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---------------------------------------------------------------------- 傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)還有救嗎？在充斥著電動化與新能源趨勢論調(diào)的當(dāng)下，再去談傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，是否有些格格不入，甚至于抱殘守缺呢？事實(shí)上，即使電動時代有著“當(dāng)紅炸子雞”的明星光環(huán)，但傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)仍占據(jù)了絕對的統(tǒng)治地位。百花齊放，或許是下一個常態(tài)。 ▎50%的熱效率，有可能嗎？ 2020年，車用內(nèi)燃機(jī)熱效率的“期待值”是50%。很多人十分疑惑，50%的熱效率究竟是一個怎樣的概念？ 通俗點(diǎn)講，熱效率就是指發(fā)動機(jī)把燃油“百分之多少”的能量有效地轉(zhuǎn)化成了動能，而不是白白以熱的形式損失掉了。但這個比值并沒有想象中那么高，從目前普及的技術(shù)來看，汽油機(jī)的熱效率約為30%至35%，柴油機(jī)高一點(diǎn)，可以達(dá)到40%。 行業(yè)內(nèi)有一個不成文的共識，如果發(fā)動機(jī)的熱效率提高了1%-1.5%，就可以看作“新一代發(fā)動機(jī)”了。 由此來看，如果汽油機(jī)的熱效率可以一躍攀升至50%，所獲成就是相當(dāng)驚人的。2016年年底，豐田發(fā)布了一臺2.5L直列四缸汽油機(jī)，熱效率為41%，已然相當(dāng)不易。而在馬自達(dá)第二代“創(chuàng)馳藍(lán)天”的技術(shù)設(shè)想中，“夸下?？凇?，預(yù)計到2020年實(shí)現(xiàn)熱效率50%，技術(shù)的核心關(guān)鍵詞正是HCCI（均質(zhì)充量壓縮燃燒）。 三種燃燒模式對比，最右為HCCI? ▎腦洞問題：如果把汽油加入柴油車中會怎樣？ 在聊到HCCI發(fā)動機(jī)之前，筆者仍想繼續(xù)拋出一個“腦洞問題”：如果把汽油加入柴油機(jī)中會發(fā)生什么現(xiàn)象？同理，把柴油加入汽油機(jī)中呢？ 在探討上述問題之前，首先要明白汽油機(jī)與柴油機(jī)的本質(zhì)區(qū)別。從燃燒方式上來說，汽油會與空氣提前混合均勻，在進(jìn)入燃燒室之后，由火花塞點(diǎn)火，發(fā)生燃燒；柴油不會與空氣提前混合，而是直接噴入缸內(nèi)，由于活塞對混合氣的壓縮作用，發(fā)生燃燒。 汽油機(jī)（火花塞）與柴油機(jī)（噴油嘴）的區(qū)別? 科普結(jié)束，現(xiàn)在開始回答清奇的“腦洞問題”。如果把汽油加入柴油機(jī)，汽油將會直接噴入氣缸，此時沒有火花塞點(diǎn)火，但在壓縮作用下，仍可以著火燃燒，只是過程粗暴，接近于爆震。 如果把柴油加入汽油機(jī)，介于柴油粘性大，不易揮發(fā)，前期與空氣的混合程度不理想，即使進(jìn)入缸內(nèi)，又由于汽油機(jī)的壓縮比較小，柴油混合氣幾乎難以壓燃，而火花塞的存在對柴油的持續(xù)燃燒意義不大。（也就是，柴油加入汽油機(jī)，可能根本就打不著火。） 總結(jié)一下，柴油機(jī)最合適，乃至唯一的燃燒方式是“壓燃”，而目前汽油機(jī)可以穩(wěn)定燃燒的方式，仍是“火花塞點(diǎn)火燃燒”。那么問題來了，有沒有一種可能性，汽油機(jī)也采用“壓燃”方式呢？ 答案正是HCCI發(fā)動機(jī)，汽油壓燃不是夢，甚至于，HCCI本身對燃料并不挑剔，汽油也好，柴油也罷，替代燃料照樣可以燃燒使用。 通用也曾研究過HCCI發(fā)動機(jī)? ▎HCCI發(fā)動機(jī)，究竟是何方神圣？ HCCI其實(shí)是一串英文術(shù)語的首字母縮寫，即“Homogeneous Charge Compression Ignition”，通常翻譯為“均質(zhì)充量壓縮燃燒”，或者“均質(zhì)稀薄壓縮燃燒”。也就是說，HCCI發(fā)動機(jī)的本質(zhì)是“壓縮燃燒”，這不就是柴油機(jī)的燃燒原理嗎？如今也可以在汽油機(jī)上實(shí)現(xiàn)了。 事實(shí)也正是如此。