高效燃燒汽油機(jī)技術(shù)特點(diǎn)分析與研究

王占峰 王陸怡 韓令海 馬赫陽(yáng) 李金成

（1.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013；2.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司，天津 300462）

主題詞：汽油機(jī) 高熱效 增壓技術(shù)

1 前言

如今，國(guó)六油耗及排放法規(guī)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多地實(shí)施，日益嚴(yán)格的油耗及排放標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)使各主機(jī)廠紛紛開(kāi)發(fā)高熱效率內(nèi)燃機(jī)。前不久豐田發(fā)布的2.5 L汽油機(jī)在混動(dòng)車(chē)型上的最高熱效率已經(jīng)達(dá)到了41%[1]，此汽油機(jī)采用了阿特金森循環(huán)設(shè)計(jì)，結(jié)合廢氣再循環(huán)（EGR）、電動(dòng)進(jìn)排氣可變正時(shí)（DVVT）、混合噴射、高能點(diǎn)火、激光熔覆座圈、電控冷卻水泵、大沖程/缸徑（S/B）比、寬進(jìn)氣道快速燃燒等先進(jìn)技術(shù)，將基礎(chǔ)機(jī)型的熱效率提升了3%。綜合來(lái)看，熱效提升貢獻(xiàn)較大的因素還是因?yàn)榇似蜋C(jī)采用了高達(dá)13:1的壓縮比，混動(dòng)版更是達(dá)到了14:1的壓縮比。但高壓縮比的實(shí)用是以放棄進(jìn)氣增壓抑制爆震為代價(jià)的，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)犧牲了部分動(dòng)力性。升功率可以從側(cè)面反映一個(gè)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性的強(qiáng)弱。如圖1所示，升功率和熱效率是互相制約的一對(duì)因素，兼顧兩者需要技術(shù)上的突破。馬自達(dá)公司采用均質(zhì)充量壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI）技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)SKYACTIV-X就給出了技術(shù)解決方案，其采用火花引燃式壓燃技術(shù)將汽油機(jī)工作平順與柴油機(jī)工作高效的特性結(jié)合了起來(lái)，高效工作區(qū)間寬廣，為高熱效率技術(shù)方案提供了新的解決思路。

圖1 升功率-熱效率趨勢(shì)[2]

2 馬自達(dá)汽油機(jī)SKYACTIV-X技術(shù)路線

SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)的主要開(kāi)發(fā)思路是通過(guò)對(duì)壓縮比、空燃比和燃燒速率3個(gè)因數(shù)的提高實(shí)現(xiàn)快速稀薄燃燒，超過(guò)30:1的空燃比在提升比熱及熱效率的同時(shí)很好的抑制NOx的生成。使得SKYACTIV-X在擁有更低燃油消耗率的同時(shí)獲得了更高的動(dòng)力特性，如圖2、圖3所示[3]。但想實(shí)現(xiàn)如此之大的空燃比混合氣體燃燒并不容易，這就需要借助火花塞控制點(diǎn)火壓燃 SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)。借助高能點(diǎn)火火花塞、分段燃油噴射、超高壓燃油噴射系統(tǒng)和缸內(nèi)壓力傳感器等技術(shù)手段，讓SKYACTIV-X在全工況內(nèi)可以根據(jù)燃燒效率在SI和CI點(diǎn)火模式間自由切換，高熱效范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。據(jù)官方公布數(shù)據(jù)，此發(fā)動(dòng)機(jī)搭載在馬自達(dá)3S上，WLTP的額定油耗為50.4 mpg(5.6 L/100 km)，二氧化碳排放量為102 g/km。

圖2 SKYACTIV系列發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗曲線[3]

圖3 SKYACTIV系列發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線[3]

由圖2和圖3可見(jiàn)SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)較上代提高20%同時(shí)，在頻繁使用低車(chē)速的區(qū)域，由于使用超級(jí)稀薄燃燒，燃油經(jīng)濟(jì)性可提高多達(dá)30%。SKYAC-

