將最高熱效率提升到45%。

3 Toyota的45%熱效率技術(shù)路線[8]

與Honda類似，Toyota的Nakata也采用了1.5的沖程缸徑比、3.6的高滾流比、19.7%的EGR率和高能點(diǎn)火來提高熱效率。有所不同的是，Toyota的壓縮比略低，為13；為了降低傳熱損失，采取了稀燃的手段，使得缸內(nèi)平均溫度低于理論空燃比的燃燒溫度；由于稀燃，為了增加進(jìn)氣量，用電動(dòng)增壓器代替渦輪增壓器，但沒有將電動(dòng)增壓器的使用納入熱效率的計(jì)算。

圖5給出了過量空氣系數(shù)1、過量空氣系數(shù)1加EGR和稀燃無EGR的熱效率對比。從圖中可以看到，總體來說，相比于過量空氣系數(shù)1，引入EGR和稀燃都提高了熱效率，稀燃比EGR提升的熱效率更大，總體高出2個(gè)單位。

圖5 過量空氣系數(shù)1、EGR和稀燃的熱效率對比[8]

圖6給出了各種條件下的熱效率對比，包括有無EGR、過量空氣系數(shù)1與稀燃、電動(dòng)增壓器與小渦輪增壓器、91 RON和100 RON汽油。從圖中可以看到，有EGR比無EGR的熱效率更高；同樣是電動(dòng)增壓器的條件下，稀燃比理論空燃比的熱效率更高；同樣是稀燃的條件下，電動(dòng)增壓器比小渦輪增壓器的熱效率更高；在其它條件相同的情況下，100 RON比91 RON的汽油熱效率稍高。在電動(dòng)增壓器、稀燃、EGR和91 RON的條件下，熱效率達(dá)到次高，為45.7%；在電動(dòng)增壓器、稀燃、EGR和100 RON的條件下，熱效率達(dá)到最高，為45.9%。

另外，Nakata還在文中提到，如果對燃燒系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行精益設(shè)計(jì)和優(yōu)化，預(yù)計(jì)可將最高熱效率提升到46.5%。

4 Delphi的45%熱效率技術(shù)路線[5]

在實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)45%熱效率的技術(shù)路線上，Delphi的Sellnau沒有繼承傳統(tǒng)汽油機(jī)的火花點(diǎn)火，而是另辟蹊徑，在Gen3X上采用了GDCI（Gasoline Direct Injection Compression Ignition）的燃燒模式，通過中置50 MPa噴油器在上止點(diǎn)附近噴入高壓燃油進(jìn)行壓縮點(diǎn)燃。針對汽油壓燃在部分工況點(diǎn)的運(yùn)行限制，Gen3X采用了稀燃、無節(jié)氣門、進(jìn)氣加熱、缸壓反饋傳感器、排氣“Rebreathing”、短集成排氣歧管和高效變噴嘴渦輪增壓器等技術(shù)，將最高熱效率提升到43%，滿足系統(tǒng)從中低負(fù)荷到高負(fù)荷的運(yùn)行要求，并能快速切換。

圖6 各種條件下的熱效率對比[8]

4.1 進(jìn)排氣和燃燒系統(tǒng)

對于壓燃，為了實(shí)現(xiàn)快速的進(jìn)氣溫度控制，Gen3X系統(tǒng)在壓氣機(jī)后分別布置了空氣加熱和冷卻兩套裝置，同時(shí)在壓氣機(jī)前加設(shè)了用于控制EGR溫度的廢氣旁通閥，加之管徑和長度的合理設(shè)計(jì)，使得進(jìn)排氣都能對溫度和流量進(jìn)行靈活控制。

低負(fù)荷時(shí)，Gen3X通過上述進(jìn)排氣系統(tǒng)和排氣“Rebreathing”引入熱的EGR來提高并控制進(jìn)氣溫度，從而穩(wěn)定壓縮點(diǎn)火。排氣“Rebreathing”的凸輪型線如圖7所示，其作用是在進(jìn)氣階段再次短暫且小升程地開啟排氣門，引入部分廢氣來提高缸內(nèi)溫度，穩(wěn)定壓燃。

圖7 排氣“Rebreathing”的凸輪型線[5]

