改善車用發動機燃油經濟性的微波等離子燃燒系統

【日】 池田裕二 芹澤毅 內田克己

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改善車用發動機燃油經濟性的微波等離子燃燒系統

【日】 池田裕二 芹澤毅 內田克己

研究表明，在改善車用發動機燃油經濟性的技術中，應該著重開發性價比(改善效果與投入經費之比)更好的技術，如增加廢氣再循環量、降低發動機摩擦、凸輪相位控制，以及等離子燃燒系統等。介紹基于微波脈沖振蕩控制的非平衡等離子燃燒技術，以及該技術應用與車用發動機的研發情況和改善燃油經濟性的效果。

車用發動機 燃油經濟性 微波等離子燃燒 成本

0 前言

近年來，改善汽油車燃油經濟性的研發速度正在不斷加快，各汽車制造商紛紛應用各種降低燃油耗的技術，力爭在競爭中贏得市場。為了促進低燃油耗車輛的快速普及，日本國土交通省依據“關于汽車燃油耗性能的評價及信息公布的實施綱要”，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，也會例舉主要的燃油經濟性改善技術，此外，關于這些技術及其所需成本的相關信息也會及時公布。表1是從上述文獻中發動機、驅動及動力傳動系統、車體及其他方面的相關公告信息中抽取的與發動機有關的技術案例，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。

表1 燃油經濟性改善技術及其費用成本的比較

分析上述燃油經濟性改善技術后可知，從各項技術的改善效果與所需費用來看，其性價比的差異極為顯著。概括而言，能期待產生明顯效果的技術基本都需要較高的費用，可以說，每改善1%的燃油經濟性，幾乎都要花費約10000日元的成本。其中，今后應著重進行開發的高性價比技術包括增加EGR量、降低發動機摩擦，凸輪相位控制，以及等離子燃燒技術等。另一方面，改進發動機系統結構的技術雖能更為有效地改善燃油經濟性，但須投入更高的經費。

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

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，以及該技術應用于車用發動機后改善燃油經濟性的效果。這種新燃燒技術的開發不僅涵蓋日本Imagineering公司自主研發的項目，還包括該公司受日本新能源及產業技術綜合開發機構(NEDO)委托和贊助所開發的項目。

1 基于非平衡等離子的燃燒技術

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

圖1示出了將基于微波等離子的燃燒技術應用于火花點火發動機時的技術理念及其預期效果。圖1中的照片是在大氣環境下，只采用火花點火生成的放電等離子與微波疊加后擴大的微波等離子狀態。

利用天線等將微波輻射到火花塞點火生成的放電等離子上，通過這種能量的疊加，擴大放電等離子，以促進著火燃燒。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到熱平衡，維持只被極輕質量的電子所激發的非平衡狀態(低溫等離子)。由于上述效應，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，達到穩定初期火焰核促進火焰傳播的目的。由此，在稀混合氣中，當空燃比(A/F)達到30的狀態，就能實現穩定的著火和燃燒。

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備，是出于以下原因：(1) 可輕易在市場上以適中的價格購入；(2) 可在寬廣的范圍內利用微波的振蕩控制實現點火控制；(3) 可采用適當的方法應對因使用微波設備而產生的各種問題(如電波法規等)。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用途的小型化、高可靠性及工作穩定性方面的要求，目前采用的是半導體振蕩器。由此，也進一步提高了控制性能。半導體振蕩器的實用化應歸功于近年來移動電話及微波中繼站的普及，以及高功率(1kW級)微波振蕩半導體器件的實用化進展。

2 微波等離子燃燒系統

圖2示出了實現微波等離子燃燒的系統結構。本系統由4組設備構成：(1) 在燃燒室內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的火花點火及微波控制裝置，基于曲軸轉角檢測信號指示點火定時的發動機電控單元(ECU)及控制系統，以及為上述裝置供電的電源電路；(4) 進行傳送分配的微波傳輸系統。

微波等離子燃燒系統中各種設備的相關開發課題如下：(1) 等離子燃燒用火花塞的開發課題包括天線式火花塞的開發(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、火花點火及微波控制裝置、ECU及控制系統、電源電路方面，須解決的課題包括驅動車載電源的微波脈沖振蕩電源的開發，設備的小型化、高功率化、動態穩定性及可靠性，以及適合于發動機運行點的微波等離子控制等；(4)微波傳輸系統應具備較低的傳輸損耗，以及耐用性和抗振性等性能，同時還須解決微波分配等方面的問題，在實際配裝車輛時，不但要求系統應具備其本來應有的功能，而且要求其具備作為車載部件所應具備的功能和品質保障。

