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實現(xiàn)點燃式發(fā)動機45%熱效率的發(fā)動機技術(shù)

2019-10-22 23:34:17·  來源：同濟智能汽車研究所  
　
編者按：能源問題是當今社會的焦點，世界各國也出臺了愈來愈嚴格的油耗法規(guī)，因此，如何提升發(fā)動機的熱效率成為內(nèi)燃機研究人員的研究重點。豐田在優(yōu)化發(fā)動機設(shè)計
編者按：能源問題是當今社會的焦點，世界各國也出臺了愈來愈嚴格的油耗法規(guī)，因此，如何提升發(fā)動機的熱效率成為內(nèi)燃機研究人員的研究重點。豐田在優(yōu)化發(fā)動機設(shè)計方面做出了許多優(yōu)秀的工作。在這篇文章中，豐田公司的研究人員向我們展示了提升汽油機熱效率至45%的技術(shù)手段。其中，長行程結(jié)構(gòu)、高滾流氣道、高能點火系統(tǒng)、冷卻EGR以及均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)，或強化燃燒，或降低傳熱，或抑制爆震，均對提升發(fā)動機熱效率起到作用。此外，作者還研究了高RON汽油以及不同增壓器等對發(fā)動機熱效率的影響。
 
本文譯自:
"Engine technologies for achieving 45% thermal efficiency of SIengine"
文章來源：
SAE International
原作者：
Koichi Nakata, Shinichiro Nogawa, Daishi Takahashi, YasushiYoshihara, et al.
doi:10.4271/2015-01-1896
 
摘要： 為適應社會對能源安全和氣候變化等提出的要求，提升發(fā)動機的熱效率已成為當下亟待解決的問題。至于改善發(fā)動機熱效率的具體技術(shù)，當前已發(fā)展出阿特金森循環(huán)，冷卻 EGR （廢氣再循環(huán)），以及低摩擦技術(shù) [1,2,3,4] 。作為結(jié)果，現(xiàn)今發(fā)動機的最大熱效率已接近 40% 。然而，考慮到未來需要更高的發(fā)動機熱效率以滿足更嚴格的社會要求，本文研究了具有高滾流的長行程設(shè)計的新的 L4 原型機，以闡明未來的發(fā)展方向。關(guān)于燃燒，研究了帶有冷卻 EGR 的稀薄增壓概念。結(jié)果表明，發(fā)動機的熱效率可達到 45% 以上。本文描述了提高發(fā)動機熱效率的方法和未來前景。
 
1 引言

世界各國在推出更加嚴格的燃油經(jīng)濟性標準來作為應對能源安全和氣候變化相關(guān)問題的解決措施之一。為適應這些要求，汽車制造商始終在努力開發(fā)新的汽車。一個可以理解的例子就是混合動力汽車在全球的廣泛傳播，這是因為混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)汽車。
 
關(guān)于發(fā)動機的發(fā)展，提高發(fā)動機的最大熱效率對于混動汽車尤其關(guān)鍵，這是由于其發(fā)動機的工作點主要處于高負荷區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)發(fā)動機熱效率接近最大熱效率。因此混動汽車的發(fā)動機最大熱效率提升得比傳統(tǒng)汽車的熱效率要高?，F(xiàn)今，為混動汽車開發(fā)的技術(shù)正在被應用至傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機。圖1展示了發(fā)動機熱效率的發(fā)展歷史和未來方向。如前所述，發(fā)動機的最大熱效率已經(jīng)接近40%。為促進提高發(fā)動機熱效率而開發(fā)的主要技術(shù)有阿特金森循環(huán)，冷卻EGR和低摩擦技術(shù)。就短期而言，通過對現(xiàn)有技術(shù)的改進，有望將發(fā)動機的最大熱效率提高到40%以上。然而，考慮到未來需要更高的發(fā)動機熱效率以滿足更嚴格的社會要求，應該開發(fā)新的技術(shù)。在接下來的章節(jié)中，本文將介紹提高發(fā)動機熱效率的未來技術(shù)。
 
圖1 發(fā)動機熱效率的發(fā)展歷史和未來方向

2 熱效率的提升

發(fā)動機熱效率理論被稱為奧托循環(huán)方程。該方程表明更高的膨脹比或更高的比熱容比會導致更高的發(fā)動機熱效率。前者可以通過提高壓縮比或者延遲EVO（排氣門開啟正時）實現(xiàn)，而后者可以通過采用稀薄燃燒實現(xiàn)。但是提高壓縮比和采用稀薄燃燒有一些問題尚待解決，比如爆震和強化燃燒。
 
