环境与车辆技术70年发展回顾<br/>——汽油机的开发

环境与车辆技术70年发展回顾
——汽油机的开发

2018-01-06島崎勇一前田義男津江光洋田中大二郎野口究山下幸宏山本日出彦

汽车与新动力 2017年6期

【日】島崎勇一前田義男津江光洋田中大二郎野口究山下幸宏山本日出彦

综合评述

环境与车辆技术70年发展回顾
——汽油机的开发

【日】島崎勇一前田義男津江光洋田中大二郎野口究山下幸宏山本日出彦

近年来，汽油机的动力性，排放控制、燃油经济性等得到稳步提升，而汽油机燃油耗每年都以较大幅度降低，也为降低CO2排放作出了贡献。汽油机的技术进步得益于稀燃与直喷的燃油系统、可变气门配气机构、高效催化装置与计算机测量技术的迅猛发展。着重介绍了日本从经济高速发展开始，进入汽车普及化阶段之后的各个时期，汽车厂家推出的各具特色的车用汽油机产品，阐述了汽油机零部件技术，以及发动机基础研究、可视化与计测、数值计算等方面的技术亮点和发展前景。

汽油机可视化基础研究热效率

0 前言

日本汽车技术会是于第二次世界大战结束两年后，即1947年2月1日成立的，其目的是“谋求汽车相关的科学技术的发展与繁荣，学术文化的振兴及工业经济的发展，以及为提高国民生活水平作出贡献”，2017年迎来了汽车技术会成立70周年。为纪念这一重要事件，汽车技术会的汽油机部门委员会根据从汽车技术会设立时到目前的时代背景与社会需求，论述了关于装配汽油机的汽车、零部件、汽油机学术研究等各方面的技术发展。由此预测将来的发展前景，并整理成文。

1 车用发动机

图1是车用发动机技术的70年回顾(按年表形式归纳)。

1.1 战后复兴期

在汽车技术会最初设立的1947年，为了战后的经济复兴，只容许生产卡车。但从1947年起，轿车的生产得到许可，1949年解除了轿车生产台数限制。为了学习欧美的汽车技术，曾主要利用欧美的技术协作以开展装配式生产。但是，丰田汽车公司(以下称“丰田”)在这种潮流中选择自主研发，并开发出纯日本国产轿车“Toyopet Crown”，以及出租车专用轿车“Toyopet Soupaur”。该车型搭载4缸、顶置气门(OHV)1.5 L、35 kW的R型发动机(图2)，展示出日产车具有较高的可靠性。

1.2 日本汽车开始普及

从上世纪50年代中期，日本进入经济高速发展时期，1949年制定了轻型汽车标准，限定车身的大小与发动机的排量，作为受民众欢迎的产品，制定了其优惠措施[1]。1954年，排量规定为360 mL，1958年，富士重工业公司销售的斯巴鲁360型车配装了空气冷却2缸EK31型发动机(图3)，成了备受市场青睐的车型。然后，各汽车制造商参与研制，使日本的汽车普及化得到了快速发展。1961年，丰田公司开发了独特的实用小型车，在整备质量为580 kg的日本制造“大众Publica”基础上，配装空气冷却水平对置双缸U型发动机(图4)，该车以38.9万日元的低价格上市销售。

进入上世纪60年代，基于1964年东京举办奥林匹克运动会的特殊需求，日本实现经济发展，1968年国民生产总值(GNP)排名世界第2位。图5示出了配装在Sunny车上的A型发动机。

在这一时期，各汽车公司进行了各种新型发动机的开发。本田技研工业公司(以下称本田公司)在1963年上市销售了轻型卡车T360，该款车型是首次配装了水冷直列4缸DOHC化油器发动机的轻型商用车型(图6)。富士重工业公司(以下称“富士重工”)于1965年在Soupaur 1000车上，配装了水平对置4缸发动机(图7)。1963年，日本举办了首届汽车大奖赛，成为展示高性能汽车的赛事。上世纪60年代后期，丰田公司推出了2000 GT车型，马自达公司在研制的Cosmo跑车(图8)上，首次配装了转子发动机，日产公司的Fairlady国产跑车(双座敞篷低车身高速小型车)也诞生了。

