車用發(fā)動機燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢及未來展望

塩路昌宏

目前，內(nèi)燃機對于實現(xiàn)低碳排放目標仍起著重要作用?；旌蟿恿ζ嚰半妱悠囈讶〉昧艘欢夹g(shù)進步，而內(nèi)燃機熱效率的持續(xù)提升又有利于電驅(qū)裝置充分發(fā)揮技術(shù)功效。采用大流量廢氣再循環(huán)（EGR），提高壓縮比并實現(xiàn)稀薄燃燒是內(nèi)燃機用于提高效率的核心技術(shù)。針對燃燒過程的優(yōu)化及新型燃燒技術(shù)的開發(fā)對車用發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展起著重要作用。概述目前車用發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展趨勢，描述基于汽車電驅(qū)動化進程而開發(fā)的發(fā)動機技術(shù)，著重論述了影響未來發(fā)動機燃燒技術(shù)的關(guān)鍵問題，同時介紹了發(fā)動機的全新燃燒理念與燃燒方式等研究成果及發(fā)展前景。

車用發(fā)動機;燃燒技術(shù);新燃燒方式;燃燒現(xiàn)象;發(fā)展趨勢

0?前言

為解決汽車工業(yè)快速發(fā)展過程中的各類問題，研究人員通過采用先進技術(shù)有效改善了內(nèi)燃機排氣凈化及運作過程。最近，隨著日本國內(nèi)政策的不斷引導與支持，日本政府在逐步推廣純電動汽車（EV），并將其投入實際應用。同時，為滿足日本國內(nèi)的低碳需求，研究人員仍須進一步提高發(fā)動機熱效率。

本文首先闡述了日本社會與經(jīng)濟的發(fā)展趨勢及汽車普及情況，概述了車用發(fā)動機技術(shù)的進展，隨后對可用于汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)動機進行了展望，并對影響未來發(fā)動機燃燒過程的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

1?社會需求與發(fā)動機技術(shù)的新進展

如圖1 所示，隨著二戰(zhàn)后社會經(jīng)濟的逐步復蘇，日本國內(nèi)的汽車產(chǎn)業(yè)得以飛速發(fā)展，由此引發(fā)了多種社會問題，特別是由于汽車排放而導致的環(huán)境氣候的惡化現(xiàn)象，以及對人體健康帶來的危害。研究人員通過在日本各地對汽車廢氣排放進行調(diào)查研究，對排放標準提出了進一步要求。為滿足社會需求，日本政府制定了全新的排放法規(guī)，并逐步收緊排放法規(guī)限值。近年來，為抑制地球溫室效應，研究人員須進一步降低汽車CO2排放，同時實現(xiàn)發(fā)動機的高效率化，并進一步改善汽車燃油經(jīng)濟性。

如圖2所示，研究人員通過測量由汽車所排放的碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）及排放顆粒物（PM），計算出了上述排放物總量的變化過程及各車型產(chǎn)生排放物所占的比例。在由柴油車產(chǎn)生的排放物中，NOx及PM約占85%。在由汽油車產(chǎn)生的排放物中，HC約占60%。隨著法規(guī)的逐步強化，源于汽車的污染物排放量開始逐步降低。就目前而言，除了光化學氧化劑及PM 2.5之外，其他排放物基本已可滿足相應的環(huán)保標準要求。

為滿足上述排放法規(guī)要求，研究人員開始以提高發(fā)動機性能并改善燃油經(jīng)濟性為目標而進一步開展研發(fā)過程。包括發(fā)動機零部件技術(shù)在內(nèi)的許多重大突破主要得益于先進的數(shù)值計算方法與分析技術(shù)。

研究人員在汽油機的如下技術(shù)領(lǐng)域中均取得了一系列進展：（1）針對燃油供給系統(tǒng)中的精確空燃比控制、減速時的停缸技術(shù);（2）針對火花塞的技術(shù)改良及高能點火技術(shù);（3）針對氣門驅(qū)動系統(tǒng)中凸輪驅(qū)動方式的改良及基于相位與可變升程的控制技術(shù);（4）針對爆燃過程進行優(yōu)化并降低泵氣損失;（5）采用包括廢氣再循環(huán)（EGR）、增壓系統(tǒng)在內(nèi)的進、排氣系統(tǒng)改良技術(shù);（6）為降低機械損失而采用了潤滑、冷卻等技術(shù)。

