汽油机45%～50%热效率的技术发展研究

刘耀东 宫艳峰 李金成 陈海娥

（中国第一汽车集团有限公司 研发总院，长春 130013）

主题词：热效率 汽油机 45% 50%

1 前言

随着全球油耗法规的日益严格，以及新能源车快速发展所带来的竞争压力，显著地提升热效率成为内燃机行业的迫切需求。目前的量产汽油机，最高热效率已经达到41%[1]，它由Toyota的TNGA理念设计[2-4]，主要采用了阿特金森循环、冷却EGR、电动可变气门正时、缸内/气道双喷射、高能点火、激光熔覆座圈、电动水泵以及低摩擦等先进技术，将原有量产汽油机的热效率提升了1～3个单位。但是，想要进一步提高量产汽油机的热效率，受限于升功率与热效率的“Trade-off”（取舍）关系（如图1所示），尤其是从41%到45%，Sellnau认为需要更加精益化的设计，甚至是创新的燃烧模式。

图1 最高热效率与最大升功率的关系[5]

近几年，内燃机界加快了提升热效率的日程和工作。由日本50多个大学和企业参与的国家战略重大研究项目SIP刚刚结题，目标是50%热效率，并给出了技术途径[6]。Honda采用1.5的冲程缸径比、超高的滚流比、17的压缩比、超过30%的EGR和450 mJ的高能点火等技术，在过量空气系数为1时，通过一维模拟将热效率提高到45%[7]。Toyota也采用1.5的冲程缸径比、超高的滚流比、13的压缩比、19.7%的EGR和高能点火等技术，在稀燃的条件下将热效率提高到45.7%[8]。Delphi汽油机Gen3X采用了类似柴油机的燃烧模式，称之为“GDCI（Gasoline Direct Injection Compression Ignition）”，通过中置50 MPa喷油器将汽油喷入缸内压燃，配合稀燃、无节气门、进气加热、缸压反馈传感器、排气“Rebreathing”（排气再回流）、短集成排气歧管和高效变喷嘴涡轮增压器等技术，将最高热效率提升到43%，虽然没有达到45%，但是40%的工况区域覆盖广泛，并通过模拟预测，加上50%绝热等技术之后，热效率达到47.6%[5]。

对于上述技术路线的量产可行性，一方面，像Honda和Toyota，将某一工况点的热效率做到很高，但最大升功率不足，只能用于增程式发动机的单点高效运行；另一方面，像Delphi，将全Map的热效率都提升到较高且可观的程度，但系统的复杂性较高，可靠性有待验证。另外，上述几种技术路线也将大幅提高成本，所以想要把45%～50%热效率应用于量产，还有很多问题需要解决。下面将分别介绍Honda、Toyota和Delphi的45%～50%热效率技术路线。

2 Honda的45%热效率技术路线[7]

Honda通过一维模拟计算来选取达到最高热效率的各项参数。采用91 RON的汽油，过量空气系数设定为1，最高热效率点的转速设定为2 000 r/min。

2.1 冲程缸径比

冲程缸径比在汽油机燃烧系统的设计中有着重要的作用，它影响到传热、摩擦和压缩比等关键要素的选择。

如图2所示，在相同冲程缸径比的条件下，面容比随着压缩比的增大而增大；为了减小传热损失，在较小的相同面容比下，可以通过增大冲程缸径比来提高压缩比，进而提高热效率。

但是，不断增大冲程缸径比不会一直提高热效率。如图3所示，Ikeya的研究表明传热损失随着冲程缸径比的增大而减小，泵气和摩擦损失随着冲程缸径比的增大而增大，所以热效率随着冲程缸径比增大而先增大后减小，在冲程缸径比为1.5左右时，热效率达到最高，接近39%。

2.2 有效压缩比

膨胀比大于压缩比是提高热效率的另一种方法，可以通过进气门晚关降低有效压缩比来实现。如图4所示，压缩比为17时，进气门晚关的热效率明显大于奥拓循环，也大于压缩比13.5的奥拓循环，这时的最高热效率达到约42%。

