高效燃烧汽油机技术特点分析与研究

王占峰 王陆怡 韩令海 马赫阳 李金成

（1.中国第一汽车股份有限公司 研发总院，长春 130013；2.中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司，天津 300462）

主题词：汽油机 高热效 增压技术

1 前言

如今，国六油耗及排放法规已经在国内多地实施，日益严格的油耗及排放标准驱使各主机厂纷纷开发高热效率内燃机。前不久丰田发布的2.5 L汽油机在混动车型上的最高热效率已经达到了41%[1]，此汽油机采用了阿特金森循环设计，结合废气再循环（EGR）、电动进排气可变正时（DVVT）、混合喷射、高能点火、激光熔覆座圈、电控冷却水泵、大冲程/缸径（S/B）比、宽进气道快速燃烧等先进技术，将基础机型的热效率提升了3%。综合来看，热效提升贡献较大的因素还是因为此汽油机采用了高达13:1的压缩比，混动版更是达到了14:1的压缩比。但高压缩比的实用是以放弃进气增压抑制爆震为代价的，导致内燃机牺牲了部分动力性。升功率可以从侧面反映一个内燃机动力性的强弱。如图1所示，升功率和热效率是互相制约的一对因素，兼顾两者需要技术上的突破。马自达公司采用均质充量压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI）技术的发动机SKYACTIV-X就给出了技术解决方案，其采用火花引燃式压燃技术将汽油机工作平顺与柴油机工作高效的特性结合了起来，高效工作区间宽广，为高热效率技术方案提供了新的解决思路。

图1 升功率-热效率趋势[2]

2 马自达汽油机SKYACTIV-X技术路线

SKYACTIV-X发动机的主要开发思路是通过对压缩比、空燃比和燃烧速率3个因数的提高实现快速稀薄燃烧，超过30:1的空燃比在提升比热及热效率的同时很好的抑制NOx的生成。使得SKYACTIV-X在拥有更低燃油消耗率的同时获得了更高的动力特性，如图2、图3所示[3]。但想实现如此之大的空燃比混合气体燃烧并不容易，这就需要借助火花塞控制点火压燃 SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）技术予以实现。借助高能点火火花塞、分段燃油喷射、超高压燃油喷射系统和缸内压力传感器等技术手段，让SKYACTIV-X在全工况内可以根据燃烧效率在SI和CI点火模式间自由切换，高热效范围将进一步扩大。据官方公布数据，此发动机搭载在马自达3S上，WLTP的额定油耗为50.4 mpg(5.6 L/100 km)，二氧化碳排放量为102 g/km。

图2 SKYACTIV系列发动机比油耗曲线[3]

图3 SKYACTIV系列发动机外特性曲线[3]

由图2和图3可见SKYACTIV-X发动机较上代提高20%同时，在频繁使用低车速的区域，由于使用超级稀薄燃烧，燃油经济性可提高多达30%。SKYAC-

式中，ηt为发动机循环热效率；εc为发动机压缩比；k为等熵指数。

市面主流的增压发动机压缩比都在10:1左右，若将压缩比提升至15:1，则理论热效率至少提升9%[4]，而SKYACTIV-X压缩比高达16.3:1。

2.2 稀薄燃烧

普通汽油机为保证点火可靠，通常将燃烧室空燃比控制在10:1～20:1左右。稀薄燃烧具有燃烧充分、燃油经济性好、充分抑制氮氧化物生成等优点，越来越受到主机厂重视，如图4、5所示。其技术又可细分为进气道喷射稀燃系统（PFI）、直接喷射稀燃系统（GDI）和均质混合气压燃系统（HCCI）。HCCI具有兼有动力性和经济性、结合EGR降低传热损失、燃烧速率可控等优点，已经成为近些年高热效率发动机设计争先采用的技术[6]。TIV-X的发动机排量为2.0 L，它比目前的SKYACTIV-G至少提升了10%的扭矩，在某些转速下可提高30%。

2.1 高压缩比

SKYACTIV-X发动机在中低负荷都工作在30:1以上的空燃比工况下，欲点燃如此稀薄的混合气自然需要较大的压缩比，缩小混合气分子间距离，提高初始热能令混合气更易点燃。另一方面高压缩比可以提升缸内燃烧速率增加定容度，这也从另一方面解释了压缩比与热效率之间的关系。由内燃机学公式（1）可知发动机循环热效率与压缩比有如下关系：

图4 比油耗与过量空气系数（Lambda）关系曲线[5]

图5 NOx与Lambda关系曲线[5]

SKYACTIV-X发动机采用SPCCI技术让发动机在特定工况下可以在36.8:1的空燃比下稳定工作，同时配合高强度的废气再循环系统使热效率及NOx排放都控制在行业领军水平。

