“革新燃烧技术”的研究:内燃发动机的革新道路将走向何方?

日产投入可变压缩比发动机,大众扩大小型涡轮排量

2016/11/11

概要


(*SIP课题“革新的燃烧技术”:激光使燃烧可视化)



 发动机的燃烧研究以2050年为目标推进。据IEA (国际能源机构) 预测,ICEV (内燃机构汽车) 占全球汽车销量的比例到2050年将减少至55%。但是,全球整车厂为了进一步改良ICEV的燃耗,开展激烈的竞争。全方位推进开发的丰田、小型化、PHEV (插电式混合动力车)、推进电动化的本田、VC-T (可变压缩比涡轮) 的日产英菲尼迪、以及以Rightsizing (适度小排量化) 为策略的马自达继续开发发动机。

 在日本,也效仿欧洲,成立财团 (新AICE:汽车内燃机够技术研究工会 The Research association of Automotive Internal Combustion Engines),产官学一致合作,计划使汽油/柴油发动机的热效率超过50%。欧洲将从2017年开始实施RDE (实际驾驶排放测试),大众、通用 (欧宝) 等整车厂宣布,为了在实际行驶中改善排气和燃效,将扩大发动机排量。在巴黎车展上,戴姆勒表示将致力于CASE (Connectivity-Autonomous-Shared-Electric),将把开发的重心转移至纯电动车。大众高层也宣布将致力于BEV (纯电动车) 的开发。欧洲整车厂将延迟开发FCV (燃料电池车),加快开发BEV。本报告将介绍新AICE的成果和日产英菲尼迪VC-T、以及大众的最新小型化发动机。

注)*SIP:内阁战略化革新创造项目
Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program
在迎庆义塾大学SIP发动机实验室 (小野测器技术中心内) 举行了开发实验室 (研究说明和实验室观摩)。(2016年6月)

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SIP课题“革新的燃烧技术”:汽油/柴油燃烧的最大热效率将提高至50%

 2014年成立的新AICE成员包括9家整车厂和2个组织。新AICE推进研究,自成立以来已超过2年,取得丰硕成果。作为SIP11个课题中的一个,“革新的燃烧技术”由日本全国的大学组成汽油燃烧团队、柴油燃烧团队、降低损耗团队、控制团队这4个团队组成,与整车厂和赞助企业合作,实施了积极的研究活动。位于小野测器技术中心内的庆应义塾大学SIP发动机实验室举行的开放实验室介绍了其内容。

目标值

 发动机热效率从1970年代至2010年的约40年间提高了10%。此次研究活动提出在2014年起的5年内进一步提高10%的远大目标。


(出处:MarkLines根据庆应义塾大学院饭田训正教授资料制作)



成果:汽油实现45%的热效率,柴油确定了无烟燃烧的可能性


(出处:MarkLines根据庆应义塾大学院饭田训正教授资料制作)



 2016年6月,汽油团队实现单缸发动机图示热效率达到45%。相比目前量产汽油发动机的最高值41%,提高了4个百分点。采用称为超级稀薄燃烧的技术,使空气过量系数λ提高至1.89 (原先的空气过量系数λ为1.0),形成更稀薄的空气,并燃烧。

    如果按传统的方法通过提高压缩比来提高空气过量系数,就会产生以下等问题,因此难以提高热效率。
  • 点不着火
  • 点着火了也会熄灭
  • 出现爆震
  • 热量从燃烧室的内壁散发

    本次汽油团队采取以下方法,实现图示热效率45%。
  1. 强力点火系统:混合气体的流速即使达到20m/s以上,也能很好地点火
  2. 高效涡流端口:改良燃烧室的形状,混合气体的湍流强度在5m/s以上时能促进火炎的传播
  3. 燃烧室的温度控制:压缩比在15以上也能抑制爆震
  4. 改良燃烧室表面形状:低温燃烧,冷却损耗减少50%

(出处:MarkLines根据庆应义塾大学院饭田训正教授资料制作)



 此外,柴油发动机团队采用350MPa的超高压喷射,确认无烟燃烧的可能性。原先喷射压力在200MPa时,煤烟的残留较多,无法实现燃烧的高速化。“350MPa”的“超高压喷射”确定对实现燃烧的高速化和燃烧领域的稀薄化有效。降低损耗团队取得的成果包括在试样阶段确定活塞裙部位的摩擦系数可降低至0.007等。


(出处:MarkLines根据早稻田大学理工学术院大圣野泰弘教授资料制作)


日产英菲尼迪的VC-T (VC Turbo) 发动机:全球首个量产型可变压缩比发动机

“VC-T (Variable Compression-Turbocharged)”

 日产汽车株式会社在2016年9月的巴黎车展上全球首次公开革新的发动机技术机构。该多连杆系统根据行驶情况和驾驶员输入信息,使活塞上死点的位置无缝变化,是压缩比 (容积比) 在8:1 (高性能) 至14:1(高效率) 之间自在转变的可变压缩比机构。2.0L4缸“VC Turbo”发动机的最大输出功率为200kW (268hp/272ps),最大扭矩为390N・m,实现堪比6缸汽油发动机的性能及更高的效率。此外,噪音和振动也变少,相比大功率的V6发动机更小型轻量化。该技术是内燃发动机的开发历史上一次巨大的飞跃。日产宣布2018年将为英菲尼迪车配套。

