【日】 島崎勇一 前田義男 津江光洋 田中大二郎 野口究 山下幸宏 山本日出彥

綜合評述

環(huán)境與車輛技術(shù)70年發(fā)展回顧
——汽油機的開發(fā)

【日】 島崎勇一 前田義男 津江光洋 田中大二郎 野口究 山下幸宏 山本日出彥

近年來，汽油機的動力性，排放控制、燃油經(jīng)濟性等得到穩(wěn)步提升，而汽油機燃油耗每年都以較大幅度降低，也為降低CO2排放作出了貢獻。汽油機的技術(shù)進步得益于稀燃與直噴的燃油系統(tǒng)、可變氣門配氣機構(gòu)、高效催化裝置與計算機測量技術(shù)的迅猛發(fā)展。著重介紹了日本從經(jīng)濟高速發(fā)展開始，進入汽車普及化階段之后的各個時期，汽車廠家推出的各具特色的車用汽油機產(chǎn)品，闡述了汽油機零部件技術(shù)，以及發(fā)動機基礎(chǔ)研究、可視化與計測、數(shù)值計算等方面的技術(shù)亮點和發(fā)展前景。

汽油機可視化基礎(chǔ)研究熱效率

0 前言

日本汽車技術(shù)會是于第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束兩年后，即1947年2月1日成立的，其目的是“謀求汽車相關(guān)的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與繁榮，學(xué)術(shù)文化的振興及工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，以及為提高國民生活水平作出貢獻”，2017年迎來了汽車技術(shù)會成立70周年。為紀念這一重要事件，汽車技術(shù)會的汽油機部門委員會根據(jù)從汽車技術(shù)會設(shè)立時到目前的時代背景與社會需求，論述了關(guān)于裝配汽油機的汽車、零部件、汽油機學(xué)術(shù)研究等各方面的技術(shù)發(fā)展。由此預(yù)測將來的發(fā)展前景，并整理成文。

1 車用發(fā)動機

圖1是車用發(fā)動機技術(shù)的70年回顧(按年表形式歸納)。

1.1 戰(zhàn)后復(fù)興期

在汽車技術(shù)會最初設(shè)立的1947年，為了戰(zhàn)后的經(jīng)濟復(fù)興，只容許生產(chǎn)卡車。但從1947年起，轎車的生產(chǎn)得到許可，1949年解除了轎車生產(chǎn)臺數(shù)限制。為了學(xué)習(xí)歐美的汽車技術(shù)，曾主要利用歐美的技術(shù)協(xié)作以開展裝配式生產(chǎn)。但是，豐田汽車公司(以下稱“豐田”)在這種潮流中選擇自主研發(fā)，并開發(fā)出純?nèi)毡緡a(chǎn)轎車“Toyopet Crown”，以及出租車專用轎車“Toyopet Soupaur”。該車型搭載4缸、頂置氣門(OHV)1.5 L、35 kW的R型發(fā)動機(圖2)，展示出日產(chǎn)車具有較高的可靠性。

1.2 日本汽車開始普及

從上世紀50年代中期，日本進入經(jīng)濟高速發(fā)展時期，1949年制定了輕型汽車標準，限定車身的大小與發(fā)動機的排量，作為受民眾歡迎的產(chǎn)品，制定了其優(yōu)惠措施[1]。1954年，排量規(guī)定為360 mL，1958年，富士重工業(yè)公司銷售的斯巴魯360型車配裝了空氣冷卻2缸EK31型發(fā)動機(圖3)，成了備受市場青睞的車型。然后，各汽車制造商參與研制，使日本的汽車普及化得到了快速發(fā)展。1961年，豐田公司開發(fā)了獨特的實用小型車，在整備質(zhì)量為580 kg的日本制造“大眾Publica”基礎(chǔ)上，配裝空氣冷卻水平對置雙缸U型發(fā)動機(圖4)，該車以38.9萬日元的低價格上市銷售。

進入上世紀60年代，基于1964年東京舉辦奧林匹克運動會的特殊需求，日本實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展，1968年國民生產(chǎn)總值(GNP)排名世界第2位。圖5示出了配裝在Sunny車上的A型發(fā)動機。

