改善車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的微波等離子燃燒系統(tǒng)

【日】 池田裕二 芹澤毅 內(nèi)田克己

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改善車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的微波等離子燃燒系統(tǒng)

【日】 池田裕二 芹澤毅 內(nèi)田克己

研究表明，在改善車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)中，應(yīng)該著重開發(fā)性價(jià)比(改善效果與投入經(jīng)費(fèi)之比)更好的技術(shù)，如增加廢氣再循環(huán)量、降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦、凸輪相位控制，以及等離子燃燒系統(tǒng)等。介紹基于微波脈沖振蕩控制的非平衡等離子燃燒技術(shù)，以及該技術(shù)應(yīng)用與車用發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)情況和改善燃油經(jīng)濟(jì)性的效果。

車用發(fā)動(dòng)機(jī) 燃油經(jīng)濟(jì)性 微波等離子燃燒 成本

0 前言

近年來，改善汽油車燃油經(jīng)濟(jì)性的研發(fā)速度正在不斷加快，各汽車制造商紛紛應(yīng)用各種降低燃油耗的技術(shù)，力爭在競爭中贏得市場。為了促進(jìn)低燃油耗車輛的快速普及，日本國土交通省依據(jù)“關(guān)于汽車燃油耗性能的評(píng)價(jià)及信息公布的實(shí)施綱要”，以汽車燃油耗一覽的形式，每年公布各種車型的燃油耗值。其中，也會(huì)例舉主要的燃油經(jīng)濟(jì)性改善技術(shù)，此外，關(guān)于這些技術(shù)及其所需成本的相關(guān)信息也會(huì)及時(shí)公布。表1是從上述文獻(xiàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、車體及其他方面的相關(guān)公告信息中抽取的與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的技術(shù)案例，表中也記錄了本文所介紹的基于非平衡等離子的燃燒技術(shù)。

表1 燃油經(jīng)濟(jì)性改善技術(shù)及其費(fèi)用成本的比較

分析上述燃油經(jīng)濟(jì)性改善技術(shù)后可知，從各項(xiàng)技術(shù)的改善效果與所需費(fèi)用來看，其性價(jià)比的差異極為顯著。概括而言，能期待產(chǎn)生明顯效果的技術(shù)基本都需要較高的費(fèi)用，可以說，每改善1%的燃油經(jīng)濟(jì)性，幾乎都要花費(fèi)約10000日元的成本。其中，今后應(yīng)著重進(jìn)行開發(fā)的高性價(jià)比技術(shù)包括增加EGR量、降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦，凸輪相位控制，以及等離子燃燒技術(shù)等。另一方面，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)雖能更為有效地改善燃油經(jīng)濟(jì)性，但須投入更高的經(jīng)費(fèi)。

近年來，作為受到廣泛關(guān)注的著火燃燒改善技術(shù)，除增壓著火、電暈放電點(diǎn)火、激光點(diǎn)火、高頻點(diǎn)火及雙線圈高效補(bǔ)償點(diǎn)火外，還有日本Imagineering公司正在開發(fā)的非平衡等離子燃燒技術(shù)。

本文介紹基于微波脈沖振蕩控制的非平衡等離子燃燒技術(shù)，以及該技術(shù)應(yīng)用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)后改善燃油經(jīng)濟(jì)性的效果。這種新燃燒技術(shù)的開發(fā)不僅涵蓋日本Imagineering公司自主研發(fā)的項(xiàng)目，還包括該公司受日本新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)委托和贊助所開發(fā)的項(xiàng)目。

1 基于非平衡等離子的燃燒技術(shù)

