编者按：能源题目是当今社会的主题，寰宇各国也出台了愈来愈肃穆的油耗法则，因而，奈何擢升发起机的热效能成为内燃机探求职员的探求重心。丰田正在优化发起机计划

：能源题目是当今社会的主题，寰宇各国也出台了愈来愈肃穆的油耗法则，因而，奈何擢升发起机的热效能成为内燃机探求职员的探求重心。丰田正在优化发起机计划方面做出了很众突出的职业。正在这篇作品中，丰田公司的探求职员向咱们闪现了擢升汽油机热效能至45%的技能权谋。此中，长行程布局、高滚流气道、高能焚烧编制、冷却EGR以及均质稀疏燃烧技能，或深化燃烧，或低重传热，或压制爆震，均对擢升发起机热效能起到用意。其余，作家还探求了高RON汽油以及差别增压器等对发起机热效能的影响。

本文译自:Engine technologies for achieving 45% thermal efficiency of SIengine作品开头：SAE International原作家：Koichi Nakata, Shinichiro Nogawa, Daishi Takahashi, YasushiYoshihara, et al.doi:10.4271/2015-01-1896摘要： 为合适社会对能源平安和天气变更等提出的央浼，擢升发起机的热效能已成为当下亟待治理的题目。至于刷新发起机热效能的整体技能，目下已生长出阿特金森轮回，冷却 EGR （废气再轮回），以及低摩擦技能 [1,2,3,4] 。动作结果，现今发起机的最大热效能已亲近 40% 。然而，琢磨到异日需求更高的发起机热效能以知足更肃穆的社会央浼，本文探求了具有高滚流的长行程计划的新的 L4 原型机，以阐明异日的生长目标。闭于燃烧，探求了带有冷却 EGR 的稀疏增压观点。结果声明，发起机的热效能可抵达 45% 以上。本文描摹了进步发起机热效能的步骤和异日前景。1 小引

寰宇各国正在推出愈加肃穆的燃油经济性圭臬来动作应对能源平安和天气变更联系题目的治理步伐之一。为合适这些央浼，汽车创设商永远正在全力开垦新的汽车。一个能够剖判的例子便是羼杂动力汽车正在环球的普遍撒播，这是由于羼杂动力汽车的燃油经济性要显然优于古代汽车。

闭于发起机的生长，进步发起机的最大热效能对待混动汽车更加症结，这是因为其发起机的职业点闭键处于高负荷区域，正在该区域内发起机热效能亲近最大热效能。因而混动汽车的发起机最大热效能擢升得比古代汽车的热效能要高。现今，为混动汽车开垦的技能正正在被利用至古代汽车的发起机。图1闪现了发起机热效能的生长汗青和异日目标。如前所述，发起机的最大热效能依然亲近40%。为推动进步发起机热效能而开垦的闭键技能有阿特金森轮回，冷却EGR和低摩擦技能。就短期而言，通过对现有技能的改善，希望将发起机的最大热效能进步到40%以上。然而，琢磨到异日需求更高的发起机热效能以知足更肃穆的社会央浼，该当开垦新的技能。正在接下来的章节中，本文将先容进步发起机热效能的异日技能。

发起机热效能表面被称为奥托轮回方程。该方程声明更高的膨胀比或更高的比热容比会导致更高的发起机热效能。前者能够通过进步压缩比或者延迟EVO（排气门开启正时）竣工，然后者能够通过采用稀疏燃烧竣工。可是进步压缩比和采用稀疏燃烧有少许题目尚待治理，好比爆震和深化燃烧。

现实发起机热效能差别于表面热效能，它是由呆板吃亏，泵气吃亏，传热吃亏，排气吃亏和不统统燃烧吃亏等众种吃亏配合用意的结果。因而，淘汰各样吃亏对进步发起机热效能至闭紧急。图2闪现了擢升发起机最大热效能的途径。正在该图中，“HV”代表普锐斯。正在第一代发起机中，其排量为1.5L，压缩比为13:1，闭键技能有阿特金森轮回和低摩擦技能，发起机最大热效能擢升至了37%。正在目前普锐斯的第三代发起机中，其排量为1.8L，压缩比为13:1，新采用的技能有冷却EGR，电子水泵，以及低摩擦技能。动作结果，发起机最大热效能擢升至了38.5%。冷却EGR技能对进步发起机热效能有着极其紧急的用意，由于冷却EGR通过低温燃烧减轻了发起机爆震，淘汰了传热吃亏。因为冷却EGR的用意正在进步热效能上获得了表明，该技能依然正在当今劈头成为一种时髦技能。