1.3 日本汽车普及化的发展期

图1 轿车用汽油机技术的70年回顾

图2 丰田汽车公司的R型4缸发动机

图3 富士重工空气冷却2缸EK31型发动机

图4 丰田汽车公司的水平对置空气冷却2缸U型发动机

图5 日产公司的A型4缸发动机

图6 本田公司轻型车用DOHC 4缸AK250E发动机

图7 富士重工业公司的水平对置EA52发动机

自上世纪60年代到70年代，汽车的性能有了大幅度提高，不过，由于废气排放导致大气污染，成为较严重的社会问题[2]。1968年，日本颁布了大气污染防治法规。1970年，美国制定了更为严格的马斯基法(防止大气污染法规)。1973年，由于石油危机导致汽油价格急剧上扬，要求汽车实现低燃油耗。

为了满足节能减排要求，1972年，本田公司开始销售了CVCC发动机(图9)，该发动机采用副燃烧室与主燃烧室进行分层进气，在副燃烧室点火，在整个燃烧室空间内利用稀薄燃烧，进行低温燃烧，降低了氮氧化物(NOx)的排放量，燃油经济性也有所提高，符合法规要求。

图9 本田公司的CVCC发动机

图10 日产汽车公司的4缸双火花塞218发动机

而且，各汽车制造商开发了各种各样的低排放发动机技术，诸如稀薄燃烧技术，以及排气中二次引进空气，排气再燃烧等技术。日产公司利用大流量废气再循环(EGR)系统，力求降低NOx排放，并上市了乙型发动机(图10)。该款发动机使用2个火花塞，利用快速燃烧方式，兼顾了发动机各项性能。这一时期，燃油经济性较好的日本小型车，在美国也拓展了市场销售份额。

上世纪70年代后半期，电子控制燃油喷射技术被实用化，运用了氧浓度传感器的三效催化器控制技术也得以实用化。80年代三效催化器成为满足排放法规要求的标准技术(装备)，并且在世界各地被广泛使用，推动了发动机高性能化技术的研发竞争。

这一时期，丰田公司除了开发了高功率发动机之外，还开发了3S-FE Himeco双凸轮轴开闭方式发动机(图11)，该机型是在批量销售的基本发动机上采用了DOHC的4气门机构，日产汽车公司则开始销售涡轮增压的高性能发动机。

图11 丰田汽车公司批量销售DOHC 4气门3S-FE发动机

1980年，日本的汽车产量排名世界第一，以至于引起与美国的贸易摩擦。在泡沫经济兴盛的上世纪80年代后期，各厂家名车同时竞相亮相，例如丰田公司的Celsio，日产公司的Skyline GT-R、Unos无后座敞篷型小汽车、本田公司的NSX等。这一时期，各汽车厂家也上市了大排量的V8发动机，以及采用了可变气门机构技术的高性能发动机。图12示出了三菱汽车公司(以下称“三菱”)采用的可变气门技术的MIVEC-MD发动机。

图12 三菱汽车公司的可变气门机构4G9发动机

1.4 泡沫经济期后，追求效率与成本

20世纪90年代初期泡沫经济崩溃以后，1991年的新车销售量低于7年前的销量，日本整体经济处于长期不景气时期。从这时起，用户对汽车的需求呈现多样化趋势。日本国内汽车销售的动向显示，以轻型汽车为代表的小型实用车，以及实用性好的迷你型小货车成为销售主流。

1990年轻型汽车的排量为660 mL，这一时期，各汽车公司都增加了轻型汽车用发动机型式的改进力度，除销售轻型汽车用的3缸发动机外，还销售了4缸发动机，增压发动机等新型发动机。图13示出了大发公司的轻型车用4缸发动机[3]。

