我們于5月16日更新了“采用低熱損失燃燒概念的高效率柴油機(jī)——豐田直列4缸2.8 L ESTEC 1GD-FTV發(fā)動(dòng)機(jī)”一文，在讀者中反響強(qiáng)烈，不少讀者對(duì)ESTEC技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。本期的“好文推薦”我們將對(duì)ESTEC技術(shù)進(jìn)行總體性的介紹。下期的“好文推薦”我們將針對(duì)具體的型號(hào)ESTEC發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行介紹，讀者朋友們就等著一飽眼福吧！

混合動(dòng)力車(chē)上市距今已近20 年，這一技術(shù)為全球CO2 減排作出了重大貢獻(xiàn)。眾多研究都致力于使混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最低燃油耗( 即最高熱效率) ，可通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域達(dá)到這一要求。同時(shí)，考慮到氣候變化和能源問(wèn)題，關(guān)注常規(guī)車(chē)型的低燃油耗研究進(jìn)展也同樣重要。采用高壓縮比的阿特金森循環(huán)是提高混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的常用方法，但缺點(diǎn)是會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降。相比混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的低負(fù)荷工況熱效率更加重要，因此必須克服上述問(wèn)題。介紹具有高熱效率的低燃油耗技術(shù)ESTEC，敘述其實(shí)現(xiàn)高熱效率的途徑，以及將該技術(shù)用于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體方法。

氣候變化和能源問(wèn)題使改善車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性成為當(dāng)務(wù)之急。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、零部件供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)正努力提高熱效率，以改善車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的演化

圖1 示出了傳統(tǒng)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率及其未來(lái)變化趨勢(shì)。當(dāng)前，常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率約為36%，混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)則達(dá)到38%以上。在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用阿特金森循環(huán)、冷卻廢氣再循環(huán)( EGR) 、電控水泵和低摩擦技術(shù)，能對(duì)提高熱效率起重要作用。未來(lái)有望將上述技術(shù)用于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，從而使兩者的熱效率均達(dá)到40%以上。上述技術(shù)能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況下的熱效率，目前正在評(píng)估這些技術(shù)能否克服自然吸氣汽油機(jī)的缺點(diǎn)。從未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，要使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到40%以上，采用大容量冷卻EGR 和稀薄燃燒是必不可少的，這意味著燃燒過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)而言越來(lái)越重要。此外，也要關(guān)注低摩擦和氣門(mén)傳動(dòng)系統(tǒng)等基礎(chǔ)技術(shù)的改進(jìn)。下文將具體介紹具有高熱效率的低燃油耗( ESTEC) 發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)技術(shù)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率

首先從理論角度闡述提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的方法，然后觀察實(shí)際的運(yùn)行狀況，最后指出其未來(lái)趨勢(shì)。奧托循環(huán)的理論熱效率可以表述為:

式中，ε 表示壓縮比或膨脹比，Cp 為定容比熱，Cv 為定壓比熱。式( 1) 和式( 2) 表明，高壓縮比或高比熱比可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。具體而言，可以考慮提高幾何壓縮比，推遲排氣門(mén)開(kāi)啟正時(shí)，以及采用稀薄燃燒等。圖2 為計(jì)算了機(jī)械損失、泵氣損失、冷卻損失、排氣損失，以及未燃損失后發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際熱效率值。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡對(duì)比( 2ZR-FXE 直列4 缸1.8 L 發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速2000 r /min)

降低機(jī)械損失是基本的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，具體的技術(shù)方案有減小活塞環(huán)張力、優(yōu)化軸承軸線(xiàn)和寬度等。可以利用先進(jìn)的氣門(mén)機(jī)構(gòu)、EGR 和稀薄燃燒等技術(shù)逐步達(dá)到降低泵氣損失的目的。EGR 和稀薄燃燒等技術(shù)還能降低燃燒溫度，進(jìn)而減少冷卻損失，同時(shí)，諸如長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)和優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)等對(duì)降低冷卻損失也很重要。增大膨脹比是減少排氣損失的首選方法，如上文所述，增大膨脹比意味著提高幾何壓縮比或推遲排氣門(mén)開(kāi)啟正時(shí)，但如果提高幾何壓縮比，則必須改善發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性。

