熱效率超過42%的高效率汽油發動機的開發

【韓】 B.Lee H.Oh S.Han S.Woo

0 前言

針對汽車排放污染物和溫室氣體的減排措施來滿足全球范圍內日趨嚴格的排放法規已是重大的挑戰。為了滿足目前全球對汽車的環保性要求，對溫室氣體排放量極其低的混合動力汽車和純電動汽車已經持續開發了幾十年。但是預計在未來一段時間內內燃機仍將在汽車主要傳動系統的動力源中占有更高比例。因此，包括汽車電動化技術和內燃機熱效率提升技術對開發環境友好型汽車有著至關重要的作用。

稀薄燃燒技術是提高熱效率的眾多技術之一。稀薄燃燒包括均質稀薄燃燒、分層稀薄燃燒和均質充量壓燃（HCCI）均是目前最先進的汽油發動機燃燒技術。這些技術在未來可以使發動機熱效率有重大提升，但是目前還不能用于量產，仍存在很多技術難點和障礙。

此外，汽車制造商和研發機構在汽油發動機的熱效率提升上作了很多努力［1－3］。目前，如圖1所示，通過采用阿特金森循環、高缸內湍流、冷卻廢氣再循環（EGR）、降低摩擦和其他眾多降低發動機損失的技術，汽油發動機的最大熱效率可以達到40%［3－6］。

盡管作了這些努力，但為了滿足未來日趨嚴格的油耗法規和溫室氣體排放法規，必須進一步提高發動機熱效率。為此，汽油發動機系統和參數，如高滾流進氣道、高能點火系統、長行程設計、高壓縮比、降低爆燃傾向和降低摩擦需要進一步優化和提高。

圖1 最大制動（有效）熱效率散點圖

1 試驗設備

試驗在裝有功率為250kW的交流測功機（型號為Horiba Dynas3LI250）的發動機臺架上進行。測功機上的扭矩儀（HBM T40）用于測試發動機扭矩，其測量精度大于99.5%。Coriolis流量計（型號為 AVL 735S）的燃油流量測量量程為0.2～125.0kg／h，測量不確定性小于0.12%，其用于測量燃油消耗。燃燒特性指標如平均指示有效壓力（IMEP）的變動系數（COV）、燃燒速度和50%已燃燃料質量（MFB）均通過燃燒分析儀（型號為AVL INDISMART）獲得，采用曲軸轉角為0.1°CA步長的壓電式壓力傳感器（型號為Kistler 6056A）測量缸內壓力信號。此外，使用壓縮行程系數為1.35和膨脹行程系數為1.27的多變指數調整零點漂移和計算放熱率。假設損耗角為0.7°CA，通過發動機轉速為2 000r／min的倒拖工況下的熱力學特征尋找上止點（TDC）。通過排放分析儀（型號為Horiba MEXA 9100EGR）分析排放污染物和 EGR率，該排放分析儀包含1個不分光紅外線分析儀（NDIR），用于測量CO和CO2。此外，排放分析儀還含有測量氮氧化物（NOx）的化學發光型分析儀（CLD）和測量未燃燒碳氫化合物（HC）的氫火焰離子型分析儀（FID）。排放分析儀的線性和重復性在2%以內。所有試驗數據都是在穩態工況下測量的，試驗在發動機轉速為2 000r／min、平均制動有效壓力（BMEP）為0.2～1.0MPa的不同負荷下進行。

2 基本設計概念

為了研究熱效率的提升潛力，使熱效率超過40%，新開發了直列4缸2.0L自然吸氣缸內直噴樣機。開發目的是為了減少燃油消耗，發動機基本設計概念為高壓縮比、高EGR率和長行程。基于這些概念，對發動機眾多參數進行了試驗和評估以研究化學計量空燃比汽油發動機熱效率的提升潛力。樣機的詳細參數見表1。

表1 新2.0L自然吸氣缸內直噴發動機樣機的參數

3 發動機參數優化

為了研究發動機參數對熱效率的影響及超過40%熱效率的提升潛力，對發動機的壓縮比、滾流比、雙火花塞結構、EGR率、進／排氣凸輪相位持續角和零部件摩擦這些參數進行了試驗研究。根據試驗結果分析了每個參數對燃油消耗的優化措施。