實際發(fā)動機熱效率不同于理論熱效率，它是由機械損失，泵氣損失，傳熱損失，排氣損失和不完全燃燒損失等多種損失共同作用的結(jié)果。因此，減少各種損失對提高發(fā)動機熱效率至關(guān)重要。圖2展示了提升發(fā)動機最大熱效率的途徑。在該圖中，“HV”代表普銳斯。在第一代發(fā)動機中，其排量為1.5L，壓縮比為13:1，主要技術(shù)有阿特金森循環(huán)和低摩擦技術(shù)，發(fā)動機最大熱效率提升至了37%。在目前普銳斯的第三代發(fā)動機中，其排量為1.8L，壓縮比為13:1，新采用的技術(shù)有冷卻EGR，電子水泵，以及低摩擦技術(shù)。作為結(jié)果，發(fā)動機最大熱效率提升至了38.5%。冷卻EGR技術(shù)對提高發(fā)動機熱效率有著極其重要的作用，因為冷卻EGR通過低溫燃燒減輕了發(fā)動機爆震，減少了傳熱損失。由于冷卻EGR的作用在提高熱效率上得到了證實，該技術(shù)已經(jīng)在當今開始成為一種流行技術(shù)。
 
在未來，需要更高的發(fā)動機熱效率來滿足社會要求。盡管冷卻EGR被認為是自然吸氣發(fā)動機的主流技術(shù)，但將發(fā)動機熱效率提升至40%以上還需要新的挑戰(zhàn)。
 
圖2 提高發(fā)動機熱效率的發(fā)動機技術(shù)
 
為了提高發(fā)動機最大熱效率至40%以上，除了高比熱容比及稀薄燃燒等理論方法，減少傳熱損失和減輕爆震也十分關(guān)鍵。針對降低傳熱損失的問題，本文研究了兩種方法。其中一種方法就是長行程設(shè)計，眾所周知，長行程設(shè)計可以降低S/V比。在這里，S和V分別表示活塞位于TDC（上止點）時燃燒室的表面積和容積。另一種方法是低溫燃燒和稀燃。由于稀燃在減少傳熱損失上的效果好于EGR，因此與具有冷卻EGR的過量空氣系數(shù)為1的情況相比，預計利用稀薄燃燒可以獲得更高的發(fā)動機熱效率。究其原因，是因為發(fā)動機在稀燃極限工況時的燃空混合物的量要大于發(fā)動機在EGR極限條件下過量空氣系數(shù)為1的工況運轉(zhuǎn)時燃空混合物的量。因此稀薄燃燒是本文的焦點。此外，由于快速燃燒擴展了稀燃極限，如高滾流和高能點火系統(tǒng)的燃燒技術(shù)也受到關(guān)注。在減輕爆震方面，冷卻EGR被應用于稀薄燃燒，因為冷卻EGR被證實不僅在過量空氣系數(shù)為1的工況下可以減輕爆震，在稀燃工況下同樣有效。

3 發(fā)動機試驗

眾所周知，低的S/V比可以提高發(fā)動機熱效率，本文對長行程的發(fā)動機設(shè)計進行了研究。為了證明長行程設(shè)計在減少傳熱損失上的效果，對不同行程長度和不同內(nèi)徑的單缸發(fā)動機以及已上市銷售的發(fā)動機進行了研究。所有發(fā)動機的壓縮比統(tǒng)一為13:1。圖3中的黑點表示單缸機的行程長度和內(nèi)徑，而白點代表已上市的發(fā)動機。最大行程缸徑比限制在1.5左右，這是因為在發(fā)動機轉(zhuǎn)速和閥門通徑的限制下，發(fā)動機輸出功率在超過1.5的行程缸徑比時會降低。
 
圖3 單缸發(fā)動機的內(nèi)徑和行程

 
由于已經(jīng)證明長行程設(shè)計有兩個主要的因素來提高發(fā)動機熱效率，因此使用了一個行程缸徑比在1.5左右的原型機來進行研究。其中一個因素是長行程發(fā)動機導致低S/V比，這會產(chǎn)生減少傳熱損失的效果，而另一個因素是燃燒的加強。除了長行程設(shè)計，也采用了高滾流氣道來強化燃燒。表1展示了發(fā)動機的規(guī)格，圖4展示了原型機的外形圖。
 
