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此前，车聚网推送了一篇《大排量发动机，会像恐龙一样从地球消失吗？》（详见左下“阅读原文”），而今年“中国心”十佳发动机评选中，涡轮增压机以九款的压倒性优势上榜，说客网友们几乎一致地悲叹：自然吸气发动机真的穷途末路了吗？ 然而，事情并不是这样的。 丰田发布的第四代普锐斯能够说明问题：其发动机的目标燃效是在JC08模式下达到40km/L（相当于2.5L/百公里）。这无疑把燃油经济性提升到了一个全新的高度，证明了混合动力远比涡轮增压有潜力。 马自达也不甘示弱，它宣布到2020年仅凭发动机就能实现目前普锐斯的燃效水平，这似乎超出了我们对热力学的认知。 1为什么压缩比会停滞不前？ 学过热力学的朋友不难理解，汽油机不断提升压缩比的目的所在：更高的压缩比意味着更高的热效率。更高的热效率意味着相同动力输出下，油耗更低，而油耗更低意味着排放更少，最终达到提升经济性的效果。因此，努力提高压缩比是每家企业期望攻克的技术难关。 目前主流汽油机的压缩比大抵在8:1-10:1左右。自然吸气大致在10:1左右，涡轮增压发动机则由于采用强制进气，为了减少爆震情况的发生，通常都会降低压缩比，大抵在9:1左右。 所谓压缩比，是指活塞在往复运动中处在下止点时，气缸总容积与活塞处于上止点时的燃烧室容积之间的比值，其实可以变相理解为气缸混合气体的压缩程度。 近年来的发展表明，压缩比有不断升高的趋势。从2011年推出的全新福克斯，到第三代本田飞度，更不用提以高压缩比为亮点的马自达了。这些自然吸气发动机都无一例外地在强调其高压缩比所带来的经济性。目前，除马自达外，一般发动机都把压缩比控制在11:1以内。 那么，只是一股脑地提升压缩比，是不是有什么副作用？当然，阻碍压缩比提升的，其实是爆震。爆震其实就是指在活塞处在上行运动中，还未达到上止点，汽油就已经点火燃烧，使活塞同时承受向上和向下的力，进而可能损坏发动机。 避免爆震除了精确的控制点火时间之外，还需要尽量避免气缸内的温度过高。压缩比越大，气体压缩程度越大，温度显然会越高，因此过高的压缩比会带来不同程度的爆震。 而柴油机没有爆震的限制，因而压缩比一般较汽油机更高，为12:1-22:1。这样高的压缩比，是由于柴油与汽油两种燃料的不同化学性质决定的。柴油自燃温度低于汽油，且挥发性差，因此，柴油机与汽油机工作方式存在差异。 马自达创驰蓝天技术声称压缩比可以做到14:1（中国为13:1），但实际上采用的并不是理论上绝对的压缩比，它所用的概念是膨胀比。其工作原理是在活塞在压缩冲程时，先排出一部分燃料混合物，然后进行压缩。 2把压缩比提高到18：1 紧接着，我们需要脑洞大开一下，为什么不在发动机压缩冲程时排出更多的气体，然后把剩余的混合气再进一步压缩，使其自燃呢？即，为什么汽油不试试压燃的方式呢？这样一来，压缩比不就大大提升了吗？ 这是个好问题。如果想大幅提高汽油机压缩比，这就需要用到一个新技术：HCCI （Homogeneous Charge Compression Ignition）。 HCCI，直译过来是均值混合气压燃技术，它的核心是均值混合气和压燃，要实现这两者，离不开高压缩比。因为，只有气缸内压力足够高，才能让混合气在喷入之后压缩行程结束时，有足够的时间充分混合均匀燃烧气体；也只有气缸内压力足够高时，才会有足够高的温度使汽油燃烧。 ▲ 三种点火方式对比 对于HCCI发动机的研究，通用和奔驰走在了前列。