在利用激光的激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)法中，利用透鏡等局部聚焦激光時(shí)，能量密度超過某一臨界值，就會(huì)被分解產(chǎn)生激光誘導(dǎo)等離子，而一旦發(fā)生這種等離子，則激光的部分能量會(huì)被等離子吸收。研究人員利用這一特性，通過微波向等離子供給能量，隨著等離子的擴(kuò)大，以及此時(shí)生成的活性游離羥基，促使等離子氣體形成富氧狀態(tài)。如能將這種效應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，那么，近年來在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中所遇到的課題，如點(diǎn)火周邊混合氣的不均勻，以及因強(qiáng)烈氣體流動(dòng)導(dǎo)致的著火不穩(wěn)定等問題將得到解決。同時(shí)，利用火花放電，還能促進(jìn)初期火焰核的穩(wěn)定化及火焰的傳播。

圖1示出了將基于微波等離子的燃燒技術(shù)應(yīng)用于火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的技術(shù)理念及其預(yù)期效果。圖1中的照片是在大氣環(huán)境下，只采用火花點(diǎn)火生成的放電等離子與微波疊加后擴(kuò)大的微波等離子狀態(tài)。

利用天線等將微波輻射到火花塞點(diǎn)火生成的放電等離子上，通過這種能量的疊加，擴(kuò)大放電等離子，以促進(jìn)著火燃燒。另外，以非常短的間隔接通或斷開疊加在放電等離子上的微波，以防止生成的等離子達(dá)到熱平衡，維持只被極輕質(zhì)量的電子所激發(fā)的非平衡狀態(tài)(低溫等離子)。由于上述效應(yīng)，混合氣中所含的極少量H2O被分解為OH-與H+。此外，被分解的O與O2接合并生成O3，從而形成混合氣的富氧狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定初期火焰核促進(jìn)火焰?zhèn)鞑サ哪康?。由此，在稀混合氣中，?dāng)空燃比(A/F)達(dá)到30的狀態(tài)，就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的著火和燃燒。

選擇能振蕩2.45GHz頻帶微波的振蕩源，作為向等離子提供能量的微波發(fā)生器。之所以選擇這種被普遍用于微波爐等家用電器的微波設(shè)備，是出于以下原因：(1) 可輕易在市場上以適中的價(jià)格購入；(2) 可在寬廣的范圍內(nèi)利用微波的振蕩控制實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制；(3) 可采用適當(dāng)?shù)姆椒☉?yīng)對(duì)因使用微波設(shè)備而產(chǎn)生的各種問題(如電波法規(guī)等)。以往，作為微波振蕩源，一般是使用磁控管，但考慮到汽車等移動(dòng)用途的小型化、高可靠性及工作穩(wěn)定性方面的要求，目前采用的是半導(dǎo)體振蕩器。由此，也進(jìn)一步提高了控制性能。半導(dǎo)體振蕩器的實(shí)用化應(yīng)歸功于近年來移動(dòng)電話及微波中繼站的普及，以及高功率(1kW級(jí))微波振蕩半導(dǎo)體器件的實(shí)用化進(jìn)展。

2 微波等離子燃燒系統(tǒng)

圖2示出了實(shí)現(xiàn)微波等離子燃燒的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)由4組設(shè)備構(gòu)成：(1) 在燃燒室內(nèi)生成等離子的等離子燃燒用火花塞；(2) 將高壓直流放電及微波引入燃燒室的混頻單元；(3) 將2.45GHz微波呈脈沖狀振蕩控制的微波脈沖振蕩回路，控制火花塞及微波振蕩參數(shù)的火花點(diǎn)火及微波控制裝置，基于曲軸轉(zhuǎn)角檢測信號(hào)指示點(diǎn)火定時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(ECU)及控制系統(tǒng)，以及為上述裝置供電的電源電路；(4) 進(jìn)行傳送分配的微波傳輸系統(tǒng)。

