汽油机的低燃油耗技术

【日】 中田浩一

汽油机的低燃油耗技术

【日】 中田浩一

混合动力技术对降低车辆的燃油耗和CO2发挥了巨大作用。混合动力发动机上采用阿特金森循环、冷却废气再循环(EGR)、电控水泵，以及低摩擦技术均有利于提高热效率(或降低燃油耗)。这些实用技术今后也有望应用于常规发动机中。介绍了提高发动机热效率的具体途径及未来发展趋势，着重论述了高热效率(ESTEC)技术在混合动力发动机、常规发动机，以及增压发动机上的具体应用。

汽油机 低燃油耗 阿特金森循环 热效率 废气再循环

0 前言

发动机作为汽车的动力源，其热效率的提高为降低燃油耗起到了重要作用。丰田公司从第1代混合动力车(Prius车)开始，就关注于提高发动机的热效率并进行相关的研发。由于采用阿特金森循环、冷却废气再循环(EGR)、电动水泵，以及低摩擦等技术，使最高热效率提高至38．5%。今后，提高发动机的热效率越来越重要。在远期规划中，设定了实现热效率50%的目标;在短期计划中，要使常规车用发动机的热效率提高到40%以上。因此，以燃烧技术为基础的低摩擦技术，以及气门传动系统的改进等也显得越来越重要。此外，由于这类技术也可在增压发动机上进行应用，因此能对各种车辆降低燃油耗发挥重要作用。

本文围绕改进燃烧技术有利于提高发动机热效率这一核心课题，论述了提高热效率的各类技术的开发动向。另外，本田公司将这种低燃油耗技术称为具有高热效率(ESTEC)技术［1］，自2014年起，ESTEC技术开始在自然吸气发动机、增压发动机上进行应用，下面将具体介绍该技术。

1 发动机热效率的发展趋势

图1示出了汽油机热效率的演变及未来的变化趋势。如前文所述，在混合动力车用发动机开发中，使其最高热效率提高到38.5%［2］，并且在将来，要求混合动力车用发动机实现热效率50%［3］。

ESTEC技术不但能提高发动机的最高热效率，也可以提高部分负荷(低负荷)工况下的效率。借助该技术克服自然吸气汽油机的缺点，如热效率不高等。由于在增压发动机上开展这类技术应用，需满足多样化和低燃油耗的需求。

图1 汽油机热效率的演变与未来发展趋势

2 提高热效率方法与未来发动机技术发展趋势

本章介绍提高汽油机效率的方法，下一章将介绍混合动力(HV)车用发动机、常规车用发动机、增压式发动机的技术开发实例(含ESTEC技术在上述发动机上的应用)。

汽油机的理论热效率ηth可用奥托循环的理想循环效率计算式来表达。

式(1)中，ηth表示理论热效率，ε表示膨胀比或压缩比，κ表示热容比。由式(1)可知，要提高热效率，可考虑提高几何压缩比，延迟排气门开启正时，并可应用包括混合动力车用发动机在内的各种发动机。为了提高热容比，采用稀薄燃烧［4］是有效的措施，不过，由于氮氧化物(NOx)的排放课题待解决，其普及应用受到限制。

其次，实际发动机中产生的各种损失(图2)，包括摩擦损失、泵气损失、冷却损失、排气损失和未燃损失等。如果发动机负荷增大，则可能发生爆燃，考虑到推迟点火正时，会使排气损失增大。为提高热效率，降低损失，采用这些技术是必要的。

图2 发动机热平衡

图3以混合动力车用发动机为实例，说明了在实际发动机开发过程中，出于提高热效率的目的，已开发出混合动力技术，以及未来考虑采用的相关技术。第1代混合动力车Prius所采用的发动机中，显著提高热效率的方法是实现高膨胀比，以及采用了阿特金森循环来提高抗爆燃性。在该方法中，采用低摩擦技术，最高热效率可达37%。而且，以该技术为核心，由于采用EGR冷却技术及电控水泵装置，实现了抗爆燃性能的改善，以及冷却损失和摩擦的降低，因此，目前最好的发动机将热效率提高到38.5%。由此可知，在这些技术研发中，EGR技术不仅可以应用于部分负荷工况下，用以降低泵气损失。而且，在高负荷工况下利用EGR冷却技术，能有效改善抗爆燃性。

图3 未来的技术研发趋势

根据近年来的社会需求，提高热效率的重要性也与日俱增。除了混合动力车用发动机的热效率达40%以上，将常规车用发动机的热效率也提高到40%以上，成为未来发动机技术的研发趋势。

为实现这些目标，降低泵气损失与冷却损失、提高抗爆燃性能对于燃烧的改善具有重大意义。本文以利于改善燃油经济性及提高发动机动力性能的燃烧技术为中心，介绍降低燃油耗的相关技术。