HCCI發(fā)動機(jī)結(jié)合了“柴油機(jī)壓縮燃燒”和“汽油機(jī)均質(zhì)混合”的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)汽油機(jī)相比，不再需要節(jié)氣門和火花塞，壓燃可使混合氣多點(diǎn)同時著火，燃燒持續(xù)期短，得到與壓燃式發(fā)動機(jī)相當(dāng)?shù)摹⑤^高的熱效率；而與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，混合氣是以均質(zhì)的狀態(tài)形成的，混合程度更好，燃燒反應(yīng)同步進(jìn)行，燃燒火焰溫度低，氮氧化物和碳煙排放較少。 站在消費(fèi)者的立場上來看，HCCI發(fā)動機(jī)如果普及，最直接的受益莫過于“節(jié)油”。按照馬自達(dá)的預(yù)測，熱效率提高到50%以后，油耗可以再降30%，甚至于在沒有混合動力介入的情況下，達(dá)到3.3L/100km的低油耗水平。 HCCI發(fā)動機(jī)的碳煙和氮氧化物排放低? ▎量產(chǎn)之路的重重挑戰(zhàn) 前文提到了，汽油機(jī)是點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)，而柴油機(jī)是壓燃式發(fā)動機(jī)，著火方式背道而馳。但百年來，汽油機(jī)與柴油機(jī)之間是一個不斷融合的過程。諸如，柴油機(jī)高壓共軌，采用缸內(nèi)直噴的供油方式，而現(xiàn)在的汽油機(jī)也有了GDI缸內(nèi)直噴技術(shù)，“上古時代”的化油器基本消弭了。 HCCI本身也是汽油機(jī)與柴油機(jī)技術(shù)優(yōu)勢的一次融合，或者說，終于將汽油“壓燃”了。但是，如果論說量產(chǎn)，仍有重重挑戰(zhàn)需要克服。 挑戰(zhàn)1：著火時間不易控制 點(diǎn)燃式的汽油機(jī)可以改變火花塞的點(diǎn)火時間，壓燃式的柴油機(jī)可以改變缸內(nèi)噴油的時刻，但HCCI發(fā)動機(jī)吸入的是一團(tuán)均勻的混合氣，壓縮之后多點(diǎn)都在燃燒，著火時間提前，還是延后，其實(shí)是很難判斷的，也沒有十分有效的控制手段。 挑戰(zhàn)2：運(yùn)行工況的拓展問題 HCCI的特點(diǎn)之一是燃燒反應(yīng)較快，所以還要通過一定的手段“壓”住反應(yīng)速率，一般會采取較高的EGR率來減緩燃燒速率，以免發(fā)生爆震。由此帶來的負(fù)面影響是，缸內(nèi)的平均指示壓力難以達(dá)到較高的水平。 如果用專業(yè)術(shù)語來講，在小負(fù)荷工況時混合氣濃度過稀，發(fā)動機(jī)易“失火”，而在大負(fù)荷工況時發(fā)動機(jī)放熱速率過快，發(fā)動機(jī)工作粗暴。所以，有觀點(diǎn)曾提出，不妨將HCCI發(fā)動機(jī)應(yīng)用于混合動力，HCCI發(fā)動機(jī)僅工作于經(jīng)濟(jì)性最佳的一個點(diǎn)，專司“發(fā)電”，也就繞過了工況拓展的問題。 號稱解決了HCCI難點(diǎn)的諾德士循環(huán)? 挑戰(zhàn)3：HC排放的控制問題 前文曾提到，由于HCCI發(fā)動機(jī)屬于“低溫燃燒”，缸內(nèi)溫度低，不足以導(dǎo)致氮氧化物的生成。但是，低溫條件下，尤其在小負(fù)荷工況的時候，燃燒效率降低，HC的排放反而成為了棘手的問題。 挑戰(zhàn)4：冷啟動困難 在取消了火花塞之后，HCCI發(fā)動機(jī)的冷啟動是一個問題。不知道讀者朋友是否曾有過這樣的觀察，在寒冷的冬天，一些柴油貨車，或者農(nóng)用車，為了能點(diǎn)著火，會在油箱下面燃燒秸稈來“煨”。但對于“壓燃”的汽油機(jī)，顯然不能這么冒險，技術(shù)上也有一些解決的辦法。比如仍然保留火花塞，在冷啟動不易的情況下，先搖身一變?yōu)椤包c(diǎn)燃式汽油機(jī)”，這就是SI（火花塞點(diǎn)火）-HCCI雙模式發(fā)動機(jī)。 ▎小結(jié) 傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)會被淘汰嗎？在這個圈子里，有人惶恐，也有人不甘。但時至今日，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)仍然居于主導(dǎo)地位，在尋找替代之王的同時，其實(shí)發(fā)動機(jī)自身也在戮力前行，而且走向了技術(shù)的大融合，HCCI就是鮮明的一個案例。不可否認(rèn)，新能源在崛起，注定了一個百花齊放的時代，也請給傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)更多的技術(shù)自信。 