改善车用发动机燃油经济性的微波等离子燃烧系统

【日】 池田裕二 芹澤毅 内田克己



改善车用发动机燃油经济性的微波等离子燃烧系统

【日】 池田裕二 芹澤毅 内田克己

研究表明，在改善车用发动机燃油经济性的技术中，应该着重开发性价比(改善效果与投入经费之比)更好的技术，如增加废气再循环量、降低发动机摩擦、凸轮相位控制，以及等离子燃烧系统等。介绍基于微波脉冲振荡控制的非平衡等离子燃烧技术，以及该技术应用与车用发动机的研发情况和改善燃油经济性的效果。

车用发动机 燃油经济性 微波等离子燃烧 成本

0 前言

近年来，改善汽油车燃油经济性的研发速度正在不断加快，各汽车制造商纷纷应用各种降低燃油耗的技术，力争在竞争中赢得市场。为了促进低燃油耗车辆的快速普及，日本国土交通省依据“关于汽车燃油耗性能的评价及信息公布的实施纲要”，以汽车燃油耗一览的形式，每年公布各种车型的燃油耗值。其中，也会例举主要的燃油经济性改善技术，此外，关于这些技术及其所需成本的相关信息也会及时公布。表1是从上述文献中发动机、驱动及动力传动系统、车体及其他方面的相关公告信息中抽取的与发动机有关的技术案例，表中也记录了本文所介绍的基于非平衡等离子的燃烧技术。

表1 燃油经济性改善技术及其费用成本的比较

分析上述燃油经济性改善技术后可知，从各项技术的改善效果与所需费用来看，其性价比的差异极为显著。概括而言，能期待产生明显效果的技术基本都需要较高的费用，可以说，每改善1%的燃油经济性，几乎都要花费约10000日元的成本。其中，今后应着重进行开发的高性价比技术包括增加EGR量、降低发动机摩擦，凸轮相位控制，以及等离子燃烧技术等。另一方面，改进发动机系统结构的技术虽能更为有效地改善燃油经济性，但须投入更高的经费。

近年来，作为受到广泛关注的着火燃烧改善技术，除增压着火、电晕放电点火、激光点火、高频点火及双线圈高效补偿点火外，还有日本Imagineering公司正在开发的非平衡等离子燃烧技术。

本文介绍基于微波脉冲振荡控制的非平衡等离子燃烧技术，以及该技术应用于车用发动机后改善燃油经济性的效果。这种新燃烧技术的开发不仅涵盖日本Imagineering公司自主研发的项目，还包括该公司受日本新能源及产业技术综合开发机构(NEDO)委托和赞助所开发的项目。

1 基于非平衡等离子的燃烧技术

在利用激光的激光诱导击穿光谱(LIBS)法中，利用透镜等局部聚焦激光时，能量密度超过某一临界值，就会被分解产生激光诱导等离子，而一旦发生这种等离子，则激光的部分能量会被等离子吸收。研究人员利用这一特性，通过微波向等离子供给能量，随着等离子的扩大，以及此时生成的活性游离羟基，促使等离子气体形成富氧状态。如能将这种效应用于发动机点火，那么，近年来在发动机开发中所遇到的课题，如点火周边混合气的不均匀，以及因强烈气体流动导致的着火不稳定等问题将得到解决。同时，利用火花放电，还能促进初期火焰核的稳定化及火焰的传播。

图1示出了将基于微波等离子的燃烧技术应用于火花点火发动机时的技术理念及其预期效果。图1中的照片是在大气环境下，只采用火花点火生成的放电等离子与微波叠加后扩大的微波等离子状态。

