混合動力技術對降低車輛的燃油耗和CO2發揮了巨大作用。混合動力發動機上采用阿特金森循環、冷卻廢氣再循環(EGR)、電控水泵，以及低摩擦技術均有利于提高熱效率(或降低燃油耗)。這些實用技術今后也有望應用于常規發動機中。介紹了提高發動機熱效率的具體途徑及未來發展趨勢，著重論述了高熱效率(ESTEC)技術在混合動力發動機、常規發動機，以及增壓發動機上的具體應用。

0前言

發動機作為汽車的動力源，其熱效率的提高為降低燃油耗起到了重要作用。豐田公司從第1代混合動力車(Prius車)開始，就關注于提高發動機的熱效率并進行相關的研發。由于采用阿特金森循環、冷卻廢氣再循環(EGR)、電動水泵，以及低摩擦等技術，使最高熱效率提高至38．5%。今后，提高發動機的熱效率越來越重要。在遠期規劃中，設定了實現熱效率50%的目標;在短期計劃中，要使常規車用發動機的熱效率提高到40%以上。因此，以燃燒技術為基礎的低摩擦技術，以及氣門傳動系統的改進等也顯得越來越重要。此外，由于這類技術也可在增壓發動機上進行應用，因此能對各種車輛降低燃油耗發揮重要作用。

本文圍繞改進燃燒技術有利于提高發動機熱效率這一核心課題，論述了提高熱效率的各類技術的開發動向。另外，本田公司將這種低燃油耗技術稱為具有高熱效率(ESTEC)技術，自2014年起，ESTEC技術開始在自然吸氣發動機、增壓發動機上進行應用，下面將具體介紹該技術。

1發動機熱效率的發展趨勢

圖1示出了汽油機熱效率的演變及未來的變化趨勢。如前文所述，在混合動力車用發動機開發中，使其最高熱效率提高到38.5%，并且在將來，要求混合動力車用發動機實現熱效率50%。

ESTEC技術不但能提高發動機的最高熱效率，也可以提高部分負荷(低負荷)工況下的效率。借助該技術克服自然吸氣汽油機的缺點，如熱效率不高等。由于在增壓發動機上開展這類技術應用，需滿足多樣化和低燃油耗的需求。

圖1 汽油機熱效率的演變與未來發展趨勢

2熱效率提升方法與未來技術趨勢

本章介紹提高汽油機效率的方法，下一章將介紹混合動力(HV)車用發動機、常規車用發動機、增壓式發動機的技術開發實例(含ESTEC技術在上述發動機上的應用)。

汽油機的理論熱效率ηth可用奧托循環的理想循環效率計算式來表達。

式(1)中，ηth表示理論熱效率，ε表示膨脹比或壓縮比，κ表示熱容比。由式(1)可知，要提高熱效率，可考慮提高幾何壓縮比，延遲排氣門開啟正時，并可應用包括混合動力車用發動機在內的各種發動機。為了提高熱容比，采用稀薄燃燒是有效的措施，不過，由于氮氧化物(NOx)的排放課題待解決，其普及應用受到限制。

其次，實際發動機中產生的各種損失(圖2)，包括摩擦損失、泵氣損失、冷卻損失、排氣損失和未燃損失等。如果發動機負荷增大，則可能發生爆燃，考慮到推遲點火正時，會使排氣損失增大。為提高熱效率，降低損失，采用這些技術是必要的。

圖2 發動機熱平衡

圖3以混合動力車用發動機為實例，說明了在實際發動機開發過程中，出于提高熱效率的目的，已開發出混合動力技術，以及未來考慮采用的相關技術。第1代混合動力車Prius所采用的發動機中，顯著提高熱效率的方法是實現高膨脹比，以及采用了阿特金森循環來提高抗爆燃性。在該方法中，采用低摩擦技術，最高熱效率可達37%。而且，以該技術為核心，由于采用EGR冷卻技術及電控水泵裝置，實現了抗爆燃性能的改善，以及冷卻損失和摩擦的降低，因此，目前最好的發動機將熱效率提高到38.5%。由此可知，在這些技術研發中，EGR技術不僅可以應用于部分負荷工況下，用以降低泵氣損失。而且，在高負荷工況下利用EGR冷卻技術，能有效改善抗爆燃性。

圖3 未來的技術研發趨勢

根據近年來的社會需求，提高熱效率的重要性也與日俱增。除了混合動力車用發動機的熱效率達40%以上，將常規車用發動機的熱效率也提高到40%以上，成為未來發動機技術的研發趨勢。