正在异日，需求更高的发起机热效能来知足社会央浼。尽量冷却EGR被以为是自然吸气发起机的主流技能，但将发起机热效能擢升至40%以上还需求新的离间。

为了进步发起机最大热效能至40%以上，除了高比热容等到稀疏燃烧等表面步骤，淘汰传热吃亏和减轻爆震也特别症结。针对低重传热吃亏的题目，本文探求了两种步骤。此中一种步骤便是长行程计划，有目共睹，长行程计划能够低重S/V比。正在这里，S和V辨别表现活塞位于TDC（上止点）时燃烧室的外表积和容积。另一种步骤是低温燃烧和稀燃。因为稀燃正在淘汰传热吃亏上的成绩好于EGR，因而与具有冷却EGR的过量气氛系数为1的情状比拟，估计应用稀疏燃烧能够获取更高的发起机热效能。究其缘由，是由于发起机正在稀燃极限工况时的燃空羼杂物的量要大于发起机正在EGR极限条目下过量气氛系数为1的工况运转时燃空羼杂物的量。因而稀疏燃烧是本文的主题。其余，因为疾捷燃烧扩展了稀燃极限，如高滚流和高能焚烧编制的燃烧技能也受到闭切。正在减轻爆震方面，冷却EGR被利用于稀疏燃烧，由于冷却EGR被表明不但正在过量气氛系数为1的工况下能够减轻爆震，正在稀燃工况下同样有用。

有目共睹，低的S/V比能够进步发起机热效能，本文对长行程的发起机计划实行了探求。为了表明长行程计划正在淘汰传热吃亏上的成绩，对差别行程长度和差别内径的单缸发起机以及已上市出卖的发起机实行了探求。全豹发起机的压缩比团结为13:1。图3中的斑点表现单缸机的行程长度和内径，而白点代表已上市的发起机。最大行程缸径比限度正在1.5摆布，这是由于正在发起机转速和阀门通径的限度下，发起机输出功率正在跨越1.5的行程缸径比时会低重。

因为依然表明长行程计划有两个闭键的身分来进步发起机热效能，因而运用了一个行程缸径比正在1.5摆布的原型机来实行探求。此中一个身分是长行程发起机导致低S/V比，这会形成淘汰传热吃亏的成绩，而另一个身分是燃烧的加紧。除了长行程计划，也采用了高滚流气道来深化燃烧。表1闪现了发起机的规格，图4闪现了原型机的外形图。

咱们以为长行程计划正在进步发起机热效能上有两种成绩，一种是减小S/V比，另一种是扩大燃烧室内的气流流量以及湍流。对待S/V比，咱们应用CAD来推算其值。图5闪现了S/V比的推算点以及正在13:1的压缩比下差别内径和差别行程长度的S/V比等值线。因为等值线是由少量数据推算得出的，因而表现S/V比为4.5/cm的等值线精度也许要比另两条线低。从总体上看，能够从图5中得出，S/V比大致由行程长度所决策。

图6闪现了对图3中的单缸机及产物发起机的试验结果。纵轴表现IMEP（发起机指示热效能）相对待S/V比的刷新率，其基准点为内径75mm、行程长为84.7mm的发起机。探求声明，当行程长度变更时，低的S/V比能够进步发起机热效能。因为长行程发起机计划被表明有淘汰传热吃亏的潜力，因而长行程观点被利用到表1所示的原型机中。

因为长行程发起机依然被表明具有进步发起机热效能的潜力，因而具有长行程的原型机被用来竣工45%以上的发起机热效能。如前所述，稀疏燃烧是一种有用进步发起机热效能的燃烧编制。然而，稀疏燃烧的一个题目便是NOx（氮氧化物）的排放。涉及到燃烧的巩固，可以淘汰传热吃亏和NOx排放的低温燃烧应予琢磨。从NOx排放的角度琢磨，本探求采用均质稀疏燃烧。

正在稀疏燃烧观点中，NOx排放是知足排放标准的紧急身分。图7闪现了NOx排放相对待空燃比的计算。能够看到，均质稀疏燃烧是淘汰NOx排放最为有用的途径。

图8为过去的发起机产物和一台室内试验发起机的NOx排放。正在该图中，闪现了三种差别燃烧编制的结果，能够呈现弱分层稀疏燃烧所形成的NOx排放最低。这些结果维持了图8中的剖析，因而正在本探求中采用了均质稀疏燃烧的观点。

闭于燃烧，业界已发布了很众根柢性的探求叙述。少许探求指出，高湍流可以推动燃烧。正在以往的发起机试验中也表明，湍流是加紧均质稀疏燃烧的症结。除了可以助助扩大燃烧室内的气流流量和湍流的高滚流气道外，长行程计划的成绩也惹起了闭切。本节描摹了推算气流流量和湍流的结果，然后对衡量结果实行了描摹。