利用天线等将微波辐射到火花塞点火生成的放电等离子上，通过这种能量的叠加，扩大放电等离子，以促进着火燃烧。另外，以非常短的间隔接通或断开叠加在放电等离子上的微波，以防止生成的等离子达到热平衡，维持只被极轻质量的电子所激发的非平衡状态(低温等离子)。由于上述效应，混合气中所含的极少量H2O被分解为OH-与H+。此外，被分解的O与O2接合并生成O3，从而形成混合气的富氧状态，达到稳定初期火焰核促进火焰传播的目的。由此，在稀混合气中，当空燃比(A/F)达到30的状态，就能实现稳定的着火和燃烧。

选择能振荡2.45GHz频带微波的振荡源，作为向等离子提供能量的微波发生器。之所以选择这种被普遍用于微波炉等家用电器的微波设备，是出于以下原因：(1) 可轻易在市场上以适中的价格购入；(2) 可在宽广的范围内利用微波的振荡控制实现点火控制；(3) 可采用适当的方法应对因使用微波设备而产生的各种问题(如电波法规等)。以往，作为微波振荡源，一般是使用磁控管，但考虑到汽车等移动用途的小型化、高可靠性及工作稳定性方面的要求，目前采用的是半导体振荡器。由此，也进一步提高了控制性能。半导体振荡器的实用化应归功于近年来移动电话及微波中继站的普及，以及高功率(1kW级)微波振荡半导体器件的实用化进展。

2 微波等离子燃烧系统

图2示出了实现微波等离子燃烧的系统结构。本系统由4组设备构成：(1) 在燃烧室内生成等离子的等离子燃烧用火花塞；(2) 将高压直流放电及微波引入燃烧室的混频单元；(3) 将2.45GHz微波呈脉冲状振荡控制的微波脉冲振荡回路，控制火花塞及微波振荡参数的火花点火及微波控制装置，基于曲轴转角检测信号指示点火定时的发动机电控单元(ECU)及控制系统，以及为上述装置供电的电源电路；(4) 进行传送分配的微波传输系统。

微波等离子燃烧系统中各种设备的相关开发课题如下：(1) 等离子燃烧用火花塞的开发课题包括天线式火花塞的开发(火花塞性能、天线性能、微波等离子性能)及其耐久性和可靠性研究；(2) 混频单元的开发须解决耐高电压、高效率微波传输(低传输损耗)、高压直流与高频电流的同时传输，以及频率整合方面的课题；(3) 在微波脉冲振荡回路、火花点火及微波控制装置、ECU及控制系统、电源电路方面，须解决的课题包括驱动车载电源的微波脉冲振荡电源的开发，设备的小型化、高功率化、动态稳定性及可靠性，以及适合于发动机运行点的微波等离子控制等；(4)微波传输系统应具备较低的传输损耗，以及耐用性和抗振性等性能，同时还须解决微波分配等方面的问题，在实际配装车辆时，不但要求系统应具备其本来应有的功能，而且要求其具备作为车载部件所应具备的功能和品质保障。

3 微波等离子燃烧发动机的研发过程

在微波等离子燃烧发动机的开发过程中，在2003年，日本Imagineering公司开展了将近4年的自主研发工作。自2006年起，该公司接受NEDO的委托并获得赞助，实施能源使用合理化技术策略的研究，以及节能革新技术的开发等前沿科技研发(历时2年研发微波等离子燃烧技术的原理及燃烧改善效果的验证等)。之后，又经历了实用化研究(历时3年专注以配装实际车辆为前提的等离子燃烧系统的实用化开发，以及燃油经济性改善效果的验证，并提出实用化课题)，以及最终的试验验证研究(历时3年在量产发动机上确认效果，确立量产技术目标)。最后，在2014年春季，研发过程终告一段落。

综上所述，研发人员在各阶段分别提出课题，设定相应开发目标值后，陆续解决了各项技术难题，包括微波等离子燃烧系统各构成单元(设备)的开发，以及将各单元组合后的系统课题，还有以配装车辆为前提的实用化、量产化及实际运营方面的课题。表2归纳了等离子燃烧发动机的研发过程与主要成果。

