日研发10·15模式通用的HCCI发动机

    HCCI（均质充量压燃）发动机曾经备受期待，被誉为“终极省油发动机”。但直到现在，HCCI仍未进入实用。其原因是可以实现HCCI驾驶的“最佳区域”过于狭小。千叶大学的研究小组开发出了“放空增压”方式，在整个10·15模式下均有可能实现HCCI驾驶，接近了“燃效提高15％”的目标。



　　日本第61届汽车技术会奖已于2011年4月26日发表。在6项论文奖中，有2项与HCCI相关。因为高燃效，NOx（氮氧化物）和PM（颗粒物质）少，HCCI被誉为“终极省油发动机”，在学会的研究课题中一直占据主角地位。但却很少听到有关实用化的消息^*1。至于原因，业内人士都心知肚明。那就是“可以实现HCCI燃烧的范围狭窄”。范围狭窄的话，作为通常的火花点火发动机行驶的时间就会增加。这样一来，在燃效、尾气上的优势就无法显现。

    *1：最新的柴油发动机喷射压力极高，因此，喷射经常在着火延迟时就结束了。但也有研究人员将此解释为，因为混合在先、着火在后，所以在广义上仍然实现了HCCI。

一步走错就会爆震

　　HCCI吸入的是燃料均匀混合的混合气体。通过压缩混合气，使气体一次性全部“自然着火”。研究HCCI的千叶大学森吉 泰生教授称其“就像是受到控制的爆震”。全部混合气体一次点燃，燃烧速度快。而且火苗传播速度不受制约，因此，稀薄燃烧界限远大于火花点火。因为燃烧快，可以实现稀薄燃烧，所以燃效好。

　　而且，混合气体经过了充分混合，没有缺氧的地方，不容易出现PM（颗粒物质）。因为燃烧温度没有偏差，所以也不容易出现NOx（氮氧化物）。尾气更加清洁。

　　不过，因为不是利用火花塞点火，所以在温度、压力、压缩气体的活性等条件不齐全的情况下点不着火。“控制爆震”就非常困难。

　　在点火条件中，最重要的是温度。现在主流的方法是利用NVO（Negative Valve Overlap）提高温度。方法是在排气行程的最后，当活塞抵达上死点之前，提前关闭排气阀，封住尾气。待活塞经过上死点，回落到一定程度，压力也随之下降后，再打开吸气阀。封住的气体发挥内部EGR（废气再循环）的作用，提高缸内的温度。因为排气阀、吸气阀有同时关闭的期间，因此称为NVO。

　　HCCI在高负荷、低负荷下都有极限。高负荷时，燃料将会增加。由于燃烧的流动原本就比较快，因此会快速燃烧掉更多的燃料。导致压力上升率增加，噪声、振动加剧。而且还会生成NOx（氮氧化物）。接近于真正的爆震。千叶大学的研究显示，“最大压力上升率在400kPa/度以下”时可认为实现了HCCI驾驶。其中的“度”是曲轴的旋转角度。

　　另一方面，低负荷时，燃料少，发热量少。这样一来，缸内的温度无法充分升高，不容易点火。如果经常出现没有点着火的循环，扭矩就会产生变化。而且，原料气中含有的CO、HC就会进入尾气中。千叶大学认为，“IMEP（平均指示压力=Indicated Mean Effective Pressure） 变化率为5％以下”时可认为实现了HCCI驾驶。

　　按照这个标准，过去的NVO只有在IMEP最高为400kPa以上，最低约为200kPa的狭窄范围内才能够实现HCCI驾驶（图1）。10·15模式要求的范围则是上限为600kPa以上，下限约为100kPa，所以难以在10·15模式下实现HCCI驾驶。

图1：使用以往技术时HCCI驾驶实现的范围 灰色区域内为HCCI驾驶，对于10·15模式而言极其狭窄。

利用放空压缩并输送气体

　　千叶大学正在与畑村发动机研究事务所、本田技术研究所、CD-adapco JAPAN合作研究拓展HCCI的驾驶范围。借助此前的成果，整个10·15模式范围内都已经可以实现HCCI驾驶（图2）。这样一来，自然吸气HCCI中无法实现的“燃效比火花点火提高15％”就有了眉目。其核心技术是名为“放空增压”（Blow-Down Super Charge）的增压方式。