3.1 壓縮比優化

隨著壓縮比的提高，會導致更高的燃燒溫度和更長的膨脹循環，其可以提高機械輸出功率、降低排氣溫度，因此提高壓縮比理論上會提高熱效率。然而，在發動機實際工作過程中，過高的壓縮比會增大爆燃傾向，同時增加摩擦損失和熱傳遞［7－9］。因此，過高的壓縮比反而對燃油消耗和輸出功率有不利影響?，F有的自然吸氣汽油發動機普遍采用10～12的壓縮比。然而，在新開發的采用阿特金森循環和冷卻EGR技術的汽油發動機上，壓縮比可以進一步提高［3－6］。針對在發動機轉速保持在2 000r／min的不同工況下，對壓縮比12.6～15.0進行了試驗。圖2示出了不同壓縮比的試驗結果。每個工況點的試驗，會對發動機運行參數如凸輪相位持續角、噴油器起噴時刻（SOI）、點火角和EGR率進行調整以達到最優熱效率。

從圖2可得，壓縮比從12.6提高到14.0，燃油消耗明顯減少。對于這些壓縮比，由于冷卻EGR和快速燃燒的作用，燃燒相位可以保持在最佳點火提前角（MBT）點，無需推遲點火時刻以降低爆燃傾向，直到達到BMEP為0.9MPa的負荷工況條件。進一步將壓縮比提高到15，對提高熱效率沒有影響。尤其在高負荷工況下，壓縮比為15的最優燃油消耗（BSFC）相較于壓縮比為14的BSFC有所增加，壓縮比為15的MFB50顯示燃燒相位有所推遲，這是由于爆燃傾向增大導致的。得出的結論是最優壓縮比為14，試驗時在發動機轉速為2 000r／min的工況下得到的BSFC最低。為了采用大于14的壓縮比，并充分發掘減少燃油消耗的措施，需要更好地抑制爆燃。但是最終的試驗結果顯示抑制爆燃的效果不明顯。

圖2 壓縮比12.6～15.0的影響

3.2 雙火花塞結構

可靠的點火系統對提高火花點燃式發動機的燃燒質量起著重要作用。由于目前新開發的汽油發動機具有較高的缸內氣流運動和高度廢氣稀釋特征，實現穩定可靠的點火尤其重要。多火花塞結構在早期的發動機上采用過［10］，其提高了火焰傳播速度、增強了燃燒穩定性。通過采用多火花塞點火，燃燒可以從多個位置同時開始傳播，這樣就縮短了每個火焰前鋒在燃燒室的傳播距離。同時提高了燃燒速度并降低了氣體末端自燃的可能性。此外，多火花塞點火通過降低過度延伸和熱傳遞帶來的熄火，從而提高了火焰成功起燃的可能性。因此，發動機不穩定工況的循環變動可以明顯減小。表2示出了試驗用雙火花塞系統的詳細結構。為了布置雙火花塞，對燃燒室進行了重新設計。氣門的尺寸和安裝角度的重新布置為火花塞布置預留了充足的空間。兩個火花塞位于進氣門和排氣門之間的燃燒室中間位置，從而使火焰傳播距離相同。

表2 雙火花塞和單火花塞結構的對比

在雙火花塞效果試驗驗證前進行了燃燒仿真。采用的STAR-CD（計算流體力學（CFD）軟件之一）進行仿真，其中模擬的工況為發動機轉速2 000r／min和BMEP 0.8MPa。圖3示出了單火花塞和雙火花塞結構燃燒過程中局部溫度特性的仿真對比。從圖3中可以清晰地看出雙火花塞點火時火焰傳播距離大大縮短，燃燒完成的更快。

圖3 單火花塞和雙火花塞結構火焰傳播特性的CFD仿真對比

圖4 單火花塞和雙火花塞結構燃燒特性的試驗對比

圖4 示出了發動機在轉速為2 000r／min的不同工況下的試驗結果。從試驗結果中可以確認雙火花塞極大地縮短了初期和主火焰傳播期的燃燒持續期。另外，由于燃燒穩定性的增強，EGR率可以提高到35%。另一方面，圖4示出了基于滾流比0.9的試驗結果。隨著滾流比增加，雙火花塞的優勢相對減弱。根據試驗結果可以得出，當發動機滾流比為1.5時，雙火花塞結構對燃燒和BSFC也會有所改善。

3.3 滾流比優化

缸內氣流運動產生的湍流對于提高燃燒速度和增強燃燒穩定性至關重要。點火時的湍流強度與初期火焰發展有很大的關系，初期火焰發展是影響燃燒穩定性的主要參數。因此，增強的湍流極大地增強了高廢廢氣稀釋的EGR工況下的燃燒穩定性。另外，缸內湍流增強帶來的更快速的燃燒同時也使得發動機在高負荷工況時具有更高的熱效率。這是由于在末端氣體達到后燃期前已經完全燃燒，從而縮短了燃燒持續期、減少了排氣能量。因此，增強缸內湍流對于高效率汽油發動機非常重要。