2.3 SPCCI火花塞点火控制压燃技术

SKYACTIV-X最大的技术亮点就是SPCCI火花塞点火控制压燃系统，HCCI技术问世已有一段时间，但将其用于量产发动机上的公司寥寥无几。究其原因是因为汽油压燃式点火模式无法在发动机全工况领域内使用，尤其在低转速高扭矩区域和高负荷区域，发动机工作粗暴，燃烧过于激烈，发动机寿命受到严重影响，如图6所示。

图6 SKYACTIV-X工作模式切换逻辑[7]

SKYACTIV-X工作在低负荷工况时，首先在进气阶段随着活塞的下移机械增压后的空气进入燃烧室，在活塞顶凹坑及桶型进气道的综合作用下形成具有较强湍动能的涡流，伴随着少量燃油的注入形成极稀的初级混合气。随着活塞的上升，100 MPa喷油系统逐步将余下燃油喷入缸内，直到活塞运动到上止点，最终形成上浓下稀的稀燃混合气，使火花塞周围浓度维持在SI(Spark Ignition)可工作浓度范围内。最终随着100 mJ的高能火花塞跳火，点燃混合气形成初级火球，随着火核的生长，燃烧室内压力及温度达到汽油混合气压燃条件，发生压燃点火实现均质压燃。在高负荷区域控制混合气浓度实现单纯SI点火，因此可在CI(Compression Ignition)与SI两种点火模式间自由切换，结合了汽油机与柴油机的优点。光学发动机下不同空燃比SI点燃及高λCI点燃情况如图7所示。

图7 14.7/29.4:1空燃比混合气SI与36.8:1 CI对比[7]

2.4 其他热效率附件

为了实施SPCCI技术，需要发动机多子系统的协同工作。其中包括100 MPa燃油喷射系统（集成缸压传感器）、电动VVT、解耦式机械增压器、EGR冷却器等。同时在发动机本体零件方面也进行了多处优化设计，如凹坑活塞顶，低转动惯量飞轮。

解耦式机械增压器可在低转速工况下停止工作，保证混合气浓度不会低于稳定着火空燃比下限。100 MPa的供油系统保证了燃油的瞬间汽化，进一步促进稀燃发生。缸压传感器可以实时监测缸内压力，保证HCCI的顺利进行并对燃烧参数进行闭环控制。

经过精心设计的活塞顶造型可以巧妙得避让火花塞、气门等运动机构，增加燃烧室的容积和混合气量，在压缩过程中形成环流，避免在燃料初期火焰接触活塞头，使燃烧更加均匀。此外马自达此次沿用了与上代机型SKYACTIV-G相同的整体飞轮设计，较更早机型降低飞轮转动惯量17%，减轻飞轮质量9%，使得发动机空载加速能力增加150 r/s。

3 现代起亚Smartstream 1.5 L Turbo GDI Engine

现代Smartstream 1.5T发动机最大的亮点就是采用了“连续气门可变持续期”（Continuously Variable Valve Duration，CVVD）技术。当代主流内燃机通常参考机型的不同定位采用不同的做功循环。例如，配合大功率电机（位于离合器后方）工作的内燃机通常采用阿特金森循环，注重动力性能的发动机通常采用米勒循环，而兼顾综合性能技术门槛最低的发动机通常使用奥托循环。以往的VVT及VVL技术只能调节进排气门开启时机及升程，由于凸轮轴包角不变因此并不能控制开启持续期，这就导致了一台发动机无法在3种循环模式下工作。而现代这台发动机通过巧妙的可变偏心凸轮轴机构完成了对气门开启持续期的控制，摆脱了经济性与动力性“Trade-Off”的关系。此外，该发动机还运用LP-EGR、高效燃烧活塞顶及气缸优化等手段，将发动机性能提升4%，燃油效率提升5%，此外还将尾气排放减少12%，如图8所示。

3.1 CVVD技术

CVVD机构主要由CVVD执行器和CVVD运动机构总成组成。凸轮通过滑块机构与凸轮轴链接（扭矩传递），如图9所示，当滑块组旋转中心与凸轮轴不重合时便会出现凸轮与凸轮轴之间角速度不等的现象，CVVD正是运用此现象达到延长或缩短进气门开启时间的目的。

图8 Smartstream 1.5 L Turbo GDI主要技术[8]

图9中红色杆系代表凸轮轴，蓝色杆系代表凸轮，黄色表示滑块组，当滑块组旋转中心与主轴系重合时，凸轮具有与凸轮轴一致的旋转速度（中图）；当凸轮轴系相对于滑块轴系向一侧运动时，若凸轮转到相同侧，则旋转速度降低，若转到异侧则旋转速度上升。这也就意味着进气门开启时间可以在195～360°CA内变化（图10）。