表1 發(fā)動機規(guī)格

 
圖4 原型機外形圖

4 試驗結(jié)果和討論

4.1 長行程設(shè)計的效果

我們認為長行程設(shè)計在提高發(fā)動機熱效率上有兩種效果，一種是減小S/V比，另一種是增加燃燒室內(nèi)的氣流流量以及湍流。對于S/V比，我們利用CAD來計算其值。圖5展示了S/V比的計算點以及在13:1的壓縮比下不同內(nèi)徑和不同行程長度的S/V比等值線。由于等值線是由少量數(shù)據(jù)計算得出的，因此表示S/V比為4.5/cm的等值線精度可能要比另兩條線低。從總體上看，可以從圖5中得出，S/V比大致由行程長度所決定。
 
圖6展示了對圖3中的單缸機及產(chǎn)品發(fā)動機的試驗結(jié)果?？v軸表示IMEP（發(fā)動機指示熱效率）相對于S/V比的改善率，其基準點為內(nèi)徑75mm、行程長為84.7mm的發(fā)動機。研究表明，當行程長度變化時，低的S/V比可以提高發(fā)動機熱效率。由于長行程發(fā)動機設(shè)計被證實有減少傳熱損失的潛力，因此長行程概念被應用到表1所示的原型機中。
 
圖5 S/V比
 
圖6 S/V比對熱效率的影響
 
4.2 高的發(fā)動機熱效率的燃燒概念
由于長行程發(fā)動機已經(jīng)被證實具有提高發(fā)動機熱效率的潛力，因此具有長行程的原型機被用來實現(xiàn)45%以上的發(fā)動機熱效率。如前所述，稀薄燃燒是一種有效提高發(fā)動機熱效率的燃燒系統(tǒng)。然而，稀薄燃燒的一個問題就是NOx（氮氧化物）的排放。涉及到燃燒的增強，能夠減少傳熱損失和NOx排放的低溫燃燒應予考慮。從NOx排放的角度考慮，本研究采用均質(zhì)稀薄燃燒。
 
在稀薄燃燒概念中，NOx排放是滿足排放規(guī)范的重要因素。圖7展示了NOx排放相對于空燃比的估計?？梢钥吹?，均質(zhì)稀薄燃燒是減少NOx排放最為有效的途徑。
 

 
圖7 發(fā)動機NOx排放趨勢
 
圖8為過去的發(fā)動機產(chǎn)品和一臺室內(nèi)試驗發(fā)動機的NOx排放。在該圖中，展示了三種不同燃燒系統(tǒng)的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)弱分層稀薄燃燒所產(chǎn)生的NOx排放最低。這些結(jié)果支持了圖8中的分析，因此在本研究中采用了均質(zhì)稀薄燃燒的概念。
 
圖8 BSFC與NOx排放之間的關(guān)系
 
4.2.1 燃燒室內(nèi)的氣流流量和湍流
 
關(guān)于燃燒，業(yè)界已發(fā)表了許多基礎(chǔ)性的研究報告。一些研究指出，高湍流能夠促進燃燒。在以往的發(fā)動機試驗中也證明，湍流是加強均質(zhì)稀薄燃燒的關(guān)鍵。除了能夠幫助增加燃燒室內(nèi)的氣流流量和湍流的高滾流氣道外，長行程設(shè)計的效果也引起了關(guān)注。本節(jié)描述了計算氣流流量和湍流的結(jié)果，然后對測量結(jié)果進行了描述。
 
圖9 行程長度對氣流流量的影響
 
圖9展示了使用STAR-CD計算2000rpm時行程長度對氣流影響的一個示例。在這些計算中，兩種情況的內(nèi)徑均為75mm，進氣口的形狀相同。滾流比為3.6?？梢钥吹?，行程越長，氣流越高。這是由于長行程使活塞速度更快，從而產(chǎn)生更大的氣流流量。在行程長度為113mm的情況下，上止點前30度的氣流約為20m/s。結(jié)果表明，在稀燃工況下，原型機在點火正時的流量約為20m/s。
 
圖10表示了行程長度對上止點前30度時湍流的影響，這個結(jié)果也是使用STAR-CD計算得出的。圖11為進氣沖程階段平均氣流湍流最大值的對比。計算結(jié)果表明，發(fā)動機行程越長，氣流湍流度越高。為了驗證計算結(jié)果，采用KANOMAX公司研制的熱線風速儀對氣流湍流進行了測量。
 
