汽油機45%～50%熱效率的技術發展研究

劉耀東 宮艷峰 李金成 陳海娥

（中國第一汽車集團有限公司 研發總院，長春 130013）

主題詞：熱效率 汽油機 45% 50%

1 前言

隨著全球油耗法規的日益嚴格，以及新能源車快速發展所帶來的競爭壓力，顯著地提升熱效率成為內燃機行業的迫切需求。目前的量產汽油機，最高熱效率已經達到41%[1]，它由Toyota的TNGA理念設計[2-4]，主要采用了阿特金森循環、冷卻EGR、電動可變氣門正時、缸內/氣道雙噴射、高能點火、激光熔覆座圈、電動水泵以及低摩擦等先進技術，將原有量產汽油機的熱效率提升了1～3個單位。但是，想要進一步提高量產汽油機的熱效率，受限于升功率與熱效率的“Trade-off”（取舍）關系（如圖1所示），尤其是從41%到45%，Sellnau認為需要更加精益化的設計，甚至是創新的燃燒模式。

圖1 最高熱效率與最大升功率的關系[5]

近幾年，內燃機界加快了提升熱效率的日程和工作。由日本50多個大學和企業參與的國家戰略重大研究項目SIP剛剛結題，目標是50%熱效率，并給出了技術途徑[6]。Honda采用1.5的沖程缸徑比、超高的滾流比、17的壓縮比、超過30%的EGR和450 mJ的高能點火等技術，在過量空氣系數為1時，通過一維模擬將熱效率提高到45%[7]。Toyota也采用1.5的沖程缸徑比、超高的滾流比、13的壓縮比、19.7%的EGR和高能點火等技術，在稀燃的條件下將熱效率提高到45.7%[8]。Delphi汽油機Gen3X采用了類似柴油機的燃燒模式，稱之為“GDCI（Gasoline Direct Injection Compression Ignition）”，通過中置50 MPa噴油器將汽油噴入缸內壓燃，配合稀燃、無節氣門、進氣加熱、缸壓反饋傳感器、排氣“Rebreathing”（排氣再回流）、短集成排氣歧管和高效變噴嘴渦輪增壓器等技術，將最高熱效率提升到43%，雖然沒有達到45%，但是40%的工況區域覆蓋廣泛，并通過模擬預測，加上50%絕熱等技術之后，熱效率達到47.6%[5]。

對于上述技術路線的量產可行性，一方面，像Honda和Toyota，將某一工況點的熱效率做到很高，但最大升功率不足，只能用于增程式發動機的單點高效運行；另一方面，像Delphi，將全Map的熱效率都提升到較高且可觀的程度，但系統的復雜性較高，可靠性有待驗證。另外，上述幾種技術路線也將大幅提高成本，所以想要把45%～50%熱效率應用于量產，還有很多問題需要解決。下面將分別介紹Honda、Toyota和Delphi的45%～50%熱效率技術路線。

2 Honda的45%熱效率技術路線[7]

Honda通過一維模擬計算來選取達到最高熱效率的各項參數。采用91 RON的汽油，過量空氣系數設定為1，最高熱效率點的轉速設定為2 000 r/min。

2.1 沖程缸徑比

沖程缸徑比在汽油機燃燒系統的設計中有著重要的作用，它影響到傳熱、摩擦和壓縮比等關鍵要素的選擇。

如圖2所示，在相同沖程缸徑比的條件下，面容比隨著壓縮比的增大而增大；為了減小傳熱損失，在較小的相同面容比下，可以通過增大沖程缸徑比來提高壓縮比，進而提高熱效率。

但是，不斷增大沖程缸徑比不會一直提高熱效率。如圖3所示，Ikeya的研究表明傳熱損失隨著沖程缸徑比的增大而減小，泵氣和摩擦損失隨著沖程缸徑比的增大而增大，所以熱效率隨著沖程缸徑比增大而先增大后減小，在沖程缸徑比為1.5左右時，熱效率達到最高，接近39%。

2.2 有效壓縮比

膨脹比大于壓縮比是提高熱效率的另一種方法，可以通過進氣門晚關降低有效壓縮比來實現。如圖4所示，壓縮比為17時，進氣門晚關的熱效率明顯大于奧拓循環，也大于壓縮比13.5的奧拓循環，這時的最高熱效率達到約42%。