图13 大发公司的轻型汽车用4缸JB型发动机

此外，在这一时期，开展了各种各样的热效率改善技术的研发，例如米勒循环增压技术，以及稀薄燃烧缸内直喷技术等。图14示出了三菱公司的稀薄燃烧缸内直喷汽油机。

图14 三菱汽车公司的稀薄燃烧缸内直喷汽油机

图15 丰田公司为混合动力电动车研制的INZ-FXE发动机及HEV动力系统

而且，在1997年丰田公司销售了阿特金森循环的1NZ-FXE发动机(图15)，这是世界首例为混合动力电动车(HEV)研制的发动机。

1.5 动力系统多样化，进一步改善热效率

从2000年以来，先进国家的CO2法规(GHG法规)限值逐渐收紧，出于降低泵气损失的目的，开发了连续可变气门机构。同时利用燃料的气化潜热，提高填充效率，同时抑制汽油机爆燃发生，并试图采用提高压缩比的缸内直喷汽油机技术与变速器多档化的同时，使发动机的运转区域换档到机械损失较少的区域，以降低燃油耗为目标的小型化增压技术，与电动式动力系统并用，开发了HEV专用发动机。此外，为适应发展中国家市场的多样化需求，进行了相关发动机的开发。图16示出了丰田公司组合了缸内直喷与进气道喷射的2GR-FSE发动机。图17示出了日产公司生产的连续可变气门机构的VQ37VHR发动机。图18表示马自达公司开发的压缩比高达14的SKYACTIV-G汽油机。图19是富士重工业公司按较小尺寸设计的增压式FB16DIT发动机(小尺寸的直喷增压式发动机)。图20示出了本田公司推出的HEV专用的阿特金森循环发动机，图21表示了五十铃公司研制的双喷射系统发动机。

图16 丰田公司的PEI+GDI IRG-FSE型发动机

图17 日产汽车公司采用连续可变气门机构的VQ37VHR发动机

图18 马自达公司的高压缩比SKYACTIV发动机

图19 富士重工业公司的FB16DIT发动机

图20 本田公司开发的HEV用阿特金森循环发动机

图21 五十铃公司的双喷射系统发动机

今后，为了满足排放法规限值收紧的各国CO2法规及新的排放法规要求，对于HEV、插电式混合动力电动车(PHEV)所用内燃机的热效率与低排放的要求更高。因此要继续致力于降低汽油机的热损失技术，燃油喷雾颗粒化技术、低摩擦技术、轻量小型化技术、排气后处理技术，降低成本等相关技术的研发。而且，组合多种技术，也要在短时间内使多变量参数最佳化，以及辅助技术的研发。可以预见到，运用以模型库开发(MBD)等为代表的技术，开发速度的竞争将日趋激烈[4-6]。

2 汽油机用零部件技术

图22 汽油机零件技术70年回顾

图22示出了汽油机用零部件技术的70年回顾——汽油机用零件技术的发展是为了适应以下各项技术发展要求：(1)缩小尺寸、减小质量的发展；(2)提高功率、动力性能为目标的技术发展；(3)满足排放、燃油耗法规的技术发展要求。这类技术的发展是为了满足不同的时代需求，上世纪70年代之前，为了实现汽车高性能化，瞄准缩小体积，降低质量及提高性能目标的技术得以发展，70年代针对大气污染的社会问题，满足排放法规，引进电子控制。从上世纪90年代起，为满足排放法规强化，以及车载故障诊断系统(OBD)的技术要求。而在2000年，为了防止地球变暖，出台了与CO2、燃油耗相关的法规，促进了汽油机零件技术的发展。

2.1 汽油机用零部件技术的发展回顾

2.1.140年代到70年代

汽油机系统由化油器，起动马达(起动器)，电动发电机等简单结构组成，将缩小尺寸与降低质量，提高性能置于主要地位[7]。

2.1.2颁布马斯基法到1990年

为了满足以美国颁布的马斯基法为代表的排放法规要求，有必要测量吸入的空气量，按照理论空燃比要求，控制燃油喷射量。

排气净化系统中，组合前馈式燃油供给装置，EGR，二次引进空气与氧化催化器曾经是主流装置。不过，自从上世纪80年代以来，使用了氧传感器的反馈式燃油供给装置与三效催化转化器成为了主流装置。

到了20世纪80年代后半期，电子控制式发动机控制系统成为了主流，采用双氧传感器(即在三效催化转化器的后方也安装氧传感器)的反馈控制系统问世。催化器后方的氧传感器还会用OBD的催化器老化进行检测[8-9]。