3 降低燃油消耗的发动机技术

3．1 混合动力车用发动机的研究实例

最大限度运用EGR及稀薄燃烧技术是实现高效燃烧的有效方法。为了促进燃烧，以在缸内产生强烈紊流为目标，对涡流、挤气和滚流(的应用)进行了研究。在此除了说明这些气流运动的特征之外，还论述了其成为未来主要应用的气流运动的理由。

要产生涡轮，需要在进气系统装配涡流控制阀(SCV)，不过，如果转速高，则会产生泵气损失，不利于提升发动机性能。另外，从挤气运动来看，活塞处于上止点附近时，由于在气缸盖与活塞之间产生强烈气流互动，可以看到缸孔附近的爆燃现象。不过，如果挤气率不够大［5］，则使得抑制EGR极限扩大与稀薄燃烧极限拓展无法产生预期的效果。所以，该技术的实用化并不容易。另一方面，通过对进气道形状的精心设计，确保滚流更好的促进缸内的紊流现象并确保足够的空气流量。所以该技术被认为是下一代发动机主流技术，其应用领域也在逐步扩大。在此，通过介绍假设的混合动力车用发动机，对其快速燃烧的实例进行了研究［6］。

对图4所示混合动力车Prius用发动机的进气道形状进行变更研究，力求产生强烈滚流。如图5所示，与目前已经量产的进气道形状相比较，改进后的进气道形状更接近直筒状(杯形)，图6显示了这时的实体发动机燃烧研究结果。由此可知，由于滚流的有效应用，EGR的燃烧限界得以拓展，从而提高了热效率。

为了有效利用滚流，对活塞形状进行的优化也是重要手段之一［7］。因此，通过缸内的流动计算及实体发动机的试验验证，对活塞形状进行了改进。此外，由于实施缸内强滚流化，如果气体流动增强，会产生电火花被吹灭的现象。因此，也实施了点燃式发动机的强化。

图7表示以进气道形状的变更，活塞形状的变更，以点火系统的强化为核心，进行了发动机的改进，对发动机热效率的提高进行了研究。为了促进燃烧，进而力求EGR冷却技术的应用，可知在自然吸气发动机上能使热效率达到40%。此外，可知由于有效应用滚流，进而促进了燃烧，不仅如此，在改善抗爆燃性方面也有效果。所以，滚流技术在量产发动机中的应用也在不断扩大。

图4 混合动力车用发动机(2ZR-FXE)

图5 进气道形状比较

图6 进气道形状变更的效果

图7 热效率研究结果

3．2 在常规车用自然吸气发动机上采用的技术实例

如前文所述，丰田公司在混合动力车用发动机的技术研发中，以提高热效率为重点大力推进技术开发，并将ESTEC技术也应用于常规车用发动机上，并进行量产。对于常规车用发动机而言，其性能的提高相比混合动力车来说更为重要。因此，丰田公司正在重点地开展促进燃烧，以及抗爆燃措施的技术研发。在此，以排量1．0 L的3缸发动机(1KRFE)为实例［8］，论述技术研发状况。

图8为兼顾发动机燃油耗的降低，以及发动机动力性能的提高而采用的技术总体概况。

图8 发动机采用的技术

促进燃烧的方法，在采用与前述相同的利用强烈滚流进行的EGR冷却技术。投入量产时，为力求兼顾发动机燃油经济性与动力性，从而进行了进气道的精心设计。如果要以促进燃烧为目标，则需强化滚流。如图9所示，进气道的流量系数降低，将对发动机性能产生影响。因而，如图10所示，这种发动机除了对进气道的形状进行了改进以外，在气门座附近也进行了较大的改进，力求兼顾降低燃油耗与提高发动机动力性能。

其次，对兼顾抗爆燃性与低摩擦要求的技术进行了介绍。滚流由于在进气行程中促进缸套与排气侧上部的热交换，提高了混合气的温度。由此可知，通过降低该部分的温度，可获得抑制爆燃的效果［9］。另一方面，可知通过提高缸套中部的温度，在不恶化抗爆燃性能的同时，实现低摩擦的效果。因此，如图11所示，通过设计最佳的冷却水套隔板(隔片)，以控制缸套部的温度，力求兼顾改善抗爆燃性能及实现低摩擦的效果。

图9 滚流比与流量系数

图10 进气道的改进实例

图11 冷却系统的改进实例

由于集中利用这些技术，如图12所示，新型发动机相比于原发动机，能够改善发动机全部工况下的燃油耗。

3．3 在增压式发动机上采用的技术实例

丰田公司从2014年起，采用了ESTEC技术的增压发动机投入量产。新开发的排量为2．0 L的增压发动机是全方位兼顾低燃油耗与动力性能的机型。图13表示了发动机的开发概况［10］。

关于促进燃烧的技术，采用了前文介绍过的强滚流。与1KR-FE发动机一样，为兼顾强滚流与高流量系数，在进气道形状结构上作了精心考虑。此外，该发动机的特征在于配备了缸内直喷喷油器与进气道喷油器。图14示出了燃油喷射系统结构。