在這一時期，各汽車公司進行了各種新型發(fā)動機的開發(fā)。本田技研工業(yè)公司(以下稱本田公司)在1963年上市銷售了輕型卡車T360，該款車型是首次配裝了水冷直列4缸DOHC化油器發(fā)動機的輕型商用車型(圖6)。富士重工業(yè)公司(以下稱“富士重工”)于1965年在Soupaur 1000車上，配裝了水平對置4缸發(fā)動機(圖7)。1963年，日本舉辦了首屆汽車大獎賽，成為展示高性能汽車的賽事。上世紀60年代后期，豐田公司推出了2000 GT車型，馬自達公司在研制的Cosmo跑車(圖8)上，首次配裝了轉(zhuǎn)子發(fā)動機，日產(chǎn)公司的Fairlady國產(chǎn)跑車(雙座敞篷低車身高速小型車)也誕生了。

1.3 日本汽車普及化的發(fā)展期

圖1 轎車用汽油機技術(shù)的70年回顧

圖2 豐田汽車公司的R型4缸發(fā)動機

圖3 富士重工空氣冷卻2缸EK31型發(fā)動機

圖4 豐田汽車公司的水平對置空氣冷卻2缸U型發(fā)動機

圖5 日產(chǎn)公司的A型4缸發(fā)動機

圖6 本田公司輕型車用DOHC 4缸AK250E發(fā)動機

圖7 富士重工業(yè)公司的水平對置EA52發(fā)動機

自上世紀60年代到70年代，汽車的性能有了大幅度提高，不過，由于廢氣排放導(dǎo)致大氣污染，成為較嚴重的社會問題[2]。1968年，日本頒布了大氣污染防治法規(guī)。1970年，美國制定了更為嚴格的馬斯基法(防止大氣污染法規(guī))。1973年，由于石油危機導(dǎo)致汽油價格急劇上揚，要求汽車實現(xiàn)低燃油耗。

為了滿足節(jié)能減排要求，1972年，本田公司開始銷售了CVCC發(fā)動機(圖9)，該發(fā)動機采用副燃燒室與主燃燒室進行分層進氣，在副燃燒室點火，在整個燃燒室空間內(nèi)利用稀薄燃燒，進行低溫燃燒，降低了氮氧化物(NOx)的排放量，燃油經(jīng)濟性也有所提高，符合法規(guī)要求。

圖9 本田公司的CVCC發(fā)動機

圖10 日產(chǎn)汽車公司的4缸雙火花塞218發(fā)動機

而且，各汽車制造商開發(fā)了各種各樣的低排放發(fā)動機技術(shù)，諸如稀薄燃燒技術(shù)，以及排氣中二次引進空氣，排氣再燃燒等技術(shù)。日產(chǎn)公司利用大流量廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，力求降低NOx排放，并上市了乙型發(fā)動機(圖10)。該款發(fā)動機使用2個火花塞，利用快速燃燒方式，兼顧了發(fā)動機各項性能。這一時期，燃油經(jīng)濟性較好的日本小型車，在美國也拓展了市場銷售份額。

上世紀70年代后半期，電子控制燃油噴射技術(shù)被實用化，運用了氧濃度傳感器的三效催化器控制技術(shù)也得以實用化。80年代三效催化器成為滿足排放法規(guī)要求的標準技術(shù)(裝備)，并且在世界各地被廣泛使用，推動了發(fā)動機高性能化技術(shù)的研發(fā)競爭。

這一時期，豐田公司除了開發(fā)了高功率發(fā)動機之外，還開發(fā)了3S-FE Himeco雙凸輪軸開閉方式發(fā)動機(圖11)，該機型是在批量銷售的基本發(fā)動機上采用了DOHC的4氣門機構(gòu)，日產(chǎn)汽車公司則開始銷售渦輪增壓的高性能發(fā)動機。

圖11 豐田汽車公司批量銷售DOHC 4氣門3S-FE發(fā)動機

1980年，日本的汽車產(chǎn)量排名世界第一，以至于引起與美國的貿(mào)易摩擦。在泡沫經(jīng)濟興盛的上世紀80年代后期，各廠家名車同時競相亮相，例如豐田公司的Celsio，日產(chǎn)公司的Skyline GT-R、Unos無后座敞篷型小汽車、本田公司的NSX等。這一時期，各汽車廠家也上市了大排量的V8發(fā)動機，以及采用了可變氣門機構(gòu)技術(shù)的高性能發(fā)動機。圖12示出了三菱汽車公司(以下稱“三菱”)采用的可變氣門技術(shù)的MIVEC-MD發(fā)動機。

