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我们正在见证的,可能是发动机最好的时代

图片:Yestone.com 版权图片库

姚昌晟,文章千古事,得失寸心知

前些天读到了@何先生的新文章 2020 年之后的发动机是什么样子?,颇受触动,文章说到油耗法规下的发动机技术现状和未来发展,而关于这一话题,我一直有很多想聊的——

对于发动机来说,这也许是最坏的时代,但也是最好的时代。

想说的很多,一时间倾注笔端,就先从一个小岛说起吧。

在美国密歇根州上下半岛的交界处,有一个孤悬大湖之上的小岛——麦基诺岛(Mackinac Island)。麦基诺岛自 19 世纪就成为了著名的避暑胜地,而这里,最大的特色,就是没有汽车。从 1901 年起,岛上就禁止汽车行驶,可以使用的交通方式仅仅有——骑马、马车、自行车,以及步行。也正因为如此,这一个周长仅有 14 公里的小岛,游人们往往花费一整天来探索也不能穷尽。

这里仿佛是一幅 20 世纪以前的世界的缩影,从中不难窥见,百年以前的人类生活的所有选择,衣食住行各个方面都被客观的通勤条件所牢牢禁锢。

(图 1 在麦基诺岛上,货运都需要马车来完成)

因而到了 20 世纪初,汽车成为了改变世界的发明。蒸汽机、内燃机、电动机,乃至于液压、压缩空气各式动力,都诉诸于这一全新的发明,最后胜出的是奥托和狄赛尔发明的内燃机,在这之后的十几年中,围绕燃油汽车,人类的生活方式发生了极大的变革。直至今天。

假若能够生活在 19 世纪末到 20 世纪初,见证了这一发明的诞生,那无疑是激动人心的——生活以肉眼可见的速度进步,崭新的发明让人目不暇接……然而,我要说的是,今天我们所生活的这个时代,所能够拥有的汽车动力方式的选择,比汽车诞生之初,要更加的丰富。

这可能是人类历史以来,能够选择的陆地通勤动力源最为多元的时代。无论是汽油机、柴油机、双燃料、纯电动、燃料电池,还是油电混合动力形式(说到混合动力形式,请见新能源汽车的种类越来越多,哪种才是最能满足消费者需求的技术路线?),呈现出了百家争鸣的局面。而更为重要的是——消费者能够最大限度的选择其中绝大部分的技术形式,且它们大多是成熟的工业产品,而不只是一百年前的极客大玩具。

这一切,自然要归功于“咄咄逼人”的油耗法规。愈发严格的法规标准,不仅不是扼喉的杀手,而是驱动了新技术诞生应用的催化剂。今天我们耳熟能详的发动机技术名词,无一不是源于法规的推进。

然而,之所以今时今日,看衰发动机的声音甚嚣尘上,乃至于诸多评论家和看客认为这是发动机最坏的时代……原因在于,发动机的油耗和污染物排放之间,存在着某种程度上的 trade-off 关系,因而在保证低排放的同时,提高热效率(降低碳排放),其实是戴着镣铐的舞蹈。质疑者们认为,发动机的节能潜力已经被发掘的差不多了。那么我们所关注的问题也正是——

在更加严格的法规面前,发动机究竟还有多少节能潜力?

那接下来就聊一聊,发动机究竟还有多少潜力。

一, 热效率的上限

发动机的最大循环热效率是有天花板的,这一块天花板就是卡诺循环效率。卡诺循环包括四个可逆过程:1. 首先理想工质经过了可逆等温膨胀,从高温热库(热源)吸收能量;3. 再进行可逆绝热膨胀,工质的内能转变为对外做功,熵值不变;3. 接下来是可逆等温压缩,在低温热库(环境)中稳定放热,继续对外做功;4.最后进行可逆绝热压缩,对环境做负功,温度升高回到系统最初的状态。

(图 2 卡诺循环的温熵图,维基百科)