图12 燃油耗的研究结果

图13 发动机采用的技术

图14 燃油喷射系统

为了促进燃烧，图14中所示的技术是在每一个循环中实施多次喷射，以及在低温条件下积极地运用进气道喷射，抑制燃油对机油的稀释等，最大限度地发挥缸内直喷及进气道喷射的作用。

混合动力发动机采用了阿特金森循环，除了可以提高高负荷工况下的热效率外，也可在低负荷工况下有效降低泵气损失，不过，如果常规车用发动机过分推迟进气门正时的关闭，虽然能改善燃油经济性，但是由于发动机起动中的问题待解决，采用进气门正时受到一定制约，因此没有采用。发动机开发了带有锁销结构的电动连续可变气门正时机构(VVT-iw)，使得兼顾发动机起动性能与低油耗要求成为可能。此外，由于可变气门正时(VVT)油路的改进，力求提高气门正时变更时的灵敏度(响应性)，对兼顾行驶性能与低燃油耗也能起到一定作用。

此外，为了冷却活塞，进行了机油喷射切换装置及新机油的开发，并且兼顾低油耗的前提，以及避免增压发动机的低速预点火(LSPI)。此外，由于新开发的发动机包括了涡轮增压器在内的排气系统，与本文介绍的技术一并使用，可使机动车用户在世界各地顺畅行驶。

在今后的发动机开发中，以本文介绍的技术为指导，力求进一步发展，使得发动机的经济性与汽车驾驶愉悦性得到兼顾。

4 结语

丰田公司为改善混合动力汽车的燃油经济性，致力于提高发动机的热效率。该技术的核心包含有阿特金森循环的应用、用于冷却的EGR技术、低摩擦技术、电动水泵等设备的应用。加上这类混合动力车用发动机开发中发展起来的低油耗技术，丰田公司将该类以重点促进燃烧的新技术称为ESTEC技术。自2014年起，该技术开始应用于自然吸气发动机与增压式发动机。其结论如下:

(1)作为促进燃烧的手段，采用强烈滚流是卓有成效的。由于该技术应用于混合动力用发动机上使得进一步采用冷却的EGR技术能改善抗爆燃性，使降低冷却损失成为可能，作为汽油机可以实现热效率40%。

(2)利用滚流以促进燃烧的技术应用于常规车辆的自然吸气发动机上，其改善油耗效果也非常显著。而在常规车辆方面，由于要求发动机的高性能化，所以针对进气道设计开展了兼顾强滚流化及发动机高动力性能化要求的研发。此外，由于同时引进改善抗爆燃性的新技术，可以兼顾低油耗与高性能化的要求。

(3)即便在增压发动机中，应用强滚流技术也是非常有效的。而且，新开发的2．0 L发动机中，由于采用缸内直喷与进气道喷射2种喷射方式，使得发动机从冷起动到暖机后的燃烧得到了改善。此外，为实现在混合动力发动机上应用的阿特金森循环技术，应用开发新的VVT-iw技术，谋求兼顾低油耗与发动机的起动性能的平衡。

除了本文介绍的技术改进之外，同时也进行了新的技术研发。在满足社会需求的同时，由于实现愉悦的驾驶，也能满足客户的要求与愿望。

［1］中田浩一．ガソリンエンジンの低燃費化技術［M］．トヨタテクニカルレビュ，60，2014．

［2］Shouji A，et al．The renewed 4-cylinder engine series for toyota hybrid system［C］．Vienna Motor Symposium，2012．

［3］中田浩一，産學連携．ガソリンエンジンの直噴化ゃ熱效率向上に向けて［C］．自動車技術會春季大會フラム，2014．

［4］Koichi N，et al．The impact of RON on si engine thermal efficiency［C］．SAE Paper 2007-01-2007．

［5］中田浩一．ガソリンエンジンの熱效率向上技術［C］．自動車技術會シンポジウム，2010．

［6］Daishi T，et al．Combustion development to achieve engine thermal efficiency of 40%for hybrid vehicles［C］．SAE Paper 2015-01-1254．

［7］Shinichiro N，Koichi N，et al．Effect of ignition system on combustion［C］．1st international conference:advanced ignition systems for gasoline engines，Berlin，2012．

［8］Yasuji S，et al．The new toyota 1．0 L L3 ESTEC gasoline engine［C］．Vienna Motor symposium，2014．

［9］Daishi T，et al．Engine thermal control for improying the engine thermal efficiency and anti-knocking quality［C］．SAE Paper 2011-01-0377．

［10］Izumi W．The new toyota 2．0-Liter inline 4-cylinder ESTEC D-4ST engine［C］．23rd Aachen Colloquium，2014．

彭惠民 译自 自动车技术，2015，69(9)

伍赛特 编辑

2016-05-05)