图2 冲程缸径比对面容比和压缩比的影响[7]

图3 冲程缸径比对传热、泵气和摩擦的影响[7]

图4 压缩比和热力循环对热效率的影响[7]

2.3EGR下的燃烧

EGR也是提高热效率的一种方法，为了在EGR率超过30%的条件下保证快速燃烧和稳定点火，需要通过增大湍动能和点火能量来弥补。

为了保证30%以上的EGR率，Honda将点火能量设为450 mJ。

2.4 喷油落点和喷射时刻

为了进一步提高热效率，Honda对喷油落点和喷射时刻也进行了优化，优化之后的最高热效率已经接近43%。

2.5 EGR和增压系统

为了同时得到较高的热效率和功率，Honda采用了两级增压：在最高热效率工况点运行小流量增压器；在外特性工况点运行大流量增压器。

至此，Honda通过一维模拟计算，逐步优化各个子系统的参数，最终将最高热效率提升到45%。

3 Toyota的45%热效率技术路线[8]

与Honda类似，Toyota的Nakata也采用了1.5的冲程缸径比、3.6的高滚流比、19.7%的EGR率和高能点火来提高热效率。有所不同的是，Toyota的压缩比略低，为13；为了降低传热损失，采取了稀燃的手段，使得缸内平均温度低于理论空燃比的燃烧温度；由于稀燃，为了增加进气量，用电动增压器代替涡轮增压器，但没有将电动增压器的使用纳入热效率的计算。

图5给出了过量空气系数1、过量空气系数1加EGR和稀燃无EGR的热效率对比。从图中可以看到，总体来说，相比于过量空气系数1，引入EGR和稀燃都提高了热效率，稀燃比EGR提升的热效率更大，总体高出2个单位。

图5 过量空气系数1、EGR和稀燃的热效率对比[8]

图6给出了各种条件下的热效率对比，包括有无EGR、过量空气系数1与稀燃、电动增压器与小涡轮增压器、91 RON和100 RON汽油。从图中可以看到，有EGR比无EGR的热效率更高；同样是电动增压器的条件下，稀燃比理论空燃比的热效率更高；同样是稀燃的条件下，电动增压器比小涡轮增压器的热效率更高；在其它条件相同的情况下，100 RON比91 RON的汽油热效率稍高。在电动增压器、稀燃、EGR和91 RON的条件下，热效率达到次高，为45.7%；在电动增压器、稀燃、EGR和100 RON的条件下，热效率达到最高，为45.9%。

另外，Nakata还在文中提到，如果对燃烧系统继续进行精益设计和优化，预计可将最高热效率提升到46.5%。

4 Delphi的45%热效率技术路线[5]

在实现汽油机45%热效率的技术路线上，Delphi的Sellnau没有继承传统汽油机的火花点火，而是另辟蹊径，在Gen3X上采用了GDCI（Gasoline Direct Injection Compression Ignition）的燃烧模式，通过中置50 MPa喷油器在上止点附近喷入高压燃油进行压缩点燃。针对汽油压燃在部分工况点的运行限制，Gen3X采用了稀燃、无节气门、进气加热、缸压反馈传感器、排气“Rebreathing”、短集成排气歧管和高效变喷嘴涡轮增压器等技术，将最高热效率提升到43%，满足系统从中低负荷到高负荷的运行要求，并能快速切换。

图6 各种条件下的热效率对比[8]

4.1 进排气和燃烧系统

对于压燃，为了实现快速的进气温度控制，Gen3X系统在压气机后分别布置了空气加热和冷却两套装置，同时在压气机前加设了用于控制EGR温度的废气旁通阀，加之管径和长度的合理设计，使得进排气都能对温度和流量进行灵活控制。