2.1.320世纪90年代至2000年

以美国低排放车(LEV)法规为代表的法规限值更加严格。为了使发动机起动之后能有效应用催化器，有必要提早促进催化器暖机(指提早提高起动后排气的温度，从而提早催化器活化时间以获得催化效果)，并在发动机下游布置催化器，能够采用怠速旋转提速，以及增加点火延迟(有利于催化器早期活化)。此外，为提高空燃比控制精度，上世纪90年代后半期，开始采用空燃比传感器(UEG0)。为控制燃烧状态，使凸轮相位连续可变的相位可变气门(VVT)机构于90年代初实现了量产。90年代后半期，开始引进缸内直喷技术。当初的以稀薄燃烧为主的发动机上采用了缸内直喷的方式，在排气后处理方面，采用了稀燃-NOx催化器(或稀燃-NOx捕集器)。

自1994年起开始执行务必安装车载故障诊断(OBDⅡ)装置的规定，在失火检测中，普通方法利用发动机旋转变动检测的方法，而部分高速跑车发动机也采用了离子电流的检测方式。蒸发(气化)气体的循环系统中，要求检测蒸气漏泄，采用了排气阀及压力传感器。

此外，上世纪90年代后半期，混合动力车开始了量产，发电机组(MG)，逆变器，DC/DC转换器，电池等新型零部件问世了。

2.1.42000年至现在

以欧洲CO2法规为代表的燃油耗法规，CO2法规开始被强化。2000年代前半期，涡轮增压、缸内直喷、设备小型化等概念问世了。为兼顾燃油经济性与输出功率，采用了涡轮增压器。缸内直喷发动机采用理论空燃比的燃烧方式成为主流，满足了发动机小型化要求，并提高燃油经济性。

图23 汽油机研究领域70年回顾与发展前景

怠速停止系统在2000年代后半期开始普及，皮带传动ISG问世，并逐渐得到广泛应用。另外，采用辅助电源的双电源系统也得到了应用[10]。

在吸入空气量的控制方面，目前电子节流阀仍在普遍应用。

气门控制方面，控制凸轮升程量的升程可变气门装置被引进了。到了2000年代后半期，用电动机驱动的电动式相位可变气门机构问世了。

2.2 汽油机零件技术的发展前景

为了满足更加严格的法规强化要求，预计要实施内燃机的改良与电动化。另外，在燃烧改善领域，推进大流量EGR，以及稀薄燃烧技术。为促进燃料与空气的混合，对燃料系统零件要求可实现油雾颗粒化。要求点火系统零部件实现高电压化与高能量化。在增压器领域，不限于涡轮增压器的研究与应用。目前随着电动化，也在研究电动增压器的引进。

在排气方面，由于颗粒物排放法规日趋严格，在部分工况下，有必要采用颗粒(PM)过滤器及颗粒传感器。在电动化方面，同时进行12 V与48 V的ISG系统的引进。并且，可预想利用这些电能的电动水泵及电动机油泵也会得以引进。

今后的燃油耗法规限值会更加收紧，在大排量车方面，有必要提高混合动力车的电动化比例。另一方面，也要保证汽油机效率的不断提升，推进动力系统的多样化。

3 汽油机研究领域

3.1 基础研究的概况

图23表示汽油机研究领域70年发展回顾及今后的前景。

自1900年代起，瞄准汽油机高性能化目标的基础研究，通过企业、研究机构及大学的研究人员开展了相关工作。作为利用基础研究取得的成果对新型发动机的开发产生作用的实例，包括目前占主流市场的有缸内直接喷射发动机(以下称为直喷发动机)、上世纪70年代的Ford汽车的程序化燃烧(PROCO)发动机，以及控制燃烧系统(TCCS)发动机等[3]。此外，近年来面向实用化而开展研究的均质充量压燃(HCCI)发动机中，使用了ATAC燃烧技术的大西发动机最为人们所熟知[4]。发动机开发中基础研究最为重要，对缸内现象有了进一步认识，尤其是有助于从混合气的形成到点火、燃烧及排气过程的把握，以及阐明燃烧机理的测试方法与数值计算方法的开发及有效运用。

