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50年前的本田思域:拯救今天的国六B?
2020-07-07 11:14:40  出处:虎嗅网  作者:胡洋用户名已被占用 编辑:陈驰   点击可以复制本篇文章的标题和链接

你走在街上,正好遇到一位美女低血糖晕倒,偏偏你手里正好拿着一大杯饮用水,又正好左裤兜放着一小袋白砂糖,更加正好的是右裤兜有一小罐早上刚溶好的浓糖浆,但由于某种神秘力量现在你只能掏左右裤兜中的一个,那么请问:如何用最快的速度配出一杯糖水?

之前在讲马自达稀薄压燃发动机技术(参见《汽油车努力起来,真没电动爹什么事儿》)末尾,提到了丰田和本田看好副燃烧室(或称预燃烧室,Pre Chamber)技术,一种简单且低成本的高热效率方案。

现在,第一台配备预燃烧室的量产民用车发动机出现了,只不过离我们普通人还稍有一点点远——来自玛莎拉蒂的最新超跑发动机 Nettuno。

别急着走,虽然第一个吃螃蟹的是玛莎,其实这是离普及化最近的一种高效内燃机技术。

50年前的本田思域:拯救今天的国六B

神奇的一个帽

所谓预燃烧室,看上去其实很简单:在传统发动机火花塞的外面,套上一层带孔金属帽,这个金属帽内的狭小空间,就是所谓预燃烧室或副燃烧室。

正好,玛莎拉蒂 Nettuno 这款发动机配有双火花塞,其一是传统配置方式在缸内点火使用,其二则是用于预燃烧室点火,刚好可以用来对比展示预燃烧室结构。下图中,左侧(气缸中心)火花塞用于预燃烧室,下方形成了一个非常狭小的空间,与主燃烧室之间有数个小孔连通;右侧(缸壁)火花塞正常布置,用于在无需使用预燃烧室的工况下直接在缸内(主燃烧室)点火。

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(玛莎拉蒂 Nettuno 单个气缸结构剖面)

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(预燃烧室;右边斜着的是混合气气门)

预燃烧室的核心原理,其实就如同本文开头的例子。

在传统的气缸火花塞布置下,气缸顶部中心的火花塞点火形成电弧,电弧点燃空气燃料混合气形成火焰,火焰经过一段时间的传播,才会从火花塞位置扩散满整个气缸(燃烧室)。由于活塞始终是处于上下行往复运动中,所以燃烧过程的时间越短,燃烧所做的功对于下方活塞“向下推”的贡献越大,对于燃料的利用率也就越高。高效高动力就是这么来的。

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(传统火花塞对比预燃烧室)

要让燃烧过程更快、时间更短,预燃烧室的基本思路是:部分燃料空气混合气先在预燃烧室内,由火花塞电弧点出一股火焰,预燃烧室内的火焰经金属帽上小孔,形成多股高能火焰进入主燃烧室。主燃烧室内的燃料混合气,是直接由小孔冒出的多股已成形火焰点燃,于是燃烧迅速扩散。

就好比糖浆溶于水要快于糖块溶于水,预燃烧室小孔涌出的火焰能量远高于火花塞电弧。传统的火花塞点火是以电弧形成初始火焰、再靠这单点扩散到整个燃烧室,而预燃烧室从多个小孔冒出的多股火焰要快得多。

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下图是一家德国预燃烧室供应商 IAV 公布的对比图,预燃烧室的能量峰值更高、释放时间更短、能量释放过程更为集中。

类似的图形,你在马自达 Skyactiv-X 稀薄压燃技术解读中也会看到。

马自达的策略是效仿柴油机,靠极高压缩能量而非火花塞点火,高温高压下燃烧室内多点自发性点燃,追求的是同样的效果,异曲同工。

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(IAV 的对比图,横向时间,纵向能量释放)

