內燃機的巨大提升,通向50%熱效率之路

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雖然我國是全球最為積極推進電動車普及的國家，但是考慮到電動車天生的補充能量劣勢和裡程焦慮，我國仍然非常現實的推出了低油耗車型獎勵方案。具體已經在筆者的前面一篇文字裡做了描述。詳見《工信部出的奧數題，解出來你就知道燃油車5年後還有戲嗎》。

這一方案對能夠帶來巨大油耗降低的混合動力車型是一個前所未見的利好，同時也鼓勵各廠家進一步挖掘內燃機的潛力，做好燃油車油耗降低工作。

說起挖掘內燃機的潛力，首當其衝的就是本田和豐田，早在2015年豐田就在其SAE文獻中發表了實現45%熱效率發動機的技術。

1.

在那個時候，豐田使用了一臺2.0升的四缸實驗樣機，樣機參數如下圖所示

具體採用的則是如下幾種技術，分別是阿特金森循環，冷卻式廢氣再循環（cooled EGR），低摩擦技術，長衝程氣缸，稀薄燃燒技術以及高滾流技術。具體來說，為了降低排氣熱損失，一個重要的方案就是使用長衝程氣缸，為了照顧發動機轉速，長衝程氣缸最多使用到1.5倍的衝程缸徑比。做好發動機基本結構之後，下一步就是做到超級稀薄加低溫燃燒，而為了實現超級稀薄燃燒，則需要高滾流技術和高能量電火技術。考慮到實現高熱效率常用的高壓縮比（這裡是13：1），為了降低因為高壓縮比帶來的爆震，冷卻式廢棄再循環技術也需要被應用上去。

在這些技術中，超級稀薄燃燒是對熱效率提升最高的手段，根據豐田的研究，相比標準空燃比的14.7，當空燃比提升一倍達到29以上的時候，發動機熱效率可以提升10%。如果把稀薄燃燒和冷卻式廢氣再循環結合起來，以20的空燃比外加20%的cooled EGR，豐田就將這一臺樣機的最高熱效率提升到了45.6%。為了保證稀薄燃燒下的進氣量，豐田還嘗試了用一臺電動渦輪增壓器，而在把測試用的燃油從91RON，轉為100RON之後，熱效率甚至提升到了45.9%。豐田還嘗試用了一臺小的渦輪增壓器，替換電動增壓器，但是渦輪導致的排氣壓力上升反而降低了熱效率到43.9%。

豐田還對這臺樣機做了更細緻的研究，發現如果使用更快的點火方式以及更加稀薄的空燃比（超過20），這臺樣機可以最終超過46.5%的最大熱效率。實現這一熱效率的發動機轉速為2000轉，BMEP在0.88。

由於僅僅是一臺驗證用的樣機，所以豐田並未給出該發動機完整的BSFC圖。由於目前業界普遍認為可見的將來就是1.5的衝程缸徑比。所以豐田的這些技術驗證可以認為是各種傳統的發動機優化技術達到極限之後的效果。

2.

說完了豐田的樣機，筆者曾經介紹過一臺本田的樣機，也就是在2015年10月，本田不甘落後的在其論文中發表了一個達到45%熱效率的驗證機。不過這臺機器僅僅只有一個氣缸，大小為626cc，衝程缸徑比也是1.5，供油方式仍然是多點電噴，為了解決進氣量的問題，本田為這臺發動機加上了機械增壓器。

具體發動機參數如下圖所示。

而本田在這臺驗證機上使用的技術則在如下圖紅框中顯示：

首先是高壓縮比，這臺驗證機使用的機械壓縮比高達17，然後是很高的廢氣回收率，這裡高達35%，但是本田沒用使用超稀薄的稀薄燃燒，本田的意思是稀薄燃燒會帶來尾氣處理的問題。然後還有MBT(minimum advance for Best Torque)，再下來就是機械增加以及高達1.5的衝程缸徑比了。

實際上本田的驗證機比豐田做的更加原始，並不如豐田那樣做了多方面的驗證。

時間一晃來到2020年，當年45%熱效率的驗證機已經進化到了更加成熟的狀態了。

首先還是本田，在2018年10月本田發布了其最新的驗證機型，這次的驗證機型，在2015年的45%熱效率基礎上，再次提高了兩個點達到了47.5%。這一次本田終於用上了稀薄燃燒技術，具體名稱叫DISC（direct inject stratified charge combustion）」直噴分層充氣燃燒」，這一技術被認為可以有效降低稀薄燃燒帶來的排放問題。而為了實現這種分層燃燒，本田採用了F1賽車上的一項技術，那就是預燃燒室（pre-chamber）。如下圖所示，標識為pre-chamber的部分就是預燃燒室。

除了預燃燒室這一最為顯著的新技術之外，本田的這一套驗證機還有如下特徵

我們可以看到這一驗證機仍然只是一個單缸機型，458cc容量，衝程缸徑比為1.5，膨脹比17，而有效壓縮比為12.5（也就是機械壓縮比），進氣方式為機械增壓，供油方式為雙噴，主氣缸為多點電噴，預燃燒室為直噴，火花塞點火能量為60mJ（屬於一般性點火能量）。而實現這一預燃燒技術最為關鍵的就是預燃燒室大小以及預燃燒室和主氣缸直接開孔的大小和數量。

這裡的Nozzle diameter就是指預燃燒室到氣缸之間的小孔直徑，number of nozzles就是小孔數量。

經過一系列的模擬和計算，本田最後得出結論。小孔的直徑為1.6毫米，數量為10個的時候能獲得最好的熱效率和排放水平。得益於預燃燒室的設計，本田可以在這一臺驗證機上實現高達38：1的空燃比。這一條在馬自達的skyactiv-X上達到的是36.8：1。

最終在預燃燒室這一關鍵技術的加成下，本田在這臺驗證機上實現了47.2%的熱效率。參見下圖。

這個效率最高的點在大約800kPa處實現，對應一個458cc的氣缸而言，就是29NM，轉速為2000轉，如果擴大到四缸，理論上就是在扭矩大約130NM處實現。

3.