这样一个过程如果画成温熵图(T-S),很容易理解对外做功的大小。从 A-B-C-D-A 分别对应了上述四个过程,而做功大小,就是图中的方框面积,而在同样的高低温热源温度和熵值上下限的条件下,最大的面积就是这样一个矩形。其热效率是 1-Tc/Th,这一效率也是所有同一高低热源之间工作的可逆热机的热效率,即所谓的卡诺循环效率。

然而,现实中的热机全部都是不可逆热机,这就意味着,根据热力学第二定律,包括内燃机在内的所有的不可逆热机效率不可能超过卡诺循环效率。

对于内燃机来说,不可逆是偏离卡诺循环的第一步。内燃机理想的狄赛尔循环或奥托循环,由绝热等熵过程与等容 / 等压循环组成,而真实循环则还要考虑进排气造成的节流损失,散热造成的传热损失;此外,理想的工质被认为各项物化特性为常数的理想气体,而实际随着压力温度的变化和化学反应的进行,其特性也在不断的变化中。

因此真实的内燃机循环效率,要比理论假设还要低。

二, 能量的去向

损失的能量都去哪儿了呢?如下图所示。

首先由于燃烧不完全,会造出燃烧损失,反应在不完全燃烧产物:碳氢化物与一氧化碳的排放上;接下来经过传热损失排气损失,得到了指示功,这代表了燃料经历燃烧过程传递到活塞的能量大小;然后还要经过摩擦、泵气与附件损失,得到有效功,这一部分功是发动机输出端的能量大小。而发动机每一个工况点的油耗又都是不尽相同的。

(图 3 发动机能量去向)

要提高发动机效率,就要从以上各项损失中想办法。

三,节能,更加节能

从热损失里找回有用功,这包含了极多的措施,为便于浏览,我将各项技术措施填到了能量去向的图里,如图 4。我将汽油机和柴油机的措施放在一起罗列,其中打※的是商用车柴油机的技术措施,打△的是汽油机的技术措施,未标注的是两者都搭载的技术。另外,有些技术涉及到了多方面的优化,我会在第一次出现的时候讲解清楚。

(图 4 发动机节能技术措施)

(1)燃烧损失

  • 燃烧室设计

对燃烧室的改进,是结合了喷雾、燃烧、气流等要素综合考虑的设计结果,其效果一方面反应在了更加充分的燃烧上,降低了燃烧损失;另一方面,通过对燃烧室和气道的改进,实现更加快速的燃烧,可以降低传热损失。

以康明斯超级卡车项目(该项目由美国政府主导,一期目标旨在制造最高有效热效率突破 50%的柴油机)的柴油机原型机为例,如下图展示了三种不同的燃烧室设计对应的效率提升。从原有的粉色截面,改进到提升压缩比之后的绿色截面,以及优化后的紫色截面,对燃烧室的改进设计,为最终的有效热效率贡献了 0.5 个百分点。

(图 5 燃烧室设计优化,来源:Technology and System Level Demonstration of Highly Efficient and Clean, Diesel Powered Class 8 Trucks, 2015)

喷油器设计

喷油器是整个发动机控制系统中响应最为迅速的执行器,可以控制的参数包括喷油压力(包括单次喷射压力曲线的调整)、喷油量、喷油次数、喷油正时等等。这些参数直接影响到了混合气的形成,而理想的喷油参数离不开对喷油器的改进设计。

以通用小排量增压发动机为例,如图采用了双喷油器的方案,目的是为了让燃油能够在有限的汽缸空间内,有更大的喷射覆盖面积,进而促进混合,并减少燃油在缸壁和活塞头部的附着(湿壁,Wall wetting),提高燃烧效率。相较于一个喷油器而言,多出的喷油器可以减少喷油嘴的设计负担,为更好的混合提供了设计上的自由度。而除了这种方案之外,目前还有缸内直喷 + 进气道喷射结合的双喷油器方案。

(图 6 Ecotec 1.0T/1.3T 双喷射喷油器方案,来源:谷歌)

(2)传热损失

  • 减小活塞与缸壁散热

传热损失的主要去向,是通过缸壁和活塞对外散热,那么改进活塞结构设计,或使用绝热的涂层,就可以直接反应在传热损失的降低上。然而值得一提的是,由于材料本身的限制,这项措施并不是温度越高就越好。

