41%热效率的丰田混动很优秀？这台发动机最高60%！

丰田在凯美瑞混动该车型上使用的41%的A25B发动机号称最高热效率发动机之一；马自达基于第二代创驰蓝天技术背景下，号称目标达到50%的热效率；不好意思，今天介绍的是一台60%的热效率的发动机。

热效率是衡量一台发动机好坏的最直接的指标，热效率越高说明发动机对燃料能量利用得更充分，做同样的功需要的能量越少，自然燃油经济性就能提高。

言归正传，这台60%热效率发动机什么来头？

这项技术在同一台发动机中同时采用汽油和柴油混合燃烧，这项技术被称为RCCI（Reactivity Contronlled Compression Ignition）低温预混合燃烧或者燃油反应活性控制压燃技术，这是美国威斯康辛大学发表的技术。

该发动机整体的构想是使用一种低反应性和一种高反应性两种不同的燃油，这个案例中有歧管喷射汽油，当然也可以选择其他燃料，例如天然气和乙醇之类的低反应性燃料。还有一个喷射高反应性燃油的缸内直喷，这个案例中主要负责喷射柴油。

柴油的燃烧延迟很短，也就是从它被喷射出来到被点燃的时间很短，并且他们在压燃环境中很容易被点燃，而汽油的点燃会更困难一点，他们的反应性要低一些。这就是发动机的基本结构，有两种不同的燃油系统，一个高反应性，一个低反应性，燃油并不拘泥于汽油或者柴油，但本次主要讨论汽油和柴油，这也是他们在测试中用得最多的两种燃料。

第一步是歧管喷射，在进气冲程时，活塞下行吸入汽油和空气的可燃性混合气体，随后进入到压缩冲程，这个过程会有两次柴油喷射（使用缸内直喷），第一次喷射是在混合气体被压缩到温度非常高之前，温度还不足以点燃混合气体时，柴油和汽油会开始混合，在气缸中形成分层的混合气团，因为柴油是缸内直喷的形式进入的，所以会更靠近气缸中央，而外层则是通过进气道进入的汽油和空气的混合物。

随着活塞上行逐渐靠近上止点，这是会再次喷入少量的柴油作为点燃用，当然喷入柴油的多少取决于空燃比，但最后这次喷射仅仅是为了点燃混合气使用，而这一次喷射产生的火焰被称之为“冷焰”，所以它是柴油的低温火焰，而不是把所有汽柴油混合气一起压燃的；在最后喷射进去的柴油的最外层边缘还有非常少的一层低反应燃油，这样形成的一团“冷焰”，因为这种燃烧产生的热量较小，但是又足以将燃烧室中的其他混合气点燃。

一旦里面的“冷焰”被点燃，中间层的汽柴油混合气也会被引燃，汽柴油混合气的燃烧又会点燃最外层的汽油混合气。所以这更像是将燃烧过程分成三步，首先是低温火焰，然后是汽柴油混合气，最后是汽油混合气。柴油和汽油的混合比例不同，发动机的燃烧压力曲线会发生很大的变化。

以上的案例使用的是一台压缩比为16:1，排量2.44L的卡特皮勒单缸重型发动机，工作转速为1300rpm，为了证明这项技术可以同时用于重型和轻型发动机，实验人员还测试了一台通用的1.9L四缸发动机。本文讲述的数据来自这台2.44L的单缸发动机。

威斯康辛大学的研究人员通过将发动机转速固定在1300rpm，随后不断改变节气门的开度，从小角度到全开，然后测量不同开度下汽油比例、空燃比和热效率。他们在台架上给发动机施加负载。

先从汽油比例开始说起，在低负载时汽油的用量较少，部分原因在于汽油在低负载时比较难以压燃，这也是汽油HCCI这样的终极目标难以实现的原因，就是因为在低负载情况下汽油难以压燃。而这台发动机上因为使用了两种燃油，所以在低负载时可以使用柴油作为引燃物质，最终随着负载的上升，汽油的使用比例也会随之上升，当然这并不是线性关系，中间会有一些峰值和上下波动，但总的来说就是低负载时汽油使用量较少，使用更多柴油；而在高负载时这个比例可以达到90%汽油和10%的柴油。

在大部分情况下，第一次缸内直喷会喷射大部分的柴油进行混合，但在某些工况范围内，比如低负载时，第二次缸内直喷会喷射大部分的柴油，因此在实际运行中，虽然转速固定，但随着负载变化会有非常多、复杂的实时控制。

关于空燃比，可以想象到是的在低负载时会非常高，然后随着负载上升逐渐降低，一旦汽油成为主导，空燃比就会急剧下降，而在汽柴油混合阶段，空燃比居然可以控制在45：1，所以在低负载时可以获得非常高的热效率，因为此时的空燃比非常高，而燃油的用量非常少。因此这也是这项技术最出彩的地方，从图上可以看到，即便是最差的热效率也可以达到49%，当然这是一只在高效运转区间运行的结果，如果转速升高，热效率会下降。

不过，在整个负载范围内热效率最低也有49%，而在中间负载时最高热效率达到56%，作为比较，还未上市的马自达新一代SPCCI发动机最大热效率大概在43%，虽然马自达还没公布官方数据，但他们说比市场上的效率之王好那么一点点而已，也就是丰田普锐斯的42%。而柴油机的热效率本来就比汽油机更好，大概在48%-50%左右，但这台发动机已经超越了柴油机，它将柴油和汽油融合并成为最佳组合。

排放。这台发动机有非常低的氮氧化物排放，以及非常低的颗粒物排放，大家都知道困扰柴油机最大的问题就是排放问题，因为RCCI的低温燃烧技术，几乎不会产生氮氧化物。同时，因为柴油的用量不大，所以柴油能得到充分的混合，普通柴油机都是在上止点即喷即燃，但RCCI发动机进行了提前喷射进行混合，充分混合的柴油并不容易产生颗粒物排放。

热效率。得益于其超高的热效率，它比目前市场上的一些高热效率的柴油机还要高10%-15%，而高热效率又得益于更低的燃烧温度，减少了因为温差问题导致缸内热流失。事实上在获得最大60%的热效率时，其中一项措施就是停止给活塞提供冷却油，因为他们发现冷却油会把部分做有用功的燃烧热量从活塞上带走，这是他们试验提升热效率时采用的一个方法。

取消尾气处理装置。这是这项技术带来的另一个好处，在不安装任何尾气处理装置时，排放满足2010年EPA排放法规，现在的柴油机为了满足法规全部都要加尾气处理器，如果这项技术能够进一步优化并量产，可以节约很大一笔后期尾气处理成本。

需要使用两种燃油。这对于消费者来说肯定是不友好的，因为车辆需要设置两个油箱分别加注两种不同的燃油，并且车上还需要有两套燃油系统，无疑增加了使用难度以及车辆成本。

距离量产相对遥远。这是一项在实验室中的发动机，还有非常多的问题需要解决，教授认为，为了达到最大热效率而取消活塞冷却这是不可取的，除非活塞可以承受无冷却状态工作，否则达不到60%的热效率。

虽然目前新能源强势崛起，但内燃机还有很大潜力供我们发掘，目前的内燃机热效率只有41%左右，还有60%是可以通过技术手段进一步发掘的，特别是内燃机独有的味道以及动力输出特性深得老派汽车爱好者的喜爱，内燃机依然有存在价值，内燃机依然有很大潜力，内燃机不是电动机能替代的。虽然高热效率发动机之路相当艰辛，但科技的进步、人类智慧始终会让内燃机再次发光发热。

分享到