圖12 三菱汽車公司的可變氣門機構(gòu)4G9發(fā)動機

1.4 泡沫經(jīng)濟期后，追求效率與成本

20世紀90年代初期泡沫經(jīng)濟崩潰以后，1991年的新車銷售量低于7年前的銷量，日本整體經(jīng)濟處于長期不景氣時期。從這時起，用戶對汽車的需求呈現(xiàn)多樣化趨勢。日本國內(nèi)汽車銷售的動向顯示，以輕型汽車為代表的小型實用車，以及實用性好的迷你型小貨車成為銷售主流。

1990年輕型汽車的排量為660 mL，這一時期，各汽車公司都增加了輕型汽車用發(fā)動機型式的改進力度，除銷售輕型汽車用的3缸發(fā)動機外，還銷售了4缸發(fā)動機，增壓發(fā)動機等新型發(fā)動機。圖13示出了大發(fā)公司的輕型車用4缸發(fā)動機[3]。

圖13 大發(fā)公司的輕型汽車用4缸JB型發(fā)動機

此外，在這一時期，開展了各種各樣的熱效率改善技術(shù)的研發(fā)，例如米勒循環(huán)增壓技術(shù)，以及稀薄燃燒缸內(nèi)直噴技術(shù)等。圖14示出了三菱公司的稀薄燃燒缸內(nèi)直噴汽油機。

圖14 三菱汽車公司的稀薄燃燒缸內(nèi)直噴汽油機

圖15 豐田公司為混合動力電動車研制的INZ-FXE發(fā)動機及HEV動力系統(tǒng)

而且，在1997年豐田公司銷售了阿特金森循環(huán)的1NZ-FXE發(fā)動機(圖15)，這是世界首例為混合動力電動車(HEV)研制的發(fā)動機。

1.5 動力系統(tǒng)多樣化，進一步改善熱效率

從2000年以來，先進國家的CO2法規(guī)(GHG法規(guī))限值逐漸收緊，出于降低泵氣損失的目的，開發(fā)了連續(xù)可變氣門機構(gòu)。同時利用燃料的氣化潛熱，提高填充效率，同時抑制汽油機爆燃發(fā)生，并試圖采用提高壓縮比的缸內(nèi)直噴汽油機技術(shù)與變速器多檔化的同時，使發(fā)動機的運轉(zhuǎn)區(qū)域換檔到機械損失較少的區(qū)域，以降低燃油耗為目標的小型化增壓技術(shù)，與電動式動力系統(tǒng)并用，開發(fā)了HEV專用發(fā)動機。此外，為適應(yīng)發(fā)展中國家市場的多樣化需求，進行了相關(guān)發(fā)動機的開發(fā)。圖16示出了豐田公司組合了缸內(nèi)直噴與進氣道噴射的2GR-FSE發(fā)動機。圖17示出了日產(chǎn)公司生產(chǎn)的連續(xù)可變氣門機構(gòu)的VQ37VHR發(fā)動機。圖18表示馬自達公司開發(fā)的壓縮比高達14的SKYACTIV-G汽油機。圖19是富士重工業(yè)公司按較小尺寸設(shè)計的增壓式FB16DIT發(fā)動機(小尺寸的直噴增壓式發(fā)動機)。圖20示出了本田公司推出的HEV專用的阿特金森循環(huán)發(fā)動機，圖21表示了五十鈴公司研制的雙噴射系統(tǒng)發(fā)動機。

圖16 豐田公司的PEI+GDI IRG-FSE型發(fā)動機

圖17 日產(chǎn)汽車公司采用連續(xù)可變氣門機構(gòu)的VQ37VHR發(fā)動機

圖18 馬自達公司的高壓縮比SKYACTIV發(fā)動機

圖19 富士重工業(yè)公司的FB16DIT發(fā)動機

圖20 本田公司開發(fā)的HEV用阿特金森循環(huán)發(fā)動機

圖21 五十鈴公司的雙噴射系統(tǒng)發(fā)動機

今后，為了滿足排放法規(guī)限值收緊的各國CO2法規(guī)及新的排放法規(guī)要求，對于HEV、插電式混合動力電動車(PHEV)所用內(nèi)燃機的熱效率與低排放的要求更高。因此要繼續(xù)致力于降低汽油機的熱損失技術(shù)，燃油噴霧顆?；夹g(shù)、低摩擦技術(shù)、輕量小型化技術(shù)、排氣后處理技術(shù)，降低成本等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。而且，組合多種技術(shù)，也要在短時間內(nèi)使多變量參數(shù)最佳化，以及輔助技術(shù)的研發(fā)?？梢灶A(yù)見到，運用以模型庫開發(fā)(MBD)等為代表的技術(shù)，開發(fā)速度的競爭將日趨激烈[4-6]。