3 微波等離子燃燒發動機的研發過程

在微波等離子燃燒發動機的開發過程中，在2003年，日本Imagineering公司開展了將近4年的自主研發工作。自2006年起，該公司接受NEDO的委托并獲得贊助，實施能源使用合理化技術策略的研究，以及節能革新技術的開發等前沿科技研發(歷時2年研發微波等離子燃燒技術的原理及燃燒改善效果的驗證等)。之后，又經歷了實用化研究(歷時3年專注以配裝實際車輛為前提的等離子燃燒系統的實用化開發，以及燃油經濟性改善效果的驗證，并提出實用化課題)，以及最終的試驗驗證研究(歷時3年在量產發動機上確認效果，確立量產技術目標)。最后，在2014年春季，研發過程終告一段落。

綜上所述，研發人員在各階段分別提出課題，設定相應開發目標值后，陸續解決了各項技術難題，包括微波等離子燃燒系統各構成單元(設備)的開發，以及將各單元組合后的系統課題，還有以配裝車輛為前提的實用化、量產化及實際運營方面的課題。表2歸納了等離子燃燒發動機的研發過程與主要成果。

表2 等離子燃燒發動機的研發過程與主要成果

3.1 微波等離子燃燒系統的開發狀況

圖3示出了新開發的微波等離子燃燒系統部件外觀。在開發微波振蕩用的半導體器件時，分別使用2家供應商提供的芯片，試制振蕩器(功率放大器)樣品，并在不同模塊制造廠家生產，與上述2種功率放大器組合，試制振蕩控制器。基于所使用的半導體芯片的性能，雖然2種功率放大器內的增幅回路不同，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1和樣機2的功率放大器都采用直流32V的車載電源驅動，具有能以瞬時最大功率至1kW的2.45GHz±50MHz頻率振蕩微波的能力。混頻器能匹配所用發動機的火花塞孔徑，由設置在發動機氣缸蓋上的火花塞向燃燒室內輻射微波。從混頻器上部供給高壓直流電，從上部側面(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策的不帶電阻電路的火花塞。混頻器中央部位設有電氣連接微波的諧振電路，對所有傳輸系統都進行電整合(設置任意阻抗)，進而完成設計和制作。

3.2 微波等離子燃燒發動機的開發狀況

在量產發動機上應用微波等離子燃燒系統，調查在發動機運行脈譜圖上的各運行點擴展稀燃運行范圍、增大EGR率，最終抑制燃燒不穩定性，達到改善燃燒的效果。試驗發動機為3缸658mL排量機型，缸徑63.0mm，行程70.4mm，壓縮比為11.3。

圖4示出了發動機試驗回路示意圖。每臺功率放大器都具備向發動機多個氣缸燃燒室內分別振蕩微波的能力。作為系統結構來說，是使用1臺功率放大器，還是使用多臺功率放大器(在每個氣缸中使用獨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，所采用的系統結構是在每個氣缸內設置獨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，本系統也可被看作點火系統的子系統。由ECU向各氣缸發出點火信號，以建立點火信號的時點為基準，微波振蕩開始時間可作任意延遲。這是因為微波振蕩器是半導體器件，所以，為了實現高精度且時間響應性良好的控制，并減輕火花塞電極的等離子負荷，以及基于火花點火與微波的適當能量分配需求，最終確定了上述系統特性。

圖5示出了在A/F=23.3的稀燃運行區域針對燃燒波動的評價實例。對比只運用火花點火與采用火花點火+微波振蕩時的結果可知，疊加微波振蕩之后，降低了發動機在稀燃運行區域的失火風險，大幅抑制了壓力波動。

為了評價車輛的燃油經濟性，將運行脈譜圖(發動機運行區域)劃分為5個區域，作為JC08工況的代表運行點，針對每個區域的代表點進行燃油耗計算。如圖6所示，根據配裝車輛部位的不同，對燃油經濟性改善效果的評價方法會有所差異。在接近發動機本體的部位，對于燃燒室，是按ISFC來進行評價的；對于包括曲軸在內的部位，則是按有效燃油消耗率(BSFC)來進行評價的；而對于包括動力傳動系統及車輪在內的部位，則按車輛燃油耗來進行評價。按上述ISFC進行評價的結果表明，與采用通常點火方式的理論空燃比燃燒系統相比，使用新系統后的燃油經濟性改善效果可達到12.4%。

4 結語

本文介紹了改善汽車燃油經濟性的最新研發動向，包括微波等離子燃燒技術及其系統的開發，以及日本Imagineering公司的研究人員接受NEDO的委托及贊助所實施的研究成果等內容。

彭惠民 譯自 日本機械學會誌，2014，117(1148)

朱曉蓉 校

朱曉蓉 編輯

2015-01-27)