提高汽油机热效率的技术
2013-09-27中田浩一木望太田篤治
【日】 中田浩一 佐々木望 太田篤治
0 前言
为应对能源危机，以及抑制全球气温变暖，改善车辆的燃油经济性变得越来越重要。在日本国内，混合动力车得到发展和普及，而在发动机开发中，提高热效率的措施变得极为重要。在各种提高发动机热效率的方法中，有效运用阿特金森循环的发动机，以及废气再循环（EGR）[1]等技术正在逐步实用化。此外，对于大幅提高发动机热效率来说，增压稀燃技术是极为有效的[2-4]。因此，本文就围绕提高发动机热效率所开展的研究作了简要介绍。
1 发动机热效率
火花点燃发动机的理论热效率ηth可用式（1）来表述。这是被称为“奥托循环”的理想循环效率，式（1）显示，要提高热效率，有效的方法是提高发动机的压缩比ε和采用稀燃技术。
式中，κ为热容比。
实际应用中，设定膨胀比高于压缩比的阿特金森循环发动机已处于实用化阶段。
另外，在实际发动机中，存在理论算式中未予考虑并列出的各种损失。图1显示了发动机负荷发生变化时的热平衡，以及直列式发动机平均有效压力为0.2 MPa和0.8 MPa的结果。由图1可知，高负荷时，泵气损失、摩擦损失及冷却损失的比例趋于降低。这表明，提高负荷对提高发动机的热效率是有效的。但是，一旦提高汽油机的负荷，则有可能会发生爆燃，因此，防止爆燃的措施与技术也是极为重要的。
综上所述，要提高发动机的热效率，除了提高膨胀比之外，采取防止爆燃的措施，以及采用稀燃技术等都是有效的方法。尤其是将稀燃技术与增压技术相结合，其效果将更为显著。
2 提高发动机热效率的技术
本文在简要介绍阿特金森循环及冷却EGR技术的效果之后，又讨论了增压稀燃技术的效果。此外，阐述了燃料辛烷值对增压稀燃发动机的影响。
2.1 阿特金森循环和冷却EGR
丰田汽车公司早在第1代Prius车上就已开始采用阿特金森循环，不仅能提高最高热效率，即便在低负荷区域，也因高膨胀比效果及泵气损失降低效果而使热效率得到提高。另外，目前市售的Prius车已采用冷却EGR装置，由于防爆燃效果的改善，以及降低了冷却损失，其最高热效率得到进一步提高。图2为各种技术改善热效率的实例。
2.2 增压稀燃
如前文所述，从理论上来讲，要提高热效率，稀燃技术是极为有效的。此外，即使从降低冷却损失的观点来看，稀燃技术也比EGR装置更为有效。其原因如图3所示，稀燃能使燃烧时的总气体量增多，也就是说，可以提高气体的热容量，从而降低燃烧气体的温度。
若采用自然吸气汽油机，并应用稀燃技术，由于吸人空气量受到限制，会引起发动机扭矩的降低。这思味着机械损失比例会增加，无法使最高热效率有太大的提高。因此，有效运用增压器提高扭矩是很重要的。下文将介绍增压稀燃技术的研究实例。
2.2.1 研究用发动机
为实现稀燃，促进燃烧是非常重要的。这里简要介绍有效运用挤气与滚流的相关实例[5]。图4为研究用发动机的结构。图4（a）是在柴油机上安装火花塞的实例。在这样的发动机结构中，可以确认燃烧的改善，因此，在后文所述热效率研究中，运用经改良的汽油机气缸盖进行了相关的研究。图4（b）是在屋脊型燃烧室中采用双火花塞的实例，其采用高滚流气道，滚流比为1.5。
2.2.2 挤气的应用
为研究挤气对促进燃烧的效果，采用不同挤气率的活塞研究了其对发动机扭矩及燃烧速度的影响。
图5为在发动机转速2 000 r/min条件下各点火定时的扭矩特性。图5所示MBT点或轻度爆燃点的燃烧持续期示于图6。由图5和图6可知，挤气率越高，促进燃烧的效果就越好。当挤气率达80%以上时，主燃烧持续期在10°CA以下，实现了非常快速的燃烧。另一方面，当挤气率高达90%以后，会出现扭矩降低及产生燃烧噪声等问题。挤气率达90%会引起扭矩降低，被认为是缸内混合气的紊流强化，以及受燃烧室形状的影响而使冷却损失增大的缘故。这里，按相对于发动机气缸截面积的挤气部分面积比例来定义挤气率。
