傳統(tǒng)能源乘用車節(jié)能技術(shù)分析(上)

◆文/江蘇 高惠民

汽車已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)最主要的交通工具。也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017年底，國(guó)內(nèi)汽車保有量2.17億輛，其中新能源汽車153萬(wàn)輛，占比不足1%。傳統(tǒng)能源汽車的大量使用，加劇了能源危機(jī)和環(huán)境污染。另一方面，汽車節(jié)能管理法規(guī)日益嚴(yán)格，如國(guó)家頒布的《乘用車燃料消耗量限值》強(qiáng)制規(guī)定，到2020年國(guó)內(nèi)車企生產(chǎn)的乘用車(含新能源)新車平均燃料消耗量需降低至5L/(100km)。在此形勢(shì)下，應(yīng)用節(jié)能技術(shù)來(lái)降低燃料消耗量對(duì)傳統(tǒng)能源汽車至關(guān)重要。目前在采用內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的乘用車領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)主要是圍繞提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)車輛輕量化，減少CO2溫室氣體排放的技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)創(chuàng)新，具體有以下三個(gè)方面。

一、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的“心臟”，是將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能并輸出動(dòng)力的裝置。目前節(jié)能環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)正在朝著小排量增壓型的方向發(fā)展。豐田汽車公司采用的“三雙”技術(shù)，包括“雙循環(huán)”、“雙噴射”和“雙渦管”系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工作狀況下，采取不同的工作方式，使自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提高到40%，達(dá)到燃油消耗和動(dòng)力絕佳平衡，代表著當(dāng)今傳統(tǒng)能源乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的主流。

1.Otto循環(huán)+Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

從燃料化學(xué)能到輸出功的能量轉(zhuǎn)換，是由燃燒效率、循環(huán)熱效率和機(jī)械效率三個(gè)環(huán)節(jié)所組成，其中循環(huán)熱效率是核心的環(huán)節(jié)，因?yàn)樽鳛闊崃ρh(huán)的熱功轉(zhuǎn)換是熱能機(jī)械最本質(zhì)的體現(xiàn)，也是發(fā)動(dòng)機(jī)原理最基本的內(nèi)容。過(guò)去傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在理論上都是按接近等容放熱循環(huán)模式工作，稱為Otto(奧托)循環(huán)，等容放熱線如圖1超膨脹比理論循環(huán)P-V及T-S圖上的(a)、(b)所示。

圖1 超膨脹比理論循環(huán)P-V及T-S圖

如果將等容放熱循環(huán)模式改為等壓循環(huán)放熱模式，即將圖1中的絕熱膨脹線zb延為zb’,再按b’a進(jìn)行等壓放熱回到壓縮始點(diǎn)a，這種循環(huán)叫做Atkinson(阿特金森)循環(huán)，它是一種超膨脹比發(fā)動(dòng)機(jī)。相比Otto循環(huán)，Atkinson循環(huán)增加了圖所示bb’ab大小面積的有效功或熱量。但是，由于Atkinson發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜、摩擦損失大、可靠性差以及成本高等原因，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有得到推廣運(yùn)用。隨著可變氣門正時(shí)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)工程師拉夫·米勒(Ralph H Miller)在1947年利用可變氣門相位技術(shù)控制進(jìn)氣門早關(guān)，實(shí)現(xiàn)了膨脹比和壓縮比分離的米勒循環(huán)。

米勒循環(huán)的初始目的是通過(guò)降低有效壓縮比降低進(jìn)氣溫度，從而降低汽油機(jī)的爆震趨勢(shì)，以便利用增壓技術(shù)，提高汽油機(jī)的功率密度和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。后來(lái)發(fā)展成了采用進(jìn)氣門晚關(guān)的米勒循環(huán)，進(jìn)氣門晚關(guān)的米勒循環(huán)利用進(jìn)氣門延遲關(guān)閉時(shí)刻，使得壓縮行程初期進(jìn)氣門仍保持一定的開(kāi)度，隨著活塞的壓縮上行，部分進(jìn)入缸內(nèi)的工質(zhì)被推出汽缸流回進(jìn)氣管，這樣在汽油機(jī)部分負(fù)荷工況下，利用這種進(jìn)氣回流控制負(fù)荷， 可以保持較大的節(jié)氣門開(kāi)度，提高進(jìn)氣管和進(jìn)氣行程缸內(nèi)壓力，有利于降低泵氣損失，再結(jié)合減小燃燒容積提高壓縮比技術(shù)，便形成了具有高膨脹比的Atkinson循環(huán)的效果。于是汽車界把這種基于進(jìn)氣門晚關(guān)用于降低泵氣損失的高膨脹比的米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)稱為Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