滾流運動是最有效的缸內充量運動，其可以帶來缸內湍流。大規模且持續時間長的滾流可以在點火上止點附近形成強的湍流。

圖5示出了進氣道與滾流相關的設計參數。重新設計了進氣道形狀以產生更強的滾流運動。主要設計思路是氣流A以較高運動密度的直線形狀進入缸內，氣流B被“2”處的尖棱和“1”處直線形狀的氣體引流所限制。因此，開發了3種不同的具有高滾流特征的進氣道。每種進氣道的滾流比和流量系數都按照Ricardo滾流測試方法在穩態流量試驗臺上進行了測試。3種進氣道的滾流比測試結果分別為0.9、1.2和1.5。圖6示出了試驗發動機和其他競品發動機的滾流比和流量系數的散點圖，其中的數據收集于2014年。

圖5 高滾流比進氣道的設計參數

圖6 滾流比和流量系數散點圖

圖7 不同EGR率工況下不同滾流比的COV趨勢

圖7 示出了在不同EGR率工況下不同滾流比的總IMEP的COV趨勢。在低負荷工況下，滾流比對EGR偏差和燃燒穩定性有明顯影響，然而在高負荷工況下影響效果減弱。所以在高負荷工況下，滾流比對燃燒速度和EGR偏差的影響可以忽略。雙火花塞和增強滾流運動對于燃燒有相似的影響。這兩種措施都提高了燃燒速度和穩定性。因此，在雙火花塞點火發動機的高負荷工況下高滾流的影響似乎并不明顯。另外，研究中發現滾流對燃油消耗的影響相對較小。下一階段將在保證最大輸出功率的前提下，根據滾流比與流量系數之間的平衡關系選擇合適的滾流比。

3.4 冷卻EGR的高度稀釋

汽油發動機運用EGR技術可以降低爆燃傾向、泵氣損失和排氣溫度。EGR通過其高熱容量降低排氣溫度，具有明顯的抑制爆燃效果。另外，EGR降低了泵氣損失。研究中采用了冷卻EGR來提高低負荷和高負荷工況的發動機熱效率。

圖8示出了發動機上不同的EGR入口布置。本文中對兩種不同的結構進行了試驗。一種是EGR入口在節氣門下游，另一種是EGR入口直接連接到進氣歧管的每個進氣道。

圖8 兩種不同EGR入口布置和EGR系統布局的展示

圖9 示出了兩種EGR系統BSFC和各缸IMEP差異的對比。對比試驗在滾流比為1.0的雙火花塞發動機上進行。節氣門體下游布置的EGR具有良好的各缸分配均勻性，能夠使新鮮空氣和EGR充分混合。與另一種系統相比，節氣門體下游布置的EGR可以實現較高的EGR率和較低的BSFC。但是也存在如節氣門結垢和進氣歧管中有冷凝水的缺點。然而，與進氣道布置導致的EGR分配不均勻的缺點相比，這些問題更容易解決。

圖9 EGR入口1和入口2的BSFC和各缸IMEP差異的對比

圖10 示出了在發動機轉速2 000r／min，整個BMEP范圍工況下EGR對BSFC的影響。試驗在滾流比為1.2、壓縮比為14的雙火花塞發動機上進行。燃油消耗改善隨著BMEP和EGR率的增加而提高。在低負荷工況下，由于降低了泵氣損失，使燃油消耗得到了改善。與高負荷工況下縮短燃燒持續期的影響相比，這種影響相對較小。圖11示出了在BMEP 0.8 MPa工況下各EGR率下的BSFC、MFB50、排氣溫度、泵氣平均有效壓力（PMEP）、缸內壓力和放熱率。EGR率高達35%時BSFC降低了6%，主要是由于高EGR率明顯地抑制了爆燃。由于較高的EGR率和較低的燃燒溫度，燃燒相位可以提前到更優的時刻，同時能保證最小的排氣損失。