此外，在柴油機技術(shù)領(lǐng)域，4氣門系統(tǒng)、缸內(nèi)直接噴射技術(shù)、EGR裝置、中間冷卻系統(tǒng)、可變截面渦輪增壓系統(tǒng)及共軌式噴油系統(tǒng)等領(lǐng)域均取得了一系列進展。研究人員通過采用氧化催化劑及柴油機排氣顆粒過濾器（DPF），并降低NOx催化劑的排氣后處理系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)了降低排放與提高整機熱效率的技術(shù)目標。

2?汽車電驅(qū)動化時代的發(fā)動機技術(shù)

從2017年起，汽車電驅(qū)動系統(tǒng)得以飛速發(fā)展，其發(fā)展過程主要與以下因素存在密切聯(lián)系：（1）主要國家地區(qū)（如西歐、中國、美國加利福尼亞州等地）的政府及相關(guān)部門出臺支持政策，并提供經(jīng)濟補助;（2）各大汽車生產(chǎn)商（OEM）的經(jīng)營方針。

在歐洲，以大眾柴油機排放門為契機，研究人員重新制定了針對傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的排放法規(guī)，并提出了應對環(huán)境問題的解決措施，同時將逐步引進EV與插電式混合動力汽車（PHEV）。在中國地區(qū)，政府部門除了采用相關(guān)環(huán)保政策之外，同時也在大力推進新能源汽車（EV、燃料電池汽車（FCV）、PHEV）的制造與銷售進程。如圖3所示，在最近十幾年中，中國的乘用車保有量得以飛速增長，OEM也在通過各種方式對中國汽車市場的發(fā)展趨勢進行深入了解，并探索相應的戰(zhàn)略方針。

與上述發(fā)展趨勢相呼應，汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了一系列變化，不同行業(yè)的從業(yè)人員也逐步加入到汽車領(lǐng)域中來。隨著世界范圍內(nèi)新能源汽車的逐漸普及，各大車企有針對性地擴大經(jīng)營規(guī)模，以實現(xiàn)標準化發(fā)展。同時，各大車企也加強了與電氣設備OEM的合作，并確保電池供應體系的構(gòu)建與完善，從而逐步搭建起基于該領(lǐng)域的技術(shù)平臺。

為了適應當前汽車電驅(qū)動時代的需求，發(fā)動機技術(shù)也逐漸呈現(xiàn)出多樣化趨勢，各種混合動力系統(tǒng)也得到了充分發(fā)展。混合動力汽車（HEV）仍需要隨車攜帶傳統(tǒng)化石燃料，因此不斷提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性依然是重中之重。隨著對阿特金森循環(huán)等技術(shù)的有效應用，HEV預計可將整車燃油耗降低約20%～50%。目前，研究人員已將燃燒控制技術(shù)、降低冷卻損失及抑制爆燃的相關(guān)技術(shù)列為亟待解決的重要課題。

就PHEV而言，其技術(shù)優(yōu)勢與HEV相似。PHEV可有效延伸整車續(xù)航里程，并充分降低了燃油耗。但在電池容量增大的同時，由于整車質(zhì)量增加，會相應引發(fā)燃油經(jīng)濟性惡化及成本上升等問題。對此，研究人員建議可將純電驅(qū)動作為基本行駛模式，而用最大功率約為20 kW的小型發(fā)動機作為增程器。同時，研究人員也在力求改善發(fā)動機摩擦現(xiàn)象，同時使動力裝置實現(xiàn)輕量化，并視情況采用阿特金森循環(huán)。

3?發(fā)動機燃燒技術(shù)的發(fā)展

3.1?新型燃燒方式

為實現(xiàn)車用發(fā)動機的高效率化，研究人員須利用先進的零部件技術(shù)。在充分考慮了冷卻損失的前提下，研究人員對熱釋放系數(shù)進行了研究。在燃燒持續(xù)期內(nèi)，由于在熱釋放開始階段下指示熱效率逐漸提高，因此研究人員有必要對燃燒持續(xù)期進行著火定時控制。如果最高壓力被限制在較低的水平，在燃燒持續(xù)期較短的情況下，研究人員須相應推遲熱釋放開始時刻。在燃用稀薄混合氣的條件下，為縮短發(fā)動機燃燒持續(xù)期，部分研究人員提出了有效利用預混合燃燒的方案。