2 汽油機用零部件技術(shù)

圖22 汽油機零件技術(shù)70年回顧

圖22示出了汽油機用零部件技術(shù)的70年回顧——汽油機用零件技術(shù)的發(fā)展是為了適應(yīng)以下各項技術(shù)發(fā)展要求：(1)縮小尺寸、減小質(zhì)量的發(fā)展；(2)提高功率、動力性能為目標的技術(shù)發(fā)展；(3)滿足排放、燃油耗法規(guī)的技術(shù)發(fā)展要求。這類技術(shù)的發(fā)展是為了滿足不同的時代需求，上世紀70年代之前，為了實現(xiàn)汽車高性能化，瞄準縮小體積，降低質(zhì)量及提高性能目標的技術(shù)得以發(fā)展，70年代針對大氣污染的社會問題，滿足排放法規(guī)，引進電子控制。從上世紀90年代起，為滿足排放法規(guī)強化，以及車載故障診斷系統(tǒng)(OBD)的技術(shù)要求。而在2000年，為了防止地球變暖，出臺了與CO2、燃油耗相關(guān)的法規(guī)，促進了汽油機零件技術(shù)的發(fā)展。

2.1 汽油機用零部件技術(shù)的發(fā)展回顧

2.1.140年代到70年代

汽油機系統(tǒng)由化油器，起動馬達(起動器)，電動發(fā)電機等簡單結(jié)構(gòu)組成，將縮小尺寸與降低質(zhì)量，提高性能置于主要地位[7]。

2.1.2頒布馬斯基法到1990年

為了滿足以美國頒布的馬斯基法為代表的排放法規(guī)要求，有必要測量吸入的空氣量，按照理論空燃比要求，控制燃油噴射量。

排氣凈化系統(tǒng)中，組合前饋式燃油供給裝置，EGR，二次引進空氣與氧化催化器曾經(jīng)是主流裝置。不過，自從上世紀80年代以來，使用了氧傳感器的反饋式燃油供給裝置與三效催化轉(zhuǎn)化器成為了主流裝置。

到了20世紀80年代后半期，電子控制式發(fā)動機控制系統(tǒng)成為了主流，采用雙氧傳感器(即在三效催化轉(zhuǎn)化器的后方也安裝氧傳感器)的反饋控制系統(tǒng)問世。催化器后方的氧傳感器還會用OBD的催化器老化進行檢測[8-9]。

2.1.320世紀90年代至2000年

以美國低排放車(LEV)法規(guī)為代表的法規(guī)限值更加嚴格。為了使發(fā)動機起動之后能有效應(yīng)用催化器，有必要提早促進催化器暖機(指提早提高起動后排氣的溫度，從而提早催化器活化時間以獲得催化效果)，并在發(fā)動機下游布置催化器，能夠采用怠速旋轉(zhuǎn)提速，以及增加點火延遲(有利于催化器早期活化)。此外，為提高空燃比控制精度，上世紀90年代后半期，開始采用空燃比傳感器(UEG0)。為控制燃燒狀態(tài)，使凸輪相位連續(xù)可變的相位可變氣門(VVT)機構(gòu)于90年代初實現(xiàn)了量產(chǎn)。90年代后半期，開始引進缸內(nèi)直噴技術(shù)。當初的以稀薄燃燒為主的發(fā)動機上采用了缸內(nèi)直噴的方式，在排氣后處理方面，采用了稀燃-NOx催化器(或稀燃-NOx捕集器)。