由于Otto循環(huán)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比因燃燒時(shí)爆震等因素受到限制，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比等于膨脹比。而Atkinson 循環(huán)可使進(jìn)氣門關(guān)閉后才是壓縮行程的實(shí)際開(kāi)始點(diǎn),而膨脹行程還是和原Otto循環(huán)相似或稍長(zhǎng)(延遲排氣門開(kāi)啟正時(shí)，使得膨脹壓力壓力下降后開(kāi)始進(jìn)行排氣行程，降低排氣損失)，這樣膨脹比大于有效壓縮比，即膨脹比εe =(膨脹行程量 + 燃燒室容積)/燃燒室容積＞壓縮比ε(壓縮行程量+燃燒室容積)/燃燒室容積，εe=(Vc+Vs″)/Vc＞ε=(Vc+Vs)/Vc,獲得圖1所示bb″a″ab大小面積的膨脹功或熱量，提高熱效率，從發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖顯示，圖2所示為豐田雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖)，雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)低燃油消耗區(qū)范圍顯著擴(kuò)大。如果在Atkinson 循環(huán)的基礎(chǔ)上，再引入廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)技術(shù)，用來(lái)降低最高燃燒溫度，可以控制NOx的生成與排放。同時(shí)，外部EGR在抑制爆震、改善缸內(nèi)燃燒相位等方面也有積極影響。在同等負(fù)荷條件下，還可以再加大節(jié)氣門開(kāi)度，從而進(jìn)一步降低泵氣損失、改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖2 豐田雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性對(duì)比圖

由VVT 控制的Otto循環(huán)+Atkinson 循環(huán)的配氣相位和產(chǎn)生的效果(圖3)，圖4所示黃色線框部分是豐田雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)對(duì)比。

圖3 雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位圖

圖4 豐田雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(IZOA)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)(RAV4)性能指標(biāo)對(duì)比

2.進(jìn)氣道噴射+缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)

稀薄燃燒是降低汽油發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的重要途徑，根據(jù)燃燒的基本概念，實(shí)際混合汽濃度比理論空燃比更稀(A/F＞14.7)的燃燒稱為稀薄燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，隨著空燃比變稀，油耗和NOx排放均顯著降低。但繼續(xù)變稀時(shí)，常規(guī)進(jìn)氣道噴射的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)著火和燃燒就會(huì)變得不穩(wěn)定，因而油耗也開(kāi)始上升。圖5所示不同燃燒方式的性能對(duì)比。

圖5 不同燃燒方式的性能對(duì)比

對(duì)乘用車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言, 無(wú)論是非缸內(nèi)直接噴射燃燒(進(jìn)氣道噴射)，還是缸內(nèi)直接噴射燃燒都各有利弊，采用高壓燃油缸內(nèi)直接噴射燃燒技術(shù)，可以減小泵氣損失，提高充氣效率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低CO2排放。但在低速低負(fù)荷工況缸內(nèi)噴射不能確保最佳的混合汽形成，以及稀薄燃燒帶來(lái)的NOx排放增加和凈化處理變得困難。而進(jìn)氣道噴射具有形成均質(zhì)混合汽和排放物處理簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但由于受到節(jié)氣門進(jìn)氣節(jié)流的影響, 進(jìn)氣量不足，限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率的提高。鑒此誕生了集缸內(nèi)直接噴射和進(jìn)氣道噴射相結(jié)合的混合噴射系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖6所示，噴油安裝位置如圖7所示。噴射系統(tǒng)中噴油正時(shí)與燃油噴射模式的比例由發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射脈譜圖確定。