技術(shù)人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的技術(shù)。圖3 示出了現(xiàn)已開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力技術(shù)和未來(lái)可能采用的技術(shù)。在開(kāi)發(fā)第1 代混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，主要通過(guò)采用非常規(guī)高膨脹比的阿特金森循環(huán)和低摩擦技術(shù)來(lái)提高熱效率。當(dāng)前的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)還引入了冷卻EGR 和電控水泵，可以達(dá)到38%以上的熱效率。研究人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用大容量冷卻EGR 對(duì)改善抗爆性和降低泵氣損失均有明顯收效。未來(lái)對(duì)混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)將會(huì)是采用燃燒技術(shù)，擴(kuò)大EGR 上限，并通過(guò)稀薄燃燒方式降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失。

圖3 未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)趨勢(shì)

2 混合動(dòng)力技術(shù)在常規(guī)車(chē)型上的應(yīng)用

提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的典型做法是采用高壓縮比的阿特金森循環(huán)，不過(guò)，采用高壓縮比的缺點(diǎn)之一是會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降( 圖4) 。混合動(dòng)力系統(tǒng)可以借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的下降，但對(duì)常規(guī)車(chē)型來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)很難做到。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500 ～ 2000 r /min、負(fù)荷50%左右的運(yùn)行范圍內(nèi)，混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的性能和熱效率( 圖5) 。相比混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況下的熱效率更加重要。

本文針對(duì)采用阿特金森循環(huán)后造成的低速扭矩不足，介紹補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降的方法，以及在低負(fù)荷工況下優(yōu)化內(nèi)部EGR、冷卻EGR、阿特金森循環(huán)的方法和降低摩擦的技術(shù)。所有數(shù)據(jù)均來(lái)自1NR-FKE型發(fā)動(dòng)機(jī)ESTEC 技術(shù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。31NR-FKE 型ESTEC 發(fā)動(dòng)機(jī)概況表1 列出了新開(kāi)發(fā)的1NR-FKE 型ESTEC發(fā)動(dòng)機(jī)和現(xiàn)有1NR-FE 型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格，1NR-FE 型發(fā)動(dòng)機(jī)配裝在豐田汽車(chē)公司的A級(jí)和B級(jí)車(chē)上。

圖4 混合動(dòng)力車(chē)型和常規(guī)車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩

圖5 頻率脈譜對(duì)比

圖6 1NR-FKE 型發(fā)動(dòng)機(jī)

阿特金森循環(huán)從1997 年開(kāi)始正式用于第1 款Prius 混合動(dòng)力車(chē)，為實(shí)現(xiàn)卓越的熱效率，采用高達(dá)13.5 的幾何壓縮比和水冷EGR 系統(tǒng)。

為了能在常規(guī)車(chē)型上應(yīng)用阿特金森循環(huán)，采用電控VVT-i 或VVT-iE 是關(guān)鍵因素。這樣可快速而精確地控制進(jìn)氣門(mén)相位，并避免因冷起動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)油溫度和壓力變動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成制約。

水冷EGR 系統(tǒng)具有1 個(gè)高效的EGR 冷卻器，包括1 個(gè)快速響應(yīng)的EGR閥。此外，進(jìn)氣歧管、EGR閥和冷卻器之間直接連接，以降低EGR 冷卻器冷凝作用的影響。進(jìn)氣道采用強(qiáng)滾流、大流量設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速燃燒，可避免爆震。為了同時(shí)滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和燃油耗要求，新機(jī)型采用4-2-1 管狀排氣歧管設(shè)計(jì)，以減少燃燒后的缸內(nèi)殘余廢氣量。

4 恢復(fù)全負(fù)荷動(dòng)力性能

圖7 為恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩后的結(jié)果。改進(jìn)排氣歧管形狀，加入1 個(gè)新型水套隔片，并優(yōu)化噴油定時(shí)。圖8 顯示缸內(nèi)殘余廢氣量下降2.5%，補(bǔ)償了壓縮比從11.5 增加到13.5所造成的燃?xì)鉁囟壬咝?yīng)。管狀排氣歧管的掃氣效果降低了殘余廢氣量。圖9為殼狀排氣歧管與管狀排氣歧管的掃氣效果差異。

圖7 恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩后的效果

圖8 燃?xì)鉁囟鹊恼壑行?yīng)

圖9 排氣歧管的掃氣效果

5 優(yōu)化EGR 系統(tǒng)