為實現這些目標，降低泵氣損失與冷卻損失、提高抗爆燃性能對于燃燒的改善具有重大意義。本文以利于改善燃油經濟性及提高發動機動力性能的燃燒技術為中心，介紹降低燃油耗的相關技術。

3降低燃油消耗的發動機技術

3.1混合動力車用發動機的研究實例高滾

最大限度運用EGR及稀薄燃燒技術是實現高效燃燒的有效方法。為了促進燃燒，以在缸內產生強烈紊流為目標，對渦流、擠氣和滾流(的應用)進行了研究。在此除了說明這些氣流運動的特征之外，還論述了其成為未來主要應用的氣流運動的理由。

要產生渦輪，需要在進氣系統裝配渦流控制閥(SCV)，不過，如果轉速高，則會產生泵氣損失，不利于提升發動機性能。另外，從擠氣運動來看，活塞處于上止點附近時，由于在氣缸蓋與活塞之間產生強烈氣流互動，可以看到缸孔附近的爆燃現象。不過，如果擠氣率不夠大，則使得抑制EGR極限擴大與稀薄燃燒極限拓展無法產生預期的效果。所以，該技術的實用化并不容易。另一方面，通過對進氣道形狀的精心設計，確保滾流更好的促進缸內的紊流現象并確保足夠的空氣流量。所以該技術被認為是下一代發動機主流技術，其應用領域也在逐步擴大。在此，通過介紹假設的混合動力車用發動機，對其快速燃燒的實例進行了研究。

對圖4所示混合動力車Prius用發動機的進氣道形狀進行變更研究，力求產生強烈滾流。如圖5所示，與目前已經量產的進氣道形狀相比較，改進后的進氣道形狀更接近直筒狀(杯形)，圖6顯示了這時的實體發動機燃燒研究結果。由此可知，由于滾流的有效應用，EGR的燃燒限界得以拓展，從而提高了熱效率。

為了有效利用滾流，對活塞形狀進行的優化也是重要手段之一。因此，通過缸內的流動計算及實體發動機的試驗驗證，對活塞形狀進行了改進。此外，由于實施缸內強滾流化，如果氣體流動增強，會產生電火花被吹滅的現象。因此，也實施了點燃式發動機的強化。

圖7表示以進氣道形狀的變更，活塞形狀的變更，以點火系統的強化為核心，進行了發動機的改進，對發動機熱效率的提高進行了研究。為了促進燃燒，進而力求EGR冷卻技術的應用，可知在自然吸氣發動機上能使熱效率達到40%。此外，可知由于有效應用滾流，進而促進了燃燒，不僅如此，在改善抗爆燃性方面也有效果。所以，滾流技術在量產發動機中的應用也在不斷擴大。

圖4 混合動力車用發動機(2ZR-FXE)

圖5 進氣道形狀比較

圖6 進氣道形狀變更的效果

圖7 熱效率研究結果

3.2在車用自然吸氣發動機上的技術實例高滾

如前文所述，豐田公司在混合動力車用發動機的技術研發中，以提高熱效率為重點大力推進技術開發，并將ESTEC技術也應用于常規車用發動機上，并進行量產。對于常規車用發動機而言，其性能的提高相比混合動力車來說更為重要。因此，豐田公司正在重點地開展促進燃燒，以及抗爆燃措施的技術研發。在此，以排量1．0 L的3缸發動機(1KRFE)為實例，論述技術研發狀況。圖8為兼顧發動機燃油耗的降低，以及發動機動力性能的提高而采用的技術總體概況。

圖8 發動機采用的技術

促進燃燒的方法，在采用與前述相同的利用強烈滾流進行的EGR冷卻技術。投入量產時，為力求兼顧發動機燃油經濟性與動力性，從而進行了進氣道的精心設計。如果要以促進燃燒為目標，則需強化滾流。如圖9所示，進氣道的流量系數降低，將對發動機性能產生影響。因而，如圖10所示，這種發動機除了對進氣道的形狀進行了改進以外，在氣門座附近也進行了較大的改進，力求兼顧降低燃油耗與提高發動機動力性能。