(出处:来自英菲尼迪公布资料)


 上左图通过多连杆机构,使压缩比固定在14。一般来说,压缩比高的时候热效率也高,燃效也会变高。压缩比为14.0时进行米勒循环燃烧。上右图通过多连杆机构,使压缩比固定在8。此时进行奥托循环燃烧。一般来说涡轮发动机的空气和汽油混合气体的压缩程度较低 (压缩比8.0) 利用涡轮可产生较大的功率,向燃烧室输送大量空气。

 谐波传动装置从右图的状态向①的方向旋转后,执行器臂会移动至②的方向,使多连杆位于左侧,上死点的位置上升,从而使压缩比变为14:1。

 下图是多连杆结构的图解。深蓝色的谐波传动装置①向左旋转,使红色圆圈表示的控制轴②以偏心的拉杆中心(A)为中心向左旋转。其结果控制轴中心下降(③的位置),从而提高压缩比。反之,谐波传动装置①向右旋转时,带动控制轴向右旋转。其结果控制轴上升(④的位置),从而降低压缩比。


【可变压缩比的多连杆结构】


(出处:MarkLines根据英菲尼迪公布资料制作)



【英菲尼迪VC-涡轮发动机的主要参数】

燃油类型 汽油
构成 镜面涂层缸膛
铝制汽缸体
铝制汽缸盖
汽缸盖一体型排气歧管
带中冷器的单涡流涡轮增压器
压缩比 8.0:1~14.0:1
排量 2L, 1997~1970cc (8.0:1~14.0:1)
汽缸数 4
汽门数 16 (每个汽缸)
汽门正时 进气一侧:电气式可变气门正时控制 
排气一侧:液压式可变气门正时控制
增压器 带废气门的电动式单涡流涡轮增压器
增压器冷却 带中冷器
燃油系统 汽油直喷 (DIG) 和喷油口喷射 (MPI)
最大功率 200kW(267hp/272ps)
最大扭距 390N・m(288lb・ft)
(出处:MarkLines根据英菲尼迪公布资料制作)


大众最新的汽油涡轮发动机:新一代TSI发动机扩大排量

 大众在2016年4月维也纳国际发动机研讨会上发布了TSI发动机,该产品将主力发动机1.4L汽油发动机的排量扩大至1.5L。这是为了应对自2017年起将在欧洲实施的RDE (实际驾驶排放测试),即使在发动机负荷较高的行驶条件下,油门开度相比1.4L不需要加大,但燃效和排气性能仍得到改善。与马自达的Rightsizing基于相同理念。据称,名为EA211 TSI evo的发动机在量产发动机中首次采用可变几何涡轮,压缩比为12.5:1,带停缸系统,直喷燃油压力为350气压,汽缸套采用等离子体涂层,燃效通过采用米勒循环最大提高10%。最大功率分130ps和150ps两种。

 目前大众车计划对2012年起推出的EA211 TSI主力发动机进行更新。

种类 直列4缸DOHC
16汽门IC涡轮
备注
发动机名称 CZR (EA211 TSI):传统型 EA211 TSI evo (2016款)
总排量 1394cc 1498cc 加长冲程,扩大排量
内径×行程 74.5mm×80.0mm 74.5mmx85.9mm
压缩比 10 12.5 注 (3) 提高压缩比,
采用米勒循环
最大功率 150ps 130ps 150ps (本次未公布具体信息)
最大扭矩 25.5kg・m 20.4kg・m
燃油供应装置 电子控制式
增压器 带IC的涡轮 带IC的VTG涡轮增压器 (1) 可变几何涡轮 (用于量产车)
使用燃料 无铅高端汽油
可变机构 可变气门正时 (进排气)
停缸 (ACT evo)
APS涂层 (2) 汽缸套采用等离子体涂层
350气压喷油器 通常方式 高压化
燃烧循环 奥托 米勒循环
参数图方式冷却模块 通常方式
 注
                 (1)
VTG (Variable Turbin Geometry):电动执行器,带动安装于排气涡轮机前面导入部分的叶片, 
调节流向涡轮机的排气流速。保时捷为911配套,据称此次是首次应用于量产车。
低速时也能快速转动涡轮机。
                (2) APS (Atmospheric Plasma Spray):大气压下喷射等离子体涂料。进行汽缸套的表面处理。
                (3) 150ps规格在本次发布会上只进行了预告。

(出处:MarkLines根据大众公布资料制作)

 在欧洲,RDE (实际驾驶排放测试) 将于2017年实施,因此大众、通用 (欧宝) 等整车厂都宣布,为了改善实际行驶过程中的排气和燃效,将扩大发动机的排量。

 此外巴黎车展上,戴姆勒表示将致力于CASE (Connectivity-Autonomous-Shared-Electric),开始将开发的重点转移至纯电动车。大众高层也宣布将致力于BEV (纯电动车) 的开发。欧洲整车厂将延迟开发FCV (燃料电池车),加快开发BEV。

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关键词
ICEV、电动化、PHEVFCV

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