未来发动机热效率（超稀薄燃烧未来提高发动机热效率的核心技术）

未来发动机热效率（超稀薄燃烧未来提高发动机热效率的核心技术）模型和结果每个预燃室内均配备有1个气道燃油喷射器，该喷射器位于进气门上游，可为喷射液态汽油。两阶增压系统包括1个可变截面涡轮增压器（低压压缩机LPC和低压涡轮机LPT）与1个高压电动压缩机。研究人员通过在发动机曲轴上安装发电机，以此可为电池充电，并能用于驱动电动压缩机。EAGLE结构针对EAGLE项目的构架，意大利那不勒斯费德里克二世大学（University of Naples Federico Ⅱ）旗下的发动机研究团队对1款配备了超稀薄预燃室发动机的HEV进行了数模仿真。该研究团队通过对混合动力结构进行优化设计，以此可为整车提供最大化的灵活性和多功能的串/并联运行方式。这2种模式之间的切换过程由3个离合器控制，由此可将发动机与2个电机连接。目前，研究人员正在研究的点燃式发动机是1台4缸样机。该款样机的主要特征是通过4个旋转布置的1 mm小孔将预燃室与与主燃室相连。该款样机采用1个凸轮相

研究人员通过仿真分析，对配备了火花点燃预燃室（pre-chamber）发动机的插电式混合动力汽车（PHEV）进行了优化设计，从而减少其CO2排放，并满足欧6d法规的限值要求。

高效的火花点燃式发动机可通过1个能在超稀薄（过量空气系数λ大于2）的工况下使火焰传播过程保持稳定，该目标通过主动型预燃室点火系统即可实现。在采用高效添加剂的稀薄燃烧汽油机（EAGLE）的地平线2020（H2020）项目中，研究人员通过一维模拟（1D）进行仿真分析，以证明该类机型具有使最高效率达到50%的潜力。EAGLE发动机配装于PHEV车型，并可满足欧6d法规排放限值，并使其在全球轻型汽车测试循环（WLTC）运行条件下的CO2排放低于50 g/km。

2013年，大众柴油门丑闻在美国爆发，涉及到的汽车超过1 100万辆。部分业界人士认为内燃机将会于数年之后彻底退出历史舞台。与此同时，混合动力汽车（HEV）和PHEV的市场份额得以显著提升。许多研究表明，只要关系到全生命周期内的排放分析，来自2款对标车型的综合CO2排放量大致相同，该现象主要基于当前的能源结构而产生。此外，较高的成本、充电时间及低自主性，严重限制了纯电动汽车的市场认可度。根据上述观点，近年来会出现配备有混合技术特征的车型方案。传统的燃油车、HEV及PHEV将长期与纯电动汽车（EV）和燃料电池汽车（FCEV）同台竞技，以推动汽车制造商继续改善内燃机效率。

目前，许多研究人员正在致力于超稀薄燃烧系统（ultra-lean combustion system）的开发工作。该系统其具有减少CO2和氮氧化物（NOx）排放物的潜力，同时能有效改善燃油耗。研究人员已分析了不同的稀薄燃烧方式，例如燃油分层（fuel stratification）、均质充量压燃（HCCI）及火花辅助压燃（SACI）等技术。就目前而言，使用预燃室点火系统可能是最实用的方案。在该结构体系中，预燃室通过小孔与主燃室（main chamber）相连。燃烧过程起始于预燃室，从预燃室喷出的高温喷射流随后会在主燃室中传播。这些喷射流可用于点燃主燃室中的混合气，且确保火焰锋面在极稀薄的混合气中进行稳定传播。

EAGLE结构

针对EAGLE项目的构架，意大利那不勒斯费德里克二世大学（University of Naples Federico Ⅱ）旗下的发动机研究团队对1款配备了超稀薄预燃室发动机的HEV进行了数模仿真。该研究团队通过对混合动力结构进行优化设计，以此可为整车提供最大化的灵活性和多功能的串/并联运行方式。这2种模式之间的切换过程由3个离合器控制，由此可将发动机与2个电机连接。

