未来汽油机三剑客之二——稀薄燃烧技术

  • 发表于: 2015/06/19 05:37:43 来源:车云网

稀薄燃烧技术只能依靠分层燃烧吗?马自达又有什么新动向?快来看看吧。

车云按:车云菌欲以丰田先行设计部部长友田晃利在日本“2015年春季大会学术演讲会”的演讲为背景,对“可变压缩比”、“稀薄燃烧”、“燃料改质”三大极具潜力的内燃机技术进行简要解读。此文是本系列的第三篇,主要聊聊稀薄燃烧技术。稀薄燃烧技术发展至今达到了怎样一种水平?还有哪些问题有待攻克?未来的研发重点又延向何方?

假如您错过了前两篇,这里有传送门:

未来汽油机三剑客之一——可变压缩比技术(上篇)

未来汽油机三剑客之一——可变压缩比技术(下篇)

如果要问稀薄燃烧是什么意思,恐怕连一个门外汉也能答个八九不离十。就大多技术而言,如果不求甚解,只想搞懂其最基本的科学原理都不是什么难事。以稀薄燃烧技术为例,一言以概之,就是利用稀混合气驱动发动机做功的一种技术。再具体点说,如果发动机的空燃比大于18:1,我们便可以称之为稀薄燃烧。当然,实际采用稀薄燃烧技术的发动机空燃比可能远高于这一比值。

稀薄燃烧技术发展简史

虽然时至今日,这项技术仍未在国内实现普及,不过要是谈及历史,稀薄燃烧技术早在40多年以前,便已成为发动机研发领域的“宠儿”。

上世纪70年代,受到石油危机及排放法规收紧的影响,人们开始对稀薄燃烧技术产生浓厚的兴趣。从理论上来讲,稀薄燃烧既实现了燃料的充分利用,又可大幅降低发动机的换气损失,同时还能减少污染物的排放,可谓是一举多得。

当时,最先提出技术方案的是日本的丰田与本田两家企业。由它们设计的一种带有副燃烧室的发动机,便能实现利用稀薄混合气驱动发动机做功,再用氧化催化器净化排出的尾气。可遗憾的是,由于从副燃烧室喷出火焰再传导到主燃烧室,热量损失过大,其最终的节油效果相比普通汽油机并未有明显改善。

到了上世纪80年代,丰田、本田、通用等公司先后设计出了一种具有开口式燃烧室的稀薄燃烧发动机,用以取代此前的副燃烧室设计。这种燃烧室不仅在热量损失上比原设计要小上很多,且对缸内涡流的形成效果也更为出色。

与此同时,随着燃料喷射更加精细化,以及各类传感器的日趋成熟和精确,精密控制空燃比已成为可能。故在这一时期,微机控制电喷技术也逐渐在稀薄燃烧发动机中得到普及。其中最具代表性的莫过于丰田T-LCS(丰田稀薄燃烧系统),该系统采用了速度密度型汽油喷射装置,能各种工况下,对喷油时间、喷油量及点火时间等参数进行精确、高效调节,进而使发动机拥有更为理想的工作状态。

不过要说稀薄燃烧发动机真正崭露头角,那已经是上世纪90年代后的事情了。

1996年日本三菱汽车率先在当时的4G93 1.8L发动机改进型上引入了现代电控缸内燃油喷射系统,后又经多次改良陆续推出了6G74及4G15等一系列缸内直喷机型,使这一技术迅速成熟。

借此契机,将缸内直喷技术与稀薄燃烧技术相结合,开始成为稀薄燃少技术研发的新宠。相较于采用气道喷射稀薄燃烧技术,直喷稀薄燃烧技术在能量榨取上可谓是更加“穷凶极恶”。不仅将前者的优点完整加以保留,且在动力输出指标上,也普遍要再高近一成。

殊途同归的稀薄燃烧技术

那经历了数十年的发展演变,今天稀薄燃烧技术又是何种模样呢?

