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丰田挑战稀薄燃烧,欲实现50%热效率
2016-6-17
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来源:日经技术在线

    汽油发动机开始大步前进。《日经汽车技术》杂志2016年7月刊出了“小型化的终结”特集,介绍日本各企业正倾力于发动机终极技术——稀薄燃烧(稀燃)的动向。其中,丰田就是热情最高的企业之一。记者就汽油发动机的未来展望,采访了该公司发动机先行设计部部长友田晃利。

    最高热效率达到40%的丰田汽油发动机。在新款“普锐斯”中配备。
——丰田公布了要使汽油发动机的热效率达到50%的目标,并认为稀薄燃烧是重要的技术之一。

    要使热效率达到50%的高水平,需要最大限度地提高循环效率,就必须增加进入气缸内的气体量(工作气体)。实现这一点的手段大致有两个:一个是进入比理论空燃比要多的空气,也就是稀燃。另一个是空气量保持理论空燃比不变,但增加EGR(废气再循环)量。但这两种方法都会导致燃烧速度减慢。需要采取加快燃烧速度的技术。

    (稀燃与废气再循环之中,)从提高热效率的角度来看,稀燃增大了比热比大于尾气的空气的进入量,相对更加有利。但稀燃时尾气中所含的空气会增加,就无法再使用(去除NOx〔氮氧化物〕和HC〔碳化氢〕等的)三元催化剂。因此必须要在不依靠三元催化剂的情况下,克服净化尾气的课题。

——作为点火燃烧贫混合气体的技术,压缩汽油燃料使其自燃的HCCI(均质预混合压燃)受到关注。

    HCCI对于提高轻负载区域的热效率是有效的,但目前还比较难实现。需要借助火花点火等“可以自主控制燃烧的手段”。

    HCCI不能像火花点火方式那样,强制性地控制点火(燃烧开始)时间。必须按照目标,严格控制自燃温度、湿度、气压、缸内残留气体成分比例等条件。而且必须推测燃料性状。因为点火反应时间会因燃料性状不同而变。世界各地的燃料性状相去甚远,今后差异还有可能越来越大。

——丰田正在关注相应于发动机负载改变压缩比的可变压缩比技术。

    要提高热效率,提高压缩比是基本方法。但压缩比提高时,高负载区域容易发生异常燃烧(爆震)。虽然可考虑降低吸气温度及气缸壁温度(冷却水温)等办法,但最有效的还是降低压缩比。最好是在部分载荷区域有高压缩比以提高热效率,而在容易发生爆震的区域降低压缩比。实现这一点的就是可变压缩比技术。虽然世界上对此早就在研究,但因为机构制造困难,至今仍未能量产。尽管如此,因能最有效地抑制爆震,我认为其今后也仍是重要的技术。

——看来燃烧控制将变得重要。

    努力提高热效率会降低燃烧的稳定性。具体来说,因环境条件的变化、燃料性状的偏差、气缸之间的差异等,很可能导致稳定燃烧变得困难。通过利用基于发动机物理模型的前馈控制、基于各种传感器信息的反馈控制等,来稳定环境条件,使燃烧在不同的环境条件都能保持稳定的措施将会变得重要。

——目前在全球广泛使用的小型化发动机今后将会如何?

    排量过小的小型化发动机会减少,与车辆尺寸相适应的“适度尺寸(合理排量)将成为主流。某些车辆还有可能为自然吸气发动机设置较大排量的“大型化”。

    原本就是多缸、大排量的自然吸气发动机时,可以通过增压小型化,使发动机的使用区域转移到燃效良好的区域(相对靠近高负载侧)。能够提高燃效性能。但是,增压小型发动机在高负载区域的使用频率会增加。难以达到今后愈发严格的排放标准。新的燃效、排放规定“WLTP(Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure)”和“RDE(Real Driving Emission)”即将生效。与过去相比,发动机高负载区域的使用频率会增加。

    另外,在增压器不易起效的区域(主要是低转速区域),增压发动机其实与自然吸气发动机是一样的。如果排量过小,车辆的响应性有可能变差。

 

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