图24 上世纪60年代的可视化发动机

3.2 可视化

在缸内现象的测试方面，目前，光学测量仍然是最有用的技术手段。而在19世纪末，已经有使用玻璃气缸，利用烟雾以进行吸气过程流场测试的实例。自那以后，开始使用设置观察窗的气缸，进行异常燃烧(爆燃)的观察，火焰传播速度的测试等。不过，上世纪30年代，缸内可视化技术就已取得较大的发展[5]。也就是说，可以进行整个燃烧室观察的可视化发动机，以及高速摄影方法的开发。利用这些开发成果，对缸内燃烧动态的详细观察，以及循环变动的观察成为了可能。到了第二次世界大战以后，可视化方法就已经有效应用于提高压缩比以改善燃油耗的研究上。至1950年，可视化方法已应用于排放特性的研究上。到上世纪60年代，逐渐有了大量应用的可视化发动机的原型，即设计出利用石英制活塞的可视化发动机(图24)，并在其中进行缸内火焰传播的实时测试。而且，在20世纪80年代设计出了带单气门的可视化发动机，以及在气缸侧面设置了观察窗的矩形气缸发动机等，至目前为止，加以各种改进的为数众多可视化发动机正在得以应用。

在可视化发动机发展的同时，能够较简便地模拟发动机缸内燃烧动态的快速压缩装置(或者快速压缩膨胀装置，以下称RCM)，也在作为有用的工具而得以使用。RCM是上世纪10年代开发的，然后，各种各样的改良型被开发出来。而拥有压缩气体驱动活塞的RCM，在上世纪60年代被开发出来，为了在更短的压缩时间内实现高压压缩，目前仍在实施改良(图25)。

图25 快速压缩装置实测

图26 利用激光计测以测量混合气浓度分布

伴随可视化发动机的开发，应用激光测试对气缸内现象进行了深入了解。激光喇曼散射法在上世纪70年代被用于缸内空燃比计测。但是，散射光强度是微弱的，也存在背景光的干涉问题，该计测方法进展并不大。而到了上世纪80年代后半期，通过利用高灵敏度电荷耦合器件(CCD)摄像机及高功率紫外线(UV)激光器，空燃比及化学物种(指混合气组成等)浓度分布的高精度测试成为可能。据报道，上世纪90年代中期，进行了缸内混合气化学物种浓度的定量测量(图26)。另据报道，利用激光瑞利(雷利)散射法进行缸内混合气浓度测量是上世纪80年代中期首次实施的项目。目前，使用了由燃料自身或示踪物(氟利昂等)的荧光激光诱导荧光法(LIF)，该方法在20世纪90年代初期应用于缸内的燃料浓度分析测量，并提出了同时测量液相与气相的方法(LIEF)等的建议。此外，利用激光多普勒测速法(LDV)，以及粒子散射法(PIV)，进行流动场的测试；利用相干非斯托克斯喇曼光谱学(CARS)实施温度测量，利用LIF实施活性化学物种浓度计测，以及温度测量等各种各样的激光计测方法。近年来，科研人员也正在尝试组合不同的物理量的同时测试的方法。

3.3 数值计算

自上世纪70年代后半期至80年代初期，由于计算机技术与数值分析方法的先进化，使得发动机缸内的多维数值计算也成为可能，并开发出了各种各样的计算规则。作为应用于发动机研究的二维数值计算的代表性规则(代码)，例如Los Alamos国立研究所的CONCHAS-SPRAY、KIVA、普林斯顿大学的REC(RICE规则的后续规则)等。这些规则主要应用于均质燃烧发动机及分开式燃烧室(预燃室)分层燃烧发动机的分析等(图27)。近年来，以KIVA为首的FLU-ENT，STAR-CD等上市销售的计算流体动力学(CFD)软件正在被应用于发动机缸内分析。关于燃烧仿真必须的化学反应计算，其微分方程式的求解方法于上世纪50年代被开发出来。70年代，科研人员提出建立最初的HC反应模型，并随之建立了各种各样的反应模型。而上世纪90年代中期所开发的GRI-Mech，目前仍在被许多研究人员使用。由于反应模型以及灵敏度分析方法的开发，HC燃料反应机理的阐明获得了进展(图28)。