式中，ηt為發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率；εc為發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比；k為等熵指數(shù)。

市面主流的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比都在10:1左右，若將壓縮比提升至15:1，則理論熱效率至少提升9%[4]，而SKYACTIV-X壓縮比高達(dá)16.3:1。

2.2 稀薄燃燒

普通汽油機(jī)為保證點(diǎn)火可靠，通常將燃燒室空燃比控制在10:1～20:1左右。稀薄燃燒具有燃燒充分、燃油經(jīng)濟(jì)性好、充分抑制氮氧化物生成等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到主機(jī)廠重視，如圖4、5所示。其技術(shù)又可細(xì)分為進(jìn)氣道噴射稀燃系統(tǒng)（PFI）、直接噴射稀燃系統(tǒng)（GDI）和均質(zhì)混合氣壓燃系統(tǒng)（HCCI）。HCCI具有兼有動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性、結(jié)合EGR降低傳熱損失、燃燒速率可控等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為近些年高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)爭(zhēng)先采用的技術(shù)[6]。TIV-X的發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.0 L，它比目前的SKYACTIV-G至少提升了10%的扭矩，在某些轉(zhuǎn)速下可提高30%。

2.1 高壓縮比

SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷都工作在30:1以上的空燃比工況下，欲點(diǎn)燃如此稀薄的混合氣自然需要較大的壓縮比，縮小混合氣分子間距離，提高初始熱能令混合氣更易點(diǎn)燃。另一方面高壓縮比可以提升缸內(nèi)燃燒速率增加定容度，這也從另一方面解釋了壓縮比與熱效率之間的關(guān)系。由內(nèi)燃機(jī)學(xué)公式（1）可知發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率與壓縮比有如下關(guān)系：

圖4 比油耗與過(guò)量空氣系數(shù)（Lambda）關(guān)系曲線[5]

圖5 NOx與Lambda關(guān)系曲線[5]

SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)采用SPCCI技術(shù)讓發(fā)動(dòng)機(jī)在特定工況下可以在36.8:1的空燃比下穩(wěn)定工作，同時(shí)配合高強(qiáng)度的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)使熱效率及NOx排放都控制在行業(yè)領(lǐng)軍水平。

2.3 SPCCI火花塞點(diǎn)火控制壓燃技術(shù)

SKYACTIV-X最大的技術(shù)亮點(diǎn)就是SPCCI火花塞點(diǎn)火控制壓燃系統(tǒng)，HCCI技術(shù)問(wèn)世已有一段時(shí)間，但將其用于量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的公司寥寥無(wú)幾。究其原因是因?yàn)槠蛪喝际近c(diǎn)火模式無(wú)法在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況領(lǐng)域內(nèi)使用，尤其在低轉(zhuǎn)速高扭矩區(qū)域和高負(fù)荷區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，燃燒過(guò)于激烈，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命受到嚴(yán)重影響，如圖6所示。

圖6 SKYACTIV-X工作模式切換邏輯[7]

SKYACTIV-X工作在低負(fù)荷工況時(shí)，首先在進(jìn)氣階段隨著活塞的下移機(jī)械增壓后的空氣進(jìn)入燃燒室，在活塞頂凹坑及桶型進(jìn)氣道的綜合作用下形成具有較強(qiáng)湍動(dòng)能的渦流，伴隨著少量燃油的注入形成極稀的初級(jí)混合氣。隨著活塞的上升，100 MPa噴油系統(tǒng)逐步將余下燃油噴入缸內(nèi)，直到活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)，最終形成上濃下稀的稀燃混合氣，使火花塞周?chē)鷿舛染S持在SI(Spark Ignition)可工作濃度范圍內(nèi)。最終隨著100 mJ的高能火花塞跳火，點(diǎn)燃混合氣形成初級(jí)火球，隨著火核的生長(zhǎng)，燃燒室內(nèi)壓力及溫度達(dá)到汽油混合氣壓燃條件，發(fā)生壓燃點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)均質(zhì)壓燃。在高負(fù)荷區(qū)域控制混合氣濃度實(shí)現(xiàn)單純SI點(diǎn)火，因此可在CI(Compression Ignition)與SI兩種點(diǎn)火模式間自由切換，結(jié)合了汽油機(jī)與柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)下不同空燃比SI點(diǎn)燃及高λCI點(diǎn)燃情況如圖7所示。

