高热效率的低燃油耗技术ESTEC

2015-01-09 12:18YamadaAdachiNakataKurauchiTakagi
汽车与新动力 2015年2期
关键词:阿特金压缩比热效率

【日】 T.Yamada S.Adachi K.Nakata T.Kurauchi I.Takagi

0 前言

气候变化和能源问题使改善车辆燃油经济性成为当务之急。发动机制造商、零部件供应商和研究机构正努力提高热效率,以改善车辆的燃油经济性。

图1示出了传统火花点火发动机的热效率及其未来变化趋势。当前,常规发动机的热效率约为36%,混合动力发动机则达到38%以上。在混合动力发动机上应用阿特金森循环、冷却废气再循环(EGR)、电控水泵和低摩擦技术,能对提高热效率起重要作用。未来有望将上述技术用于常规发动机,从而使两者的热效率均达到40%以上。上述技术能够提高发动机在低负荷工况下的热效率,目前正在评估这些技术能否克服自然吸气汽油机的缺点。从未来的发展趋势来看,要使发动机热效率达到40%以上,采用大容量冷却EGR和稀薄燃烧是必不可少的,这意味着燃烧过程对发动机的开发而言越来越重要。此外,也要关注低摩擦和气门传动系统等基础技术的改进。下文将具体介绍具有高热效率的低燃油耗(ESTEC)发动机的相关技术。

1 发动机热效率

首先从理论角度阐述提高发动机热效率的方法,然后观察实际的运行状况,最后指出其未来趋势。奥托循环的理论热效率可以表述为:

式中,ε表示压缩比或膨胀比,Cp为定容比热,Cv为定压比热。式(1)和式(2)表明,高压缩比或高比热比可以改善发动机热效率。具体而言,可以考虑提高几何压缩比,推迟排气门开启正时,以及采用稀薄燃烧等。图2为计算了机械损失、泵气损失、冷却损失、排气损失,以及未燃损失后发动机的实际热效率值。

降低机械损失是基本的发动机技术,具体的技术方案有减小活塞环张力、优化轴承轴线和宽度等。可以利用先进的气门机构、EGR和稀薄燃烧等技术逐步达到降低泵气损失的目的。EGR和稀薄燃烧等技术还能降低燃烧温度,进而减少冷却损失,同时,诸如长行程设计和优化燃烧室设计等对降低冷却损失也很重要。增大膨胀比是减少排气损失的首选方法,如上文所述,增大膨胀比意味着提高几何压缩比或推迟排气门开启正时,但如果提高几何压缩比,则必须改善发动机的抗爆性。

技术人员已经开发了很多提高发动机热效率的技术。图3示出了现已开发的混合动力技术和未来可能采用的技术。在开发第1代混合动力发动机时,主要通过采用非常规高膨胀比的阿特金森循环和低摩擦技术来提高热效率。当前的混合动力发动机还引入了冷却EGR和电控水泵,可以达到38%以上的热效率。研究人员在开发过程中发现,采用大容量冷却EGR对改善抗爆性和降低泵气损失均有明显收效。未来对混合动力发动机的开发重点将会是采用燃烧技术,扩大EGR上限,并通过稀薄燃烧方式降低发动机摩擦损失。

2 混合动力技术在常规车型上的应用

提高发动机热效率的典型做法是采用高压缩比的阿特金森循环,不过,采用高压缩比的缺点之一是会导致发动机扭矩下降(图4)。混合动力系统可以借助电动机转矩来补偿发动机扭矩的下降,但对常规车型来说,这一点很难做到。

在发动机转速1 500~2 000r/min、负荷50%左右的运行范围内,混合动力发动机具有良好的性能和热效率(图5)。相比混合动力发动机,常规发动机在低负荷工况下的热效率更加重要。

本文针对采用阿特金森循环后造成的低速扭矩不足,介绍补偿发动机扭矩下降的方法,以及在低负荷工况下优化内部EGR、冷却EGR、阿特金森循环的方法和降低摩擦的技术。所有数据均来自1NRFKE型发动机ESTEC技术的开发过程。