自1994年起開始執(zhí)行務(wù)必安裝車載故障診斷(OBDⅡ)裝置的規(guī)定，在失火檢測中，普通方法利用發(fā)動機旋轉(zhuǎn)變動檢測的方法，而部分高速跑車發(fā)動機也采用了離子電流的檢測方式。蒸發(fā)(氣化)氣體的循環(huán)系統(tǒng)中，要求檢測蒸氣漏泄，采用了排氣閥及壓力傳感器。

此外，上世紀90年代后半期，混合動力車開始了量產(chǎn)，發(fā)電機組(MG)，逆變器，DC/DC轉(zhuǎn)換器，電池等新型零部件問世了。

2.1.42000年至現(xiàn)在

以歐洲CO2法規(guī)為代表的燃油耗法規(guī)，CO2法規(guī)開始被強化。2000年代前半期，渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、設(shè)備小型化等概念問世了。為兼顧燃油經(jīng)濟性與輸出功率，采用了渦輪增壓器。缸內(nèi)直噴發(fā)動機采用理論空燃比的燃燒方式成為主流，滿足了發(fā)動機小型化要求，并提高燃油經(jīng)濟性。

圖23 汽油機研究領(lǐng)域70年回顧與發(fā)展前景

怠速停止系統(tǒng)在2000年代后半期開始普及，皮帶傳動ISG問世，并逐漸得到廣泛應(yīng)用。另外，采用輔助電源的雙電源系統(tǒng)也得到了應(yīng)用[10]。

在吸入空氣量的控制方面，目前電子節(jié)流閥仍在普遍應(yīng)用。

氣門控制方面，控制凸輪升程量的升程可變氣門裝置被引進了。到了2000年代后半期，用電動機驅(qū)動的電動式相位可變氣門機構(gòu)問世了。

2.2 汽油機零件技術(shù)的發(fā)展前景

為了滿足更加嚴格的法規(guī)強化要求，預(yù)計要實施內(nèi)燃機的改良與電動化。另外，在燃燒改善領(lǐng)域，推進大流量EGR，以及稀薄燃燒技術(shù)。為促進燃料與空氣的混合，對燃料系統(tǒng)零件要求可實現(xiàn)油霧顆?；Ｒ簏c火系統(tǒng)零部件實現(xiàn)高電壓化與高能量化。在增壓器領(lǐng)域，不限于渦輪增壓器的研究與應(yīng)用。目前隨著電動化，也在研究電動增壓器的引進。

在排氣方面，由于顆粒物排放法規(guī)日趨嚴格，在部分工況下，有必要采用顆粒(PM)過濾器及顆粒傳感器。在電動化方面，同時進行12 V與48 V的ISG系統(tǒng)的引進。并且，可預(yù)想利用這些電能的電動水泵及電動機油泵也會得以引進。

今后的燃油耗法規(guī)限值會更加收緊，在大排量車方面，有必要提高混合動力車的電動化比例。另一方面，也要保證汽油機效率的不斷提升，推進動力系統(tǒng)的多樣化。

3 汽油機研究領(lǐng)域

3.1 基礎(chǔ)研究的概況

圖23表示汽油機研究領(lǐng)域70年發(fā)展回顧及今后的前景。

自1900年代起，瞄準汽油機高性能化目標的基礎(chǔ)研究，通過企業(yè)、研究機構(gòu)及大學(xué)的研究人員開展了相關(guān)工作。作為利用基礎(chǔ)研究取得的成果對新型發(fā)動機的開發(fā)產(chǎn)生作用的實例，包括目前占主流市場的有缸內(nèi)直接噴射發(fā)動機(以下稱為直噴發(fā)動機)、上世紀70年代的Ford汽車的程序化燃燒(PROCO)發(fā)動機，以及控制燃燒系統(tǒng)(TCCS)發(fā)動機等[3]。此外，近年來面向?qū)嵱没_展研究的均質(zhì)充量壓燃(HCCI)發(fā)動機中，使用了ATAC燃燒技術(shù)的大西發(fā)動機最為人們所熟知[4]。發(fā)動機開發(fā)中基礎(chǔ)研究最為重要，對缸內(nèi)現(xiàn)象有了進一步認識，尤其是有助于從混合氣的形成到點火、燃燒及排氣過程的把握，以及闡明燃燒機理的測試方法與數(shù)值計算方法的開發(fā)及有效運用。