图9 CVVD工作原理[8]

图10 CVVD进气凸轮轴包角变化范围[8]

此外CVVD还能实现4:1～10:1压缩比范围内的灵活调整，可以实现变压缩比的功效。在发动机工作在低负荷工作区域时推迟进气门关闭角，减少压缩负功，将发动机调校到偏向阿特金森循环的特性，提升燃油经济性；发动机工作在高负荷区域时尽早关闭进气门，增大进气量，最大限度保留湍流强度，使混合气快速燃烧，提升BMEP。

3.2 LP-EGR技术

EGR技术可以将一部分燃烧废气重新导入气缸参与燃烧，降低燃烧温度和减小传热损失，同时很好的抑制NOx生成。而此款发动机采用低压废气再循环技术，相比以往常用的EGR具有更宽广的EGR可控范围。如图11所示，传统EGR的再循环接入点位于进气歧管处，当发动机在低转速、高载荷点工作时由于进气量少，EGR率必须控制得很低以稳定燃烧。同时由于接入点位于压气机后方，EGR循环压差很有限，也使得废气流通速度降低。采用低压再循环以后，再循环接入点位于压气机前侧，配合进气门节流作用可以产生稳定的进气压差，使低负荷区域EGR率得以提升。

图11 LP-EGR与传统EGR结构及工作区域对比[8]

结合CVVD，LP-EGR可以将工作区域扩展到最大。如图12所示，在区域1，纵使采用了CVVD技术，EGR率仍然受着燃烧稳定的制约，但EGR的引入减少了部分泵气损失，提高了效率；在区域2，CVVD使燃烧稳定性得到保障，因此可以充分发挥LP-EGR的优势，使燃油经济效率提升1%～8%；在区域3，CVVD控制策略偏向以进气为主，将发动机工作点控制在爆震线边缘，但EGR的参与可以在一定程度上提高比热，降低燃烧温度和减小热损。因此仍然可以贡献出2%～9%的燃油经济率。

图12 LP-EGR对燃油经济性的贡献率[8]

3.3 燃烧技术

相比上代机型，此次现代起亚汽车公司对发动机进气道和燃烧室进行了重新设计。进气道相比以前变得更加平直，且末端增加了锐利边缘以最大限度组织滚流。

相比老款机型，新机冲程由84 mm提升至92 mm，较高的S/B比也有利于滚流的保持与增强。经过正确的设计活塞顶可将湍流旋转中心保持在气缸几何中心附近，最大限度得保留湍动能。由CDF仿真结果可知，缸内滚流可一直保留到压缩最后阶段，可以将火花塞附近的混合气浓度控制到最优，如图13所示。

图13 缸内流场CFD仿真结果[8]

除此之外，新机型还将火花塞电弧位置调整至点火效率最高的混合气浓度区，并将点火能从80 mJ提升至120 mJ，使燃烧速度进一步提升。

3.4 排气道优化

I4代机型相比I3代将排气歧管集成入了缸盖内，在提升整车热效率的同时也缩短了排气歧管的长度，因此必须考虑排气干涉问题。低转速下排气脉冲干涉效应显著，高转速下剩余废气的增加则会引起爆震。因此现代重新设计了排气歧管，将其设计成4-2-1形式，最大限度得隔离了相邻点火缸的排气干涉效应。I4机型还在涡轮进气道内铸造了隔离筋，进一步增强双进气道隔离作用，如图14所示。

图14 4-2-1排气管结构图[8]

排气系统的优化使1 000 r/min～1 300 r/min转速区域稳态扭矩提升5.9%～7%；1 500 r/min和2 000 r/min的瞬态扭矩响应时间分别提升了18.9%和13.6%。

4 结论

（1）如今，随着均质压燃点火及气门持续时间可控等先进发动机技术的问世，升功率和热效率已不再是不可兼得的一对性能指标，两者可同时提升。

（2）SPCCI火花塞控制点火压燃技术可从根本上改变汽油机燃烧方式。其技术利用类似于柴油机的压燃方式点火，可直接将热效率提升3%以上，是未来高热效率发动机的重要技术手段之一。

（3）CVVD连续气门可变持续期技术解决了DVVT技术面世以来长期无法解决的自由切换做工循环难题。此技术可依照驾驶员意图及具体工况改变气门配气策略，发挥三大循环的各自优点，为高热效率发动机设计提供了新的解决思路。

（4）快速燃烧及传热损失控制是高热效率发动机的必备技术手段。设计人员可通过对进气道、活塞顶、火花塞位置及点火能量的优化，设计创造出最大滚流进行快速燃烧。

（5）结合集成式排气歧管、变排量水泵、机油泵等节能附件的使用手段降低能量损耗，进一步提升发动机热效率。