第一期【委员见地】嘉宾：中汽学会青委会副主任、春风汽车集团有限公司本事中央动力总成开拓部副部长汪俊君。清华大学动力工程及工程热物理专业卒业，硕士。荣获“世界青年岗亭内行”，“中国汽车青年托举人才”，“主题企业青年岗亭内行”，“湖北省五四青年奖章”，“春风汽车公司十大青年明星”，“春风汽车公司青年岗亭内行”，“春风汽车公司典型党员”等荣幸称谓。获取中国汽车工业本事发觉一等奖，湖北省科技先进奖1项、春风汽车公司科技先进奖一等奖2项、二等奖3项等繁众科技效率。

摘要本文论说了车用汽油机的兴盛前景及兴盛“高效、环保”汽油机的要紧需求。将汽油机燃烧放热进程近似看作等容加热进程，遵照等容加热热轮回热功效表面公式，阐述得出擢升汽油机热功效根本表面对象是普及压缩比、普及比热容比、下降死板吃亏。然后梳理总结了擢升热功效的实在杀青本事途径及各本事途径特质，紧要席卷增压小型化、均质当量缸内直喷、HCCI、可变压缩比等。结尾，阐述先容了马自达SPCCI策划机、日产VCR策划机、丰田THS混动编制、日产E-Power动力编制的本事特质，并指出古代车用汽油机的本事兴盛趋向是全工况下更高效、更环保，而新能源车用汽油机对动力性条件将下降，工况将变得粗略，更高的个别工况热功效将成为新能源汽油机的兴盛趋向。

跟着兴盛中国家经济兴起，从此较长光阴内环球汽车需求仍将保留必然拉长势头， 2017年环球乘用车销量初次冲破9000万辆。由远大的汽车保有量和拉长量带来的能源危境和情况题目将愈发超越。2012年我国宣布《节能与新能源汽车家产兴盛谋划（2012-2020）》，谋划中将纯电动化行动汽车工业转型的紧要政策取向，夸大加紧实行普及非插电混杂动力汽车和高效节能内燃机乘用车，并条件到2020年当年临蓐乘用车均匀油耗量降至5.0L/百公里，节能型乘用车油耗量降至4.5L/百公里以下[1-2]。因而，“高效、环保”将成为车用汽油机紧要兴盛趋向。[1]

本文核心盘绕车用汽油机燃烧热功效低的题目，基于等容加热轮回热功效根本表面公式，阐述了擢升汽油机燃烧热功效的根本对象，梳理总结了汽油机热功效擢升的实在杀青本事途径，并阐述了古代车用汽油机和新能源汽油机的本事特质及兴盛趋向。

式中：ηe为有用热功效，ηi为指示热功效，ηm死板功效； 汽油机燃烧放热进程可近似看作等容加热进程，因而，ηi能够用等容加热轮回热功效近似吐露，即：

死板功效ηm的坎坷则紧要取决于泵气吃亏Wmp、摩擦吃亏Wmf、附庸装备花消Wma和轮回指示功Wi：

由式（1）、（2）可知，最初，擢升压缩比ε能够有用擢升有用热功效ηe，目前日常汽油机的压缩比介于8~11之间，远低于柴油机15~22的压缩比程度，汽油机压缩比无法大幅擢升紧要受爆震限制，因而，正在驾御爆震的条件下，通过擢升压缩比来擢升汽油机燃烧热功效仍有很大潜力；其次，擢升比热容比k，也可擢升有用热功效ηe，而擢升比热容比k的有用办法则是稀燃，即正在低负荷下尽或许燃用更稀的混杂气普及功效，而正在高负荷下仍用较浓混杂气包管功率密度。

由式（1）、（3）可知，正在策划机附庸装备和摩擦属性稳定的条件下，则能够通过减小泵气吃亏Wmp来擢升策划机有用热功效ηe。日常汽油机通过调治骨气门开度杀青负荷调治，但正在个别负荷下骨气门非十足开启，活塞下行进程中气缸及进气道内酿成较大负压，且正在骨气门翻开的罅隙处存正在较强的气氛摩擦，由此酿成的的泵气吃亏大大下降了热功效 [3]。

基于前文所述擢升汽油机燃烧热功效的根本表面对象，增压小型化、分层稀燃、均质当量缸内直喷、HCCI和可变压缩比等燃烧驾御本事接踵涌现，辅以EGR、VVT/VVL等外围辅助本事，是杀青汽油机燃烧热功效擢升的紧要本事途径。