圖10 行程長度對上止點前30度時氣流湍流的影響
 
圖11 進氣沖程中行程長度對氣流湍流的影響
 
圖12顯示了測量的氣流湍流結(jié)果。為了測量氣流湍流，使用了原型發(fā)動機和修改過的發(fā)動機產(chǎn)品，它們?nèi)鐖D12中的點所示。每個發(fā)動機的滾流比在3.5-3.6之間。結(jié)果表明，長行程發(fā)動機增強了燃燒室內(nèi)的氣流湍流，且湍流的階數(shù)與計算結(jié)果相近。
 
圖12 內(nèi)徑、行程和氣流湍流之間的關(guān)系
 
4.2.2 放電電流的影響
 
如前所述，強氣流和強湍流對強化燃燒至關(guān)重要，特別是對于稀薄燃燒。在本研究中，加強氣流和氣流湍流的方法采用長行程概念和高滾流氣道。
 
當氣流在燃燒室內(nèi)加強時，應考慮點火系統(tǒng)的規(guī)格。本文對氣流流量、放電電流、放電時長和火焰生長之間的關(guān)系進行了初步研究。圖13展示了初步研究所用實驗器材的外形圖。通過旋轉(zhuǎn)控制燃燒室內(nèi)的氣流速度，以及保持空燃混合氣的壓力為0.6MPa直至點火正時。使用丙烷作為試驗用燃料。為了確定放電特性的影響，通過改變?nèi)紵覂?nèi)的氣流流量來變化放電電流和放電時長。
 
圖13 實驗器材
 
圖14為氣流在10m/s時放電特性和火焰面積之間的關(guān)系。在點火后1.5ms時測量火焰面積，正如所看到的一樣，放電電流對火焰生長的影響幾乎為零，放電時長對火焰生長只有很小的影響。圖15為氣流在30m/s時放電特性和火焰面積之間的關(guān)系。結(jié)果表明放電電流和放電時長的影響相比氣流在10m/s時的結(jié)果大。原因在于放電電流對強流場中電弧放電的爆裂影響很大。
 
火花放電根據(jù)氣流形成拋物線，而拋物線的長度對形成火焰核心影響很大。在強氣流場，較低的放電電流就可以引起電弧放電的爆裂。因此，在強氣流場較高的放電電流利于保持拋物線。此外，形成較長的拋物線也可以通過較長的放電時長來實現(xiàn)。因此，具有高放電電流和長放電時長的點火系統(tǒng)在強氣流環(huán)境下十分重要。
 
圖14 放電特性和火焰面積之間的關(guān)系
 
圖15 放電特性和火焰面積之間的關(guān)系
 
4.3 稀薄增壓發(fā)動機的熱效率
為了實現(xiàn)45%以上的發(fā)動機熱效率，如圖4所示使用了長行程的原型發(fā)動機，并對稀薄增壓概念進行了檢驗。為實現(xiàn)發(fā)動機低轉(zhuǎn)速下的稀薄增壓概念，可在原型機上安裝電驅(qū)動增壓器或者小型渦輪增壓器。在電驅(qū)動增壓器的情況下，計算發(fā)動機熱效率時不考慮增壓器輔助的影響。因此，對電驅(qū)動增壓器的情況與小型渦輪增壓器的情況進行了比較。本節(jié)對稀薄增壓發(fā)動機的結(jié)果進行了描述。
 
由于放電方式在強氣流場內(nèi)對增強燃燒至關(guān)重要，因此對六種放電方式進行了試驗。這些放電方式通過利用商業(yè)點火線圈來進行調(diào)整。圖16展示了幾種放電方式的例子。
 
圖16 放電方式
 
圖17為燃燒壓力相對空燃比的分析結(jié)果，且每種放電方式的最右點均為發(fā)生失火的邊界點。這意味著較大的放電電流或較長的放電時長都對稀燃極限產(chǎn)生影響。0-10%燃燒時，隨著空燃比的變化，混合氣變稀，燃燒持續(xù)時間變長。在這種環(huán)境下，可以發(fā)現(xiàn)在300mA情況下，初始燃燒時長變短，且稀燃極限延展至28.6的空燃比，即1.96的過量空氣系數(shù)。對于10-90%燃燒，當混合氣變稀時燃燒持續(xù)時間依然變長。0-10%燃燒持續(xù)時間對稀燃極限的影響似乎比10-90%燃燒持續(xù)時間的影響要大。如前文所述，可以理解強氣流場中放電電流和放電時長的重要性。但對于闡明強氣流場下稀薄燃燒的可燃性現(xiàn)象，還需要更加具體的分析。
 