首先,从技术角度来看,其主要呈现出两大特点。

  1. 1.超稀薄燃烧愈发受到关注。如前几年红极一时的本田的i-VTEC I型直喷汽油发动机,其空燃比可达65:1,这要放在稀薄燃烧技术的发展初期,简直就是痴人说梦。

  2. 2.结构大幅精简,控制渐成核心。无论是本田的VETC-i,还是三菱的MVV,与早期的稀薄燃烧系统相比,其自身构造都得到了相当程度上的简化,并逐渐趋于稳定。利用多气门及精确喷射控制,繁冗的硬件结构被尘封史册,取而代之的是对软件方面的不断优化。

其次,虽然当今的稀薄燃烧技术称得上是遍地开花,叫法各异,但实际上若以喷油方式对其加以分门别类,却又基本上可划归为气道喷射稀薄燃烧(PFI)与缸内直喷稀薄燃烧(GDI)两种实现形式。

话说到此,我们先不急于对二者进行点评,而是将目光移至另一项技术身上——分层燃烧。因为,无论是PFI还是GDI,都是在该技术的基础上进化得来的。

众所周知,混合气中如果汽油含量越低,就越难被引燃,而采用稀薄燃烧的发动机其空燃比往往可以达到25:1甚至更高,因此,就必须对混合气加以分层,使靠近火花塞部分的混合气具有较高的空燃比,以利于点火,这就催生出了分层燃烧技术。

目前,为达到分层燃烧的所采取的技术手段主要有以下三种:

  1. 1.采用多次喷射技术,使混合气浓度加以区分。

  2. 2.利用燃烧室壁面结构,令混合气产生滚流,进而产生浓度差异。

  3. 3.通过可变进气技术,在发动机低速运转时,对部分进气道实施截流,以增大进气涡流强度,促使混合气分层的形成。

一般来说气道喷射稀薄燃烧(PFI)发动机多采用第三种技术方案,而直喷稀薄燃烧(GDI)发动机则对前两种实现手段更为青睐。

GDI稀薄燃烧技术示意图

明晰了什么分层燃烧后,我们再将话题重新回到PFI与GDI两种稀薄燃烧门类上。其实,单纯从市场发展去市场看,目前后者已成为了当今市场中的绝对主流,这点很容易理解,因为缸内直喷技术本身已是一种潮流。不过,话虽如此,但二者之间还是有诸如共性可循,尤其是在尾气处理方面所受到的技术制约基本趋于一致。

车云菌前面已经介绍过,稀薄燃烧技术对车辆燃油经济性的提升及减少污染物的生成都大有裨益,可随着空燃比的增加,发动机尾气中NOx的处理难度也会随之增大。

由于三元催化器需要借助排气中的HC或CO进行NOx还原反应,而随着空燃比的增加,混合气燃烧温度降低会抑制HC和CO的生成,使得NOx的还原反应便无法进行,因此,稀薄燃烧发动机通常需要增加额外的NOx吸储型催化转化器来解决这一问题。

可难题也随之出现,NOx吸储型催化转化器对于锰、硫这两种元素十分排斥,如果废气中含量过高,则会使NOx吸储型催化转化器中毒,进而失去催化效能,故采用稀薄燃烧技术的发动机还需额外增加与之相对应的处理环节。

以硫元素的处理为例,降低其含量的方法主要有两种方式,要么从源头遏制,采用低硫含量的汽油,不过这种汽油并不是到处都能买到,而且不受整车厂商控制,所以实现起来难度极大。

另外就是后期设法补救,如大众便通过将催化剂反应温度提高到650度以上方式,使硫通过燃烧而加以消除。

可这种做法也颇具局限性,尤其是过于依赖发动机的运转状态。当车辆保持高速行驶时,保持这样高的催化剂温度尚容易实现。但在市内低速行驶时,催化剂的温度便会下降,进而导致附着在催化剂中的硫无法被完全烧除。因此,像一些汽油硫含量比较高的国家,如主要从中东进口石油的中国,稀薄燃烧技术的推广就饱受制约。