微波等離子燃燒系統(tǒng)中各種設(shè)備的相關(guān)開發(fā)課題如下：(1) 等離子燃燒用火花塞的開發(fā)課題包括天線式火花塞的開發(fā)(火花塞性能、天線性能、微波等離子性能)及其耐久性和可靠性研究；(2) 混頻單元的開發(fā)須解決耐高電壓、高效率微波傳輸(低傳輸損耗)、高壓直流與高頻電流的同時(shí)傳輸，以及頻率整合方面的課題；(3) 在微波脈沖振蕩回路、火花點(diǎn)火及微波控制裝置、ECU及控制系統(tǒng)、電源電路方面，須解決的課題包括驅(qū)動(dòng)車載電源的微波脈沖振蕩電源的開發(fā)，設(shè)備的小型化、高功率化、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及可靠性，以及適合于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的微波等離子控制等；(4)微波傳輸系統(tǒng)應(yīng)具備較低的傳輸損耗，以及耐用性和抗振性等性能，同時(shí)還須解決微波分配等方面的問題，在實(shí)際配裝車輛時(shí)，不但要求系統(tǒng)應(yīng)具備其本來應(yīng)有的功能，而且要求其具備作為車載部件所應(yīng)具備的功能和品質(zhì)保障。

3 微波等離子燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程

在微波等離子燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)過程中，在2003年，日本Imagineering公司開展了將近4年的自主研發(fā)工作。自2006年起，該公司接受NEDO的委托并獲得贊助，實(shí)施能源使用合理化技術(shù)策略的研究，以及節(jié)能革新技術(shù)的開發(fā)等前沿科技研發(fā)(歷時(shí)2年研發(fā)微波等離子燃燒技術(shù)的原理及燃燒改善效果的驗(yàn)證等)。之后，又經(jīng)歷了實(shí)用化研究(歷時(shí)3年專注以配裝實(shí)際車輛為前提的等離子燃燒系統(tǒng)的實(shí)用化開發(fā)，以及燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果的驗(yàn)證，并提出實(shí)用化課題)，以及最終的試驗(yàn)驗(yàn)證研究(歷時(shí)3年在量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上確認(rèn)效果，確立量產(chǎn)技術(shù)目標(biāo))。最后，在2014年春季，研發(fā)過程終告一段落。

綜上所述，研發(fā)人員在各階段分別提出課題，設(shè)定相應(yīng)開發(fā)目標(biāo)值后，陸續(xù)解決了各項(xiàng)技術(shù)難題，包括微波等離子燃燒系統(tǒng)各構(gòu)成單元(設(shè)備)的開發(fā)，以及將各單元組合后的系統(tǒng)課題，還有以配裝車輛為前提的實(shí)用化、量產(chǎn)化及實(shí)際運(yùn)營方面的課題。表2歸納了等離子燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程與主要成果。

表2 等離子燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程與主要成果

3.1 微波等離子燃燒系統(tǒng)的開發(fā)狀況

圖3示出了新開發(fā)的微波等離子燃燒系統(tǒng)部件外觀。在開發(fā)微波振蕩用的半導(dǎo)體器件時(shí)，分別使用2家供應(yīng)商提供的芯片，試制振蕩器(功率放大器)樣品，并在不同模塊制造廠家生產(chǎn)，與上述2種功率放大器組合，試制振蕩控制器?；谒褂玫陌雽?dǎo)體芯片的性能，雖然2種功率放大器內(nèi)的增幅回路不同，但其基本性能相同。圖3中的混頻器及火花塞均為通用件。

樣機(jī)1和樣機(jī)2的功率放大器都采用直流32V的車載電源驅(qū)動(dòng)，具有能以瞬時(shí)最大功率至1kW的2.45GHz±50MHz頻率振蕩微波的能力?；祛l器能匹配所用發(fā)動(dòng)機(jī)的火花塞孔徑，由設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上的火花塞向燃燒室內(nèi)輻射微波。從混頻器上部供給高壓直流電，從上部側(cè)面(圖3中部件的背面)供給微波。基于降低微波傳輸損耗的目的，使用通常被作為噪聲對(duì)策的不帶電阻電路的火花塞。混頻器中央部位設(shè)有電氣連接微波的諧振電路，對(duì)所有傳輸系統(tǒng)都進(jìn)行電整合(設(shè)置任意阻抗)，進(jìn)而完成設(shè)計(jì)和制作。