圖10 發動機轉速為2 000r／min時冷卻EGR的影響

3.5 換氣過程優化

阿特金森循環利用進氣門晚關策略，通過降低泵氣損失和優化燃燒相位來提高燃油經濟性。阿特金森循環在保持作功行程不變時縮短了壓縮行程，可以有效降低壓縮行程結束時的壓力和溫度，從而抑制爆燃現象。為了評估進氣門晚關對燃油消耗的影響，對固定進氣門開啟時刻的不同進氣凸輪相位持續角進行了試驗。圖12示出了試驗用凸輪型線，圖13示出了在發動機轉速為2 000r／min時240°CA和280°CA 進氣凸輪相位持續角的試驗結果比較。試驗在雙火花塞、壓縮比14和滾流比1.2的發動機上進行。在無EGR時，由于PMEP降低和燃燒時刻提前，燃油消耗減少了達2%～5%（如圖14）。然而，有EGR時進氣門晚關的燃油消耗減少低于3%，這與降低泵氣損失和抑制爆燃的結果相似。然而，可以得出的結論的是進氣門晚關可以幫助減少高EGR率工況下的燃油消耗。

圖11 發動機轉速2 000r／min和BMEP 0.8MPa時冷卻EGR的影響

圖12 試驗用凸輪型線

圖13 不同凸輪相位持續角和有無EGR時的BSFC曲線

圖14 280°CA進氣凸輪相位持續角（進氣門晚關）時有無

圖15 不同排氣相位持續角的影響

圖15 示出了排氣凸輪相位持續角對BSFC和燃燒相位的影響。在低負荷工況時，大的排氣凸輪相位持續角能夠有效幫助利用內部EGR和降低泵氣損失的措施。然而，在高負荷接近最佳區域時對爆燃特性不利。這是由于排氣換氣持續角較大導致的排氣脈沖作用惡化和缸內殘留氣體惡化。因此選用了相位持續角較小的排氣凸輪以達到最佳區域的最優熱效率。

3.6 降低發動機摩擦

汽油發動機的摩擦損失主要來自于軸承、泵和附件驅動。表3總結了降低各零部件摩擦損失的技術。如圖16所示與基礎發動機相比，平均摩擦有效壓力（FMEP）降低了約15%。

表3 降低摩擦損失技術的參數

圖16 倒拖工況下FMEP的對比

4 熱效率提升

圖17示出了優化的樣機和基礎發動機在最大熱效率工況下的能量平衡對比。首先，通過BSFC和熱量計測量的低熱值計算得到最大熱效率。通過排放物的焓與流量的乘積計算得到排氣熱損失。燃燒產物中的CO、HC和H2用于計算未燃燒損失。此外，FMEP和PMEP用于計算摩擦損失和泵氣損失。除了上述能量以外，剩余的能量為冷卻損失和傳熱損失。新發動機的最大熱效率從之前的38.3%提升到42.2%。基于燃燒相位優化而減少的排氣熱損失占的比例最大，同時更有效的燃燒和較低的摩擦損失對提升熱效率也有幫助。然而，高壓縮比和燃燒相位提前增加了冷卻損失和傳熱損失。

圖17 熱平衡對比

計算得到的最終有效熱效率達到了42.2%。下一階段的研究實現目標是功率提升超過55.15kW的汽油機熱效率。另外，對渦輪增壓系統、長行程概念和稀薄燃燒策略的研究都將是未來研究工作目標之一。

5 結語

全新開發了直列4缸2.0L自然吸氣缸內直噴汽油發動機樣機。發動機設計的概念是高壓縮比、高EGR率、長行程，旨在減少燃油消耗。對眾多發動機參數進行試驗和評估以研究化學計量空燃比汽油發動機熱效率的提升潛力。其中試驗和評估結論如下：

（1）試驗和對比了12.6～15.0的壓縮比。試驗發現壓縮比為14時的熱效率最高。進一步提高壓縮比到15，其對提升熱效率無效果，這是由于爆燃和燃燒相位惡化所導致的。

（2）雙火花塞比單火花塞的燃燒更快。因此，雙火花塞能夠提升燃燒穩定性，極端稀釋工況時EGR率接近35%。

（3）從滾流比0.9到1.5的試驗結果看，滾流比越高，低負荷工況的燃燒越穩定。然而，在高負荷工況并且采用雙火花塞結構時，提高滾流比收效甚微。

（4）較高的缸內湍流和雙火花塞結構使得EGR率達到35%時也可以實現穩定燃燒。并且燃油消耗減少了2%～6%。

（5）優化進氣凸輪使其具有較大的相位持續角，并有助于實現進氣門晚關策略。燃油消耗減少了1.9%～2.8%。大的排氣凸輪相位持續角可以有效降低低負荷工況下的泵氣損失。然而，在高負荷接近最佳區域時對爆燃特性不利。

（6）應用了可變排量機油泵和細主軸頸等降低摩擦損失的技術，機械摩擦損失降低約15%。

（7）基于上述優化結果，得到在發動機轉速為2 000r／min和BMEP為0.8MPa工況下，發動機樣機的最大制動（有效）熱效率可以達到42.2%。