图27 分开式燃烧室(预燃室)分层燃烧的数值计算实例

图28 烷烃(碳氢化合物)的主要反应过程

3.4 基础研发的作用

如上文所述，气缸内工作过程的可视化，主要从上世纪30年代后半期起其研究得以高速发展，激光计测面向发动机研究的应用是从70年代开始的。从70年代后期进行了缸内现象的多维数值分析。时至今日，这类计测方法，数值计算方法被广泛运用。不过，在使用了均匀混合气的PFI发动机的开发领域，可认为测试及数值分析仅发挥了次要的作用。因为在均质PFI发动机的分析中，燃烧、放热系数分析，排气测试等传统的方法仍然是可靠的手段。不过，近年来，为了进一步提高燃油经济性，降低排放，要进行均质PFI发动机的必要改进，这类测试、分析方法将发挥较大的作用。1996年，世界首例器壁制导分层缸内直喷发动机得以实用化，可以推测激光米氏散射法、相位多普勒流速计、LIF、摄影照片、纹影照相、高速化学发光测试等多种测试方法的研究发挥了重要作用(图29)。早期的分层稀燃缸内直喷发动机的开发中，与其说是广泛应用了散值计算，不如说是广泛应用了光学测试手段。关于碳烟排放研究的开展，光学测试也逐渐成为有用的工具(图30)。在喷射油雾制导分层稀燃直喷发动机的研究领域，压电式喷油器的开发有效应用了光学测试和数值分析。喷油器内部的可视化，PIV测量，基于激光诱导荧光法的喷油蓄附近现象的可视化等相关领域基于数值分析开展了由局部过浓区域来预测碳烟的生成。至于发动机的混合气生成过程等缸内现象是非常复杂的，利用数值分析与发动机试验以进行计算测量，这两方面的分析是较为重要的(图31)。

图29 利用激光计测以测试缸内直喷发动机的缸内动态

在HCCI发动机领域，由于化学反应计算是较为重要的，目前正在进行HC燃料的大规模反应模型的简化。针对HCCI发动机的缸内现象，设计了多点自发点火或者火焰传播的两个模式(状态)，并且正在继续开展与其相关的讨论。近年来，根据其直接数值分析(DNS)，澄清了混合气的不均匀性等对于这两种模式可能造成的影响。从这些研究得到启示，可以期待DNS在将来可应用于发动机研究。

3.5 基础研究的发展前景

图30 缸内直喷发动机中的缸内碳烟生成动态测试

图31 喷雾导向直喷发动机缸内动态的计测与数值计算结果的比较

作为将来有望广泛运用的测试方法，例如高速、高灵敏度的摄影方法，高重复频率激光，多个物理量的同时测量等，均有较高的技术开发价值。而测量实体发动机自身缸内传感器的开发也是较为重要的。虽然单缸可视化发动机是利用数值分析方法验证燃烧室形状最佳化的有用工具，但使用这种测试方法通常是在较低负荷，较低转速条件下实施的。另外，气缸间的偏差分析也是较难实现的。在开发中的多气缸实体发动机上设置观察用窗口并不现实。但是，要实现实体发动机的缸内可视化，采用照相设备会成为有效的手段。

作为数值分析方法，RANS曾经是发动机开发中较为有用的方法，而在将来，其重要性不会降低。虽不能预测循环变动等过程的缺点，但与原始模型组合起来，就可应用于发动机控制。为进行循环变动分析，LES对于多次循环的计算是必要的。在进行试验结果的比较方面，对计算结果的处理要引起注意。DNS限于低雷诺数条件或者简易形状的分析，通常认为难以应用DNS技术对实体发动机形状进行分析。如上文所述，从基础研究的观点出发，阐明每种物理现象都是有作用的。因此可以期待RANS及LES在子模型的验证中，也会成为有效的方法。

4 结语

在日本，从70年前的第二次世界大战汽车技术会刚成立起，发动机技术取得了惊人的发展。首先，是汽车普及与发动机高性能化。在汽车广泛普及后出现了废气排放问题。并且气温上升也成为全球问题。为解决这类问题，关于发动机的研究正在继续开展。

可以预计将来能源问题(或能源危机)会日渐凸现，因此可以适应电力、氢燃料、生物质燃料等多种多样的能源的动力系统是必不可少的。此外，燃料电池车(FCV)及纯电动车(BEV)等虽然有所增加，但在今后20年内，内燃机(包括HEV)的动力系统还会作为汽车的主流动力。因此，研发人员今后还要继续开展研究，特别是对高热效率的发动机的研究(图32)。