目前，研究人员正在研究的点燃式发动机是1台4缸样机。该款样机的主要特征是通过4个旋转布置的1 mm小孔将预燃室与与主燃室相连。该款样机采用1个凸轮相位器来调节进气和排气凸轮轴相位，每个气缸配备有2个进气门和排气门。进气凸轮轴可选用2种不同的凸轮型线，并允许气门以提早关闭的方式来实现米勒循环，以此限制爆燃现象的出现。

每个预燃室内均配备有1个气道燃油喷射器，该喷射器位于进气门上游，可为喷射液态汽油。两阶增压系统包括1个可变截面涡轮增压器（低压压缩机LPC和低压涡轮机LPT）与1个高压电动压缩机。研究人员通过在发动机曲轴上安装发电机，以此可为电池充电，并能用于驱动电动压缩机。

模型和结果

近期，研究人员开发了1款零维（0D）/ 1D分析方案。在进气管和排气管内部的流动情况说明了研究人员已基于1种1D分析方法及结构内部的子模型来再现缸内现象，例如燃烧、湍流和爆燃等。未来，研究人员意图通过1个准维分形模型（quasi-dimensional fractal model）来描述燃烧过程。研究人员考虑采用层流火焰速度（laminar flame speed）和湍流诱导的火焰皱褶（flame wrinkling）来表示燃烧速度。研究人员同样采用1个额外的喷嘴来调整燃烧速度，并在高温喷嘴中引入空气以参与后续的燃烧过程。随后，研究人员通过1款自主开发的湍流子模型来评估主燃室和预燃室中的湍流强度。该模型也对发生爆燃和气缸外排放物（CO、碳氢化合物HC及NOx）提供了1个化学性的基础评估。

该款发动机的负荷控制策略表明，即使在全负荷工况下，发动机也能在λ=2的条件下运行。研究人员对预燃室中的燃油喷射过程进行控制，以确保点火时具有一定的当量比可燃混合气。然而，在发动机高转速区，由于增压系统的限制，主燃室中需要存在1个λ﹤2的区间。在低负荷区间，发动机相当于要以基础增压（base boost）状态运行。当低压涡轮机全部投入运转时，发动机负荷可通过节气门阀片的逐步关闭来进行控制，同时电动压缩机的功率会成比例地增加。

该研究团队评估了1款得以有效定义的数控策略，目的是确保发动机在不同工况下，能以最高有效热效率（brake thermal efficiency，BTE）运行。整个发动机运行特性图能通过这种方法进行计算，并在2 000 r/min全负荷转速下实现50%的最高效率。

除了在上文所述的λ﹤2的工况范围，在运行特性图上的大多数工况范围内，样机所产生的NOx均相对较低。尽管能提供大量的过量空气，但由于缸内低温和狭隙效应等原因，HC的排放量依然不容忽视。

车辆仿真

该研究团队采用1个自主开发的软件来完成车辆仿真。研究人员将先前用于1D仿真的BTE特性图及电动压缩机功率消耗特性图应用到了汽车模型中。电动压缩机的电吸收功能（electrical absorption）被认为是电池上的1类额外负荷。研究人员通过采用高效的热电转移策略（ETESS），对汽车行驶所需热电单元的替代利用进行了规定。这2种模式的选择主要在于发动机的有效燃油耗和以纯电动工况行驶时的当量燃油耗之间的比较。与庞特里亚金最小化原理（Pontryagin minimum principle）等传统策略相比，ETESS可有效减少计算结果。团队完成了针对WLTC测试循环的车辆仿真，据此评估得出的CO2排放值约为86 g/km。这项结果表明HEV即使采用1台非常高效的内燃机（BTE﹥50%），也难以满足欧盟2025年81 g/km的CO2排放目标值，而采用PHEV依然仅是为了满足法规要求。在本方案中，产生的CO2排放值约为44 g/km，明显低于EAGLE的50 g/km的目标值。

该研究团队还提供了1种针对样机的精确分析，其目的是为了评估1辆搭载了超稀薄预燃室发动机的PHEV的BTE、CO2及排放污染物。在WLTC测试循环下对车辆性能的评估表明，该车型的NOx及CO排放水平完全低于欧6d法规限值，但同时需要配备1款后处理系统来减少HC排放。该团队将继续开展研究，以设计出具有更高效率的内燃机。

作者：FABIO BOZZA

整理：王少辉

编辑：伍赛特