圖24 上世紀60年代的可視化發(fā)動機

3.2 可視化

在缸內(nèi)現(xiàn)象的測試方面，目前，光學(xué)測量仍然是最有用的技術(shù)手段。而在19世紀末，已經(jīng)有使用玻璃氣缸，利用煙霧以進行吸氣過程流場測試的實例。自那以后，開始使用設(shè)置觀察窗的氣缸，進行異常燃燒(爆燃)的觀察，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y試等。不過，上世紀30年代，缸內(nèi)可視化技術(shù)就已取得較大的發(fā)展[5]。也就是說，可以進行整個燃燒室觀察的可視化發(fā)動機，以及高速攝影方法的開發(fā)。利用這些開發(fā)成果，對缸內(nèi)燃燒動態(tài)的詳細觀察，以及循環(huán)變動的觀察成為了可能。到了第二次世界大戰(zhàn)以后，可視化方法就已經(jīng)有效應(yīng)用于提高壓縮比以改善燃油耗的研究上。至1950年，可視化方法已應(yīng)用于排放特性的研究上。到上世紀60年代，逐漸有了大量應(yīng)用的可視化發(fā)動機的原型，即設(shè)計出利用石英制活塞的可視化發(fā)動機(圖24)，并在其中進行缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ膶崟r測試。而且，在20世紀80年代設(shè)計出了帶單氣門的可視化發(fā)動機，以及在氣缸側(cè)面設(shè)置了觀察窗的矩形氣缸發(fā)動機等，至目前為止，加以各種改進的為數(shù)眾多可視化發(fā)動機正在得以應(yīng)用。

在可視化發(fā)動機發(fā)展的同時，能夠較簡便地模擬發(fā)動機缸內(nèi)燃燒動態(tài)的快速壓縮裝置(或者快速壓縮膨脹裝置，以下稱RCM)，也在作為有用的工具而得以使用。RCM是上世紀10年代開發(fā)的，然后，各種各樣的改良型被開發(fā)出來。而擁有壓縮氣體驅(qū)動活塞的RCM，在上世紀60年代被開發(fā)出來，為了在更短的壓縮時間內(nèi)實現(xiàn)高壓壓縮，目前仍在實施改良(圖25)。

圖25 快速壓縮裝置實測

圖26 利用激光計測以測量混合氣濃度分布

伴隨可視化發(fā)動機的開發(fā)，應(yīng)用激光測試對氣缸內(nèi)現(xiàn)象進行了深入了解。激光喇曼散射法在上世紀70年代被用于缸內(nèi)空燃比計測。但是，散射光強度是微弱的，也存在背景光的干涉問題，該計測方法進展并不大。而到了上世紀80年代后半期，通過利用高靈敏度電荷耦合器件(CCD)攝像機及高功率紫外線(UV)激光器，空燃比及化學(xué)物種(指混合氣組成等)濃度分布的高精度測試成為可能。據(jù)報道，上世紀90年代中期，進行了缸內(nèi)混合氣化學(xué)物種濃度的定量測量(圖26)。另據(jù)報道，利用激光瑞利(雷利)散射法進行缸內(nèi)混合氣濃度測量是上世紀80年代中期首次實施的項目。目前，使用了由燃料自身或示蹤物(氟利昂等)的熒光激光誘導(dǎo)熒光法(LIF)，該方法在20世紀90年代初期應(yīng)用于缸內(nèi)的燃料濃度分析測量，并提出了同時測量液相與氣相的方法(LIEF)等的建議。此外，利用激光多普勒測速法(LDV)，以及粒子散射法(PIV)，進行流動場的測試；利用相干非斯托克斯喇曼光譜學(xué)(CARS)實施溫度測量，利用LIF實施活性化學(xué)物種濃度計測，以及溫度測量等各種各樣的激光計測方法。近年來，科研人員也正在嘗試組合不同的物理量的同時測試的方法。