混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用阿特金森循環(huán)和冷卻EGR降低燃油耗。但是，冷卻EGR 的應(yīng)用受到扭矩波動(dòng)的限制，而后者是由于過(guò)于依賴(lài)低溫燃燒導(dǎo)致燃燒品質(zhì)變差引起的。因此，在低負(fù)荷工況下的熱EGR區(qū)域采用內(nèi)部EGR，可以有效控制燃燒溫度，并降低燃油耗。圖10 為轉(zhuǎn)速1 200 r /min、負(fù)荷30%的低負(fù)荷工況數(shù)據(jù)。在大流量冷卻EGR 條件下，EGR 率為12% ～ 20%，扭矩波動(dòng)量超過(guò)判據(jù)值，未燃碳?xì)浠衔? HC) 排放較高，因此燃燒溫度似乎過(guò)低。另一方面，采用內(nèi)部EGR 時(shí)，氣門(mén)重疊角為45 °CA，冷卻EGR 率為0。此時(shí)，燃油耗低于大流量冷卻EGR 條件下的，扭矩波動(dòng)量表現(xiàn)良好，且未燃HC 排放有所下降。最終優(yōu)化的EGR 如圖10 中所示，氣門(mén)重疊角為45°CA，冷卻EGR 率為3%，此時(shí)燃油耗最低。

圖11 示出了優(yōu)化的氣門(mén)正時(shí)和EGR 閥步長(zhǎng)。低負(fù)荷工況下，提前排氣門(mén)正時(shí)，采用內(nèi)部EGR; 中等及高負(fù)荷工況下，推遲排氣門(mén)正時(shí)，EGR 閥步長(zhǎng)提前。

圖10 內(nèi)部熱EGR 的效果( 轉(zhuǎn)速1200 r /min，負(fù)荷30%，冷卻水溫88℃，機(jī)油溫度110℃，進(jìn)氣溫度25℃，空燃比14.6)

圖11 優(yōu)化后的EGR 和可變氣門(mén)正時(shí)( 1200 r /min)

6 摩擦損失的降低

對(duì)于高壓縮比造成的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降問(wèn)題，優(yōu)化冷卻是很好的應(yīng)對(duì)方法，但改善冷卻后會(huì)增加摩擦損失和冷卻損失，對(duì)燃油耗產(chǎn)生負(fù)面影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，采用全新外圍水套隔片后，與氣缸表面相配，其效果得到大幅增強(qiáng)。圖12 為外圍水套隔片的形狀，圖13 示出了隔片在水套中的安裝情況。

圖12 外圍水套隔片

圖13 外圍水套隔片的安裝

使用外圍水套隔片的目的在于控制氣缸表面溫度。圖14 為氣缸表面溫度分布圖。采用外圍水套隔片后，氣缸中部冷卻水一側(cè)的溫度會(huì)快速升高，而頂部和底部的溫度幾乎保持相同。

圖14 使用外圍水套隔片前后的溫度對(duì)比( 轉(zhuǎn)速2800r /min，全負(fù)荷工況，冷卻水溫度82℃)

如圖15 所示，由于采用外圍水套隔片降低了摩擦損失，所以在相同水溫下的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩得以提高。氣缸活塞一側(cè)頂部溫度與中部溫度保持相同( 圖14) ，此時(shí)點(diǎn)火滯后最小。

圖15 采用外圍水套隔片后的效果( 機(jī)油溫度110℃，進(jìn)氣溫度25℃)

7 結(jié)語(yǔ)

得益于各種技術(shù)方案的實(shí)施，1NR-FKE 型ESTEC 發(fā)動(dòng)機(jī)能保持與1NR-FE 型發(fā)動(dòng)機(jī)相同的高動(dòng)力性能，同時(shí)具有高達(dá)38%的卓越熱效率。圖16示出了該機(jī)型的動(dòng)力性能。新機(jī)型的低燃油耗運(yùn)行區(qū)域大幅增加，低負(fù)荷工況燃油耗大幅下降。與美國(guó)市區(qū)LA4 工況相似，在JC08 試驗(yàn)工況下，1NRFKE型ESTEC 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性改善率達(dá)到11%。其中，高壓縮比阿特金森循環(huán)為主要因素，摩擦降低居其次( 圖17) 。

圖16 1NR-FKE 型發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能( 冷卻水溫度88℃，機(jī)油溫度110℃，進(jìn)氣溫度25℃)

圖17 JC08 試驗(yàn)工況下燃油耗的降幅