高熱效率的低燃油耗技術ESTEC

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

0 前言

氣候變化和能源問題使改善車輛燃油經濟性成為當務之急。發動機制造商、零部件供應商和研究機構正努力提高熱效率，以改善車輛的燃油經濟性。

圖1示出了傳統火花點火發動機的熱效率及其未來變化趨勢。當前，常規發動機的熱效率約為36%，混合動力發動機則達到38%以上。在混合動力發動機上應用阿特金森循環、冷卻廢氣再循環（EGR）、電控水泵和低摩擦技術，能對提高熱效率起重要作用。未來有望將上述技術用于常規發動機，從而使兩者的熱效率均達到40%以上。上述技術能夠提高發動機在低負荷工況下的熱效率，目前正在評估這些技術能否克服自然吸氣汽油機的缺點。從未來的發展趨勢來看，要使發動機熱效率達到40%以上，采用大容量冷卻EGR和稀薄燃燒是必不可少的，這意味著燃燒過程對發動機的開發而言越來越重要。此外，也要關注低摩擦和氣門傳動系統等基礎技術的改進。下文將具體介紹具有高熱效率的低燃油耗（ESTEC）發動機的相關技術。

1 發動機熱效率

首先從理論角度闡述提高發動機熱效率的方法，然后觀察實際的運行狀況，最后指出其未來趨勢。奧托循環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動機熱效率。具體而言，可以考慮提高幾何壓縮比，推遲排氣門開啟正時，以及采用稀薄燃燒等。圖2為計算了機械損失、泵氣損失、冷卻損失、排氣損失，以及未燃損失后發動機的實際熱效率值。

降低機械損失是基本的發動機技術，具體的技術方案有減小活塞環張力、優化軸承軸線和寬度等。可以利用先進的氣門機構、EGR和稀薄燃燒等技術逐步達到降低泵氣損失的目的。EGR和稀薄燃燒等技術還能降低燃燒溫度，進而減少冷卻損失，同時，諸如長行程設計和優化燃燒室設計等對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，但如果提高幾何壓縮比，則必須改善發動機的抗爆性。

技術人員已經開發了很多提高發動機熱效率的技術。圖3示出了現已開發的混合動力技術和未來可能采用的技術。在開發第1代混合動力發動機時，主要通過采用非常規高膨脹比的阿特金森循環和低摩擦技術來提高熱效率。當前的混合動力發動機還引入了冷卻EGR和電控水泵，可以達到38%以上的熱效率。研究人員在開發過程中發現，采用大容量冷卻EGR對改善抗爆性和降低泵氣損失均有明顯收效。未來對混合動力發動機的開發重點將會是采用燃燒技術，擴大EGR上限，并通過稀薄燃燒方式降低發動機摩擦損失。

2 混合動力技術在常規車型上的應用

提高發動機熱效率的典型做法是采用高壓縮比的阿特金森循環，不過，采用高壓縮比的缺點之一是會導致發動機扭矩下降（圖4）。混合動力系統可以借助電動機轉矩來補償發動機扭矩的下降，但對常規車型來說，這一點很難做到。

在發動機轉速1 500～2 000r／min、負荷50%左右的運行范圍內，混合動力發動機具有良好的性能和熱效率（圖5）。相比混合動力發動機，常規發動機在低負荷工況下的熱效率更加重要。

本文針對采用阿特金森循環后造成的低速扭矩不足，介紹補償發動機扭矩下降的方法，以及在低負荷工況下優化內部EGR、冷卻EGR、阿特金森循環的方法和降低摩擦的技術。所有數據均來自1NRFKE型發動機ESTEC技術的開發過程。

3 1NR-FKE型ESTEC發動機概況

表1列出了新開發的1NR-FKE型ESTEC發動機和現有1NR-FE型發動機的主要技術規格，1NR-FE型發動機配裝在豐田汽車公司的A級和B級車上。

阿特金森循環從1997年開始正式用于第1款Prius混合動力車，為實現卓越的熱效率，采用高達13.5的幾何壓縮比和水冷EGR系統。

表1 1NR系列發動機的主要技術規格

為了能在常規車型上應用阿特金森循環，采用電控VVT-i或VVT-iE是關鍵因素。這樣可快速而精確地控制進氣門相位，并避免因冷起動導致的機油溫度和壓力變動對發動機造成制約。

水冷EGR系統具有1個高效的EGR冷卻器，包括1個快速響應的EGR閥。此外，進氣歧管、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。進氣道采用強滾流、大流量設計，實現快速燃燒，可避免爆震。為了同時滿足發動機的動力性能和燃油耗要求，新機型采用4-2-1管狀排氣歧管設計，以減少燃燒后的缸內殘余廢氣量。

4 恢復全負荷動力性能

圖7為恢復發動機扭矩后的結果。改進排氣歧管形狀，加入1個新型水套隔片，并優化噴油定時。圖8顯示缸內殘余廢氣量下降2.5%，補償了壓縮比從11.5增加到13.5所造成的燃氣溫度升高效應。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 優化EGR系統

混合動力發動機應用阿特金森循環和冷卻EGR降低燃油耗。但是，冷卻EGR的應用受到扭矩波動的限制，而后者是由于過于依賴低溫燃燒導致燃燒品質變差引起的。因此，在低負荷工況下的熱EGR區域采用內部EGR，可以有效控制燃燒溫度，并降低燃油耗。圖10為轉速1 200r／min、負荷30%的低負荷工況數據。在大流量冷卻EGR條件下，EGR率為12%～20%，扭矩波動量超過判據值，未燃碳氫化合物（HC）排放較高，因此燃燒溫度似乎過低。另一方面，采用內部EGR時，氣門重疊角為45°CA，冷卻EGR率為0。此時，燃油耗低于大流量冷卻EGR條件下的，扭矩波動量表現良好，且未燃HC排放有所下降。最終優化的EGR如圖10中所示，氣門重疊角為45°CA，冷卻EGR率為3%，此時燃油耗最低。

圖11示出了優化的氣門正時和EGR閥步長。低負荷工況下，提前排氣門正時，采用內部EGR；中等及高負荷工況下，推遲排氣門正時，EGR閥步長提前。

6 摩擦損失的降低

對于高壓縮比造成的發動機扭矩下降問題，優化冷卻是很好的應對方法，但改善冷卻后會增加摩擦損失和冷卻損失，對燃油耗產生負面影響。研究人員發現，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。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的溫度會快速升高，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動機扭矩得以提高。氣缸活塞一側頂部溫度與中部溫度保持相同（圖14），此時點火滯后最小。

7 結語

得益于各種技術方案的實施，1NR-FKE型ESTEC發動機能保持與1NR-FE型發動機相同的高動力性能，同時具有高達38%的卓越熱效率。圖16示出了該機型的動力性能。新機型的低燃油耗運行區域大幅增加，低負荷工況燃油耗大幅下降。與美國市區LA4工況相似，在JC08試驗工況下，1NRFKE型ESTEC發動機的燃油經濟性改善率達到11%。其中，高壓縮比阿特金森循環為主要因素，摩擦降低居其次（圖17）。