圖2 沖程缸徑比對面容比和壓縮比的影響[7]

圖3 沖程缸徑比對傳熱、泵氣和摩擦的影響[7]

圖4 壓縮比和熱力循環對熱效率的影響[7]

2.3EGR下的燃燒

EGR也是提高熱效率的一種方法，為了在EGR率超過30%的條件下保證快速燃燒和穩定點火，需要通過增大湍動能和點火能量來彌補。

為了保證30%以上的EGR率，Honda將點火能量設為450 mJ。

2.4 噴油落點和噴射時刻

為了進一步提高熱效率，Honda對噴油落點和噴射時刻也進行了優化，優化之后的最高熱效率已經接近43%。

2.5 EGR和增壓系統

為了同時得到較高的熱效率和功率，Honda采用了兩級增壓：在最高熱效率工況點運行小流量增壓器；在外特性工況點運行大流量增壓器。

至此，Honda通過一維模擬計算，逐步優化各個子系統的參數，最終將最高熱效率提升到45%。

3 Toyota的45%熱效率技術路線[8]

與Honda類似，Toyota的Nakata也采用了1.5的沖程缸徑比、3.6的高滾流比、19.7%的EGR率和高能點火來提高熱效率。有所不同的是，Toyota的壓縮比略低，為13；為了降低傳熱損失，采取了稀燃的手段，使得缸內平均溫度低于理論空燃比的燃燒溫度；由于稀燃，為了增加進氣量，用電動增壓器代替渦輪增壓器，但沒有將電動增壓器的使用納入熱效率的計算。

圖5給出了過量空氣系數1、過量空氣系數1加EGR和稀燃無EGR的熱效率對比。從圖中可以看到，總體來說，相比于過量空氣系數1，引入EGR和稀燃都提高了熱效率，稀燃比EGR提升的熱效率更大，總體高出2個單位。

圖5 過量空氣系數1、EGR和稀燃的熱效率對比[8]

圖6給出了各種條件下的熱效率對比，包括有無EGR、過量空氣系數1與稀燃、電動增壓器與小渦輪增壓器、91 RON和100 RON汽油。從圖中可以看到，有EGR比無EGR的熱效率更高；同樣是電動增壓器的條件下，稀燃比理論空燃比的熱效率更高；同樣是稀燃的條件下，電動增壓器比小渦輪增壓器的熱效率更高；在其它條件相同的情況下，100 RON比91 RON的汽油熱效率稍高。在電動增壓器、稀燃、EGR和91 RON的條件下，熱效率達到次高，為45.7%；在電動增壓器、稀燃、EGR和100 RON的條件下，熱效率達到最高，為45.9%。

另外，Nakata還在文中提到，如果對燃燒系統繼續進行精益設計和優化，預計可將最高熱效率提升到46.5%。

4 Delphi的45%熱效率技術路線[5]

在實現汽油機45%熱效率的技術路線上，Delphi的Sellnau沒有繼承傳統汽油機的火花點火，而是另辟蹊徑，在Gen3X上采用了GDCI（Gasoline Direct Injection Compression Ignition）的燃燒模式，通過中置50 MPa噴油器在上止點附近噴入高壓燃油進行壓縮點燃。針對汽油壓燃在部分工況點的運行限制，Gen3X采用了稀燃、無節氣門、進氣加熱、缸壓反饋傳感器、排氣“Rebreathing”、短集成排氣歧管和高效變噴嘴渦輪增壓器等技術，將最高熱效率提升到43%，滿足系統從中低負荷到高負荷的運行要求，并能快速切換。

圖6 各種條件下的熱效率對比[8]

4.1 進排氣和燃燒系統

對于壓燃，為了實現快速的進氣溫度控制，Gen3X系統在壓氣機后分別布置了空氣加熱和冷卻兩套裝置，同時在壓氣機前加設了用于控制EGR溫度的廢氣旁通閥，加之管徑和長度的合理設計，使得進排氣都能對溫度和流量進行靈活控制。