低负荷时，Gen3X通过上述进排气系统和排气“Rebreathing”引入热的EGR来提高并控制进气温度，从而稳定压缩点火。排气“Rebreathing”的凸轮型线如图7所示，其作用是在进气阶段再次短暂且小升程地开启排气门，引入部分废气来提高缸内温度，稳定压燃。

图7 排气“Rebreathing”的凸轮型线[5]

中高负荷时，Gen3X通过上述进排气系统引入冷EGR，并采用上止点两次喷射的燃烧策略：第一次喷射在上止点前30°CA左右，为部分预混燃烧，燃烧速度适中；第二次喷射在上止点附近，为扩散燃烧，燃烧速度快。通过控制两次喷射的比例，可以解决压燃在高负荷的燃烧噪音问题，同时也能得到较低的排放。

冷启动时，进气道布置的2.5 kW电加热器可以帮助实现催化器快速起燃，这时，大约三分之一的加热热量传递到排气当中。

4.2 增压器

Delphi在Gen3上采用了“涡轮+机械”的两级增压的模式[9]，由于机械增压的旁通阀产生了很大的流动损失，所以为了追求高热效率，Gen3X只保留了涡轮增压器，并且进行了效率Map的优化，将高效区拓展到更大的范围。

4.3 热效率

基于上述汽油机的技术路线，且没有EGR的情况下，Gen3X将最高热效率提升到43%，同时保证最大升功率为69 kW/L，突破了当前升功率与热效率的“Trade-off”界限（如图1所示）。更具有意义的是，其40%热效率的工况覆盖了从0.5 MPa到2 MPa的平均指示有效压力（Indicated Mean Effective Pressure,IMEP）范围。如图8所示。

图8 Gen3X的热效率Map[5]

同时，通过模拟预测，Delphi的Sellnau也给出了Gen4X挑战50%热效率的技术路线：在Gen3X的基础上，继续提高喷油压力、降低10%的摩擦、降低50%的传热和提升2%的涡轮增压器效率，有望将热效率提升到47.6%。

5 结论及启示

众所周知，汽油机除了做功之外的能量损失主要包括摩擦、泵气、传热、燃烧和排气，想要达到45%～50%的热效率，必须减小上述的能量损失。图9总结了Honda、Toyota和Delphi在这几方面所采用的主要技术路线。

（1）低摩擦和高效增压器是降低摩擦损失和排气损失的必备技术；

（2）热效率从41%提升至45%乃至50%，降低传热损失最为关键。从目前来看，高EGR率和稀燃技术也成为了必备技术；

（3）降低燃烧损失，则必须提高燃烧速度。而对于高EGR率或者稀燃的快速燃烧，主要有两种方案：一种是Honda和Toyota通过高滚流气道、大的冲程缸径比和高能点火来弥补；另一种是Delphi采用的压燃来实现，并且同时配合了进气加热、排气“Rebreathing”和短集成排气歧管等技术。

（4）降低泵气损失方面，主要是通过阿特金森或无节气门的手段来实现。

图9 45%～50%热效率的技术路线总结

目前，尽管Honda、Toyota和Delphi等已经在实验室中获得了汽油机45%～50%热效率，但由于各种因素的限制，量产在短期内仍不具备条件。

（1）稀燃后处理。传统的稀燃后处理主要用于柴油机，如SCR、LNT等。虽然技术上较成熟，但由于成本和产业化等原因，将其应用于乘用车仍需时日。

（2）新燃烧模式带来的辅助技术成本。如Delphi压燃技术路线所需要的缸压反馈传感器、高效变喷嘴涡轮增压器等。

（3）复杂系统的可靠性和耐久性。大的冲程缸径比、高能点火系统、压反馈传感器、高效变喷嘴涡轮增压器等所带来的可靠性和耐久性问题，也需要予以考虑。

综上所述，未来要实现商业用途汽油机45%～50%的热效率，还需要完成更多的研究工作和产业化工作