图2：改善后的驾驶区域 采用各项技术后，在10·15模式的区域内都可实现HCCI驾驶。

    放空是普通发动机也存在的现象。是指在打开排气阀的瞬间，缸内的压力把尾气全部压入排气管。然后再借助活塞上升的力压出尾气。在放空的一瞬间，排气的力度最强。放空增压就是利用这一力度，向缸内输送高温气体的方式。

　　放空增压成立的条件是具备两个爆炸时间交错360度（以曲轴为参考）的气缸（图3），例如双缸发动机、四缸发动机等。在四缸发动机中，一号和四号，二号和三号的爆炸时间相差360度。假设一号和四号这一对气缸的活塞高度相同，那么，当一号位于下死点附近时，四号也位于下死点附近。当一号完成爆炸开始排气时，四号完成吸气开始压缩。

图3：放空增压系统 一号气缸排放尾气的压力波送入四号气缸。

    此时，一号发生放空。一号与四号经排气歧管相连，放空的脉动会传导至四号，但在普通发动机中，四号的阀门关闭，因此不会出现任何现象。

    对于放空增压，此时四号的排气阀瞬间打开，借助放空的压力波把尾气压入缸内，作为EGR使用（图4）。因为四号刚刚开始压缩，所以缸内的压力低，因此，放空的压力波大于缸内的压力，会进入四号气缸。为了使排气阀略微打开，在凸轮轴上事先需要设置用于放空的凸轮尖。

图4：放空增压的操作时序 左侧四号向一号，右侧一号向四号输送EGR气体。

    EGR气体在压缩前给吸入的混合气加温。对于NVO，吸气时间偏短，但放空增压对吸气没有影响，可以送入超量的气体。

　　实验使用的是本田的直列四缸发动机“K20A”。为了更简单地分析现象，实验人员关闭了二号、三号气缸的吸排气阀，只使用一号、四号两个气缸进行了实验。具体做法是分别在一号、四号中安装压电式压力传感器，测量了缸内的压力。并且在四号气缸的吸排气管中安装压阻式压力传感器，测定了吸排气的压力脉动。

　　HCCI发动机投入实用时估计需要可变阀门，但这次实验准备了多个凸轮轴，在每次实验时按照驾驶负荷进行了更换。其中，中负荷凸轮为1种，高负荷为3种。排气阀的升程设定为固定。目标负荷越高，需要增加的吸气量越大，因此吸气的升程大（图5）。而且，如果目标负荷高，即使减弱放空增压也会燃烧，因此缩小了EGR的升程。

图5：实验使用的吸排气开阀升程 排气开阀升程固定。目标负荷越高，吸气升程越大，EGR升程越小。

    在实验中，作为改变放空增压“效果”的控制要素，消音器下游设置了节气门。节气门关闭时，放空增压增强，打开时，放空就会作为排气脉动产生。节气门的效用由排气管内的平均压力体现。

    在上述条件下，对采用放空增压的HCCI驾驶进行了验证。使用中负荷凸轮，观察了缸内压力。对放空增压起效时（虚线=排气管内的平均压力101kPa）和无效时（实线=同上127kPa）进行了比较。在增压起效时，排气阀打开，EGR进入后，缸内压力大幅上升（图6）。这就意味着有相应的更多尾气进入了缸内。

图6：发挥放空的作用，把排气管的平均压力从101kPa提高到127kPa后，缸内的压力上升 在1500rpm，IMEP（平均指示压力）450kPa的条件下驾驶。各100个循环的平均波形。

    实验使用高负荷2的凸轮，观察了排气管内的平均压力在124～155kPa的范围内进行四级调节时的振动（最大压力上升率）、扭矩变动（IMEP的变化率）（图7）。

图7：通过发挥放空的作用，使排气管内的平均压力在124～155kPa之间变化，在大扭矩范围（IMEP的范围）内进行HCCI驾驶将得以实现 上方的箭头是HCCI驾驶成立的范围。

    最大压力上升率为右上倾斜的曲线，IMEP的变化率为右下倾斜的曲线。而同时满足“400kPa/度以下”、“5％以下”的IMEP是图中箭头所示的范围。由图可知，排气管内的平均压力越高，能够实现HCCI驾驶的IMEP范围就越偏向低负荷方向。在实验中，排气管内的平均压力比较分散，为124kPa、129kPa、138kPa、155kPa，因此，成立范围之间有断裂，如果能够实现连续可变，在IMEP处于300kPa以上到550kPa附近的范围内，就能够实现连续的HCCI驾驶，使负荷的上限增加到NVO以上（图2）。