仍然以康明斯的柴油机原型机为例,可以看到经基础活塞改进活塞 A 再改进为活塞 B 的过程中,活塞表面的最高温度得以升高,意味着在燃烧过程中,对外散热有所降低。这一项改进,为超级卡车发动机带来了高达 1.7%的绝对热效率提高。

(图 7 活塞头部改进设计,来源 Technology and System Level Demonstration of Highly Efficient and Clean, Diesel Powered Class 8 Trucks, 2015)
  • 小型化(Downsizing)

小型化或小排量化(Downsizing)是汽油机最为主流的节能技术,也是近十年来汽油机发展的最重要趋势,美国、日本、欧洲各国的主要汽车厂商均不断推出新型的小排量增压发动机。小型化带来的节能是多方面的,首先,更小的体积意味着更小的接触面积,因而传热损失就得以降低;再者,摩擦损失也因为同样的原因得以降低;第三,结合涡轮增压,提高了发动机负荷,降低泵气损失;第四,降低了发动机质量,节约了有用功。

仍以通用 Ecotec 小排量发动机为例,该机器将排量下探到了 1.0L 与 1.3L,分别可以输出最大 92kW 与 120kW 的动力,升功率超过了 90kW/L。与此同时,相较于前一代产品却提升了 5-10%的油耗,也就是说绝对的热效率提高了大约 1-3%。

柴油机的小型化同样是发展趋势,原因与汽油机相同,只是没有汽油机普及。

(图 8 中美欧发动机小型化的变革日程,可以看到小型化是普遍的选择。来源:Honeywell, The Downsizing Agenda)
  • 低温燃烧(Low temperature combustion, LTC)

低温燃烧融合了汽油机与柴油机技术,是目前尚未量产的最前沿发动机技术之一,目前唯一涉及到该项技术的可能量产机型,就是马自达的 Skyactiv-X 发动机(姚昌晟:马自达提出的“第二代创驰蓝天技术”采用均质充量压燃技术(HCCI)是如何实现的?)。

低温燃烧包括了从均质充量压燃(HCCI)演变来的一系列新概念燃烧技术。所谓低温燃烧指的是燃烧的峰值温度较低,可以避免氮氧化物排放的生成,同时较为稀薄的燃烧环境和燃油早喷促进了混合气的部分预混合,降低了颗粒物的排放。在污染物降低的同时,高压缩比和预混合让燃烧进行得迅速而高效。在热效率方面,同时降低了传热损失与排气损失。就马自达的 Skyactiv-X 发动机而言,实际上并没有完全的 HCCI,而是转而使用了火花塞助燃,这一技术看似并不新鲜,但是要做到量产面临了非常多的控制难题。例如:

低温燃烧通常采用较大的废气再循环(EGR),如何提高 EGR 的瞬时响应,避免瞬态排放恶化?又例如火花塞助燃与点燃之间的燃烧模式切换,如何保证动力不发生波动?

等等这些问题都是从事这一领域的研究者们非常关注的。值得一提的是,实现低温燃烧控制的关键硬件就是——缸压传感器,而这也是 Skyactiv-X 同样搭载的控制基础。

关于低温燃烧和 Skyactiv-X,这篇文章中就不多说了,引用回答中已经有过非常多的介绍。而针对这一机器,之后也会更新一篇新的专栏文章,还请多多关注。

(3)排气损失

  • △提高压缩比或膨胀比

压缩比的提升实际分为对发动机结构的改造,提高物理压缩比;与使用可变气门正时实现米勒循环进而提高膨胀比和理论压缩比两种方案。

物理压缩比方面,在我的回答姚昌晟:为什么汽油发动机不断追求更高的压缩比,柴油发动机不断地降低压缩比?未来是否会接近一致的压缩比?中,对这一问题有所解释。更大的压缩比,意味着奥托循环的效率越高,简单理解就是更长的冲程让膨胀过程中尽可能把能量转化对外做功,再从排气门排走。

