0?序
為了解決汽車工業快速發展中的各種問題，科研人員采用先進技術有效地改善了內燃機的排氣凈化和運行過程。最近，在日本國內政策的不斷引導和支持下，日本政府正在逐步推廣純電動汽車(EV)並投入實際應用。同時，為了滿足日本的低碳需求，研究人員還需要進壹步提高發動機的熱效率。
本文首先闡述了日本社會經濟的發展趨勢和汽車的普及情況，概述了汽車發動機技術的進步。然後，對可用於汽車電驅動系統的發動機進行了展望，並對影響未來發動機燃燒過程的關鍵技術進行了研究。
1?社會需求與發動機技術的新進展
如圖1所示，隨著二戰後社會經濟的逐步復蘇，日本國內汽車工業發展迅速，由此引發了多種社會問題，尤其是汽車排放導致的環境氣候惡化及其對人體健康的危害。研究人員通過對日本各地汽車尾氣排放的調查，對排放標準提出了進壹步的要求。為了滿足社會的需求，日本政府制定了全新的排放法規，並逐步收緊了排放法規的限制。近年來，為了抑制全球溫室效應，研究人員必須進壹步減少汽車的CO2排放，實現發動機的高效率，並進壹步提高汽車的燃油經濟性。
如圖2所示，研究人員通過測量車輛排放的碳氫化合物(HC)、氮氧化物(氮氧化合物)和顆粒物(PM)，計算出上述排放總量的變化過程和每輛車產生的排放比例。在柴油車排放的廢氣中，氮氧化合物和顆粒物？85%左右。HC約占汽油車排放的60%。隨著法律法規的逐步加強，汽車的汙染物排放開始逐漸減少。目前除光化學氧化劑和PM2.5外，其他排放基本能滿足相應環保標準的要求。
為了滿足上述排放法規，研究人員開始以提高發動機性能和燃油經濟性為目標，進壹步開展研發過程。包括發動機零部件技術在內的許多重大突破，主要得益於先進的數值計算方法和分析技術。
研究人員在汽油機的以下技術領域取得了壹系列進展:(1)供油系統中的精確空燃比控制，減速時停缸技術；(2)火花塞的技術改進和高能點火技術；(3)針對氣門驅動系統中凸輪驅動方式的改進和基於相位和可變升程的控制技術；(4)優化爆燃過程，降低泵送損失；(5)采用改進的進排氣系統技術，包括廢氣再循環(EGR)和增壓系統；(6)為了減少機械損失，采用了潤滑、冷卻等技術。
此外，在柴油機技術領域，在4氣門系統、缸內直噴技術、EGR裝置、中冷系統、變截面渦輪增壓系統和* * *軌燃油噴射系統等領域取得了壹系列進展。通過使用氧化催化器和柴油機微粒過濾器(DPF)以及減少氮氧化合物催化器的排氣後處理系統，科研人員逐步實現了降低排放和提高整機熱效率的技術目標。
2?汽車電驅動時代的發動機技術
2017以來，汽車電驅動系統發展迅速，其發展過程與以下因素密切相關:(1)主要國家和地區(如西歐、中國、美國加州等)的政府及相關部門，)出臺了扶持政策，提供了經濟補貼；(2)主要汽車制造商(OEM)的管理政策。
在歐洲，以大眾柴油發動機排放門為契機，研究人員對傳統內燃機汽車重新制定了排放法規，並提出了解決環境問題的方案。同時，EV和插電式混合動力電動汽車(PHEV)也將逐步推出。在中國，除了采取相關的環保政策，政府部門也在大力推動新能源汽車(電動汽車、FCV和PHEV)的生產和銷售。如圖3所示，近十年來，我國乘用車保有量快速增長，OEM？我們也在通過各種方式深入了解中國汽車市場的發展趨勢，並探索相應的戰略方針。
針對上述發展趨勢，汽車行業的產業結構也發生了壹系列的變化，不同行業的從業人員逐漸加入到汽車領域。隨著新能源汽車在全球的逐漸普及，各大車企為了實現規範化發展，紛紛擴大業務規模。與此同時，各大車企也加強了與電器設備主機廠的合作，並保障電池供應體系的建設和完善，從而逐步搭建起基於該領域的技術平臺。