 
圖17 燃燒壓力分析結(jié)果
 
圖18為燃燒特性?？梢钥闯觯瑪U大稀燃極限可以使發(fā)動機的制動熱效率提高10%以上。對于NOx來說，擴大稀燃極限至空燃比為28.6有助于將NOx排放降低至0.3g/kWh左右。
 
由于強氣流場與高放電電流對擴大稀燃極限具有較大的影響，因此接下來對爆震進行了研究。
 
 
圖18 燃燒特性
 
4.3.1 發(fā)動機爆震和發(fā)動機熱效率
 
為了提高發(fā)動機熱效率，必須要減輕爆震。本節(jié)前半部分從爆震的角度，對不帶冷卻EGR的稀薄燃燒和化學計量工況下的冷卻EGR進行了簡單的對比。在對比后，對不同燃燒系統(tǒng)對爆震的影響和帶有冷卻EGR的稀薄燃燒的效果進行了討論。在本節(jié)中，不帶冷卻EGR的稀燃情況被寫作“Lean Burn”，而化學計量比工況下的冷卻EGR被寫作“Cooled EGR”。為了增加稀燃或冷卻EGR下的發(fā)動機負荷，使用了電驅(qū)動增壓器來簡化爆震和發(fā)動機熱效率之間的關(guān)系。
 
圖19和20為“Lean Burn”、“Cooled EGR”和化學計量比條件下不帶冷卻EGR時的爆震和燃燒特性。對“Lean Burn”，除了BMEP（平均有效壓力）為0.89MPa時外，空燃比均設(shè)為28-30。對“Cooled EGR”，EGR率設(shè)置為30%左右，如圖19的上圖所示。圖中的Lambda指過量空氣系數(shù)。
 
在圖19中，主要展示了燃燒壓力分析的結(jié)果。隨著發(fā)動機負荷的增加，每一次點火正時都由于爆震而推遲。為了比較爆震趨勢，使用了最大缸內(nèi)壓力正時。最大壓力正時指的是當缸內(nèi)壓力達到峰值時的時刻。已知當發(fā)動機運轉(zhuǎn)在MBT（最佳點火提前角）時，最大缸內(nèi)壓力正時出現(xiàn)在上止點前10-15°。因此，當最大缸內(nèi)壓力正時開始推遲時的發(fā)動機負荷就是爆震開始發(fā)生時的發(fā)動機負荷?？梢哉J為，“Lean Burn”對減輕爆震有效果，這是因為爆震發(fā)生時的發(fā)動機負荷要大于發(fā)動機處于不帶冷卻EGR的化學計量工況下的情況。在平均有效壓力為0.89MPa時，為了避免不穩(wěn)定燃燒，將空燃比設(shè)為25，與其它點相比較高，這是因為為避免爆震而推遲點火正時時導致燃燒穩(wěn)定性變差。對于“Cooled EGR”，可以發(fā)現(xiàn)冷卻EGR對減輕爆震有非常大的作用。
 
圖20為發(fā)動機熱效率和燃燒特性圖。即使“Lean Burn”在減輕爆震上的效果不如“Cooled EGR”，但“Lean Burn”的發(fā)動機熱效率要高于“Cooled EGR”。有兩個原因來解釋這個結(jié)果。一個原因就是“Lean Burn”的燃燒溫度低于“Cooled EGR”，這是由于前者的熱容大于后者。這可以用圖19頂部圖中的氣燃比來解釋。下一部分還將描述另一個數(shù)據(jù)。第二個原因從理論層面看就是比熱比。至于NOx，低NOx水平可以從低負荷保持到高負荷。
 
 
圖19 燃燒系統(tǒng)對爆震和發(fā)動機熱效率的影響
 
 
圖20 燃燒系統(tǒng)對爆震和發(fā)動機熱效率的影響
 
因為“Lean Burn”對提高發(fā)動機熱效率的效果和“Cooled EGR”對減輕爆震的效果都已確認，因此本文研究了帶有冷卻EGR的稀薄燃燒對爆震和發(fā)動機熱效率的影響。
 