还没完。更快的燃烧速度不止意味着更高效率,还会带来更多的可能。

首先是对于爆震的抑制作用,带有预燃烧室的发动机可以进一步提高压缩比,从而增加扭矩输出或者提高热效率。

以前讲 Skyactiv-X 时讲过,爆震就是燃烧室内不受控制的意外燃烧,本来是由里到外逐步点燃,还没到你你就提前燃了,就好像一队人在拔河你突然反方向推一把,会对发动机造成严重损伤。

我们知道压缩比越大,扭矩和热效率都会更好,但更高的压缩比会增加爆震风险,这是提升压缩比的最大阻碍。

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(右:爆震即不依规律的意外点燃)

预燃烧室使得燃烧过程变得更加迅速,处于主燃烧室边缘远离火焰的部分,处于高温高压但未点燃状态下的时间更短,发生爆震的几率就降了下来。有了更高的压缩比为基础,厂商手头用于分配发动机各项表现的“筹码”更多了。

玛莎拉蒂这台新引擎,虽然被官方称为多年来第一台 100% 自研发动机,但实际上基础结构仍然是法拉利 F154 六缸版本,即阿尔法·罗密欧 Giulia 四叶草版上那台。但玛莎拉蒂 Nettuno 的基础压缩比高达 11:1,而法拉利 F154 各个版本的压缩比不过 9.3~9.6,很大程度上是预燃烧室的功劳。

11:1 的高压缩比带来了 730N·m 的峰值扭矩,比阿尔法·罗密欧上那台同宗的 V6 高了足足 100N·m。而对于涡轮增压引擎,更高压缩比带来更高的天然扭矩,达到同样动力水平所需的涡轮增压值更小,相应的涡轮迟滞就更小,这对于追求性能体验的超级跑车非常重要。

便宜才能真香

如果你对动力数字还不感冒,更重要的是预燃烧室是一种性价比极高的稀薄燃烧方案。所谓稀薄燃烧,在介绍马自达 Skyactiv-X 时已有介绍,简单讲就是空气/燃料比大于 14.7:1。这个比值是空气与汽油燃烧化学当量计算下来的理想配比,但以往因为这样那样的原因无法实现,必须是燃油过量,自然热效率上不去。要想让 1 份燃油能与 14.7 份甚至更多的空气发生燃烧,需要对发动机进行特殊的设计处理。马自达 Skyactiv-X 之所以让人惊叹,一是实现了汽油压燃,二是实现了稀薄燃烧。

预燃烧室实现稀燃,还是受益于多股高能火焰射流取代了火花塞电弧,主燃烧室内燃油空气混合气“更容易”被点燃。以往火花塞点火,如果燃烧室内的空燃比过大,即空气占比过多、燃油占比过小,燃烧便无法扩散开来,导致发动机无法继续工作。而在使用了预燃烧室后,主燃烧室内可以在空气过量超 2 倍(空气过量系数 ≥2)的情况下被正常引燃,相当于曲线救国实现稀燃。

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(IAV)

比起马自达稀薄压燃技术,预燃烧室对于发动机整体结构和原理没有大的改变,不像 Skyactiv-X 那样几乎推倒重来。更重要的是,预燃烧室的硬件成本极低。供应商 IAV 给出的报价,常见的直列四缸发动机只需增加 20~30 欧元,这比马自达历时数年钻研 Skyactiv-X 划算太多。所以,预燃烧室技术被广泛看好作为下一步普及型的高热效率稀燃方案。

本田先走一步

然而这一切和本田又有什么关系呢?