表2 等离子燃烧发动机的研发过程与主要成果

3.1 微波等离子燃烧系统的开发状况

图3示出了新开发的微波等离子燃烧系统部件外观。在开发微波振荡用的半导体器件时，分别使用2家供应商提供的芯片，试制振荡器(功率放大器)样品，并在不同模块制造厂家生产，与上述2种功率放大器组合，试制振荡控制器。基于所使用的半导体芯片的性能，虽然2种功率放大器内的增幅回路不同，但其基本性能相同。图3中的混频器及火花塞均为通用件。

样机1和样机2的功率放大器都采用直流32V的车载电源驱动，具有能以瞬时最大功率至1kW的2.45GHz±50MHz频率振荡微波的能力。混频器能匹配所用发动机的火花塞孔径，由设置在发动机气缸盖上的火花塞向燃烧室内辐射微波。从混频器上部供给高压直流电，从上部侧面(图3中部件的背面)供给微波。基于降低微波传输损耗的目的，使用通常被作为噪声对策的不带电阻电路的火花塞。混频器中央部位设有电气连接微波的谐振电路，对所有传输系统都进行电整合(设置任意阻抗)，进而完成设计和制作。

3.2 微波等离子燃烧发动机的开发状况

在量产发动机上应用微波等离子燃烧系统，调查在发动机运行脉谱图上的各运行点扩展稀燃运行范围、增大EGR率，最终抑制燃烧不稳定性，达到改善燃烧的效果。试验发动机为3缸658mL排量机型，缸径63.0mm，行程70.4mm，压缩比为11.3。

图4示出了发动机试验回路示意图。每台功率放大器都具备向发动机多个气缸燃烧室内分别振荡微波的能力。作为系统结构来说，是使用1台功率放大器，还是使用多台功率放大器(在每个气缸中使用独立的功率放大器振荡微波)，最终是基于功率放大器本身的性能、尺寸、质量、成本、耐久性及可靠性等方面的综合考虑来决定的。在本次研究中，所采用的系统结构是在每个气缸内设置独立的功率放大器用于微波振荡。

所有气缸的火花塞上均安装混频单元。从ECU的角度来看，本系统也可被看作点火系统的子系统。由ECU向各气缸发出点火信号，以建立点火信号的时点为基准，微波振荡开始时间可作任意延迟。这是因为微波振荡器是半导体器件，所以，为了实现高精度且时间响应性良好的控制，并减轻火花塞电极的等离子负荷，以及基于火花点火与微波的适当能量分配需求，最终确定了上述系统特性。

图5示出了在A/F=23.3的稀燃运行区域针对燃烧波动的评价实例。对比只运用火花点火与采用火花点火+微波振荡时的结果可知，叠加微波振荡之后，降低了发动机在稀燃运行区域的失火风险，大幅抑制了压力波动。

为了评价车辆的燃油经济性，将运行脉谱图(发动机运行区域)划分为5个区域，作为JC08工况的代表运行点，针对每个区域的代表点进行燃油耗计算。如图6所示，根据配装车辆部位的不同，对燃油经济性改善效果的评价方法会有所差异。在接近发动机本体的部位，对于燃烧室，是按ISFC来进行评价的；对于包括曲轴在内的部位，则是按有效燃油消耗率(BSFC)来进行评价的；而对于包括动力传动系统及车轮在内的部位，则按车辆燃油耗来进行评价。按上述ISFC进行评价的结果表明，与采用通常点火方式的理论空燃比燃烧系统相比，使用新系统后的燃油经济性改善效果可达到12.4%。

4 结语

本文介绍了改善汽车燃油经济性的最新研发动向，包括微波等离子燃烧技术及其系统的开发，以及日本Imagineering公司的研究人员接受NEDO的委托及赞助所实施的研究成果等内容。

彭惠民 译自 日本機械学会誌，2014，117(1148)

朱晓蓉 校

朱晓蓉 编辑

2015-01-27)