圖6 混合噴射系統(tǒng)組成

圖7 混合噴射噴油嘴安裝位置

(1)噴油正時(shí)控制(圖8)

圖8 混合噴射噴油正時(shí)

①冷啟動(dòng)缸內(nèi)直接噴射正時(shí)：在進(jìn)氣行程和壓縮行程后半程進(jìn)行燃油噴射，可以利用汽缸內(nèi)高壓縮湍流混合燃油與空氣，縮短噴射時(shí)間，產(chǎn)生較稀薄的混合汽，混合汽A/F=15～16，改善分層燃燒效果，加快暖機(jī)過(guò)程。

②暖機(jī)后缸內(nèi)直接噴射正時(shí)：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷，在進(jìn)氣行程進(jìn)行1次或多次噴射，使燃油和空氣有充分混合時(shí)間，并且通過(guò)提高噴嘴效果優(yōu)化干擾，抑制爆震趨勢(shì)，混合汽A/F=14～15。

③進(jìn)氣道噴射正時(shí)：進(jìn)氣道噴射采用在進(jìn)氣門開(kāi)啟前噴射，這樣燃油有充分吸熱霧化時(shí)間，保證產(chǎn)生均質(zhì)混合汽，混合汽A/F=14～15。

(2)噴射模式控制

發(fā)動(dòng)機(jī)朋友脈譜圖如圖9所示。

圖9 混合噴射脈譜圖

①全負(fù)荷工況區(qū)

缸內(nèi)直噴被用于全負(fù)荷工況區(qū), 因?yàn)樗軌虺浞掷脟娙肫灼偷钠瘽摕醽?lái)改善充氣效率(冷卻效果),最大限度控制爆震。

②部分負(fù)荷工況區(qū)

改變缸內(nèi)直噴和進(jìn)氣口噴射量的比例，能夠在某一個(gè)比例下獲得比單獨(dú)應(yīng)用其中一種噴射方式更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和扭矩輸出。此外, 隨著負(fù)荷的變動(dòng), 優(yōu)化噴射比例量以適應(yīng)負(fù)荷的變化。對(duì)空燃比分析的試驗(yàn)結(jié)果表明，30%缸內(nèi)直噴能獲得比100% 進(jìn)氣道噴射更均勻的混合汽, 并且在火花塞周圍區(qū)域形成稍濃的混合汽, 導(dǎo)致著火滯后期縮短, 燃燒速度加快, 從而改善了燃燒穩(wěn)定性。混合噴射系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)出所有行駛工況的最佳燃油噴射比例量后就能夠轉(zhuǎn)化成噴射比例脈譜圖。圖10(a)所示怠速時(shí)的進(jìn)氣道噴射數(shù)據(jù)流，圖10(b)是中等負(fù)荷時(shí)的混合噴射數(shù)據(jù)流。

③冷啟動(dòng)工況區(qū)

因?yàn)槔鋯?dòng)時(shí)的速度原因，高壓油泵不可能迅速建立起缸內(nèi)直噴所必需的燃油流量, 燃油壓力也難以達(dá)到足夠的壓力標(biāo)準(zhǔn), 因此，直到缸內(nèi)直噴供油系統(tǒng)中的燃油壓力達(dá)到預(yù)先規(guī)定值之前，只實(shí)行進(jìn)氣道噴射，這樣就能夠改善啟動(dòng)時(shí)油束油滴直徑, 降低冷啟動(dòng)時(shí)的HC排放量。此后為了加速催化轉(zhuǎn)換器的預(yù)熱過(guò)程，轉(zhuǎn)換到按比例混合噴射，提高怠速使扭矩波動(dòng)和HC排放都得到了優(yōu)化。

3.單渦輪+雙渦管增壓系統(tǒng)技術(shù)

增壓小排量技術(shù)是指發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)增壓技術(shù)并減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量，在保證輸出扭矩和功率不變的前提下，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率，增壓小排量帶來(lái)的益處如下。

①排量減小，泵氣損失減小，相同動(dòng)力輸出條件下的指示平均壓力升高，使得運(yùn)行工況點(diǎn)移向更高效率區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率可大幅提高。

②排量減小，燃燒室表面積減少，降低了機(jī)械摩擦損失，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率。