3.3 數(shù)值計算

自上世紀70年代后半期至80年代初期，由于計算機技術(shù)與數(shù)值分析方法的先進化，使得發(fā)動機缸內(nèi)的多維數(shù)值計算也成為可能，并開發(fā)出了各種各樣的計算規(guī)則。作為應(yīng)用于發(fā)動機研究的二維數(shù)值計算的代表性規(guī)則(代碼)，例如Los Alamos國立研究所的CONCHAS-SPRAY、KIVA、普林斯頓大學(xué)的REC(RICE規(guī)則的后續(xù)規(guī)則)等。這些規(guī)則主要應(yīng)用于均質(zhì)燃燒發(fā)動機及分開式燃燒室(預(yù)燃室)分層燃燒發(fā)動機的分析等(圖27)。近年來，以KIVA為首的FLU-ENT，STAR-CD等上市銷售的計算流體動力學(xué)(CFD)軟件正在被應(yīng)用于發(fā)動機缸內(nèi)分析。關(guān)于燃燒仿真必須的化學(xué)反應(yīng)計算，其微分方程式的求解方法于上世紀50年代被開發(fā)出來。70年代，科研人員提出建立最初的HC反應(yīng)模型，并隨之建立了各種各樣的反應(yīng)模型。而上世紀90年代中期所開發(fā)的GRI-Mech，目前仍在被許多研究人員使用。由于反應(yīng)模型以及靈敏度分析方法的開發(fā)，HC燃料反應(yīng)機理的闡明獲得了進展(圖28)。

圖27 分開式燃燒室(預(yù)燃室)分層燃燒的數(shù)值計算實例

圖28 烷烴(碳氫化合物)的主要反應(yīng)過程

3.4 基礎(chǔ)研發(fā)的作用

如上文所述，氣缸內(nèi)工作過程的可視化，主要從上世紀30年代后半期起其研究得以高速發(fā)展，激光計測面向發(fā)動機研究的應(yīng)用是從70年代開始的。從70年代后期進行了缸內(nèi)現(xiàn)象的多維數(shù)值分析。時至今日，這類計測方法，數(shù)值計算方法被廣泛運用。不過，在使用了均勻混合氣的PFI發(fā)動機的開發(fā)領(lǐng)域，可認為測試及數(shù)值分析僅發(fā)揮了次要的作用。因為在均質(zhì)PFI發(fā)動機的分析中，燃燒、放熱系數(shù)分析，排氣測試等傳統(tǒng)的方法仍然是可靠的手段。不過，近年來，為了進一步提高燃油經(jīng)濟性，降低排放，要進行均質(zhì)PFI發(fā)動機的必要改進，這類測試、分析方法將發(fā)揮較大的作用。1996年，世界首例器壁制導(dǎo)分層缸內(nèi)直噴發(fā)動機得以實用化，可以推測激光米氏散射法、相位多普勒流速計、LIF、攝影照片、紋影照相、高速化學(xué)發(fā)光測試等多種測試方法的研究發(fā)揮了重要作用(圖29)。早期的分層稀燃缸內(nèi)直噴發(fā)動機的開發(fā)中，與其說是廣泛應(yīng)用了散值計算，不如說是廣泛應(yīng)用了光學(xué)測試手段。關(guān)于碳煙排放研究的開展，光學(xué)測試也逐漸成為有用的工具(圖30)。在噴射油霧制導(dǎo)分層稀燃直噴發(fā)動機的研究領(lǐng)域，壓電式噴油器的開發(fā)有效應(yīng)用了光學(xué)測試和數(shù)值分析。噴油器內(nèi)部的可視化，PIV測量，基于激光誘導(dǎo)熒光法的噴油蓄附近現(xiàn)象的可視化等相關(guān)領(lǐng)域基于數(shù)值分析開展了由局部過濃區(qū)域來預(yù)測碳煙的生成。至于發(fā)動機的混合氣生成過程等缸內(nèi)現(xiàn)象是非常復(fù)雜的，利用數(shù)值分析與發(fā)動機試驗以進行計算測量，這兩方面的分析是較為重要的(圖31)。

圖29 利用激光計測以測試缸內(nèi)直噴發(fā)動機的缸內(nèi)動態(tài)

在HCCI發(fā)動機領(lǐng)域，由于化學(xué)反應(yīng)計算是較為重要的，目前正在進行HC燃料的大規(guī)模反應(yīng)模型的簡化。針對HCCI發(fā)動機的缸內(nèi)現(xiàn)象，設(shè)計了多點自發(fā)點火或者火焰?zhèn)鞑サ膬蓚€模式(狀態(tài))，并且正在繼續(xù)開展與其相關(guān)的討論。近年來，根據(jù)其直接數(shù)值分析(DNS)，澄清了混合氣的不均勻性等對于這兩種模式可能造成的影響。從這些研究得到啟示，可以期待DNS在將來可應(yīng)用于發(fā)動機研究。

