真發動機廠!本田下放F1技術,擬2020年將發動機熱效率提升至47%

2020-12-06 Auto車探

近年來廠商所生產的內燃機熱效率基本上沒有什麼進步,基本上被當前的物理材料以及燃燒模型理論限定在38%,以及非常非常接近奧託循環理論的極限了,哪怕是豐田汽車採用阿特金森循環開發的發動機熱效率也僅有41%,這個數值相比於外燃機熱效率的55%而言始終是有點低。

直至在2018年馬自達最新發布了馬自達第二代創馳藍天SKYACTIV-X開創了稱為HCCL的均質充量壓燃技術,並採用了米勒循環將壓縮比提高到了18:1,使得發動機的熱效率有了相當大的突破。

對此作為實際上能夠排得上名號的發動機廠商,一直被車迷們戲稱為買發動機送車的本田開始有點坐不住了。雖然本田在全新雅閣身上所採用的2.0L混合動力單元上能夠使得發動機的燃燒熱效率達到了40.6%,但是這樣的熱效率在當前市場上,有相當多的廠商都能夠做到,而一向有著機械狂人形象的本田自然不滿足於現況。為此本田計劃採用F1賽車中廣泛採用的預燃室(副燃燒室)技術來實現超稀燃,將發動機的熱效率提升到47.2%,並且預計將在2020年實現商用。

關於本田打算採用F1的預燃室技術來實現超稀薄燃燒提高當前發動機的熱效率,那麼使用預燃室技術的超稀薄燃燒被定位為實現該目標的重要技術。

在2019年5月份中的汽車工程學會春季會議上,本田研發第三技術開發室的高級研究員新裡智則先生表示:本田在本次試驗中,相比功耗更加注重了熱效率,據說達到了47%,但"大規模量產時,為了實現與高比功率的兼容,熱效率目標確定在45%左右。

日本在汽車領域的各家發動機製造商一直致力於以提高汽油發動機熱效率最大值的開發,豐田在通過採用阿特金森循環發動機配合上電機組將發動機的熱效率提升到了41%,處於當前世界上的領先水平,而本田一直有著發動機廠商的名號,則希望通過採用F1所採用的過預燃室技術實現超稀薄燃燒技術,讓本田發動機重新奪回發動機熱效率的領先地位。

為了能夠提升發動機的熱效率,就需要提高發動機氣缸內的燃油燃燒效率,通過發動機缸內燃燒理論提升當前的發動機燃燒掌控。對比於傳統的發動機,發動機的空燃比一般都是十分接近理論空燃比(14.7),發動機的ECU會隨著發動機的當前工作狀態,控制發動機當前混合氣體的空燃比,發動機大多數時候對於空燃比的掌控基本上都是在13~15之間徘徊。

相對於理論空燃比而言,超稀薄混合氣體的超稀燃中,混合氣體的空燃比將會超過30,超稀薄燃燒屬於一個全新的燃燒理論,當空燃比可以超過30的時候,發動機的缸內點火溫度和燃燒溫度會降低,減少發動機的熱損失,同時低溫的情況下,能夠有效抑制發動機產生氮氧化物(NOx),使得排放也可以降低。

在超稀薄燃燒領域上,有相當多的汽車企業都有涉及,例如德國的寶馬,戴姆勒等等都有所涉及,但是卻無法將將混合氣體的空燃比控制到理想狀態,只能夠控制在17左右,而且對於發動機的溫度要求很高,這種燃燒效應只要時間一長,排放就會產生大量的氮氧化物(NOx)使得排放變得極度惡劣;另一方面就是當發動機採用超稀薄燃燒的時候,混合氣體將會會難以點燃並且難以穩定地燃燒,這對於汽車而言是十分不利的。超稀薄燃燒雖然能夠做到節能,卻不能夠兼顧環保和性能,因此超稀薄燃燒技術的開發一直被各大廠商所擱置。

隨著這種超稀薄燃燒技術開始被本田重新提出,並通過預燃室技術讓發動機的混合氣體能夠實現穩定燃燒,這種技術是來源於F1賽車上,是將將火花塞的尖端放在一個小室(預燃室,副燃燒室)中並點燃。類似於在火花塞的尖端上覆蓋了一個設有小孔的金屬蓋。當混合氣體在預燃室中點燃時,火焰從多個小孔中彈出進入主燃燒室,使得超稀薄混合氣體能夠同時實現多個著火點向氣缸內部蔓延,大大提升發動機內混合氣體的燃燒速度,實現發動機超稀薄燃燒的性能和排放的兼顧。