圖21為稀燃和冷卻EGR的組合對爆震和發(fā)動機熱效率的影響。圖22為利用廢氣實測數(shù)據(jù)計算出的每缸N2、O2、CO2和H2O的摩爾數(shù)。圖23為計算出的相對總氣體的摩爾分數(shù)。在本節(jié)中，假設(shè)總氣體包括N2、O2、CO2和H2O。
 
在“Cooled EGR”的情況下，如圖19所示，隨著EGR率的提高，爆震逐漸緩解。冷卻EGR有助于減輕爆震的原因有兩點。一點是當EGR率升高時氣體成分的改變。正如所見，CO2和H2O的比例增加，而O2比例減小?？杖蓟旌衔锍煞值淖兓赡軐瘜W反應產(chǎn)生影響。另一點是燃燒溫度的影響，這和燃燒室的壁面溫度有很大的關(guān)系。隨著EGR率的升高，總體進氣量增加，且燃燒溫度下降。因此，燃燒氣體和燃燒室壁面之間熱交換的減少降低了壁面溫度。眾所周知，正是壁面溫度的降低減輕了爆震趨勢。
 
在“Lean Burn”的情況下，緩解爆震的效果相對“Cooled EGR”要小。在這種情況下，盡管進氣量增加，但即使空燃比變得稀薄，氣體成分還是相似的。因此，與“Cooled EGR”的情況不同，降低燃燒溫度從而降低燃燒室壁面溫度是緩解爆震的主要因素。也就是說，“Cooled EGR”的化學反應對爆震的產(chǎn)生了很大的影響。
 
至于稀燃和冷卻EGR的結(jié)合，結(jié)果表明空燃比為20和EGR率為20%結(jié)合時對減輕爆震效果最好，且發(fā)動機最大熱效率能夠達到45.6%。盡管在氣燃比低于24的情況下，EGR率為25%時似乎對減輕爆震的效果最好，但在本次試驗中并沒有得到最佳性能。我們認為在大的氣燃比工況下，燃燒的惡化會對減輕爆震有一定的限制。
 
為了闡明帶有冷卻EGR的稀薄燃燒減輕爆震的現(xiàn)象，至少應采用化學反應、燃燒溫度和燃燒質(zhì)量三種方法。對此的研究仍在繼續(xù)。
 
 
 
圖21 稀燃和冷卻EGR結(jié)合的影響 
 
 
圖22 每缸的計算進氣量
 
本文對發(fā)動機在稀燃工況下運行時的NOx排放進行了研究。圖24為本次試驗得到的發(fā)動機熱效率和NOx之間的關(guān)系。發(fā)動機熱效率的結(jié)果與圖21中的結(jié)果相同?？梢钥闯?，即使分別改變空燃比和EGR率，依然可以保持較低的NOx排放水平。
 
圖23 每缸的計算進氣量
 
圖24 發(fā)動機熱效率和NOx之間的關(guān)系
 
4.3.2 發(fā)動機熱效率的可能
 
本節(jié)研究了高RON（研究法辛烷值）燃油和小型渦輪增壓器的影響。采用小型渦輪增壓器的目的是研究稀薄增壓發(fā)動機的可行性，以及使用現(xiàn)有渦輪增壓器闡明發(fā)動機熱效率，因為電驅(qū)動增壓器可以輔助發(fā)動機輸出。
圖25和圖26展示了改變?nèi)紵到y(tǒng)、試驗燃料和渦輪增壓器后的發(fā)動機熱效率結(jié)果。在91RON汽油的情況下，采用電驅(qū)動增壓器可以獲得45.6%的最大熱效率。這個結(jié)果與圖21中的結(jié)果相同。為了獲得更高的發(fā)動機熱效率，本次研究使用了100RON汽油。然而，發(fā)動機的最大熱效率為45.9%，提高發(fā)動機最大熱效率的效果不大。原因在于為了滿足發(fā)動機的設(shè)計限制，原型機的工作限制了最大缸內(nèi)壓力。因此，即使沒有發(fā)生爆震，也使點火正時推遲，并使空燃比改變至富側(cè)以穩(wěn)定燃燒?？紤]到如果原型機在提前點火正時運行，發(fā)動機最大熱效率的潛力可以達到46.5%以上。通過以往的研究結(jié)果對該熱效率進行了估算。
 