五分鐘看懂“發(fā)動機(jī)熱效率”究竟是什么 作者：車威 這兩天，奇瑞第三代發(fā)動機(jī)下線的消息已經(jīng)占據(jù)了各大新聞頭條，關(guān)注點(diǎn)都集中在37%以上的熱效率。這個數(shù)據(jù)，不但超過了所有自主品牌發(fā)動機(jī)，就算在世界范圍內(nèi)也十分罕見。不過，大家在高興自豪的同時，可能有些人會存在以下幾點(diǎn)疑惑。那就是發(fā)動機(jī)熱效率究竟是什么？它又是怎么來的？計算方式是否都一樣？還有哪些熱效率很高的發(fā)動機(jī)？ 發(fā)動機(jī)熱效率是什么？ 發(fā)動機(jī)熱效率的定義是：發(fā)動機(jī)中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱量與所消耗的熱量的比值。這就好比，一間工廠雖然共有10名工人，但真正干活的卻只有3名，所以這里的 “熱效率”就是30%。對于發(fā)動機(jī)來說，用實(shí)際輸出的功，除以總共消耗燃料的熱量，所得到的比值就是發(fā)動機(jī)熱效率。 這里還要說明兩點(diǎn)，一是，燃料都是不會被完全燃燒的，積碳和尾氣中都隱藏著未被燃燒掉的部分。二是，燃燒的部分并不一定都會轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械工，比如提前點(diǎn)火消耗的燃料就不直接參與做工，但會間接提升做工行程的燃燒效率。 兩種不同的發(fā)動機(jī)熱效率計算方式 發(fā)動機(jī)的熱效率分為指示熱效率和有效熱效率兩種，主要取決于“輸出功”來源的不同。先來說指示熱效率，這里的“指示”代表“實(shí)際循環(huán)指示功”，也就是推動活塞所消耗的功。 不過，能量從活塞到發(fā)動機(jī)輸出軸的傳遞過程中，會經(jīng)過活塞連桿、曲軸等結(jié)構(gòu)，期間每通過一個連接點(diǎn)都會損失掉部分能量。所以，指示熱效率的參考意義比較有限。 有效熱效率因此就變得關(guān)鍵起來，它是指實(shí)際循環(huán)有效功與所消耗的熱量的比值，這也是最能反應(yīng)發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性與效率的數(shù)據(jù)?！皩?shí)際循環(huán)有效功”可以看成發(fā)動機(jī)最終輸出的功率，用它來計算出的結(jié)果，對實(shí)際應(yīng)用有很高的參考價值。 必須知道的幾款高熱效率發(fā)動機(jī) 豐田2.5L發(fā)動機(jī)（41%）
去年，大眾在維也納車展上發(fā)布了一臺全新1.5T發(fā)動機(jī)。新發(fā)動機(jī)的壓縮比為12.5:1，并帶有可變幾何截面渦輪、噴射壓力達(dá)350bar的燃油噴嘴等諸多設(shè)施，熱效率能夠達(dá)到37.5%。 本田1.5T發(fā)動機(jī)（38%）
與豐田可用于混動系統(tǒng)的2.5L發(fā)動機(jī)不同，本田的1.5T發(fā)動機(jī)只應(yīng)用思域、冠道等傳統(tǒng)動力汽車上面，這款發(fā)動機(jī)的熱效率也達(dá)到了38%。 大眾1.5T發(fā)動機(jī)（37.5%）
去年，大眾在維也納車展上發(fā)布了EA211 1.4TSI發(fā)動機(jī)系列的全新1.5T發(fā)動機(jī)。新發(fā)動機(jī)的壓縮比可達(dá)12.5:1，并帶有可變幾何截面渦輪、噴射壓力達(dá)350bar的燃油噴嘴等諸多設(shè)施，熱效率能夠達(dá)到37.5%。 奇瑞第三代發(fā)動機(jī)（超過37%）
奇瑞第三代發(fā)動機(jī)現(xiàn)有1.2TGDI和1.6TGDI兩種型號，熱效率超過了37%，預(yù)計明年就會應(yīng)用于量產(chǎn)車型之上。這款發(fā)動機(jī)將在進(jìn)氣、冷卻等多個方面進(jìn)行強(qiáng)化，包括與供應(yīng)商霍尼韋爾一起優(yōu)化了渦輪增壓器、采用全新的水冷式中冷器等等。 結(jié)語 在日益注重節(jié)能環(huán)保的今天，發(fā)動機(jī)熱效率的地位正在被不斷體提升上來，為它努力也早已不只是合資品牌的權(quán)利。自主品牌這些年的進(jìn)步都有目共睹，這次奇瑞能夠?qū)嵝蕟为?dú)拿出來說，也正是地位及實(shí)力提升的表現(xiàn)。而這款發(fā)動機(jī)最終能否像說的一樣優(yōu)秀，就讓我們一起期待明年搭載它的量產(chǎn)車型吧。 --------------------------------------------------------------- 汽車工程師之家 |
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