图9闪现了运用STAR-CD推算2000rpm时行程长度对气流影响的一个示例。正在这些推算中，两种情状的内径均为75mm，进气口的样子无别。滚流比为3.6。能够看到，行程越长，气流越高。这是因为长行程使活塞速率更疾，从而形成更大的气流流量。能手程长度为113mm的情状下，上止点前30度的气流约为20m/s。结果声明，正在稀燃工况下，原型机正在焚烧正时的流量约为20m/s。

图10表现了行程长度对上止点前30度时湍流的影响，这个结果也是运用STAR-CD推算得出的。图11为进气冲程阶段均匀气流湍流最大值的对照。推算结果声明，发起机行程越长，气流湍流度越高。为了验证推算结果，采用KANOMAX公司研制的热线风速仪对气流湍流实行了衡量。

图12显示了衡量的气流湍流结果。为了衡量气流湍流，运用了原型发起机和改正过的发起机产物，它们如图12中的点所示。每个发起机的滚流比正在3.5-3.6之间。结果声明，长行程发起机巩固了燃烧室内的气流湍流，且湍流的阶数与推算结果附近。

如前所述，强气流和强湍流对深化燃烧至闭紧急，极度是对待稀疏燃烧。正在本探求中，加紧气流和气流湍流的步骤采用长行程观点和高滚流气道。

当气流正在燃烧室内加紧时，应试虑焚烧编制的规格。本文对气流流量、放电电流、放电时长和火焰滋长之间的联系实行了开头探求。图13闪现了开头探求所用测验东西的外形图。通过盘旋驾驭燃烧室内的气流速率，以及仍旧空燃羼杂气的压力为0.6MPa直至焚烧正时。运用丙烷动作试验用燃料。为了确定放电性子的影响，通过变动燃烧室内的气流流量来变更放电电流和放电时长。

图14为气流正在10m/s时放电性子和火焰面积之间的联系。正在焚烧后1.5ms时衡量火焰面积，正如所看到的相似，放电电流对火焰滋长的影响简直为零，放电时长对火焰滋长只要很小的影响。图15为气流正在30m/s时放电性子和火焰面积之间的联系。结果声明放电电流和放电时长的影响比拟气流正在10m/s时的结果大。缘由正在于放电电流对强流场中电弧放电的爆裂影响很大。

火花放电按照气流造成扔物线，而扔物线的长度对造成火焰中央影响很大。正在强气流场，较低的放电电流就能够惹起电弧放电的爆裂。因而，正在强气流场较高的放电电流通于仍旧扔物线。其余，造成较长的扔物线也能够通过较长的放电时长来竣工。因而，具有高放电电流和长放电时长的焚烧编制正在强气流境遇下特别紧急。

为了竣工45%以上的发起机热效能，如图4所示运用了长行程的原型发起机，并对稀疏增压观点实行了磨练。为竣工发起机低转速下的稀疏增压观点，可正在原型机上装配电驱动增压器或者小型涡轮增压器。正在电驱动增压器的情状下，推算发起机热效能时不琢磨增压器辅助的影响。因而，对电驱动增压器的情状与小型涡轮增压器的情状实行了比拟。本节对稀疏增压发起机的结果实行了描摹。

因为放电形式正在强气流场内对巩固燃烧至闭紧急，因而对六种放电形式实行了试验。这些放电形式通过应用贸易点前线闪现了几种放电形式的例子。

图17为燃烧压力相对空燃比的剖析结果，且每种放电形式的最右点均为发作失火的界线点。这意味着较大的放电电流或较长的放电时长都对稀燃极限形成影响。0-10%燃烧时，跟着空燃比的变更，羼杂气变稀，燃烧不断期间变长。正在这种境遇下，能够呈现正在300mA情状下，初始燃烧时长变短，且稀燃极限延展至28.6的空燃比，即1.96的过量气氛系数。对待10-90%燃烧，当羼杂气变稀时燃烧不断期间照旧变长。0-10%燃烧不断期间对稀燃极限的影响相似比10-90%燃烧不断期间的影响要大。如前文所述，能够剖判强气流场中放电电流和放电时长的紧急性。但对待阐明强气流场下稀疏燃烧的可燃性征象，还需求愈加整体的剖析。

图18为燃烧性子。能够看出，增加稀燃极限能够使发起机的制动热效能进步10%以上。对待NOx来说，增加稀燃极限至空燃比为28.6有助于将NOx排放低重至0.3g/kWh摆布。