圖7 14.7/29.4:1空燃比混合氣SI與36.8:1 CI對(duì)比[7]

2.4 其他熱效率附件

為了實(shí)施SPCCI技術(shù)，需要發(fā)動(dòng)機(jī)多子系統(tǒng)的協(xié)同工作。其中包括100 MPa燃油噴射系統(tǒng)（集成缸壓傳感器）、電動(dòng)VVT、解耦式機(jī)械增壓器、EGR冷卻器等。同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)本體零件方面也進(jìn)行了多處優(yōu)化設(shè)計(jì)，如凹坑活塞頂，低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量飛輪。

解耦式機(jī)械增壓器可在低轉(zhuǎn)速工況下停止工作，保證混合氣濃度不會(huì)低于穩(wěn)定著火空燃比下限。100 MPa的供油系統(tǒng)保證了燃油的瞬間汽化，進(jìn)一步促進(jìn)稀燃發(fā)生。缸壓傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)缸內(nèi)壓力，保證HCCI的順利進(jìn)行并對(duì)燃燒參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制。

經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的活塞頂造型可以巧妙得避讓火花塞、氣門(mén)等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，增加燃燒室的容積和混合氣量，在壓縮過(guò)程中形成環(huán)流，避免在燃料初期火焰接觸活塞頭，使燃燒更加均勻。此外馬自達(dá)此次沿用了與上代機(jī)型SKYACTIV-G相同的整體飛輪設(shè)計(jì)，較更早機(jī)型降低飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量17%，減輕飛輪質(zhì)量9%，使得發(fā)動(dòng)機(jī)空載加速能力增加150 r/s。

3 現(xiàn)代起亞Smartstream 1.5 L Turbo GDI Engine

現(xiàn)代Smartstream 1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)最大的亮點(diǎn)就是采用了“連續(xù)氣門(mén)可變持續(xù)期”（Continuously Variable Valve Duration，CVVD）技術(shù)。當(dāng)代主流內(nèi)燃機(jī)通常參考機(jī)型的不同定位采用不同的做功循環(huán)。例如，配合大功率電機(jī)（位于離合器后方）工作的內(nèi)燃機(jī)通常采用阿特金森循環(huán)，注重動(dòng)力性能的發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用米勒循環(huán)，而兼顧綜合性能技術(shù)門(mén)檻最低的發(fā)動(dòng)機(jī)通常使用奧托循環(huán)。以往的VVT及VVL技術(shù)只能調(diào)節(jié)進(jìn)排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)機(jī)及升程，由于凸輪軸包角不變因此并不能控制開(kāi)啟持續(xù)期，這就導(dǎo)致了一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法在3種循環(huán)模式下工作。而現(xiàn)代這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)巧妙的可變偏心凸輪軸機(jī)構(gòu)完成了對(duì)氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期的控制，擺脫了經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性“Trade-Off”的關(guān)系。此外，該發(fā)動(dòng)機(jī)還運(yùn)用LP-EGR、高效燃燒活塞頂及氣缸優(yōu)化等手段，將發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升4%，燃油效率提升5%，此外還將尾氣排放減少12%，如圖8所示。

3.1 CVVD技術(shù)

CVVD機(jī)構(gòu)主要由CVVD執(zhí)行器和CVVD運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)總成組成。凸輪通過(guò)滑塊機(jī)構(gòu)與凸輪軸鏈接（扭矩傳遞），如圖9所示，當(dāng)滑塊組旋轉(zhuǎn)中心與凸輪軸不重合時(shí)便會(huì)出現(xiàn)凸輪與凸輪軸之間角速度不等的現(xiàn)象，CVVD正是運(yùn)用此現(xiàn)象達(dá)到延長(zhǎng)或縮短進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的目的。