在小型渦輪增壓器的情況下，使用91RON汽油，發(fā)動機最大熱效率為43.9%。這個結(jié)果表明發(fā)動機最大熱效率相較電驅(qū)動增壓器下降了1.8個百分點。原因在于渦輪增壓器的總效率低，增加了廢氣壓力，如圖26所示。廢氣高壓導致了排氣沖程中的泵氣損失增加，高溫殘余廢氣增多。高溫殘余廢氣的增多意味著抗爆性能的惡化。如果渦輪增壓器調(diào)整到合適的尺寸，或?qū)u輪增壓器的總效率提高，熱效率預計會提高到45%以上。
 
實現(xiàn)點燃式發(fā)動機45%熱效率的發(fā)動機技術(shù)
 
 
圖25 發(fā)動機熱效率的可能
 
 
圖26 發(fā)動機熱效率的可能
 
圖27為沒有冷卻EGR的化學計量比燃燒和帶有冷卻EGR的稀薄燃燒的熱平衡比較。每個數(shù)據(jù)都顯示了發(fā)動機最大熱效率的結(jié)果。可以看到，在帶有冷卻EGR的稀薄燃燒的影響下，傳熱損失減少。原因在于其實現(xiàn)了低溫燃燒。另一方面，排氣熱損失幾乎一樣。
 
為了實現(xiàn)更高的發(fā)動機熱效率，我們考慮了三個方向。毋庸置疑，一個方向就是提高抗爆性能。第二個方向是提高膨脹比以減少排氣熱損失。為實現(xiàn)這個方向，需要解決爆震問題和發(fā)動機設(shè)計問題，比如允許的最大缸內(nèi)壓力。第三個方向是開發(fā)一種減少傳熱損失的新方法，比如熱機控制和變溫隔熱。除了開發(fā)新技術(shù)來提高發(fā)動機熱效率外，未來還需要開發(fā)熱回收系統(tǒng)。
 
圖27 熱平衡
 
在本文的最后部分，介紹了發(fā)動機熱效率和NOx之間的關(guān)系。如前所述，采用均質(zhì)稀燃的概念，擴大燃燒極限，可以降低NOx。圖28為本文結(jié)果和以往結(jié)果的對比?？梢詮膱D中看出，NOx排放水平為過去發(fā)動機產(chǎn)品的十分之一。
 
圖28 發(fā)動機熱效率和NOx之間的關(guān)系

5 結(jié)論
 
為了提高發(fā)動機熱效率，本文研究了采用稀燃增壓概念的長行程發(fā)動機。

1.長行程發(fā)動機對提高發(fā)動機熱效率有兩點貢獻。一點是減少了傳熱損失，這是因為在燃燒室中可以減小S/V比（比表面積）。另一點是通過結(jié)合高滾流氣道促進燃燒，增強了燃燒室內(nèi)的氣流流量和湍流。除了高流量和高湍流的影響，具有高放電電流和長放電時間的點火系統(tǒng)也有助于在強氣流場內(nèi)擴大燃燒極限。

2.擴大燃燒極限在帶有冷卻EGR的稀薄燃燒的利用中具有可預期的良效。一種效果是可實現(xiàn)有助于減少傳熱損失的低溫燃燒。第二種效果是可以減輕爆震。

3.在均質(zhì)稀燃概念下，擴大燃燒極限也會帶來NOx排放的降低。NOx的排放水平降至過往發(fā)動機的十分之一。

4.在91RON汽油的情況下，帶有電驅(qū)動增壓器的發(fā)動機最大熱效率可達45.7%。把電驅(qū)動增壓器替換為小型渦輪增壓器，發(fā)動機最大熱效率降至43.9%。原因在于渦輪增壓器的總效率相對較低，為45%。當渦輪增壓器的總效率提升后，發(fā)動機最大熱效率預計可達45%以上。在100RON汽油的情況下，發(fā)動機最大熱效率為45.9%，與91RON汽油的情況下相近。這是因為發(fā)動機的工作要保持最大缸內(nèi)壓力小于發(fā)動機設(shè)計的允許值。通過改進發(fā)動機設(shè)計，發(fā)動機最大熱效率預計可達到46.5%。

本研究驗證了均質(zhì)稀燃增壓概念對提高發(fā)動機熱效率和減少NOx排放的有效性。盡管還有許多問題有待解決，但我們認為，采用冷卻EGR的稀燃增壓概念是未來改善燃油經(jīng)濟性的一個有效途徑。
 
 
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