為了適應當前汽車電驅動時代的需求，發動機技術逐漸呈現多元化趨勢，各種混合動力系統也得到充分發展。混合動力汽車(HEV)仍需搭載傳統化石燃料，因此不斷提高發動機燃油經濟性仍是重中之重。隨著阿特金森循環等技術的有效應用，HEV有望降低汽車油耗20%~50%左右。
目前，研究人員已將燃燒控制技術、降低冷卻損失和抑制爆燃的相關技術列為亟待解決的重要課題。就PHEV而言，其技術優勢類似於HEV。
PHEV？能有效延長整車續航裏程，充分降低油耗。但隨著電池容量的增加，由於整車質量的提高，會導致燃油經濟性變差，成本增加。對此，研究人員建議可采用純電驅動作為基本驅動方式，最大功率在20？kW？小型發動機作為增程器。與此同時，研究人員也在努力改善發動機摩擦現象，同時使動力裝置輕量化，並酌情采用阿特金森循環。
3?發動機燃燒技術的發展
3.1?新燃燒模式
為了實現汽車發動機的高效率，研究人員必須使用先進的零部件技術。在充分考慮冷卻損失的前提下，研究人員對放熱系數進行了研究。在燃燒持續期內，研究人員需要控制燃燒持續期的點火正時，因為熱效率在放熱開始時逐漸提高。如果最大壓力被限制在較低水平，那麽當燃燒持續時間較短時，研究人員應該推遲熱量釋放的開始。在燃燒稀混合氣的條件下，為了縮短發動機的燃燒持續時間，壹些研究者提出了有效利用預混燃燒的方案。
目前，研究人員越來越重視均質充量壓縮點火(HCCI)技術。HCCI技術在汽油機低負荷工況下可以充分發揮作用，但在變工況下很難恰當地控制混合氣的自燃過程。然而，部分混合物可以通過火花點火可靠地燃燒。目前，實現稀薄混合氣壓燃和控制快速燃燒的方法已經付諸實施。除了利用可變氣門驅動系統實現壓縮比的可變過程，利用機械增壓實現進氣的控制，研究人員還利用高壓汽油直噴形成合適的混合氣，同時利用大流量EGR降低燃燒溫度，從而降低氮氧化合物排放。同時，研究人員可以通過使用每個氣缸中的燃燒壓力傳感器，並根據收集的負載、速度、外界溫度和氣壓等參數，準確控制燃燒過程。
研究人員也對預混壓縮點火(PCCI)技術進行了大量的研究。在這種燃燒模式下，氮氧化合物和碳煙排放同時降低，但如果增加噴射量，混合氣濃度會增加，燃燒過程會過於粗糙，所以這種燃燒技術通常只在部分負荷工況下應用。目前有相關研究表明，除了使用大流量EGR外，米勒循環還可以降低有效壓縮比，即使在高負荷工況下，也可以實現穩定的燃燒過程，氮氧化合物和PM也可以大幅降低。同時，研究人員可以通過調整膨脹比來保持熱效率不變。未來，研究人員可以通過噴射和燃燒控制等相關技術的有效應用，擴大發動機的高效運行區域。
近年來，研究人員對反應控制壓縮點火(RCCI)技術進行了研究。在這種燃燒過程中，預混氣體的快速燃燒是提高等容的主要途徑，可以獲得較高的指示熱效率。在各種負荷條件下穩定的點火控制，抑制劇烈的放熱過程，保證燃燒效率是亟待解決的重要問題。為了進壹步提高熱效率，研究人員認為，上面提到的PCCI燃燒技術具有很好的應用前景，而為了擴大發動機的高效運行區域，必須相應地采用先進的技術，如進排氣控制和燃油噴射控制。
3.2?燃料-空氣混合和燃燒
油氣混合氣的形成對發動機的燃燒過程有著重要的影響。圖4為計算流體力學(CFD)得到的各種燃燒模式下50%燃燒過程中放熱率和當量比φ-溫度t的分布圖。燃燒反應過程主要受以下因素影響，包括燃料供給方式、固定時間的燃料空氣混合氣形成過程和燃燒氣體的φ-T。分銷。