2007年，奔驰F700概念车上，其DiesOtto 1.8T直喷发动机就使用了HCCI技术，输出功率达到177kW，最大扭矩达到400Nm。通用的HCCI发动机，也直接搭载在土星Aura和欧宝Vectra上，其宣传语是“More miles，Less fuel”，更多里程，更低油耗。 不同的是，通用的HCCI发动机依然带有火花塞，而奔驰的F700则是在排气过程中，创造吸排气阀双向关闭的状态，引燃喷射微量燃料，促进燃料的分解，然后通过吸气过程的主喷射，使燃料充满气缸，促成压缩过程中的自燃。 然而，看上去很美好的HCCI发动机依然存在很多问题： ▎第一是燃烧时刻控制。既然需要提高气缸压力和温度使汽油自燃，那么需要对喷射过程、气缸内温度和压力进行精确的检测，以保证在压缩行程结束时才能燃烧，否则太早能量浪费，太迟动力迟滞。 ▎第二，采用压燃式发动机燃效提高了很多，但冷启动难度会上升，同时高低转速下的扭矩和功率会受到影响。 低负荷时，HCCI吸入的燃料少，发热量就少，从而气缸内温度就无法提高，很容易出现一个或几个气缸无法点火的状况。这样一来，更多的一氧化碳和碳氢化合物就会进入尾气，带来排放超标的问题。 高负荷时，燃料会增加，但由于燃烧流动原本就比较快，因此会快速燃烧掉更多的燃料，导致压力上升，噪音和震动加剧，而且过高温度会产生氮氧化合物。 ▎第三，超高压缩比一旦发生爆震，能量会更大，更容易影响平顺性和舒适性。 ▎第四，增加了这么多东西，发动机会不会变得太重，反而达不到提升燃效的效果？ 3更严重的问题 马自达已经马不停蹄的宣布第二代创驰蓝天发动机将采用HCCI技术，压缩比达到惊人的18：1，这是马自达应对2020年新排放标准给出的策略，也是马自达立足大排量自然吸气发动机节油的根本。 不过，HCCI发动机虽然备受期待，但坚持研发的企业并不多，其他企业是都放弃了吗？这款“终极省油发动机”未能进入实用化的命门在哪？ HCCI不能进入实用化的命门在于，它的最优工作区间太过狭窄。正如上文所述，HCCI在冷启动时比较困难，高转速下扭矩和功率会受到影响，这也就导致HCCI发动机的最佳转速区间将锁定在1000rpm-3000rpm之间。 这个区间刚好是我们最多使用的转速区间，但值得注意的是，HCCI对平均指示压力范围也有要求。正常情况下，以日本10/15循环工况测试为例，它用的平均指示压力为160-620kpa之间，而HCCI发动机的活动范围仅为200-400kpa之间。 如此看来，用HCCI发动机应对循环测试工况，根本体现不出它的经济性优势。 这也是通用当初考虑的问题。HCCI最佳工作区域过于狭窄，所以通用仍设置了火花塞，在非最优工况时，采用普通点火式发动机工作方式。也就是说，低转速和高转速仍然是一款普通发动机。但这么一来，HCCI在增加了成本和重量之后，在燃效和尾气上的优势就大大降低了。 读到这儿，好多聚友开始挠头了，HCCI优秀的发动机技术理念，运用起来似乎无解了？既然无解，干嘛还要出这篇文章呢？ 其实并非无解，最近日本千叶大学与本田技研合作开发拓展HCCI工作范围的试验，已经取得了一定阶段性成果。 由此看来，对于发动机燃效的提升，涡轮增压只是其中一种方法，混合动力、HCCI，都可以是未来的方向。如此一来，自然吸气发动机也会迎来一个新的春天。 在未来几天，车聚君还将解析千叶大学和本田技研的HCCI成果，欢迎各位聚友订阅和评论。 |
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