为了进步发起机热效能，必须要减轻爆震。本节前半部门从爆震的角度，对不带冷却EGR的稀疏燃烧和化学计量工况下的冷却EGR实行了浅易的对照。正在对照后，对差别燃烧编制对爆震的影响和带有冷却EGR的稀疏燃烧的成绩实行了商酌。正在本节中，不带冷却EGR的稀燃情状被写作“Lean Burn”，而化学计量比工况下的冷却EGR被写作“Cooled EGR”。为了扩大稀燃或冷却EGR下的发起机负荷，运用了电驱动增压器来简化爆震和发起机热效能之间的联系。

图19和20为“Lean Burn”、“Cooled EGR”和化学计量比条目下不带冷却EGR时的爆震和燃烧性子。对“Lean Burn”，除了BMEP（均匀有用压力）为0.89MPa时外，空燃比均设为28-30。对“Cooled EGR”，EGR率配置为30%摆布，如图19的上图所示。图中的Lambda指过量气氛系数。

正在图19中，闭键闪现了燃烧压力剖析的结果。跟着发起机负荷的扩大，每一次焚烧正时都因为爆震而推迟。为了比拟爆震趋向，运用了最大缸内压力正时。最大压力正时指的是当缸内压力抵达峰值时的时期。已知当发起机运转正在MBT（最佳焚烧提前角）时，最大缸内压力正时产生正在上止点前10-15°。因而，当最大缸内压力正时劈头推迟时的发起机负荷便是爆震劈头发作时的发起机负荷。能够以为，“Lean Burn”对减轻爆震有用果，这是由于爆震发作时的发起机负荷要大于发起机处于不带冷却EGR的化学计量工况下的情状。正在均匀有用压力为0.89MPa时，为了避免不巩固燃烧，将空燃比设为25，与其它点比拟较高，这是由于为避免爆震而推迟焚烧正每每导致燃烧巩固性变差。对待“Cooled EGR”，能够呈现冷却EGR对减轻爆震有卓殊大的用意。

图20为发起机热效能和燃烧性子图。尽管“Lean Burn”正在减轻爆震上的成绩不如“Cooled EGR”，但“Lean Burn”的发起机热效能要高于“Cooled EGR”。有两个缘由来解说这个结果。一个缘由便是“Lean Burn”的燃烧温度低于“Cooled EGR”，这是因为前者的热容大于后者。这能够用图19顶部图中的气燃比来解说。下一部门还将描摹另一个数据。第二个缘由从表面层面看便是比热比。至于NOx，低NOx水准能够从低负荷仍旧到高负荷。

由于“Lean Burn”对进步发起机热效能的成绩和“Cooled EGR”对减轻爆震的成绩都已确认，因而本文探求了带有冷却EGR的稀疏燃烧对爆震和发起机热效能的影响。

图21为稀燃和冷却EGR的组合对爆震和发起机热效能的影响。图22为应用废气实测数据推算出的每缸N2、O2、CO2和H2O的摩尔数。图23为推算出的相对总气体的摩尔分数。正在本节中，假设总气体征求N2、O2、CO2和H2O。

正在“Cooled EGR”的情状下，如图19所示，跟着EGR率的进步，爆震慢慢缓解。冷却EGR有助于减轻爆震的缘由有两点。一点是当EGR率升高时气体因素的变动。正如所睹，CO2和H2O的比例扩大，而O2比例减小。空燃羼杂物因素的变更也许对化学反映形成影响。另一点是燃烧温度的影响，这和燃烧室的壁面温度有很大的联系。跟着EGR率的升高，总体进度量扩大，且燃烧温度低落。因而，燃烧气体和燃烧室壁面之间热调换的淘汰低重了壁面温度。有目共睹，恰是壁面温度的低重减轻了爆震趋向。

正在“Lean Burn”的情状下，缓解爆震的成绩相对“Cooled EGR”要小。正在这种情状下，尽量进度量扩大，但尽管空燃比变得稀疏，气体因素仍然一致的。因而，与“Cooled EGR”的情状差别，低重燃烧温度从而低重燃烧室壁面温度是缓解爆震的闭键身分。也便是说，“Cooled EGR”的化学反映对爆震的形成了很大的影响。

至于稀燃和冷却EGR的维系，结果声明空燃比为20和EGR率为20%维系时对减轻爆震成绩最好，且发起机最大热效能可以抵达45.6%。尽量正在气燃比低于24的情状下，EGR率为25%时相似对减轻爆震的成绩最好，但正在本次试验中并没有获得最佳功能。咱们以为正在大的气燃比工况下，燃烧的恶化会对减轻爆震有必定的限度。