通过米勒 / 阿特金森循环(分别使用气门相位和连杆结构)实现的超膨胀方案,可以在不改动发动机物理压缩比的前提下,让发动机在压缩冲程和做功冲程有着不一样大的理论压缩比,尽可能地释放气体的内能。超膨胀的带来动力不足的劣势恰可以通过混合动力进行弥补,因此是另一项越来越重要的汽油机技术发展趋势。

  • 低温燃烧
  • ※余热利用

余热利用技术,我在姚昌晟:汽车内燃机废气的能量可否回收用来做功?的回答中,有所罗列,主要有热电转化(TEG)以及结合热管(Heat pipe)的 TEG;有机朗肯循环(ORC)两种形式。

有机朗肯循环是目前柴油机达到有效热效率 50%乃至 55%贡献最大的手段。该循环的意义是与发动机本身的热循环形成一个联合循环,这一点与燃气轮机是类似的。而这一套设施的缺点在于体积大,成本较高。因而目前仅在柴油机试验机型上有采用,但其效果是极为明显的,可以在绝对热效率上提升 3-4%。详见上述引用回答。

  • △缸盖集成排气歧管

这一项技术降低了发动机重量,减少了有效功的消耗;回收了排气损失,促进冷启动;更短的气道也提升了涡轮的响应速度。这一项技术在通用 Ecotec、福特 Ecoboost 发动机中均有采用,已不再罕见。

(图 9 Ecotec 1.0T/1.3T 集成排气歧管的缸盖,来源:谷歌)

(4)摩擦损失

  • 降低转速(Downspeeding)

降低转速(Downspeeding)的意义在于对摩擦损失和泵气损失的降低。同样输出转矩下,更低的转速意味着摩擦过程的减少;此外,更低的转速下,润滑油的摩擦系数更低。这一技术可以带来约 2-3%绝对热效率的提升。

  • 小型化(Downsizing)
  • 减摩擦

在约占整体能量损失 10%的摩擦损失中,有超过 50%的摩擦损失来自于活塞摩擦副,有约 29%来自于轴承。

(图 10 发动机摩擦损失去向示意图,数据来源:Simon C. Automotive tribology overview of current advances and challenges for the future. Tribology International 2004)

对于前者,主要的手段有四种:

1. 缸筒表面处理,减少缸筒变形的影响。

以 BMW 一项研究为例,研究者针对某汽油机缸筒变形进行优化设计,减少了缸筒变形对发动机活塞环 - 缸筒系统摩擦,优化后,发动机总摩擦降低 7.6%,换算成有效热效率约上升 0.5%

(图 11 缸筒变形对活塞环 - 缸筒系统摩擦影响,来源: Niklas Berberich, Gunter Knoll, Thorsten Grob, et al. Computational Method for Tribological Functional Optimization of the Piston-cylinder System.MTZ, 2009,70(6):42-48.)

2. 固体润滑表面涂层

该项技术将钢与碳进行融合形成固体润滑剂,覆盖在缸筒表面。以奔驰公司对缸筒表明进行纳米涂层为例,以 Nanoslide 为名的固体润滑技术,声称可以降低 3%的油耗,即有效热效率提高约 1%。缺陷无疑是成本过高。

(图 12 Nanoslide 表面固体润滑技术,来源:Mercedes-Benz NANOSLIDE Cylinders Explained)

3. 润滑油改制

过低的润滑油粘度会导致发动机磨损,过高粘度又会加大摩擦损失。而润滑油的摩擦系数并不是一成不变的,不同负荷和转速下,润滑油的摩擦系数均会发生变化。而不同的添加剂则会改变润滑油的摩擦系数。然而因此需要对不断地进行优化设计。

4. 减小活塞环张力

更小的活塞环张力,可以降低摩擦损失,缺点是可能造成气体密封不严、耐久性能降低。因此其关键点在于活塞环材料。更低张力的活塞环,是逐渐发展的技术趋势。

以通用小排量发动机为例,类金刚石涂层(Diamond Like coating)的低张力活塞环,被应用于降低摩擦损失,这一材料将活塞环硬度提升了 100%,耐磨性提升了 80%。在避免缺陷的同时提升了热效率。

(图 13 活塞环张力随着排放法规演变而下降,来源:Danniel L, Marcos Valverde.Ring Packs for Friction Optimised Engines.MTZ,2010, 71(07):26-29.)