圖8 Smartstream 1.5 L Turbo GDI主要技術(shù)[8]

圖9中紅色桿系代表凸輪軸，藍(lán)色桿系代表凸輪，黃色表示滑塊組，當(dāng)滑塊組旋轉(zhuǎn)中心與主軸系重合時(shí)，凸輪具有與凸輪軸一致的旋轉(zhuǎn)速度（中圖）；當(dāng)凸輪軸系相對(duì)于滑塊軸系向一側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若凸輪轉(zhuǎn)到相同側(cè)，則旋轉(zhuǎn)速度降低，若轉(zhuǎn)到異側(cè)則旋轉(zhuǎn)速度上升。這也就意味著進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)間可以在195～360°CA內(nèi)變化（圖10）。

圖9 CVVD工作原理[8]

圖10 CVVD進(jìn)氣凸輪軸包角變化范圍[8]

此外CVVD還能實(shí)現(xiàn)4:1～10:1壓縮比范圍內(nèi)的靈活調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)變壓縮比的功效。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低負(fù)荷工作區(qū)域時(shí)推遲進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角，減少壓縮負(fù)功，將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)校到偏向阿特金森循環(huán)的特性，提升燃油經(jīng)濟(jì)性；發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高負(fù)荷區(qū)域時(shí)盡早關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)，增大進(jìn)氣量，最大限度保留湍流強(qiáng)度，使混合氣快速燃燒，提升BMEP。

3.2 LP-EGR技術(shù)

EGR技術(shù)可以將一部分燃燒廢氣重新導(dǎo)入氣缸參與燃燒，降低燃燒溫度和減小傳熱損失，同時(shí)很好的抑制NOx生成。而此款發(fā)動(dòng)機(jī)采用低壓廢氣再循環(huán)技術(shù)，相比以往常用的EGR具有更寬廣的EGR可控范圍。如圖11所示，傳統(tǒng)EGR的再循環(huán)接入點(diǎn)位于進(jìn)氣歧管處，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速、高載荷點(diǎn)工作時(shí)由于進(jìn)氣量少，EGR率必須控制得很低以穩(wěn)定燃燒。同時(shí)由于接入點(diǎn)位于壓氣機(jī)后方，EGR循環(huán)壓差很有限，也使得廢氣流通速度降低。采用低壓再循環(huán)以后，再循環(huán)接入點(diǎn)位于壓氣機(jī)前側(cè)，配合進(jìn)氣門(mén)節(jié)流作用可以產(chǎn)生穩(wěn)定的進(jìn)氣壓差，使低負(fù)荷區(qū)域EGR率得以提升。

圖11 LP-EGR與傳統(tǒng)EGR結(jié)構(gòu)及工作區(qū)域?qū)Ρ萚8]

結(jié)合CVVD，LP-EGR可以將工作區(qū)域擴(kuò)展到最大。如圖12所示，在區(qū)域1，縱使采用了CVVD技術(shù)，EGR率仍然受著燃燒穩(wěn)定的制約，但EGR的引入減少了部分泵氣損失，提高了效率；在區(qū)域2，CVVD使燃燒穩(wěn)定性得到保障，因此可以充分發(fā)揮LP-EGR的優(yōu)勢(shì)，使燃油經(jīng)濟(jì)效率提升1%～8%；在區(qū)域3，CVVD控制策略偏向以進(jìn)氣為主，將發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)控制在爆震線邊緣，但EGR的參與可以在一定程度上提高比熱，降低燃燒溫度和減小熱損。因此仍然可以貢獻(xiàn)出2%～9%的燃油經(jīng)濟(jì)率。

圖12 LP-EGR對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)率[8]