首先必须说明,预燃烧室本身并不是一项新技术,之前它已经在静止大型内燃机上应用了几十年,用于快速点燃这些庞然大物的巨大燃烧室。

只是用于乘用车,预燃烧室还是新鲜事,需要车厂解决很多车载独有的问题。而在汽车领域,上世纪 70 年代曾出现过一种高度类似的发动机技术:本田 CVCC。

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(CVCC:气缸左上角即副燃烧室)

1970 年美国通过了《马斯基法案》,定出了一个几乎不可能的减排目标,引发美国车企一片哀嚎和抗议。

然而当 1972 年法案正式生效,当时刚刚开始造车没几年的本田,以它的第一代 Civic——对,就是今天那个“三辆同时出现等于飙车”的本田思域——成为了当时唯一满足新法案的车型。

第一代思域和它的 CVCC 技术,是本田在美国市场乃至整个汽车行业站稳脚的基础。

看上去 CVCC 就和今天的预燃烧室技术很相似,本田也是在火花塞上套了一个金属隔板隔出一个副燃烧室,先让燃料空气混合气在副燃烧室内点燃形成火焰,再用火焰去点燃主燃烧室内的稀薄混合气,达到减少喷油量大幅减排的效果。CVCC 用一种纯机械分割的原始方式,实现了几十年后奥迪 FSI 那样基于缸内直喷的分层燃烧效果。

后者靠的是 CFD 计算机流体力学辅助设计加上高度精确的电子喷油,前者堪称是化油器时代的 FSI。

CVCC 诞生在电喷尚未应用的时代,更不要说今天的缸内直喷,发动机燃油是由化油器雾化后喷入进气歧管再进入气缸(燃烧室)。

这意味着对于燃油的利用效率和精度控制都很低下,不采用 CVCC 这样的非常手段,要满足苛刻的《马斯基法案》实在太难。

所以后来当本田的电喷技术 PGM-FI 诞生,汽油机进入电喷时代,CVCC 便逐渐退出了历史舞台。

50年前的本田思域:拯救今天的国六B

今天的预燃烧室技术,同样是节能减排与性能提升双重压榨下的结果。在被玛莎拉蒂用于超跑发动机之前,它已经在 F1 一级方程式赛车上应用多年。法拉利的预燃烧室来自供应商德国 Mahle,本田曾声称其 F1 动力系统借此热效率超过 45%。几家 F1 引擎制造商,法拉利、本田、奔驰,都有计划将预燃烧室技术下放到民用车。

法拉利今年公布的一项专利,披露了这家顶级超跑厂商正计划在民用 V12 引擎上,搭载与 F1 类似的主动版预燃烧室。大排量 V12 引擎对于法拉利来讲意义非凡,预燃烧室上身,显然是为了尽可能在满足排放法规的前提下,保留住 V12 引擎的最后血脉。

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(法拉利带预燃烧室的 V12 专利图)

与当年 CVCC 不同的是,今天的预燃烧室技术,是在高度精确化的计算与设计下,在内燃机理论更成熟的环境下问世的。主燃烧室的稀薄环境受到精确控制,成本更高的主动预燃烧室方案可以实现超稀薄燃烧,并在高负荷时主动调整空燃比,以避免氮化物排放爆发;主副燃烧室间的开孔位置、尺寸、形状,都进过 CFD 计算优化得到;副燃烧室被用于控制爆震,帮助提高压缩比,以达成高输出或高热效。

据德国 IAV 给出的数据,其主动版方案可以实现 7~8% 的二氧化碳减排,更简单廉价的被动版方案也能够减少 2~3% 的二氧化碳排放。对比一下预燃烧室技术的投入和成本,和未来汽车排放逐年递增的边际压力,这个减排效果称得上诱人。

所以,虽然第一个吃螃蟹的是玛莎拉蒂,但预燃烧室其实是一项颇具亲民色彩的高效减排方案。由于定位原因,玛莎拉蒂这款新引擎并没有将预燃烧室的全部功用放在减排,依然轻松满足欧六 D、国六 B 这样严苛的法规要求。本田、丰田、日产这些仍将内燃机视为未来动力体系一部分的厂商,早已投入到预燃烧室的量产化工作中。技术其实已经在手,真正投入市场,只是等待环境何时到达必需的程度罢了。

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