中高負(fù)荷時(shí)，Gen3X通過上述進(jìn)排氣系統(tǒng)引入冷EGR，并采用上止點(diǎn)兩次噴射的燃燒策略：第一次噴射在上止點(diǎn)前30°CA左右，為部分預(yù)混燃燒，燃燒速度適中；第二次噴射在上止點(diǎn)附近，為擴(kuò)散燃燒，燃燒速度快。通過控制兩次噴射的比例，可以解決壓燃在高負(fù)荷的燃燒噪音問題，同時(shí)也能得到較低的排放。

冷啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣道布置的2.5 kW電加熱器可以幫助實(shí)現(xiàn)催化器快速起燃，這時(shí)，大約三分之一的加熱熱量傳遞到排氣當(dāng)中。

4.2 增壓器

Delphi在Gen3上采用了“渦輪+機(jī)械”的兩級(jí)增壓的模式[9]，由于機(jī)械增壓的旁通閥產(chǎn)生了很大的流動(dòng)損失，所以為了追求高熱效率，Gen3X只保留了渦輪增壓器，并且進(jìn)行了效率Map的優(yōu)化，將高效區(qū)拓展到更大的范圍。

4.3 熱效率

基于上述汽油機(jī)的技術(shù)路線，且沒有EGR的情況下，Gen3X將最高熱效率提升到43%，同時(shí)保證最大升功率為69 kW/L，突破了當(dāng)前升功率與熱效率的“Trade-off”界限（如圖1所示）。更具有意義的是，其40%熱效率的工況覆蓋了從0.5 MPa到2 MPa的平均指示有效壓力（Indicated Mean Effective Pressure,IMEP）范圍。如圖8所示。

圖8 Gen3X的熱效率Map[5]

同時(shí)，通過模擬預(yù)測，Delphi的Sellnau也給出了Gen4X挑戰(zhàn)50%熱效率的技術(shù)路線：在Gen3X的基礎(chǔ)上，繼續(xù)提高噴油壓力、降低10%的摩擦、降低50%的傳熱和提升2%的渦輪增壓器效率，有望將熱效率提升到47.6%。

5 結(jié)論及啟示

眾所周知，汽油機(jī)除了做功之外的能量損失主要包括摩擦、泵氣、傳熱、燃燒和排氣，想要達(dá)到45%～50%的熱效率，必須減小上述的能量損失。圖9總結(jié)了Honda、Toyota和Delphi在這幾方面所采用的主要技術(shù)路線。

（1）低摩擦和高效增壓器是降低摩擦損失和排氣損失的必備技術(shù)；

（2）熱效率從41%提升至45%乃至50%，降低傳熱損失最為關(guān)鍵。從目前來看，高EGR率和稀燃技術(shù)也成為了必備技術(shù)；

（3）降低燃燒損失，則必須提高燃燒速度。而對于高EGR率或者稀燃的快速燃燒，主要有兩種方案：一種是Honda和Toyota通過高滾流氣道、大的沖程缸徑比和高能點(diǎn)火來彌補(bǔ)；另一種是Delphi采用的壓燃來實(shí)現(xiàn)，并且同時(shí)配合了進(jìn)氣加熱、排氣“Rebreathing”和短集成排氣歧管等技術(shù)。

（4）降低泵氣損失方面，主要是通過阿特金森或無節(jié)氣門的手段來實(shí)現(xiàn)。

圖9 45%～50%熱效率的技術(shù)路線總結(jié)

目前，盡管Honda、Toyota和Delphi等已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中獲得了汽油機(jī)45%～50%熱效率，但由于各種因素的限制，量產(chǎn)在短期內(nèi)仍不具備條件。

（1）稀燃后處理。傳統(tǒng)的稀燃后處理主要用于柴油機(jī)，如SCR、LNT等。雖然技術(shù)上較成熟，但由于成本和產(chǎn)業(yè)化等原因，將其應(yīng)用于乘用車仍需時(shí)日。

（2）新燃燒模式帶來的輔助技術(shù)成本。如Delphi壓燃技術(shù)路線所需要的缸壓反饋傳感器、高效變噴嘴渦輪增壓器等。

（3）復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性和耐久性。大的沖程缸徑比、高能點(diǎn)火系統(tǒng)、壓反饋傳感器、高效變噴嘴渦輪增壓器等所帶來的可靠性和耐久性問題，也需要予以考慮。

綜上所述，未來要實(shí)現(xiàn)商業(yè)用途汽油機(jī)45%～50%的熱效率，還需要完成更多的研究工作和產(chǎn)業(yè)化工作