3.3 燃燒技術(shù)

相比上代機(jī)型，此次現(xiàn)代起亞汽車(chē)公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和燃燒室進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。進(jìn)氣道相比以前變得更加平直，且末端增加了銳利邊緣以最大限度組織滾流。

相比老款機(jī)型，新機(jī)沖程由84 mm提升至92 mm，較高的S/B比也有利于滾流的保持與增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)正確的設(shè)計(jì)活塞頂可將湍流旋轉(zhuǎn)中心保持在氣缸幾何中心附近，最大限度得保留湍動(dòng)能。由CDF仿真結(jié)果可知，缸內(nèi)滾流可一直保留到壓縮最后階段，可以將火花塞附近的混合氣濃度控制到最優(yōu)，如圖13所示。

圖13 缸內(nèi)流場(chǎng)CFD仿真結(jié)果[8]

除此之外，新機(jī)型還將火花塞電弧位置調(diào)整至點(diǎn)火效率最高的混合氣濃度區(qū)，并將點(diǎn)火能從80 mJ提升至120 mJ，使燃燒速度進(jìn)一步提升。

3.4 排氣道優(yōu)化

I4代機(jī)型相比I3代將排氣歧管集成入了缸蓋內(nèi)，在提升整車(chē)熱效率的同時(shí)也縮短了排氣歧管的長(zhǎng)度，因此必須考慮排氣干涉問(wèn)題。低轉(zhuǎn)速下排氣脈沖干涉效應(yīng)顯著，高轉(zhuǎn)速下剩余廢氣的增加則會(huì)引起爆震。因此現(xiàn)代重新設(shè)計(jì)了排氣歧管，將其設(shè)計(jì)成4-2-1形式，最大限度得隔離了相鄰點(diǎn)火缸的排氣干涉效應(yīng)。I4機(jī)型還在渦輪進(jìn)氣道內(nèi)鑄造了隔離筋，進(jìn)一步增強(qiáng)雙進(jìn)氣道隔離作用，如圖14所示。

圖14 4-2-1排氣管結(jié)構(gòu)圖[8]

排氣系統(tǒng)的優(yōu)化使1 000 r/min～1 300 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)域穩(wěn)態(tài)扭矩提升5.9%～7%；1 500 r/min和2 000 r/min的瞬態(tài)扭矩響應(yīng)時(shí)間分別提升了18.9%和13.6%。

4 結(jié)論

（1）如今，隨著均質(zhì)壓燃點(diǎn)火及氣門(mén)持續(xù)時(shí)間可控等先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的問(wèn)世，升功率和熱效率已不再是不可兼得的一對(duì)性能指標(biāo)，兩者可同時(shí)提升。

（2）SPCCI火花塞控制點(diǎn)火壓燃技術(shù)可從根本上改變汽油機(jī)燃燒方式。其技術(shù)利用類似于柴油機(jī)的壓燃方式點(diǎn)火，可直接將熱效率提升3%以上，是未來(lái)高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)的重要技術(shù)手段之一。

（3）CVVD連續(xù)氣門(mén)可變持續(xù)期技術(shù)解決了DVVT技術(shù)面世以來(lái)長(zhǎng)期無(wú)法解決的自由切換做工循環(huán)難題。此技術(shù)可依照駕駛員意圖及具體工況改變氣門(mén)配氣策略，發(fā)揮三大循環(huán)的各自優(yōu)點(diǎn)，為高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供了新的解決思路。

（4）快速燃燒及傳熱損失控制是高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)的必備技術(shù)手段。設(shè)計(jì)人員可通過(guò)對(duì)進(jìn)氣道、活塞頂、火花塞位置及點(diǎn)火能量的優(yōu)化，設(shè)計(jì)創(chuàng)造出最大滾流進(jìn)行快速燃燒。

（5）結(jié)合集成式排氣歧管、變排量水泵、機(jī)油泵等節(jié)能附件的使用手段降低能量損耗，進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。