比拟于大排量自然吸气策划机，增压小型化的方针正在于保留功率和扭矩输出相当的条件下，普及升功率，使策划机搭载整车后的常用工况点向高负荷区域转移，减小泵气吃亏的同时还可擢升燃烧等容度[4]，因而，增压小型化可有用普及汽油机热功效。但增压小型化汽油机正在低速大负荷下存正在爆震题目，这必然水平上限定了增压小型化对热功效的擢升，因而，增压小型化汽油机搭载驾御爆震闭系本事具有较大的热功效擢升潜力。

分层稀燃的紧要思念是正在火花塞相近酿成较高浓度混杂燃气，包管稳固牢靠着火，而正在燃烧室其他空间酿成浓度递减的稀混杂气，浓度的分层，使燃烧速率填补，普及热功效。其余，缸内均匀混杂燃气处于较稀程度，使比热容比普及的同时，首肯加大骨气门开度，有用下降泵气吃亏，进一步擢升热功效。

寻常杀青分层稀燃须要采用缸内直喷（GDI Gasoline direct injection）燃油喷射式样，1996年三菱揭晓第一台GDI策划机杀青了分层稀燃，节油成效抵达20%~25%[5]。但因为分层稀燃GDI的NOx排放超标、对燃油硫含量条件上等题目，限定了原本行运用。

以分层稀燃为紧要本事特质的GDI策划机称为第一代GDI策划机，而均质当量比GDI则为第二代GDI策划机，其紧要特质是采用均质混杂气当量比燃烧，大大改进NOx排放机能。均质当量比GDI固然舍弃了分层稀燃本事，采用均质当量燃烧式样，但缸内直喷燃油蒸发吸取热量，使得均质当量比GDI保存了高压缩比特质，再进一步纠合进气增压、EGR和高压燃油喷射等本事，仍有助于显著普及热功效[6-7]。缸内直喷本事除首肯高压缩比外，还使得燃油喷射越发准确，填补了燃烧驾御的自正在度，振起于欧洲的均质当量GDI汽油机已成为目前车用汽油机主流。

均质压燃HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）兼具了汽油机均质燃烧和柴油机的压燃点燃的好处，但又与点燃和压燃燃烧形式有性质区别，HCCI重心境念是较稀的均质混杂气被活塞压缩，压缩进程中缸内温度漫衍平均，众点同时自燃敏捷放热，如下图1所示[8]。HCCI燃烧形式的好处席卷低NOx排放和高热功效两个方面：第一，得益于众点着火，HCCI不存正在温度较高的火焰先锋面，因而，NOx排放淘汰；第二，HCCI燃烧形式时，首肯较高的压缩比，众点着火燃烧速率较疾使得等容度普及，且较稀的均质混杂气杀青了低温燃烧，下降了热量吃亏[9]。综上， HCCI策划机抵达了较高热功效程度。

Fig.1 Schematic diagram of HCCIHCCI燃烧形式正在动力和油耗上博得了较好的平均，然则稳固运转范畴过窄、冷启动差等都是须要制胜的挫折：

（1）稳固运转负荷范畴较窄低负荷时，缸内混杂燃气浓度较低，相应的燃烧温度降低，混杂气不易被压燃，燃烧相位较难驾御且容易失火[10]；高负荷时，洪量混杂气正在缸内被同时压燃，发生压力过高，使策划机承袭较大死板负荷。因而，HCCI稳固运转范畴被限定正在约1700-3200rpm区间。

（2）冷启动才具较差低温启动时，缸内温度较低，且贫乏燃烧废气加热效用，使得混杂气正在压缩冲程无法抵达自燃温度，导致冷启动繁难。针对HCCI存正在的以上题目，奔跑正在2007年推出了名为DiesOtto的HCCI策划机，其紧要特质是保存了火花塞行动点燃辅助，其燃烧形式紧要分为三种：工况首肯时火花塞截止劳动，采用HCCI燃烧形式；冷启动和低负荷时，火花塞引燃混杂气，促使压燃得胜；高负荷时，HCCI形式截止劳动，采用古代火花塞点燃形式。火花塞辅助点燃的战略使得全工况HCCI的杀青变为或许，马自达热压缩比高达18:1、热功效高达50%的SPCCI（Spark controlled compression ignition）策划机便是基于火花塞点燃辅助战略兴盛而来。

压缩比对热功效的影响趋向如图2所示[11]，但汽油机满负荷时，受到爆震和死板负荷的限定，压缩比不行过高，而正在中低负荷时，死板负荷和爆震偏向均较小，为普及热功效，须要采用高压缩比，因而，古代汽油机正在确定几何压缩比时，寻常采选折中值，这择肯定会失掉策划机的个别热功效。可变压缩比本事治理了这一题目，其根本理念是遵照负荷转移及时安排压缩比，正在个别负荷下，采用高压缩比，擢升热功效，正在高负荷下，采用低压缩比，有用驾御爆震。