說完了日本人研究，德國人也沒有閒著，以IAV（Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr）也就是Engineer Society Automobile and Traffic為首的德國人也在2020年提出了雄心勃勃的計劃。他們要開發處一款用於混動車型的超高熱效率發動機，目標見如下圖所示。

簡單的說，就是要在2000轉到3300轉之間實現45%的熱效率。這一目標甚至比豐田和本田的還要高。至於是否能達到，我們就來看看IAV的論文怎麼說的把。

另外需要註明的是，IAV是大眾集團佔據主導地位的機構。如果大眾說的2026年停止汽油機的開發為真的話，那麼這一臺發動機很可能就是大眾最後的汽油機了。

那麼我們說完了德國人在發動機開發上的設計目標，那麼實現這些目標採用的哪些技術呢?

根據論文的描述，第一要素是提高壓縮比，然後是通過高比例的冷卻式廢氣再循環控制爆震，再就是採用米勒循環（其實就是晚關進氣門），還有提升燃燒速度，這一點特別需要注意的是，為了提升燃燒速度，IAV也採用的非常稀薄的混合氣，而為了點燃這種非常稀薄的混合氣，IAV使用了預燃燒室技術。除了以上方法之外，高的衝程缸徑比也成為了發動機設計的一部分。為了減少尾氣熱交換損失，IAV還採用了一個大號的廢氣渦輪。

如下圖為IAV驗證機的預燃燒室模型圖。

做完了這些之後，IAV的這臺1.6升的四缸驗證樣機達到了如下效果。

從這副圖上看，發動機在3000轉，且扭矩12bar（152NM）附近達到了最大熱效率45%。而且還在很大一個範圍內都實現了44%的熱效率。由於這是一臺給混動車使用的發動機，在圖上的灰色部分都是電驅動區域。這樣就能把WLTC工況下絕大部分工作的效率範圍都控制在40%以上。如果這臺機器真的能配合混動系統投入實用，那麼將是一臺非常省油的動力系統。

注意它的壓縮比達到了17.4，衝程缸徑比為1.25。

4.

除了德國車企也還在孜孜不倦的開發發動機之外，delphi這樣一家來自美國的汽車零部件廠家也沒有放棄發動機的技術進步。

在2019年的SAE大會上，delphi的前發動機開發主管Mark Sellnau就提出了發動機通向50%熱效率的方法，並指出delphi在當前43%熱效率發動機的基礎上，下一代汽油機可以達到48%的熱效率。

筆者找到了Delphi這臺43%熱效率發動機以及如何改進並達到48%熱效率的SAE論文，也在這裡給讀者做一個介紹。

在2019年的時候，Delphi已經開發出了一臺2.2升的壓縮比為17的四缸發動機，稱其為第三代發動機（G3X）其最大熱效率為43%，而在隨後的研究中，基於這臺43%熱效率的發動機，通過增加隔熱塗層和其他一些辦法，可以讓這臺發動機達到48%的熱效率。這一驗證是在美國國家能源部的Argonne國家實驗室完成的，也是得到了美國能源部的贊助。

這臺2.2升的發動機使用的技術叫GDCI（gasoline direct-injection compression-ignition ）」汽油直噴壓燃點火」。它的一些參數如下：

圖上可以看出衝程缸徑比為1.28

在經過一系列的優化之後，這臺發動機取得了非常好的熱效率

如下圖所示

出了在1750轉以及1200kPa附近得到43%的熱效率之外，在很大的一個範圍內（1000轉到2600轉，500kPa到2000kPa）都能獲得40%的熱效率。這樣一臺發動機即使不使用混動系統，也能取得很好的油耗水平。

當然這還不是全部，在通過分析這臺發動機的熱各種能量損失之後，Delphi提出了如下幾種改進方法，如果這些方法能實施到位，那麼預計這臺發動機的換代機型，也就是G4X，可以達到最大48%的熱效率。

首先就是熱量傳導損失，然後是摩擦損失，最後則是可以提高渦輪增壓器的效率。這其中最大的效果來自於熱量傳導損失，根據最新的研究表明，如果使用最新的隔熱塗層，可以將熱傳導損失減少50%以上。在摩擦損失方面，通過提升曲軸，連杆軸承，凸輪傳動，機油泵以及潤滑油特性，可以減少大約10%的摩擦損失。而提升渦輪增壓器的效率也能帶來2%的效率提升。

經過總結，這些損失帶來的效率提升點數的情況用柱狀圖表示了出來。

根據描述，採用以上效率提升方案之後，這臺2.2升的4缸發動機最終可以達到47.6%的熱效率。

考慮到理論的極限，Delphi認為汽油內燃機的效率就是50%是目前可實現的極限，而理論極限則為60%。但是目前並無理論支持達到60%的實現方法。

在Delphi看來，達到50%之後，不可避免的摩擦損失，泵氣損失，熱傳導損失和燃燒損失決定了乘用車上的汽油機難以再獲得實質性的提升。

也許現實中的卡諾循環極限就在60%了。

END

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