为了阐明带有冷却EGR的稀疏燃烧减轻爆震的征象，起码应采用化学反映、燃烧温度和燃烧质地三种步骤。对此的探求仍正在连续。

本文对发起机正在稀燃工况下运转时的NOx排放实行了探求。图24为本次试验获得的发起机热效能和NOx之间的联系。发起机热效能的结果与图21中的结果无别。能够看出，尽管辨别变动空燃比和EGR率，照旧能够仍旧较低的NOx排放水准。

本节探求了高RON（探求法辛烷值）燃油和小型涡轮增压器的影响。采用小型涡轮增压器的主意是探求稀疏增压发起机的可行性，以及运用现有涡轮增压器阐明发起机热效能，由于电驱动增压器能够辅助发起机输出。图25和图26闪现了变动燃烧编制、试验燃料和涡轮增压器后的发起机热效能结果。正在91RON汽油的情状下，采用电驱动增压器能够获取45.6%的最大热效能。这个结果与图21中的结果无别。为了获取更高的发起机热效能，本次探求运用了100RON汽油。然而，发起机的最大热效能为45.9%，进步发起机最大热效能的成绩不大。缘由正在于为了知足发起机的计划限度，原型机的职业限度了最大缸内压力。因而，尽管没有发作爆震，也使焚烧正时推迟，并使空燃比变动至富侧以巩固燃烧。琢磨到即使原型机正在提前焚烧正时运转，发起机最大热效能的潜力能够抵达46.5%以上。通过以往的探求结果对该热效能实行了估算。

正在小型涡轮增压器的情状下，运用91RON汽油，发起机最大热效能为43.9%。这个结果声明发起机最大热效能相较电驱动增压器低落了1.8个百分点。缘由正在于涡轮增压器的总效能低，扩大了废气压力，如图26所示。废气高压导致了排气冲程中的泵气吃亏扩大，高温渣滓废气增加。高温渣滓废气的增加意味着抗爆功能的恶化。即使涡轮增压器调节到符合的尺寸，或将涡轮增压器的总效能进步，热效能估计会进步到45%以上。

图27为没有冷却EGR的化学计量比燃烧和带有冷却EGR的稀疏燃烧的热平均比拟。每个数据都显示了发起机最大热效能的结果。能够看到，正在带有冷却EGR的稀疏燃烧的影响下，传热吃亏淘汰。缘由正在于其竣工了低温燃烧。另一方面，排气热吃亏简直相似。

为了竣工更高的发起机热效能，咱们琢磨了三个目标。无须置疑，一个目标便是进步抗爆功能。第二个目标是进步膨胀比以淘汰排气热吃亏。为竣工这个目标，需求治理爆震题目和发起机计划题目，好比批准的最大缸内压力。第三个目标是开垦一种淘汰传热吃亏的新步骤，好比热机驾驭和变温隔热。除了开垦新技能来进步发起机热效能外，异日还需求开垦热接管编制。

正在本文的终末部门，先容了发起机热效能和NOx之间的联系。如前所述，采用均质稀燃的观点，增加燃烧极限，能够低重NOx。图28为本文结果和以往结果的对照。能够从图中看出，NOx排放水准为过去发起机产物的特别之一。

1.长行程发起机对进步发起机热效能有两点功绩。一点是淘汰了传热吃亏，这是由于正在燃烧室中能够减小S/V比（比外表积）。另一点是通过维系高滚流气道推动燃烧，巩固了燃烧室内的气流流量和湍流。除了高流量和高湍流的影响，具有高放电电流和长放电期间的焚烧编制也有助于正在强气流场内增加燃烧极限。

2.增加燃烧极限正在带有冷却EGR的稀疏燃烧的应用中具有可预期的良效。一种成绩是可竣工有助于淘汰传热吃亏的低温燃烧。第二种成绩是能够减轻爆震。

3.正在均质稀燃观点下，增加燃烧极限也会带来NOx排放的低重。NOx的排放水准降至过往发起机的特别之一。

4.正在91RON汽油的情状下，带有电驱动增压器的发起机最大热效能可达45.7%。把电驱动增压器调换为小型涡轮增压器，发起机最大热效能降至43.9%。缘由正在于涡轮增压器的总效能相对较低，为45%。当涡轮增压器的总效能擢升后，发起机最大热效能估计可达45%以上。正在100RON汽油的情状下，发起机最大热效能为45.9%，与91RON汽油的情状下附近。这是由于发起机的职业要仍旧最大缸内压力小于发起机计划的批准值。通过改善发起机计划，发起机最大热效能估计可抵达46.5%。

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