3.2 微波等離子燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)狀況

在量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用微波等離子燃燒系統(tǒng)，調(diào)查在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行脈譜圖上的各運(yùn)行點(diǎn)擴(kuò)展稀燃運(yùn)行范圍、增大EGR率，最終抑制燃燒不穩(wěn)定性，達(dá)到改善燃燒的效果。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為3缸658mL排量機(jī)型，缸徑63.0mm，行程70.4mm，壓縮比為11.3。

圖4示出了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)回路示意圖。每臺(tái)功率放大器都具備向發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)氣缸燃燒室內(nèi)分別振蕩微波的能力。作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說，是使用1臺(tái)功率放大器，還是使用多臺(tái)功率放大器(在每個(gè)氣缸中使用獨(dú)立的功率放大器振蕩微波)，最終是基于功率放大器本身的性能、尺寸、質(zhì)量、成本、耐久性及可靠性等方面的綜合考慮來決定的。在本次研究中，所采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是在每個(gè)氣缸內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的功率放大器用于微波振蕩。

所有氣缸的火花塞上均安裝混頻單元。從ECU的角度來看，本系統(tǒng)也可被看作點(diǎn)火系統(tǒng)的子系統(tǒng)。由ECU向各氣缸發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)，以建立點(diǎn)火信號(hào)的時(shí)點(diǎn)為基準(zhǔn)，微波振蕩開始時(shí)間可作任意延遲。這是因?yàn)槲⒉ㄕ袷幤魇前雽?dǎo)體器件，所以，為了實(shí)現(xiàn)高精度且時(shí)間響應(yīng)性良好的控制，并減輕火花塞電極的等離子負(fù)荷，以及基于火花點(diǎn)火與微波的適當(dāng)能量分配需求，最終確定了上述系統(tǒng)特性。

圖5示出了在A/F=23.3的稀燃運(yùn)行區(qū)域針對(duì)燃燒波動(dòng)的評(píng)價(jià)實(shí)例。對(duì)比只運(yùn)用火花點(diǎn)火與采用火花點(diǎn)火+微波振蕩時(shí)的結(jié)果可知，疊加微波振蕩之后，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃運(yùn)行區(qū)域的失火風(fēng)險(xiǎn)，大幅抑制了壓力波動(dòng)。

為了評(píng)價(jià)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，將運(yùn)行脈譜圖(發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域)劃分為5個(gè)區(qū)域，作為JC08工況的代表運(yùn)行點(diǎn)，針對(duì)每個(gè)區(qū)域的代表點(diǎn)進(jìn)行燃油耗計(jì)算。如圖6所示，根據(jù)配裝車輛部位的不同，對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果的評(píng)價(jià)方法會(huì)有所差異。在接近發(fā)動(dòng)機(jī)本體的部位，對(duì)于燃燒室，是按ISFC來進(jìn)行評(píng)價(jià)的；對(duì)于包括曲軸在內(nèi)的部位，則是按有效燃油消耗率(BSFC)來進(jìn)行評(píng)價(jià)的；而對(duì)于包括動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及車輪在內(nèi)的部位，則按車輛燃油耗來進(jìn)行評(píng)價(jià)。按上述ISFC進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果表明，與采用通常點(diǎn)火方式的理論空燃比燃燒系統(tǒng)相比，使用新系統(tǒng)后的燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果可達(dá)到12.4%。

4 結(jié)語

本文介紹了改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的最新研發(fā)動(dòng)向，包括微波等離子燃燒技術(shù)及其系統(tǒng)的開發(fā)，以及日本Imagineering公司的研究人員接受NEDO的委托及贊助所實(shí)施的研究成果等內(nèi)容。

彭惠民 譯自 日本機(jī)械學(xué)會(huì)誌，2014，117(1148)

朱曉蓉 校

朱曉蓉 編輯

2015-01-27)