3.5 基礎(chǔ)研究的發(fā)展前景

圖30 缸內(nèi)直噴發(fā)動機中的缸內(nèi)碳煙生成動態(tài)測試

圖31 噴霧導(dǎo)向直噴發(fā)動機缸內(nèi)動態(tài)的計測與數(shù)值計算結(jié)果的比較

作為將來有望廣泛運用的測試方法，例如高速、高靈敏度的攝影方法，高重復(fù)頻率激光，多個物理量的同時測量等，均有較高的技術(shù)開發(fā)價值。而測量實體發(fā)動機自身缸內(nèi)傳感器的開發(fā)也是較為重要的。雖然單缸可視化發(fā)動機是利用數(shù)值分析方法驗證燃燒室形狀最佳化的有用工具，但使用這種測試方法通常是在較低負荷，較低轉(zhuǎn)速條件下實施的。另外，氣缸間的偏差分析也是較難實現(xiàn)的。在開發(fā)中的多氣缸實體發(fā)動機上設(shè)置觀察用窗口并不現(xiàn)實。但是，要實現(xiàn)實體發(fā)動機的缸內(nèi)可視化，采用照相設(shè)備會成為有效的手段。

作為數(shù)值分析方法，RANS曾經(jīng)是發(fā)動機開發(fā)中較為有用的方法，而在將來，其重要性不會降低。雖不能預(yù)測循環(huán)變動等過程的缺點，但與原始模型組合起來，就可應(yīng)用于發(fā)動機控制。為進行循環(huán)變動分析，LES對于多次循環(huán)的計算是必要的。在進行試驗結(jié)果的比較方面，對計算結(jié)果的處理要引起注意。DNS限于低雷諾數(shù)條件或者簡易形狀的分析，通常認為難以應(yīng)用DNS技術(shù)對實體發(fā)動機形狀進行分析。如上文所述，從基礎(chǔ)研究的觀點出發(fā)，闡明每種物理現(xiàn)象都是有作用的。因此可以期待RANS及LES在子模型的驗證中，也會成為有效的方法。

4 結(jié)語

在日本，從70年前的第二次世界大戰(zhàn)汽車技術(shù)會剛成立起，發(fā)動機技術(shù)取得了驚人的發(fā)展。首先，是汽車普及與發(fā)動機高性能化。在汽車廣泛普及后出現(xiàn)了廢氣排放問題。并且氣溫上升也成為全球問題。為解決這類問題，關(guān)于發(fā)動機的研究正在繼續(xù)開展。

可以預(yù)計將來能源問題(或能源危機)會日漸凸現(xiàn)，因此可以適應(yīng)電力、氫燃料、生物質(zhì)燃料等多種多樣的能源的動力系統(tǒng)是必不可少的。此外，燃料電池車(FCV)及純電動車(BEV)等雖然有所增加，但在今后20年內(nèi)，內(nèi)燃機(包括HEV)的動力系統(tǒng)還會作為汽車的主流動力。因此，研發(fā)人員今后還要繼續(xù)開展研究，特別是對高熱效率的發(fā)動機的研究(圖32)。

圖32 汽油機面臨的研究課題

[2] 宮崎.[J].自動車技術(shù)，1980,34(6):605.

[3] Zhao F, Laia M C, Harrington D. [J]. Prog. Energy combust., 1999,25:437-562.

[4] Yao M, Zheng Z, Liu H. [J]. Prog. Energy Combust Sci., 2009,35:398-437.

[5] Amann C A.[J] Prog. Energy Combust. Sci., 1983,9:239-267.

[6] Bouchard C L, Taylor C F, Taylor E S.[C]. SAC J.(Trans.), 1937,41:514-519.

[7] Bowditch F W.[C]. SAE Trans, 1961,69:17-23.

[8] Sinnamon J F, Lancaster D R, Steiner J C.[C]. SAE Trans, 1980,89: 765-785.

[9] Namazian N, Hansen S, Lyford-Pike E, et al.[C]. SAE Trans, 1980,89:276-303.

[10] Murase E, Moriue O, Hashimoto H, et al[C]. International Journal of Engine Research,2014,15(5):549-556.

彭惠民 譯自 自動車技術(shù)，2016，70(1)

伍賽特 編輯

2016-11-09)