在普通的柴油燃燒過程中，即使在混合物著火後，燃料噴射仍在氣缸中繼續。在稀釋分層混合物的過程中，噴射和燃燒過程繼續進行。盡管點火和燃燒過程的可操作性良好，但同時降低氮氧化合物和碳煙仍然是壹項緊迫的任務。就PCCI燃燒模式而言，通常在壓縮沖程采用多種噴射策略對混合氣進行分層，氮氧化合物排放較高，而碳煙排放相對較低。在這種工況下，研究人員可以通過延遲噴射來延長燃燒持續時間，進而降低壓力上升速率。在HCCI燃燒過程中，通常在進氣沖程供油，使稀混合氣實現壓燃。雖然氮氧化合物和碳煙的排放較少，但由於化學反應速度的影響，難以控制點火和燃燒過程。在高壓力上升率和低負荷條件下，燃燒效率會相應降低。在RCCI燃燒過程中，研究人員調整了兩者的燃料比和噴油正時，因此氮氧化合物和碳煙排放可以得到有效抑制，實現穩定的點火和燃燒控制過程。目前，提高低負荷燃燒效率、降低高負荷燃燒噪聲等問題仍亟待解決。
隨著近年來計算機科學的飛速發展，用於發動機燃燒過程的CFD技術有了很大的發展，預測精度也有了很大的提高，已經成為當前研發過程中不可或缺的工具。目前，研究人員仍需進壹步提高預測精度，觀察燃料-空氣的微觀混合形式
如圖5所示，在研究人員提出的隨機過程理論模型中，最初分離的燃料(燃料質量百分比Y=1)和空氣(Y=0)實現湍流混合，根據隨機過程理論逐漸形成均勻混合過程。在這個混合過程中，應用了相關研究者提出的兩體碰撞再分散模型。該模型利用湍流特性決定的頻率ω，將1個較大的流體塊在碰撞融合過程後分解成兩個相等的較小流體塊。
研究人員通過ω對時間的積分來定義無量綱時間η(該值與1個流體塊的平均碰撞數壹致)，可以用來表示混合程度。換句話說，當η=2時，是按分散濃度分布的，但逐漸達到η=6後，濃度會接近正態分布。當η=12時，濃度會更接近平均濃度Yo，說明可以形成均勻的混合物。在圖5中，不同的顏色圖案示出了當燃料在空間中均勻破碎時的濃度分布。因此，它作為湍流混合過程的壹個評價指標起著重要的作用。另外，ω？以及湍流強度u '和積分比l？有壹個數值關系，可以用ω=0.4u'/L來表示？來計算公式。
研究人員用這個模型預測了柴油的無量綱燃燒過程。在計算中，得到了隨時間變化的放熱和壓力過程。研究人員可以據此計算EGR工況下的噴油量、噴油正時、渦流比、缸內壓力和放熱率，從而合理預測NO生成量的變化。
通過該模型，研究人員可以得到燃料-空氣不均勻性和濃度、燃燒後溫度和NO生成率的概率分布。通過應用基於RANS的CFD模擬，研究人員可以有效地記錄每個計算單元中的微混合。通過引入反應動力學的計算方法，研究人員還可以將其應用於柴油機的PCCI燃燒過程。此外，除了無量綱計算，研究人員還可以預測噴霧的點火過程，根據測量的壓力和放熱率，獲得基於混合時間的變化函數，從而預測多次噴射時的廢氣。壹般研究者認為強湍流場中點火不確定性和循環變化的預測結果以及壁面碰撞引起的流動過程的觀測過程也起著重要作用。
3.3?燃燒室壁附近現象的解釋
通過采用最新的燃燒系統設計方案，研究人員可以針對各種發動機技術指標和工況實施最佳燃燒控制，但如果要進壹步改善燃燒過程和熱效率，還有許多後續工作要做。
為了解決燃燒室壁面導熱不穩定的問題，研究人員使用了如圖6所示的定容燃燒裝置和高響應熱流傳感器(Vatell，HFM-7)，通過氣體射流的火焰和均勻混合物的火焰來測量壁面熱流的變化。圖7是預燃燒模式(溫度為950 ℃)的示意圖。k，壓強是2？MPa，氧氣濃度為21%)，孔口直徑為0.8？嗯？噴嘴中的註射壓力為8？MPa，噴射持續時間為9？ms的參數是註入氫燃料並使其自行點燃的結果。圖7示出了缸內燃燒壓力p、放熱率dq/dt、平均溫度Tave、在燃燒室壁上的兩個點p+0和P2處測量的熱通量qhf的時間以及噴射後的時間t。的關系。圖7(a)中的數字對應的是逆光拍攝圖7(b)中的圖像，噴霧與容器壁碰撞後噴出的時間(圖像①)和3.25？