目前，研究人員對均質(zhì)充量壓縮著火（HCCI）技術(shù)的關(guān)注度與日俱增。HCCI技術(shù)在汽油機低負荷工況下可充分發(fā)揮作用，但在變工況條件下，適當?shù)乜刂苹旌蠚獾淖灾疬^程有著較高難度。而通過火花點火方式能可靠地使部分混合氣進行燃燒。目前使稀薄混合氣實現(xiàn)壓縮著火并對快速燃燒進行控制的方法已進行了實用化。除了利用可變氣門驅(qū)動系統(tǒng)以實現(xiàn)壓縮比的可變過程，并利用機械增壓以實現(xiàn)進氣量控制之外，研究人員還通過采用高壓汽油的直接噴射方式形成合適的混合氣，同時利用大流量EGR降低燃燒溫度，由此減少NOx排放量。與此同時，研究人員利用各氣缸中設置的燃燒壓力傳感器，并根據(jù)采集的負荷、轉(zhuǎn)速、機外溫度、氣壓等參數(shù)，可實現(xiàn)對燃燒過程的精確控制。

研究人員對預混合壓縮著火（PCCI）技術(shù)也開展過許多研究。在該燃燒方式中，雖力求同時降低NOx與碳煙排放，但如果增加噴射量，會使混合氣濃度提高，并使燃燒過程過于粗暴，所以該燃燒技術(shù)通常僅在部分負荷工況下得以應用。目前也有相關(guān)研究表明，除了采用大流量EGR之外，可通過米勒循環(huán)降低有效壓縮比，即使在高負荷工況下也能實現(xiàn)平穩(wěn)的燃燒過程，并大幅降低NOx與PM。同時，研究人員通過調(diào)節(jié)膨脹比，能使熱效率保持不變。未來，研究人員可通過對噴射、燃燒控制等相關(guān)技術(shù)的有效應用，擴大發(fā)動機高效運轉(zhuǎn)區(qū)域。

近年來，研究人員對反應可控壓縮著火（RCCI）技術(shù)進行了研究。在該燃燒過程中，以預混合氣的快速燃燒作為增加等容度的主要方式，并能實現(xiàn)較高的指示熱效率。在多種負荷條件下進行的穩(wěn)定著火控制，抑制劇烈的熱釋放過程并確保燃燒效率是目前亟待解決的重要課題。為了進一步提高熱效率，研究人員認為上文所述的PCCI燃燒技術(shù)有著較好的應用前景，同時為擴大發(fā)動機的高效運轉(zhuǎn)區(qū)，須相應采用進排氣控制、燃料噴射控制等先進技術(shù)。

3.2?燃料-空氣混合與燃燒

燃料-空氣混合氣的形成對發(fā)動機燃燒過程有著重要影響。圖4表示采用計算流體動力學（CFD）得出的多種燃燒方式條件下的熱釋放率與50%燃燒過程中當量比φ-溫度T的分布示意圖。燃燒反應過程主要受以下因素影響，主要包括燃料供給方式、定時的燃料-空氣混合氣的形成過程及燃燒氣體的φ-T分布。

在普通的柴油燃燒過程中，即便在混合氣著火后，缸內(nèi)仍在繼續(xù)進行燃油噴射。在經(jīng)分層后的混合氣稀薄化處理過程中，噴霧及燃燒過程還在繼續(xù)進行。雖然著火及燃燒過程的可操縱性較好，但同時降低NOx與碳煙仍是亟待解決的課題。就PCCI燃燒方式而言，通常在壓縮行程中會采用多種噴射策略，使混合氣實現(xiàn)分層，并且NOx的排放量較高，而碳煙排放量則相對較低。在該工況條件下，研究人員通過延遲噴射即可延長燃燒持續(xù)期，進而降低壓力升高率。在HCCI燃燒過程中，通常會在進氣行程中供應燃油，使稀薄混合氣實現(xiàn)壓縮點火。雖然NOx與碳煙的排放較少，但受化學反應速度的影響，對著火及燃燒過程進行控制有著較高難度。在壓力上升率較高與負荷較低的條件下，燃燒效率會相應降低。在RCCI燃燒過程中，由于研究人員對2種燃料比及燃料噴射定時進行了調(diào)節(jié)，因此可有效抑制NOx與碳煙排放，并可實現(xiàn)穩(wěn)定的著火及燃燒控制過程。目前，在低負荷工況下改善燃燒效率并在高負荷工況下降低燃燒噪聲等課題仍亟待解決。

隨著近年來計算機科學的快速發(fā)展，針對發(fā)動機燃燒過程的CFD技術(shù)得到了長足發(fā)展，預測精度也大幅提高，并成為了當前研究開發(fā)過程中不可缺少的工具。目前，研究人員仍需要進一步提高預測精度，并對燃料-空氣的微觀混合形態(tài)進行觀測。