柴油机改进后的研究结果表明，发动机扭矩是在挤气率为80%时达到最大值，故将汽油机的挤气率设定为80%，进行热效率的相关研究。
图7为热效率的研究结果。在应用稀燃技术的情况下，由于混合气稀燃极限与氮氧化物（NOx）的关系很重要，所以，图7以空燃比为参数加以整理。图7中的“●”符号是在不用增压器的情况下增大空燃比（混合气趋于稀薄）的结果。混合气越稀薄，热效率就越高，空燃比22.0时的热效率为40.2%，而达到混合气稀燃极限，即空燃比23.0时，热效率降低。这是由于发动机扭矩降低后，摩擦损失比例增大的缘故。如确认此时的点火放电时间，则由于0.5 ms以下的循环增多而强化了点火系统。为了在结构上使放电时间增至1 ms以上，并且强化放电电流，将市售的每组3个串联的点火线圈按并联结构布置成2组。
图7中的“○”符号表示采用强化点火能点火装置进行热效率研究的结果。由于强化了点火，稀气极限达到了空燃比25.0的水平。但在非增压状态下，由于扭矩降低，导致热效率也降低了。因此，采用增压器研究了热效率，并在图7中用“▲”符号来表示研究结果。在空燃比为23.6时，发动机热效率达到41.6%，相比安装增压器之前的状态，稀气极限变得更为狭窄，这是因为采用增压器后爆燃条件更为苛刻，因此不能提前点火定时。
为进一步扩大稀气极限以提高热效率，对双火花塞的方案进行了研究。火花塞的位置如图7所示，火花塞间的距离不足10 mm，2点之间相当接近。图7中的“■”符号表示试验结果，稀气极限扩大到空燃比29.0，热效率提高到42.9%。此外，NOx排放量也降低到1 g/（k W·h）以下。
由以上结果可知，强化缸内混合气的紊流，以及优化点火系统的措施，都对促进燃烧有较大的效果。此外，组合应用增压器与稀燃技术对提高热效率也极为有效。但是，此类发动机受配气正时因素的制约，同时也存在理论空燃比条件下运转时燃烧室内温度过高等问题，因此，下文将介绍运用滚流的相关研究结果。
2.2.3 滚流的有效应用
下面介绍将滚流比提高到1.5的发动机研究结果。根据挤气的相关研究可知，提高点火能，以及采用双火花塞对提高热效率极为有效。因此，设定点火线圈的能量为100 mJ，并采用双火花塞的设计。双火花塞分别布置在燃烧室的中央和气缸边缘。虽然针对边缘与中央部位的点火时间差能扩大稀燃极限[5]，但随着发动机运转条件的不同，最佳点火定时也会有差异，因此在此次试验中，设定中央与边缘同时点火。
由于同时应用滚流和强化点火系统的技术将有利于拓展稀燃极限，因此如表1所列，采用辛烷值较高的生物质燃料乙醇及丁醇[6，7]作为试验燃料的评价对象，以研究提高热效率的可能性。图8为相对平均有效压力的热效率特性。结果显示，辛烷值越高的燃料，改善爆燃的效果就越大，因此在高负荷区域的热效率也越高。图9为各种燃料的最高热效率，RON 99.6的燃料热效率达42.0%。若燃用乙醇，则热效率可高达44.0%。这已经达到了与柴油机相同或更高的水平，这对在将来减少二氧化碳排放也是极为有利的。
表1 研究用燃料
图10为使用汽油与醇类燃料时的混合气稀燃极限及NOx排放量。关于混合气稀燃极限，由于是对汽油与醇类燃料进行比较，因此不用空燃比，而是用过量空气系数来表述。由图10可知，如果燃用醇类燃料，则混合气稀燃极限扩大，并且NOx排放较少[2]。发动机预热后，醇类燃料显示出优异的燃烧特性，另一方面，也有报告提出，燃用醇类燃料需解决冷态运行时的一些问题，所以，可以考虑将其作为辛烷值增强剂来加以适量运用。
3 结语
本文介绍了EGR、增压稀燃等提高汽油机热效率的技术实例。为了实现并发展这些技术，改善发动机的燃烧是极为重要的。此外，在应用稀燃技术时，研发排气后处理新技术，以及降低成本都是不可或缺的。虽然本文没有涉及，但降低发动机零部件摩擦等措施也能对提高热效率起到良好效果。目前，内燃机仍是汽车动力传动系统的主力，作为发动机研发人员，必须致力于研究能进一步提高发动机效率的技术，为降低燃油耗作出贡献。