當ms P2附近發生火災時，dq/dt值急劇增加(圖③)。火焰到達P2(圖②)後迅速傳播(圖④)，然後進行擴散燃燒，在圖⑤到達P1的工作點。噴射過程結束後(圖⑦)，dq/dt值降低，火焰亮度降低(圖⑧，圖⑨)。Qhf對應上述燃燒區域的變化過程，P2在圖像④時刻急劇增加，在圖像⑥時刻P1。P2在擴散燃燒期間保持相對恒定的值(圖④至圖⑦)，隨著火焰亮度的降低(圖⑧、圖⑨)，qhf也緩慢降低。在圖像⑦中出現P1的最大值後，qhf值也下降。此外，P2的qhf值高於P1的原因是燃燒氣體在P2附近由於絕熱壓縮而具有更高的溫度。根據以上分析，關於燃燒室壁面附近的著火過程，得出兩個結論:(1)燃燒過程中有較大的熱損失；(2)可燃混合物自燃燃燒過程中，qhf值相對較高。
而且，為了直接觀察燃燒過程中的熱傳導，研究人員使用了壹個帶有五個微小熱電偶的傳感器，並測量了壁面附近的溫度分布。五個微型熱電偶分別為A、B、C、D、E，其中A、B、C線直徑為25？微米，D線和E線的直徑是75？微米，伸長距離為δ。圖8(a)示出了燃燒室內的壓力p、放熱率dq/dt、每個熱電偶的溫度t、局部熱通量qhf的持續時間和點火後的時間t。的關系。圖8(b)不僅示出了qhf和t之間的關系，還捕捉了兩個時間(23.90？Ms和32.45？Ms)，且火焰鋒面靠近壁面約5？14的Mm？在ms之後，顯示火焰前沿和壁之間的距離x。圖8顯示了δ？值，當筒內溫度急劇上升時，同時在相同線徑條件下和δ？當該值較大時，溫度迅速升高。在德爾塔？在相同條件下，線徑越小，時間常數越早。t和qhf會隨著未燃氣體的壓縮和加熱而緩慢增加，dq/dt？數值可以顯著增加。與火焰鋒面到達壁面後變成最大的qhf相比，t？最大值的出現有滯後現象。雖然研究人員充分考慮了熱電偶信號的時間常數並進行補償，但T的最大值低於火焰溫度。因為t？的最大值會隨著δ而變化？研究人員認為，t的數值可以在壹定程度上影響邊界層中的溫度分布。根據不同條件下相同計算的結果，可以得出以下趨勢。在高燃燒溫度條件下，由於壓縮加熱，溫度和熱流形成速度迅速增加，由於溫度梯度較大，qhf也會相應增加。
近年來，研究人員正在對近壁現象進行測量研究和模型試驗。以發動機燃燒室壁面熱流為例，研究人員壹直采用熱電偶測試，根據非穩態傳熱分析計算。在柴油機領域，由於燃燒室壁面的碰撞導致熱流密度的增加會限制熱效率的提高，因此研究人員目前采用多個傳感器來測量熱流密度，研究燃燒現象。與此同時，研究人員使用激光電子傳感器(LES)對燃燒室壁面上的噴霧動力學和局部熱流分布進行了數值分析，並研究了壁面附近火焰的放大攝影圖像。根據溫度邊界層厚度的估算結果，對傳熱系數和熱流密度進行了校核。
近年來，利用壁溫旋轉隔熱膜提高熱效率的效果引起了研究者的關註。研究人員使用基於激光誘導熒光(LIF)和粒子圖像測速(μPIV)的壁溫測量方法來測量壁附近的氣體流動。相關的燃燒機理表明，上述方法正被有效地應用於發動機的燃燒室設計過程中。此外，基於MEMS技術的相鄰多點熱流測試傳感器已經研制成功，有望在未來的發動機測試領域得到應用。
4?結論
以上總結了能有效滿足社會需求的汽車發動機技術的進步，並對汽車電驅動時代的相關發展條件進行了展望。
隨著環境和物質需求的變化，各行各業對汽車性能的要求也在逐步提高。目前，按照節能降耗的技術理念，科研人員仍需不斷提高發動機的熱效率。油氣混合氣的形成過程、燃燒室壁面附近的燃燒現象及其控制技術將是未來幾年的重點研究領域。
本文發表於《汽車與新動力》雜誌2020年第五期。
作者:[日]海嘯路長虹
整理:彭惠敏
編輯:伍斯特
本文來自車家作者汽車之家，不代表汽車之家立場。