Fig2. The effects of compression ratio and expansion ratio on thermal efficiency (Co

迄今涌现的可变压缩比编制紧要通过可变燃烧室、可变活塞、可变连杆等几何布局的可变性计划，杀青几何压缩比的安排[12-13]。丰田、萨博、日产等主机厂均通过分歧的计划计划验证了可变压缩比本事正在擢升热功效和动力性方面的的可行性，但通过调动几何布局杀青可变压缩比使策划机团体布局越发纷乱，导致牢靠性降低、本钱填补等题目，使得可变压缩比的实行受到限定。

EGR源于柴油机，其紧要道理是通过EGR阀驾御排气从头导入进气歧管再度燃烧，驾御燃烧室内温度，进而下降NOx排放。正在汽油机上，EGR本事除下降NOx排放外，再有助于压迫爆震和擢升热功效[14]，Alger等人对EGR正在汽油机上的运用探求声明，个别负荷工况下，EGR能够减小泵气吃亏，高负荷工况下，EGR避免了燃油加浓，下降了燃烧温度，必然水平压迫了爆震，且下降了传热吃亏和排气吃亏[15]。

VVT和VVL本事对擢升策划机热功效的奉献席卷两方面：第一，VVT和VVL本事运用中，通过安排气门升程和气门开闭时辰杀青负荷安排，而非通过骨气门开度安排负荷，减小了个别负荷下骨气门不十足开启酿成的泵气吃亏；第二，VVT编制能够驾御进排气门提前或延迟开闭，杀青膨胀比大于有用压缩比的米勒轮回，如图3所示[16]，压迫爆震的同时，也普及了擢升策划机热功效。

Fig.3 Comparison of P-V between VVT and throttle control

以上所述擢升汽油机热功效的本事途径均具有各自优劣势，正在实质汽油机开拓进程中寻常需搭配其他本事，才具阐明最佳的功效擢升成效。

受能源提供和环保题目压力，各国接踵出台更为庄厉的能耗和排放法例。以上两紧要身分使得“全工况更高效、更环保”成为古代车用内燃机的本事兴盛趋向，以马自达SPCCI和日产VCR燃烧驾御本事为代表。

基于高热功效的HCCI燃烧本事，马自达开拓了SPCCI本事，运用于第二代创驰蓝天SKYACTIV-X策划机，压缩比抵达18:1，燃油喷射压力1000Bar，热功效50%。 SKYACTIV-X策划机实质包蕴了SI和SPCCI两种形式，正在两头的冷启动和高负荷工况下采用SI形式，中心工况则采用SPCCI形式，杀青了更广负荷范畴内的稳固运转。

HCCI策划机的压燃着火受到进气温度、燃料当量比、转速等诸众身分影响，使得着火难以驾御。马自达SPCCI本事中，将火花塞行动着火辅助，当活塞运转至亲近压缩上止点时，火花塞点燃个别混杂气，被点燃的油气酿成敏捷膨胀的火球，进一步压缩缸内未燃气体，从而包管了着火相位的可控性和低负荷下着火的稳固性。其余， SKYACTIV-X策划机还装备了EGR、进气加热、死板增压等本事行动辅助，使得SPCCI形式的稳固运转范畴扩展到了1000-4000rpm范畴区间[17]。

受HCCI本事固有的冷启动繁难和高负荷爆震的限制，SKYACTIV-X策划机正在这些工况采用古代SI形式，通过ECU驾御喷油和点燃战略，杀青SI形式和SPCCI形式的切换，包管冷启动才具和高负荷高转速特征的延续。

2005年日产初次揭晓其可变压缩比本事VCR（Variable Compression Ratio），并正在2016年8月通告量产名为VT-C的2.0T VCR机型，搭载于英菲尼迪QX50。该机型最大功率200kW，最大扭矩390Nm，与英菲尼迪目前正在用3.5L策划机动力数据相当，但油耗降低27%把握，由此可睹VCR本事正在统筹经济型和动力性方面的显著上风。

日产VCR本事通过一套众连杆机构杀青，其劳动道理如下图所示：曲柄杠杆中部与曲柄轴相连，杠杆两头分辨毗邻连杆和驾御杆，驾御杆下端与驾御偏幸轴相连，正在缸体外设有驾御电机用以驱动驾御偏幸轴转动，驾御偏幸轴转动使驾御杆上下运动，再经杠杆驱动连杆运动，进而安排压缩上止点活塞的地点，杀青压缩比的安排。