低負荷時，Gen3X通過上述進排氣系統和排氣“Rebreathing”引入熱的EGR來提高并控制進氣溫度，從而穩定壓縮點火。排氣“Rebreathing”的凸輪型線如圖7所示，其作用是在進氣階段再次短暫且小升程地開啟排氣門，引入部分廢氣來提高缸內溫度，穩定壓燃。

圖7 排氣“Rebreathing”的凸輪型線[5]

中高負荷時，Gen3X通過上述進排氣系統引入冷EGR，并采用上止點兩次噴射的燃燒策略：第一次噴射在上止點前30°CA左右，為部分預混燃燒，燃燒速度適中；第二次噴射在上止點附近，為擴散燃燒，燃燒速度快。通過控制兩次噴射的比例，可以解決壓燃在高負荷的燃燒噪音問題，同時也能得到較低的排放。

冷啟動時，進氣道布置的2.5 kW電加熱器可以幫助實現催化器快速起燃，這時，大約三分之一的加熱熱量傳遞到排氣當中。

4.2 增壓器

Delphi在Gen3上采用了“渦輪+機械”的兩級增壓的模式[9]，由于機械增壓的旁通閥產生了很大的流動損失，所以為了追求高熱效率，Gen3X只保留了渦輪增壓器，并且進行了效率Map的優化，將高效區拓展到更大的范圍。

4.3 熱效率

基于上述汽油機的技術路線，且沒有EGR的情況下，Gen3X將最高熱效率提升到43%，同時保證最大升功率為69 kW/L，突破了當前升功率與熱效率的“Trade-off”界限（如圖1所示）。更具有意義的是，其40%熱效率的工況覆蓋了從0.5 MPa到2 MPa的平均指示有效壓力（Indicated Mean Effective Pressure,IMEP）范圍。如圖8所示。

圖8 Gen3X的熱效率Map[5]

同時，通過模擬預測，Delphi的Sellnau也給出了Gen4X挑戰50%熱效率的技術路線：在Gen3X的基礎上，繼續提高噴油壓力、降低10%的摩擦、降低50%的傳熱和提升2%的渦輪增壓器效率，有望將熱效率提升到47.6%。

5 結論及啟示

眾所周知，汽油機除了做功之外的能量損失主要包括摩擦、泵氣、傳熱、燃燒和排氣，想要達到45%～50%的熱效率，必須減小上述的能量損失。圖9總結了Honda、Toyota和Delphi在這幾方面所采用的主要技術路線。

（1）低摩擦和高效增壓器是降低摩擦損失和排氣損失的必備技術；

（2）熱效率從41%提升至45%乃至50%，降低傳熱損失最為關鍵。從目前來看，高EGR率和稀燃技術也成為了必備技術；

（3）降低燃燒損失，則必須提高燃燒速度。而對于高EGR率或者稀燃的快速燃燒，主要有兩種方案：一種是Honda和Toyota通過高滾流氣道、大的沖程缸徑比和高能點火來彌補；另一種是Delphi采用的壓燃來實現，并且同時配合了進氣加熱、排氣“Rebreathing”和短集成排氣歧管等技術。

（4）降低泵氣損失方面，主要是通過阿特金森或無節氣門的手段來實現。

圖9 45%～50%熱效率的技術路線總結

目前，盡管Honda、Toyota和Delphi等已經在實驗室中獲得了汽油機45%～50%熱效率，但由于各種因素的限制，量產在短期內仍不具備條件。

（1）稀燃后處理。傳統的稀燃后處理主要用于柴油機，如SCR、LNT等。雖然技術上較成熟，但由于成本和產業化等原因，將其應用于乘用車仍需時日。

（2）新燃燒模式帶來的輔助技術成本。如Delphi壓燃技術路線所需要的缸壓反饋傳感器、高效變噴嘴渦輪增壓器等。

（3）復雜系統的可靠性和耐久性。大的沖程缸徑比、高能點火系統、壓反饋傳感器、高效變噴嘴渦輪增壓器等所帶來的可靠性和耐久性問題，也需要予以考慮。

綜上所述，未來要實現商業用途汽油機45%～50%的熱效率，還需要完成更多的研究工作和產業化工作