未来稀薄燃烧技术的宠儿——HCCI

那是否稀薄燃烧就一定要采用分层燃烧的方式呢?车云菌在很多论坛中潜水的时候就发现持这种观点的人并不在少数。其实如果要放在稀薄燃烧技术刚刚兴起的年代确实可以得出这一结论。不过,现而今随着HCCI(均质稀薄压燃技术)的声名鹊起,在均质混合气环境下实现稀薄燃烧早已成为一种可能。

简单来说,HCCI就是一种令汽油机采用压燃点火方式来实现稀薄燃烧的独特技术。该技术在上世纪90年代初便已被提出并开始实验,只不过由于当时的电子控制技术没有现在成熟,所以并不为外界所熟知。

相比于分层稀薄燃烧的扩散引燃燃烧方式,HCCI技术的好处显而易见。

首先,HCCI可使所有燃料几乎在同一时刻被压燃,从而消除了火焰扩散中的能量损失,使得发动机整体燃效得以进一步提升。

其次,由于压燃点火不再需要火花塞,故长期困扰汽油机的炙热区的顽疾也将得到根治。

另外,HCCI还可以按照变质调节的方式,直接通过调节喷油量来调节扭矩,不再需要节气门,令发动机运转时的泵气损失显著降低。

当然,作为一项新兴技术,HCCI所遭遇的技术瓶颈同样不比优点少。

其一,由于吸入的混合气只有在高温、高压下才能实现压燃,因此其很难与涡轮增压技术相搭配。

其二,HCCI的燃烧速度绝对不能太快,否则极易引发爆缸。

第三,由于压燃方式更易引发NOx及CO生成,因此,对燃烧温度必须加以控制,这间接导致了HCCI所适用的发动机转速区间较为狭小。

为了削弱以上弊病,几乎所有的发动机生产厂商都会将废气再循环技术作为HCCI的固定搭配,而这一技术的一个前提条件就是点火时间可变。

虽然在废气再循环的实现方式上,每个厂商都有各自的门道,但均需遵循一点原则,即废气所占混合气的比例不得低于50%。只有这样,废气才能在加热混合气及调节缸内温度之余,一并实现对点火延时的有效调节。

创驰蓝天发动机

在HCCI实用化方面,马自达或将成为第一个吃螃蟹的整车制造商。据此前媒体报道,其正在研发第二代创驰蓝天发动机便会应用该技术。但即便如此,第二代马自达创驰蓝天发动机也不会完全实现HCCI,点火系统也可能会继续保留,HCCI只有在部分工况时应用。

说到这儿,有些人可能会在潜意识中悟到什么。是的,对于稀薄燃烧技术,日系品牌总是迫不及待地寻求落地,而欧美品牌却显得并不那般心急。这究竟是所为何故呢?

简单来讲,可将其归结于造车理念上的差异。日系厂商向来对燃油经济性颇为看重,所以只要是对降低油耗大有裨益的技术,越快实现落地,就越符合厂商心中的预期,即便是多花上一些钱也在所不惜。

可欧美车企则不然,相比于油耗降个百分之几,它们更关注车辆的动力性。就像HCCI技术那样,稀薄燃烧对动力的贡献几乎为零,甚至还可能出现负值。因此,权衡再三,只要不是被法规倒逼到必须为之的地步,欧美品牌还是更倾向于采取稳扎稳打的技术推进策略。

车云小结:

从上世纪70年代萌生,到如今的遍结硕果,稀薄燃烧技术的蜕变速度不可谓不快,这使得车云菌不禁要问,待翻过了HCCI这座大山,稀薄燃烧的下一站又将会抵达哪里?

或许这一问题答案可在日产几年前改装的一辆“March”车型上寻得。该车通过燃料改质技术将氢气参杂在油气混合气之中,以达到提高稀薄混合气可燃性之目的。至于具体做法如何?敬请关注本系列选题的下一期文章——燃料改质技术。

相关标签:
发动机
未来汽油机三剑客
环保
  • 车云星
  • 空间站
  • 福特星球
  • 虫洞

加料 /

人评论 | 人参与 登录
查看更多评论