对于轴承减摩擦,手段主要有两种:

1. 轴承表面处理

对轴承的表面处理,包括了改进轴承合金(铜铅合金→铜锡银合金)与表面涂层(MoS2 的喷丸处理;树脂粘结 MoS2 的固体润滑涂层;C60 石墨插层)。这一技术可以将轴承摩擦系数降低约 0.1-0.2。

(图 14 分别为喷丸处理、固体润滑涂层与 C60 石墨涂层对于摩擦因数的变化,来源:神谷周, 出崎亨. エンジン軸受の摩擦低減に関する技術動向. トライボロジスト, 2016, 61(2): 92-97.)

2. △滑动轴承改为滚动轴承

将发动机曲轴、凸轮轴、平衡轴改用滚动轴承,可以降低 50%的轴承摩擦损失,合整机摩擦损失减少约 15%,有效效率提升约 1%。

这一技术目前多在汽油机或小负荷柴油机上应用,仍以通用的小排量发动机为例,滚动轴承在发动机凸轮轴应用,可以在低速时减少配气机构摩擦损失 40%,平均降低摩擦损失 20%。

(图 14 凸轮轴滚动轴承,与凸轮轴滚动轴承摩擦随速度变化的降低比例。分别来源: Peter Solfrank, Arndt Ihlemann. Opportunities for Reducing CO2 Emission by Using Rolling Bearings in Engines.MTZ, 2008, 69(7):42-48.;Christophe Artur, Fabrice Lemaitre. Camshaft with Roller Bearings to Reduce Mechanical Losses.MTZ, 2010, 71(3):28-34.)

(5)泵气损失

写到这里,发现降低泵气损失的节能技术,前文已经都提及了。所谓泵气损失,包括了进排气重叠角导致的损失与进排气压差导致的损失。低转速化、增压小型化以及超膨胀,都有助于降低泵气损失。

  • 降低转速(Downspeeding)
  • 小型化(Downsizing)
  • 涡轮增压
  • 可变正时气门、超膨胀

(6)有效效率

  • 轻量化

轻量化的意义不言而喻。小型化与全铝结构(汽油机)的设计,在保证发动机性能的同时,减轻了重量,降低了不必要的能量损失。

  • 附件电动化(电动油泵,电动涡轮)

我将附件功放在了这一部分。附件电动化的意义在于,可以将附件的工作功率与发动机工况解耦开来,提供精确的附件功率。

(7)混合动力

最后,将发动机技术推向高潮的,正是混合动力。这个话题如果展开来说,恐怕又要再写这么长。关于混动,欢迎看一看我其他的相关回答和文章。


这篇文章写了很长,枚举了几乎所有发动机节能技术。而这些,还只是先进技术的一部分,一台机器的控制、响应、噪声、耐久,各方面性能都在经受着成本、市场和法规的重重考验,技术不断推陈出新。如果你曾经以为发动机技术早已踟蹰不前,那么现在可能有了新的观念——

发动机的潜力仍在被不断的发掘。

如果要说其中最为重要技术发展的趋势,我认为是小型化、低温燃烧与混动

这三者分别对应了汽油机和柴油机独立的发展方向(小型化);汽油机和柴油机融合的发展方向(低温燃烧)与发动机和电机结合的发展方向(混合动力),而三者又会是互相结合,互相促进——混合动力是发动机的绝佳辅助,它让诸多技术更加实用,例如米勒循环和低温燃烧。在未来,发动机的发展趋势将不再是单独的热机,更可能出现的形态,是越来越多的与电机结合的动力系统,或许我们可以叫它“热电机”。动力系统越来越多元,丰富,与此同时,又越来越高度集成。发动机和变速器,这些总被以为面临淘汰的物事,在电气化的潮流前得到了前所未有的的提升。

或许这值得感到庆幸——日新月异的技术变革,让我们正在见证,最好的发动机时代。

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