③如果采用渦輪增壓技術(shù)，還可以回收排氣能量，大幅度提高循環(huán)熱效率。因此，渦輪增壓是目前乘用車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排普遍采用的一種措施。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)利用廢氣能量方式的不同，渦輪增壓系統(tǒng)可以分為定壓系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)兩種形式，如圖11所示。

圖10 混合噴射系統(tǒng)噴射模式數(shù)據(jù)流

圖11 渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本形式

定壓渦輪增壓系統(tǒng)把所有汽缸的排氣歧管都通向一個(gè)體積較大總管，然后按渦輪機(jī)前排氣背壓PK,導(dǎo)入渦輪機(jī)的噴嘴環(huán),稱為定壓渦輪增壓系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，各歧管排氣壓力有較大波動(dòng)，各缸排氣的時(shí)間互有差異，且部分重疊，但匯入到總管后的各缸排氣相互混合，減速和滯止，造成不可逆膨脹損失，使廢氣可用能降低。而脈沖渦輪增壓系統(tǒng)，原則上是將各缸排氣歧管中的脈沖氣流直接導(dǎo)入渦輪機(jī)中，以盡量減小定壓系統(tǒng)廢氣匯集到總管時(shí)節(jié)流出現(xiàn)較大的不可逆膨脹能量損失。但是，各缸排氣歧管獨(dú)自接入渦輪機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也難以布置，所以對(duì)汽缸數(shù)是3的倍數(shù)的多缸機(jī)，如三缸、六缸、十二缸機(jī)等，可以將點(diǎn)火間隔240°CA的三個(gè)汽缸的排氣歧管連在一起，形成一個(gè)支管，再接入渦輪機(jī)，這樣在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，一個(gè)排氣支管內(nèi)可以形成三個(gè)均勻連續(xù)的排氣脈沖，稱為三脈沖系統(tǒng)。對(duì)于汽缸數(shù)不是3的倍數(shù)的多缸機(jī)，無(wú)法構(gòu)成三排氣脈沖，但可以將排氣間隔均勻的兩個(gè)汽缸歧管連接起來(lái)，形成一個(gè)支管，稱為雙脈沖系統(tǒng)。雙脈沖系統(tǒng)雖然無(wú)法在排氣支管中形成連續(xù)的排氣，但能形成間隔均勻的排氣，也有利于渦輪機(jī)穩(wěn)定工作和提高增壓效率。把這種兩個(gè)支管分別接入一個(gè)渦輪機(jī)的系統(tǒng)，豐田汽車公司把它稱為單渦輪+雙渦管增壓系統(tǒng)。豐田皇冠8AR-FTS四缸2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)雙渦管渦輪增壓器排氣歧管連接如圖12所示。

圖12 豐田皇冠8AR-FTS四缸2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)雙渦管渦輪增壓器排氣歧管連接示意圖

由于脈沖渦輪增壓系統(tǒng)不存在大容量的集氣總管，理論上應(yīng)不出現(xiàn)不可逆的膨脹損失，實(shí)際上，初始排氣時(shí)仍有很大壓降，此時(shí)對(duì)應(yīng)于自由排氣階段，但此階段時(shí)間很短，排氣門背壓很快上升，再加上脈沖系統(tǒng)流入渦輪機(jī)的廢氣已具有較高的動(dòng)能速度，此能量的一部分在渦輪機(jī)中也可轉(zhuǎn)為機(jī)械功，所以它的能量利用率要比定壓系統(tǒng)高。定壓系統(tǒng)所損失的可用能，大約40%～50%可在脈沖系統(tǒng)中得到利用。另外脈沖系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程掃氣作用有明顯好處，因?yàn)檫M(jìn)排氣門開(kāi)啟重疊的掃氣期，脈沖系統(tǒng)的廢氣已基本排空，排氣背壓PK,處于低谷，而定壓系統(tǒng)由于PK,波動(dòng)不大，所以其掃氣壓差，即進(jìn)氣壓力減去排氣背壓(Pb- PK,)要低于脈沖系統(tǒng)(圖13)。

圖13 排氣脈沖壓力波與發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣性能