預燃室技術在賽車發動機上一直被廣泛使用,本田為了能夠將這樣的技術轉為民用化,在實驗室中本田採用空燃比接近40的超稀薄混合氣體實現穩定燃燒,燃燒效率相比起傳統的火花塞點火技術,能夠有著將近一倍的提升。當發動機在2000rpm的轉速和缸內壓力處於870kPa的平均有效壓力(IMEP)下,最大熱效率達到47.2%,除了在燃燒效率的提升之外,在排放性能上的表現也非常理想,氮氧化物(NOx)的排放減少到30ppm。

本田將自己的這套預燃燒室技術命名為"i-CVCC",實際上是以上個世紀70年代中令人驚訝的CVCC(複雜渦流控制燃燒)作為基礎而衍生出來的。整套預燃燒室技術是通過在輔助燃燒室中布置直接噴射器,被稱為主動型的生成混合氣體,能夠確保燃燒輔助燃燒室中的稀混合氣體的生成,同時能夠有效控制混合氣體的空燃比和成份。

在本田開發超稀薄燃燒技術的過程中,也對被稱為被動式的預燃室技術進行實驗,這項技術相比起主動式預燃室技術區別在於在輔助燃燒室中沒有噴射器,而是採用通過設置在輔助燃燒室中的小孔向輔助燃燒室供應燃料進而注入汽缸的燃料,這種技術的亮點不是稀薄燃燒,而是以化學計量空燃比進行燃燒,實現高速燃燒時,同時能夠抑制壓縮比增加時的爆震。這種被動型輔助燃燒室的燃燒速度相比起傳動的單點火花塞點火系統,將近快了一倍;另外由於沒有燃油噴射器,在結構上更為簡單,更加高效。

想要提升發動機的燃燒熱效率,除了採用預燃室技術之外,本田還對高壓延遲噴射技術進行了研究。通常情況下,燃油的延遲噴射能夠減少發動機的壓縮時間和燃燒時間,但是其缺點也相當明顯,延遲噴射容易導致不完全燃燒,同時燃油跟空氣的混合時間不足,混合效率也不高,不能夠有效形成均質的混合氣體。

不過當增加噴射器的噴射壓力由20MPa增加到35MPa,噴射的燃料-空氣混合氣體可能受到燃料噴射動量的幹擾,並且可以保持擾動直到燃燒開始時,將能夠增強汽缸中湍流,當氣缸內的湍流越強,發動機的內部燃燒速度同樣會得到提升。

在發動機的壓縮衝程中,活塞在到達下止點之前,燃油噴射器所噴出的燃油能夠延遲到活塞下止點開始上升後噴出燃油噴霧,噴射時間可延遲至BTDC(上止點前)的約30度,從而減少發動機爆震的可能性,提升混合氣體的燃燒效能。

為了能夠給超稀薄燃燒技術以及高壓延遲噴射技術提供更好的燃燒環境,還需要提高發動機的壓縮比,而在壓縮比的提升上,需要控制發動機的爆震頻率和強度,這個關鍵在發動機當前的溫度,因此本田採用了一種缸內噴水技術,增加混合氣體的燃燒效率,同時能夠降低溫度減少發動機的爆震生成,實現破百的升功率,同時也能夠保證發動機的熱效率能夠穩定在40%。這種發動機缸內噴水技術並非豐田所獨有的,寶馬,博世在發動機缸內噴水技術上都已經能夠量產化和商用化了。(這種缸內噴水技術搭載在寶馬M4 GTS直列六缸發動機上。)

發動機缸內噴水技術,是通過往發動機缸內注入高壓水霧,以冷卻發動機缸內的溫度,從而降低發動機當前的溫度,提升氣缸內的充氣效率以及壓縮比,同時還能夠以較低的溫度抑制發動機當前的爆震發生,減少額外的熱能損失。這種技術能夠在發動機的任何工況下都介入工作,無論是提高燃料效率,還是廢氣排放性能特別有效。

不過這種技術,在考慮到發動機的燃油經濟性和排放性能,因此需要降低最大的轉速區間,使得發動機通過往發動機缸內注入冷卻水,提升氣缸的充氣效率和壓縮比,實現扭矩的增加。

另外本田還打算利用朗肯循環廢熱回收原理,在實現發動機的小型化的同時,將廢熱回收至發動機室,提升發動機的熱效率,如果真的採用這種技術,發動機的熱能大約有4%將會被回收,混合動力車輛的燃料效率可以提高3%以上。

雖然內燃機已經慢慢走向了謝幕,但是本田依舊是選擇將內燃機技術進一步提升,不但更加高效能,更加環保,同時也能夠代表著本田在技術領域上力爭上遊的精神,讓其綻放出全新的光彩。

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