ECU可遵照实质工况需求，通过这套众连杆机构杀青8-14区间内压缩比的无级安排，正在个别负荷下，安排活塞相对下移，通过普及活塞行程来普及压缩比，进而抵达高功效的方针；正在高负荷下，安排活塞相对上行，通过缩短活塞行程下降压缩比，进而抵达更高动力输出的方针。

新能源油电混杂动力分为串联式、并联式和混联式三种。串联式中策划机只用作发电，靠电机驱动车辆，策划机工况与行驶需求解耦，因而，可将策划机工况设定正在最高功效点；并联式中古代策划机驱动编制和电驱动编制被整合，能够纯电驱动或油电协同驱动，其最大特质是两套编制须要寡少加油和充电，能量源泉互不联系；混联式通过行星轮式布局将策划机驱动编制和电机驱动编制纠合正在一齐，启动或较低负荷时可寡少依托电机编制驱动，高负荷时也可依托电机和策划机协同驱动，统筹了动力性和经济性，况且正在寡少依托电机编制驱动工况下，可依托减速、制动等工况为电池充电。

从以上混动编制本事特质看，新能源内燃机将慢慢转折脚色，由古代的直接且独一的动力输出源转折为电机驱动的辅助动力输出源，以至仅做发电用而不直接参预动力输出。因而，新能源内燃机对动力性条件下降，工况将变得粗略，个别工况下更高的热功效将成为新能源内燃机的兴盛趋向。以丰田THS和日产e-Power混动编制为代表。

丰田THS（Toyota Hybrid Systerm）属混联式混动编制，通过行星轮杀青策划机与电机动力的耦合。当汽车运转正在低转速范畴内时，能够仅依托低速大扭矩的电动机驱动汽车，而当汽车正在更高的速率范畴内运转时，能够由高功效的策划机来驱动，包管动力编制正在最佳的节能功效运转。THS编制搭载了Dynamic Force系列策划机，以该系列最新推出的 2.0L策划机为例，其包蕴古代车用型和混动动力车用型两款，紧要参数如表1所示[18]。

比拟于古代车用型，混杂动力车用型策划机自身动力输出稍有降低，但丰田为之结婚了能够供给145.3KW和202Nm的驱动电机，如故能够包管THS编制的动力输出。Dynamic Force系列混动策划机缸径行程比1:1.2，压缩比14：1，且通过高滚流比进气道计划、VVT、电子水泵、冷却EGR等本事办法，杀青了41%的高热功效。

日产 “e-Power”属串联式动力编制，该编制采用了电池组和1.2L三缸汽油机的组合，惟有电动机直接输出动力，策划机仅作发电用。编制劳动形式分为一下4种[19]：

Fig.6 Schematic diagram of e-Power working mode（1）电驱动：当电池电量富余且驱动功率需求较低时，全面驱动能量由电池供给，策划机截止劳动；（2） 行车充电：当电池电量较且驱动功率需求小于策划机最优功率点时，策划机劳动发电，一个别电能供给给驱动电机，节余给电池充电；（3）混杂驱动：当驱动功率需求较高时，电池供给个别驱动能量，同时策划机劳动发电，二者协同为驱动电机供给电能；（4） 制动再生充电：当制动减速时，制动能量由驱动电机转换为电能为电池充电，策划机截止劳动。

日产并未为e-Power编制从头开拓新策划机，而是由日产现有HR12DE机型升级而来，因为E-Power编制中策划机仅作发电用，因而策划机被设定正在恒定转速2500rpm，正在此工况下该三缸机热功效和NVH程度抵达最优平均。

6、结语（1）擢升汽油机燃烧热功效的根本表面对象是普及压缩比、普及比热容比、下降死板吃亏；增压小型化、分层稀燃、均质当量缸内直喷、HCCI和可变压缩比等燃烧驾御本事，辅以EGR、VVT/VVL等辅助本事，是杀青汽油机燃烧热功效擢升的紧要本事途径。（2）受能源提供和环保题目压力，古代车用内燃机将以“全工况高功效、高妙净”的缸内直喷增压小型化为兴盛趋向。（3）新能源车用内燃机将慢慢过渡为电驱动编制的辅助动力源，以至仅做发电用而不直接参预动力输出。因而，新能源内燃机对动力性条件将下降，工况将变得粗略，更高的个别工况热功效将成为新能源内燃机的兴盛趋向

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