高熱效率的低燃油耗技術(shù)ESTEC

【日】 T.Yamada S.Adachi K.Nakata T.Kurauchi I.Takagi

0 前言

氣候變化和能源問(wèn)題使改善車輛燃油經(jīng)濟(jì)性成為當(dāng)務(wù)之急。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、零部件供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)正努力提高熱效率，以改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖1示出了傳統(tǒng)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率及其未來(lái)變化趨勢(shì)。當(dāng)前，常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率約為36%，混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)則達(dá)到38%以上。在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)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(shù)，能對(duì)提高熱效率起重要作用。未來(lái)有望將上述技術(shù)用于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，從而使兩者的熱效率均達(dá)到40%以上。上述技術(shù)能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況下的熱效率，目前正在評(píng)估這些技術(shù)能否克服自然吸氣汽油機(jī)的缺點(diǎn)。從未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，要使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)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(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)而言越來(lái)越重要。此外，也要關(guān)注低摩擦和氣門傳動(dòng)系統(tǒng)等基礎(chǔ)技術(shù)的改進(jìn)。下文將具體介紹具有高熱效率的低燃油耗（ESTEC）發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)技術(shù)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率

首先從理論角度闡述提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的方法，然后觀察實(shí)際的運(yùn)行狀況，最后指出其未來(lái)趨勢(shì)。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(dòng)機(jī)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(shí)，以及采用稀薄燃燒等。圖2為計(jì)算了機(jī)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(dòng)機(jī)的實(shí)際熱效率值。

降低機(jī)械損失是基本的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，具體的技術(shù)方案有減小活塞環(huán)張力、優(yōu)化軸承軸線和寬度等。可以利用先進(jìn)的氣門機(jī)構(gòu)、EGR和稀薄燃燒等技術(shù)逐步達(dá)到降低泵氣損失的目的。EGR和稀薄燃燒等技術(shù)還能降低燃燒溫度，進(jìn)而減少冷卻損失，同時(shí)，諸如長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)和優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)等對(duì)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(shí)，但如果提高幾何壓縮比，則必須改善發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性。

技術(shù)人員已經(jīng)開發(fā)了很多提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的技術(shù)。圖3示出了現(xiàn)已開發(fā)的混合動(dòng)力技術(shù)和未來(lái)可能采用的技術(shù)。在開發(fā)第1代混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，主要通過(guò)采用非常規(guī)高膨脹比的阿特金森循環(huán)和低摩擦技術(shù)來(lái)提高熱效率。當(dāng)前的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)還引入了冷卻EGR和電控水泵，可以達(dá)到38%以上的熱效率。研究人員在開發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用大容量冷卻EGR對(duì)改善抗爆性和降低泵氣損失均有明顯收效。未來(lái)對(duì)混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)重點(diǎn)將會(huì)是采用燃燒技術(shù)，擴(kuò)大EGR上限，并通過(guò)稀薄燃燒方式降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失。

2 混合動(dòng)力技術(shù)在常規(guī)車型上的應(yīng)用

提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)，采用高壓縮比的缺點(diǎn)之一是會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降（圖4）?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)可以借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的下降，但對(duì)常規(guī)車型來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)很難做到。

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500～2 000r／min、負(fù)荷50%左右的運(yùn)行范圍內(nèi)，混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的性能和熱效率（圖5）。相比混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況下的熱效率更加重要。

本文針對(duì)采用阿特金森循環(huán)后造成的低速扭矩不足，介紹補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降的方法，以及在低負(fù)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(shù)。所有數(shù)據(jù)均來(lái)自1NRFKE型發(fā)動(dòng)機(jī)ESTEC技術(shù)的開發(fā)過(guò)程。

3 1NR-FKE型ESTEC發(fā)動(dòng)機(jī)概況

表1列出了新開發(fā)的1NR-FKE型ESTEC發(fā)動(dòng)機(jī)和現(xiàn)有1NR-FE型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格，1NR-FE型發(fā)動(dòng)機(jī)配裝在豐田汽車公司的A級(jí)和B級(jí)車上。

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

表1 1NR系列發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

為了能在常規(guī)車型上應(yīng)用阿特金森循環(huán)，采用電控VVT-i或VVT-iE是關(guān)鍵因素。這樣可快速而精確地控制進(jìn)氣門相位，并避免因冷起動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)油溫度和壓力變動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成制約。

水冷EGR系統(tǒng)具有1個(gè)高效的EGR冷卻器，包括1個(gè)快速響應(yīng)的EGR閥。此外，進(jìn)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(jìn)氣道采用強(qiáng)滾流、大流量設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速燃燒，可避免爆震。為了同時(shí)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和燃油耗要求，新機(jī)型采用4-2-1管狀排氣歧管設(shè)計(jì)，以減少燃燒后的缸內(nèi)殘余廢氣量。

4 恢復(fù)全負(fù)荷動(dòng)力性能

圖7為恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩后的結(jié)果。改進(jìn)排氣歧管形狀，加入1個(gè)新型水套隔片，并優(yōu)化噴油定時(shí)。圖8顯示缸內(nèi)殘余廢氣量下降2.5%，補(bǔ)償了壓縮比從11.5增加到13.5所造成的燃?xì)鉁囟壬咝?yīng)。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。

5 優(yōu)化EGR系統(tǒng)

混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用阿特金森循環(huán)和冷卻EGR降低燃油耗。但是，冷卻EGR的應(yīng)用受到扭矩波動(dòng)的限制，而后者是由于過(guò)于依賴低溫燃燒導(dǎo)致燃燒品質(zhì)變差引起的。因此，在低負(fù)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 200r／min、負(fù)荷30%的低負(fù)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(dòng)量超過(guò)判據(jù)值，未燃碳?xì)浠衔铮℉C）排放較高，因此燃燒溫度似乎過(guò)低。另一方面，采用內(nèi)部EGR時(shí)，氣門重疊角為45°CA，冷卻EGR率為0。此時(shí)，燃油耗低于大流量冷卻EGR條件下的，扭矩波動(dòng)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(shí)燃油耗最低。

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

6 摩擦損失的降低

對(duì)于高壓縮比造成的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降問(wèn)題，優(yōu)化冷卻是很好的應(yīng)對(duì)方法，但改善冷卻后會(huì)增加摩擦損失和冷卻損失，對(duì)燃油耗產(chǎn)生負(fù)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(qiáng)。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。

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(cè)的溫度會(huì)快速升高，而頂部和底部的溫度幾乎保持相同。

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(dòng)機(jī)扭矩得以提高。氣缸活塞一側(cè)頂部溫度與中部溫度保持相同（圖14），此時(shí)點(diǎn)火滯后最小。

7 結(jié)語(yǔ)

得益于各種技術(shù)方案的實(shí)施，1NR-FKE型ESTEC發(fā)動(dòng)機(jī)能保持與1NR-FE型發(fā)動(dòng)機(jī)相同的高動(dòng)力性能，同時(shí)具有高達(dá)38%的卓越熱效率。圖16示出了該機(jī)型的動(dòng)力性能。新機(jī)型的低燃油耗運(yùn)行區(qū)域大幅增加，低負(fù)荷工況燃油耗大幅下降。與美國(guó)市區(qū)LA4工況相似，在JC08試驗(yàn)工況下，1NRFKE型ESTEC發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性改善率達(dá)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）。