3 1NR-FKE型ESTEC发动机概况

表1列出了新开发的1NR-FKE型ESTEC发动机和现有1NR-FE型发动机的主要技术规格,1NR-FE型发动机配装在丰田汽车公司的A级和B级车上。

阿特金森循环从1997年开始正式用于第1款Prius混合动力车,为实现卓越的热效率,采用高达13.5的几何压缩比和水冷EGR系统。

表1 1NR系列发动机的主要技术规格

为了能在常规车型上应用阿特金森循环,采用电控VVT-i或VVT-iE是关键因素。这样可快速而精确地控制进气门相位,并避免因冷起动导致的机油温度和压力变动对发动机造成制约。

水冷EGR系统具有1个高效的EGR冷却器,包括1个快速响应的EGR阀。此外,进气歧管、EGR阀和冷却器之间直接连接,以降低EGR冷却器冷凝作用的影响。进气道采用强滚流、大流量设计,实现快速燃烧,可避免爆震。为了同时满足发动机的动力性能和燃油耗要求,新机型采用4-2-1管状排气歧管设计,以减少燃烧后的缸内残余废气量。

4 恢复全负荷动力性能

图7为恢复发动机扭矩后的结果。改进排气歧管形状,加入1个新型水套隔片,并优化喷油定时。图8显示缸内残余废气量下降2.5%,补偿了压缩比从11.5增加到13.5所造成的燃气温度升高效应。管状排气歧管的扫气效果降低了残余废气量。图9为壳状排气歧管与管状排气歧管的扫气效果差异。

5 优化EGR系统

混合动力发动机应用阿特金森循环和冷却EGR降低燃油耗。但是,冷却EGR的应用受到扭矩波动的限制,而后者是由于过于依赖低温燃烧导致燃烧品质变差引起的。因此,在低负荷工况下的热EGR区域采用内部EGR,可以有效控制燃烧温度,并降低燃油耗。图10为转速1 200r/min、负荷30%的低负荷工况数据。在大流量冷却EGR条件下,EGR率为12%~20%,扭矩波动量超过判据值,未燃碳氢化合物(HC)排放较高,因此燃烧温度似乎过低。另一方面,采用内部EGR时,气门重叠角为45°CA,冷却EGR率为0。此时,燃油耗低于大流量冷却EGR条件下的,扭矩波动量表现良好,且未燃HC排放有所下降。最终优化的EGR如图10中所示,气门重叠角为45°CA,冷却EGR率为3%,此时燃油耗最低。

图11示出了优化的气门正时和EGR阀步长。低负荷工况下,提前排气门正时,采用内部EGR;中等及高负荷工况下,推迟排气门正时,EGR阀步长提前。

6 摩擦损失的降低

对于高压缩比造成的发动机扭矩下降问题,优化冷却是很好的应对方法,但改善冷却后会增加摩擦损失和冷却损失,对燃油耗产生负面影响。研究人员发现,采用全新外围水套隔片后,与气缸表面相配,其效果得到大幅增强。图12为外围水套隔片的形状,图13示出了隔片在水套中的安装情况。

使用外围水套隔片的目的在于控制气缸表面温度。图14为气缸表面温度分布图。采用外围水套隔片后,气缸中部冷却水一侧的温度会快速升高,而顶部和底部的温度几乎保持相同。

如图15所示,由于采用外围水套隔片降低了摩擦损失,所以在相同水温下的发动机扭矩得以提高。气缸活塞一侧顶部温度与中部温度保持相同(图14),此时点火滞后最小。

7 结语

得益于各种技术方案的实施,1NR-FKE型ESTEC发动机能保持与1NR-FE型发动机相同的高动力性能,同时具有高达38%的卓越热效率。图16示出了该机型的动力性能。新机型的低燃油耗运行区域大幅增加,低负荷工况燃油耗大幅下降。与美国市区LA4工况相似,在JC08试验工况下,1NRFKE型ESTEC发动机的燃油经济性改善率达到11%。其中,高压缩比阿特金森循环为主要因素,摩擦降低居其次(图17)。

猜你喜欢
阿特金压缩比热效率
质量比改变压缩比的辛烷值测定机
汽油机45%~50%热效率的技术发展研究
未来人类图鉴
情义便条
提高混合动力汽车热效率的研究
丰田汽车公司的新型高热效率汽油机
低温废气再循环及低压缩比对降低欧6柴油机氮氧化物排放的影响
丰田汽车公司推出热效率达38%的低燃油耗汽油机系列
高几何压缩比活塞的燃烧室形状探讨
采用两级可变压缩比系统提高车用汽油机的效率