其次，對兼顧抗爆燃性與低摩擦要求的技術進行了介紹。滾流由于在進氣行程中促進缸套與排氣側上部的熱交換，提高了混合氣的溫度。由此可知，通過降低該部分的溫度，可獲得抑制爆燃的效果。另一方面，可知通過提高缸套中部的溫度，在不惡化抗爆燃性能的同時，實現低摩擦的效果。因此，如圖11所示，通過設計最佳的冷卻水套隔板(隔片)，以控制缸套部的溫度，力求兼顧改善抗爆燃性能及實現低摩擦的效果。

圖9 滾流比與流量系數

圖10 進氣道的改進實例

圖11 冷卻系統的改進實例

由于集中利用這些技術，如圖12所示，新型發動機相比于原發動機，能夠改善發動機全部工況下的燃油耗。

3.2在增壓式發動機上采用的技術實例高

豐田公司從2014年起，采用了ESTEC技術的增壓發動機投入量產。新開發的排量為2．0 L的增壓發動機是全方位兼顧低燃油耗與動力性能的機型。圖13表示了發動機的開發概況。

關于促進燃燒的技術，采用了前文介紹過的強滾流。與1KR-FE發動機一樣，為兼顧強滾流與高流量系數，在進氣道形狀結構上作了精心考慮。此外，該發動機的特征在于配備了缸內直噴噴油器與進氣道噴油器。圖14示出了燃油噴射系統結構。

圖12 燃油耗的研究結果

圖13 發動機采用的技術

圖14 燃油噴射系統

為了促進燃燒，圖14中所示的技術是在每一個循環中實施多次噴射，以及在低溫條件下積極地運用進氣道噴射，抑制燃油對機油的稀釋等，最大限度地發揮缸內直噴及進氣道噴射的作用。

混合動力發動機采用了阿特金森循環，除了可以提高高負荷工況下的熱效率外，也可在低負荷工況下有效降低泵氣損失，不過，如果常規車用發動機過分推遲進氣門正時的關閉，雖然能改善燃油經濟性，但是由于發動機起動中的問題待解決，采用進氣門正時受到一定制約，因此沒有采用。發動機開發了帶有鎖銷結構的電動連續可變氣門正時機構(VVT-iw)，使得兼顧發動機起動性能與低油耗要求成為可能。此外，由于可變氣門正時(VVT)油路的改進，力求提高氣門正時變更時的靈敏度(響應性)，對兼顧行駛性能與低燃油耗也能起到一定作用。

此外，為了冷卻活塞，進行了機油噴射切換裝置及新機油的開發，并且兼顧低油耗的前提，以及避免增壓發動機的低速預點火(LSPI)。此外，由于新開發的發動機包括了渦輪增壓器在內的排氣系統，與本文介紹的技術一并使用，可使機動車用戶在世界各地順暢行駛。

在今后的發動機開發中，以本文介紹的技術為指導，力求進一步發展，使得發動機的經濟性與汽車駕駛愉悅性得到兼顧。

4結語

豐田公司為改善混合動力汽車的燃油經濟性，致力于提高發動機的熱效率。該技術的核心包含有阿特金森循環的應用、用于冷卻的EGR技術、低摩擦技術、電動水泵等設備的應用。加上這類混合動力車用發動機開發中發展起來的低油耗技術，豐田公司將該類以重點促進燃燒的新技術稱為ESTEC技術。自2014年起，該技術開始應用于自然吸氣發動機與增壓式發動機。其結論如下:

(1)作為促進燃燒的手段，采用強烈滾流是卓有成效的。由于該技術應用于混合動力用發動機上使得進一步采用冷卻的EGR技術能改善抗爆燃性，使降低冷卻損失成為可能，作為汽油機可以實現熱效率40%。

(2)利用滾流以促進燃燒的技術應用于常規車輛的自然吸氣發動機上，其改善油耗效果也非常顯著。而在常規車輛方面，由于要求發動機的高性能化，所以針對進氣道設計開展了兼顧強滾流化及發動機高動力性能化要求的研發。此外，由于同時引進改善抗爆燃性的新技術，可以兼顧低油耗與高性能化的要求。

(3)即便在增壓發動機中，應用強滾流技術也是非常有效的。而且，新開發的2．0 L發動機中，由于采用缸內直噴與進氣道噴射2種噴射方式，使得發動機從冷起動到暖機后的燃燒得到了改善。此外，為實現在混合動力發動機上應用的阿特金森循環技術，應用開發新的VVT-iw技術，謀求兼顧低油耗與發動機的起動性能的平衡。

除了本文介紹的技術改進之外，同時也進行了新的技術研發。在滿足社會需求的同時，由于實現愉悅的駕駛，也能滿足客戶的要求與愿望。