如圖5所示，在由研究人員所提出的隨機過程理論模型中，最初分離著的燃料（燃料質(zhì)量百分數(shù)Y=1）與空氣（Y=0）實現(xiàn)湍流混合，并按照隨機過程理論而逐步形成均勻混合過程。該混合過程應用了相關(guān)研究人員所提出的二體碰撞及再分散模型，該模型利用由湍流特性所決定的頻度ω，在1個較大流體塊經(jīng)歷了碰撞及融合過程后，將其分解為2個相等的較小流體塊。研究人員通過對ω的時間積分定義無量綱時刻η（該數(shù)值與1個流體塊的平均碰撞次數(shù)一致），并可用于表示混合度。換言之，到η=2時，是按分散濃度進行分布的狀態(tài)，但在逐漸達到η=6的狀態(tài)后，濃度會接近于正態(tài)分布。η=12時，濃度會更接近于平均濃度Yo，表明了其可形成均勻的混合氣。在圖5中，不同顏色圖案表示燃料在空間均勻破碎時的濃度分布狀況。因此，作為湍流混合過程的評價指標起著重要作用。此外，ω與湍流強度u′與積分比例L存在數(shù)值關(guān)系，可通過ω=0.4 u′/L的公式來進行計算。

研究人員利用該模型對柴油無因次燃燒過程進行了預測研究。計算中，得出了隨時間變化的熱釋放量及壓力過程。研究人員可相應計算出燃油噴射量、噴油定時、渦流比、EGR條件下的缸內(nèi)壓力及熱釋放率，從而合理地預測NO生成量的變化。

通過該模型，研究人員可得出燃料-空氣的不均勻度與濃度、燃燒后的溫度與NO生成速度的概率分布。研究人員通過應用基于隨機分析系統(tǒng)（RANS）的CFD仿真，能有效記錄各個計算單元內(nèi)的微觀混合情況。研究人員通過引入反應動力學計算方法，也能將其應用于柴油機的PCCI燃燒過程中。此外，除了能通過無因次計算以預測噴霧著火過程之外，研究人員可根據(jù)實測的壓力、放熱率而得出基于混合時間的變化函數(shù)，由此可對多次噴射時的排氣進行預測。通常，研究人員認為在強湍流場中對于點火不確定性與循環(huán)變動的預測結(jié)果，以及對由壁面碰撞而產(chǎn)生的流動過程的觀測過程也起著重要作用。

3.3?燃燒室壁面附近現(xiàn)象的說明

通過采用最新的燃燒系統(tǒng)設計方案，研究人員能對各種各樣的發(fā)動機技術(shù)規(guī)格及運轉(zhuǎn)條件實施最佳的燃燒控制，但如要進一步改善燃燒過程并提高熱效率，仍有許多后續(xù)工作需要開展。

研究人員就燃燒室壁面非穩(wěn)定熱傳導問題，運用了如圖6所示的等容燃燒裝置及高響應性熱流束傳感器（Vatell，HFM-7），通過氣體射流火焰及均勻混合氣的傳播火焰對壁面熱流束變化進行了計測。圖7是在采用預燃方式的條件下（溫度為950 K，壓力為2 MPa，氧氣濃度為21%），從噴孔直徑為0.8 mm的噴嘴中以噴射壓力為8 MPa，噴射持續(xù)期為9 ms的參數(shù)噴射了氫燃料并使其自行著火燃燒后的結(jié)果。圖7示出了缸內(nèi)燃燒壓力p，放熱率dq/dt，平均溫度Tave及在燃燒室壁面的2點P1、P2處測算出的熱流束qhf的時間與噴射后的時刻t的關(guān)系。圖7（a）中的號碼對應于圖7（b）中逆光攝影圖像的時刻，噴霧在與容器壁面相碰撞后（圖像①），在噴射后的3.25 ms內(nèi)在P2附近著火，dq/dt數(shù)值隨之急劇增大（圖像③）?；鹧嬖诘竭_P2（圖像②），并進行快速傳播（圖像④），隨即進行擴散燃燒，在圖像⑤時到達P1工況點。在噴射過程結(jié)束后（圖像⑦），dq/dt數(shù)值隨之減小，同時火焰亮度有所降低（圖像⑧、圖像⑨）。qhf對應于以上燃燒區(qū)域的變化過程，P2在圖像④，P1在圖像⑥的時刻急劇增加。P2在擴散燃燒持續(xù)期（圖像④～圖像⑦），持續(xù)保持相對恒定的值，隨著火焰亮度的降低（圖像⑧、圖像⑨），qhf也得以緩慢減小。P1在圖像⑦出現(xiàn)極大值之后，qhf數(shù)值同樣有所減少。此外，P2相比于P1之所以qhf數(shù)值較高，是由于在P2附近，著火燃燒的氣體由于存在絕熱壓縮現(xiàn)象而具有較高的溫度。根據(jù)上述情況進行分析，對燃燒室壁面附近的著火過程得出了2項結(jié)論：（1）在該燃燒過程中存在較大的熱損失;（2）在可燃混合氣自行著火燃燒的過程中，使qhf的數(shù)值相對較高。