利用导轨形成高温区域

　　实验利用放空增压，成功扩大了HCCI的范围。但这还不足以实现整个10·15模式的HCCI驾驶。于是，千叶大学研究小组开始着手进一步扩大负荷的上限。

　　对于负荷的上限，最大压力上升率是一大问题。为了使压力缓慢上升，燃烧室的上方和下方安装了导轨，用来改变燃烧室内的气流（图8）。其目的是把燃烧室内分成高温区和低温区，通过延迟低温区的燃烧，缓慢提高整体的压力。

图8：为实现温度分层，汽缸头侧、活塞侧都设置了导轨 放空时进入的高温尾气只在左半部分发生滚流。

    上导轨位于进气阀与排气阀之间的隔板上，下导轨位于活塞中央附近突起的区域（图9）。放空时进入的尾气接触到活塞导轨后上升，像滚流似的小回转，形成900℃以上的高温区域（图10）。

图9：导轨的形状 （a）汽缸头侧的导轨包围排气阀（箭头），（b）活塞上表面靠近中央的位置突起。

图10：导轨的效果 （a）无导轨时，温度分布几乎相同，（b）有导轨时，左侧可以形成高温区域。红色位置超过900℃。

    研究小组使用无导轨和带导轨的燃烧室试验了高负荷驾驶。使用的是设想为最高负荷的高负荷3凸轮。负荷换算成IMEP是无导轨583kPa，有导轨580kPa，基本相同。

    结果显示，使用导轨时，表观热发生率^*2峰值较低，燃烧期长（图11）。缸内压力的最大值也比较低。

    *2　在热发生率前加上“表观”二字是因为这个数字是从燃烧产生的热量中减去了通过壁面散逸的热量。

图11：缸内压力与表观热发生率 有导轨时热发生率的峰值低，燃烧时间长。

    比较显示HCCI驾驶的负荷上限的“400kPa/度以下”区域可知（图12），当IMEP相等时，带导轨的最大压力上升率低。使用导轨可以提高高负荷驾驶极限，在IMEP为650kPa的情况下也能够驾驶。这相当于10·15模式的上限负荷。

图12：对于负荷的最大压力上升率 设置导轨后可以降低最大压力上升率。

    换一个形式进行整理。把横轴作为放空增压的作用，把纵轴作为负荷。横轴的实际变量是排气管内的平均压力（绝对值），纵轴的是IMEP（图13）。在四条右下倾斜的曲线中，上面2条是“压力上升率400kPa/度”，下面2条是“IMEP的变化率5％”的曲线。在两条曲线所夹的区域内可以实现HCCI驾驶。由于实验不同于图12，数字不尽相同，当无导轨时，最大负荷为470kPa，安装导轨后增加到了580kPa。其他区域z在安装导轨后，范围同样向上下左右扩大。

图13：使用放空增压进行HCCI驾驶的成立范围 设置导轨后，出现最大负荷的IMEP从470kPa提高到了580kPa。实现了高负荷驾驶。

在低负荷下控制水温

    另外，降低负荷下限的技术也已经开发成功。向缸内喷射少量燃料等方法早已提出。而千叶大学认为，改变冷却水的温度可以实现这一目的。为了确保冷却效果，冷却水的温度一般控制在85℃左右，但在低负荷下会升至105℃。这样会减少从缸壁流失的热量，使缸内的空气在压缩行程中保持高温。实验结果显示，温度升至105℃后，即使是在IMEP为134kPa的低负荷下，也能够把IMEP的变化率控制在5％，也就是能够实现HCCI驾驶的数字（图14）。这样一来，即使在远低于NVO的区域，也可以实现HCCI驾驶（图2）。

图14：水温的影响 水温从85℃升至105℃后，即使IMEP降低到134kPa的低负荷，HCCI驾驶同样可以实现。

    实验首先测量温度，通过反馈控制水温，但实际驾驶中并不会如此大动干戈。调节水温是通过截断发动机气缸体到水泵、散热器的循环，只需开关阀门即可。但这需要对响应延迟等进行验证。

　　“如果不能将安装在普通发动机上的装置控制在最少，就很难实现普及”，这是千叶大学小组的基本思路。不只是水温控制，对于很多要素，怎样才能使用简单装置实现放空增压HCCI发动机，将是实用化过程中需要解决的课题。