而且，為了對燃燒過程中熱傳導的狀況進行直接觀測，研究人員采用了具有5根微細熱電偶的傳感器，并測算了壁面附近的溫度分布。該5根微細熱電偶分別為A、B、C、D、E，其中A、B、C線材直徑為25 μm，D、E線材直徑為75 μm，伸長距離為δ。圖8（a）表示了從點火后到燃燒結(jié)束時的燃燒室內(nèi)壓力p，放熱率dq/dt，各熱電偶的溫度T，局部熱流束qhf的持續(xù)時間與點火后的時刻t的關(guān)系。圖8（b）除了表示qhf與T的關(guān)系之外，根據(jù)由壓力變化而計算出的未燃氣體溫度Tu及在溫度傳感器附近進行放大拍攝的逆光攝影圖像（圖8（c））截取2個時刻的圖像作為實例（分別為23.90 ms與32.45 ms），并在火焰鋒面接近壁面約5 mm并持續(xù)14 ms后，示出了火焰鋒面與壁面的距離x。圖8中相應示出了各熱電偶的δ值，在缸內(nèi)溫度急劇升高的時期，同時在相同的線材直徑條件及δ值較大的情況下，溫度增長速度較快。在δ相同的條件下，線材直徑越細小，時間常數(shù)會相應提前。T及qhf會隨著未燃氣體的壓縮加熱而緩慢地增加，由于火焰鋒面的接近，dq/dt數(shù)值得以明顯增大。相比于qhf在火焰鋒面到達壁面后成為極大值，T極大值的出現(xiàn)存在滯后現(xiàn)象。盡管研究人員充分考慮到了熱電偶信號的時間常數(shù)，并對此進行補償，T的極大值也比火焰溫度更低。由于T的極大值會隨著δ的減少而降低，研究人員認為T的數(shù)值大小能在某種程度上影響到邊界層內(nèi)的溫度分布。根據(jù)在各種條件下進行同樣測算的結(jié)果，可得出如下趨勢。在燃燒溫度較高的條件下，由于壓縮加熱導致溫度與熱流束的形成速度快速增加，同時由于溫度梯度較大，qhf也會相應變大。

近年來，研究人員正在開展針對壁面附近現(xiàn)象的測算研究與模型試驗。以發(fā)動機燃燒室壁面的熱流束為例，研究人員歷來通過熱電偶對其進行測試，并按照非穩(wěn)定傳熱分析而進行計算。在柴油機領(lǐng)域，由于燃燒室壁面碰撞而使熱流束增加的現(xiàn)象會限制熱效率的提高，因此研究人員目前正運用多個傳感器以對熱流束進行測算并對燃燒現(xiàn)象進行研究。同時，研究人員利用激光電子式傳感器（LES）進行燃燒室壁面碰撞噴霧動態(tài)與局部熱流束分布的數(shù)值分析，并研究了火焰接近壁面附近時的放大攝影圖像，根據(jù)對溫度邊界層厚度的推定結(jié)果，從而對傳熱系數(shù)與熱流束進行驗算。

近年來，利用壁溫回轉(zhuǎn)式隔熱膜以改善熱效率的效果引起了研究人員的關(guān)注。研究人員采用基于激光誘導熒光法（LIF）的壁面溫度測算方法，并充分利用粒子圖像測速法（μPIV），對壁面附近的氣體進行流動測算。相關(guān)燃燒機理說明上述方法正有效地應用于發(fā)動機的燃燒室設計過程中。此外，基于薄膜測溫電阻器式的微電子機械（MEM）技術(shù)的相鄰多點熱流束測試傳感器已得以成功開發(fā)，可期待其將在今后的發(fā)動機測試領(lǐng)域中得以應用。

4?結(jié)論

上文概述了可有效滿足社會需求的車用發(fā)動機技術(shù)的進展，并對汽車電驅(qū)動時代的相關(guān)發(fā)展條件進行了展望。

隨著環(huán)境及物質(zhì)需求的變化，社會各界對汽車性能的要求也在逐步提升。目前，按照節(jié)能降耗的技術(shù)觀念，研究人員仍須持續(xù)提高發(fā)動機熱效率。燃料-空氣混合氣的形成過程、燃燒室壁面附近燃燒現(xiàn)象及其控制技術(shù)將是未來數(shù)年間的重點研究領(lǐng)域。