东京工业大学工学院系统控制专业的小酒英范教授、长泽刚助教和佐藤进副教授等人，与庆应义塾大学的饭田训正名誉教授和横森刚副教授等人合作，通过在过剩空气系数提高至2左右的超稀薄燃烧汽油发动机中应用气缸内喷水技术，成功地把此前约为40％的乘用车发动机净热效率提高到了51.5％，指示热效率提高到了52.6％。
超稀薄燃烧汽油发动机有望实现高热效率，但要想进一步提高热效率，必须抑制高负荷区域的爆震及降低冷却损失。研究团队通过向燃烧室内的活塞表面附近喷水形成低温水蒸气层，即使是超稀薄燃烧也能在避免燃烧性能恶化的情况下，抑制爆震并降低冷却损失。
研究团队通过优化各种条件，将压缩比最终提高到了17，在乘用车汽油发动机中实现了全球最高水平的热效率。此外，研究结果表明，通过实现水喷雾的可视化和热通量测量，与当初的期待一样，在活塞表面附近的确形成了低温水蒸气层。
研究背景
超稀薄燃烧汽油发动机能通过低温燃烧降低冷却损失，因此有望大幅提高热效率（参考文献1），但要想进一步提高热效率，必须抑制高负荷区域的爆震及降低冷却损失。作为有效抑制汽油发动机爆震和降低冷却损失的方法，以前一直在研究喷水技术。即通过水的蒸发降低气缸内气体的温度，从而抑制爆震和降低冷却损失，此前主要以理论空燃比为对象开展研究，此次通过将喷水技术应用于超稀薄燃烧，进一步提高了热效率。
研究方法
在以前的理论空燃比研究中，汽油发动机的喷水大多采用通过进气口喷水的形式（参考文献2），此时空气和燃料的混合气体能相对比较均匀地被冷却。但随着均匀地向混合气体添加水，燃烧速度会大幅降低，因此在超稀薄燃烧中，燃烧不稳定性可能会加剧。
如图1所示，此次研究提出了“层状水蒸气隔热法”，即直接向气缸内喷水，避开火花塞周边，使水蒸气集中分布在活塞表面附近。由此，即使是超稀薄燃烧也能在避免燃烧性能恶化的情况下也能取得水冷效果，另外有望有效减少活塞附近的未燃烧区域经常发生的爆震以及从活塞表面流向外部的大量冷却损失。
图1：本次研究中使用的汽油发动机气缸内喷水概略图
研究成果
气缸内的水分布是提高热效率的关键，研究利用石英玻璃制作的可视化发动机调查了喷水时机对水喷雾分布的影响。结果如图2所示，在上止点之前的150°喷水时，水沿着顺时针方向被从进气侧送至活塞表面附近，并呈层状分布。
图2：在上止点之前的150°喷水时，气缸内的水喷雾可视化结果
在实机发动机试验中也确认，通过在压缩冲程的前半部分（上止点之前150°~120°）喷水，可以在保持燃烧稳定性的同时，减少爆震和冷却损失，提高热效率。
另外，图3是根据活塞表面及发动机缸盖的热通量测量获得的、通过喷水实现的平均气体温度下降率与壁面热通量下降率之间的关系。在平均气体温度同样下降的情况下，活塞侧的热通量下降率高于缸盖侧，表明活塞表面附近形成了水蒸气层，发生了形成低温的温度分层。
图3：通过喷水实现的平均气体温度下降率与壁面热通量下降率之间的关系
根据以上结果，研究团队通过优化喷水条件和运行条件，提高了0.5L（升）级单缸发动机的热效率。图4以热平衡的形式显示了其结果。通过以15的压缩比和1.9的过剩空气系数进行喷水，在抑制爆震和燃烧波动的状态下，总指示热效率（不包括机械损失和泵吸损失的效率）由48.7％提高到50.2％。将压缩比进一步增加到17后，通过在充分抑制爆震和燃烧波动的基础上，降低排气损失、未燃烧损失和冷却损失，总指示热效率最大提高至52.6％。
这在0.5L级汽油发动机中是目前全球最高水平的热效率，可以说体现了新一代超高热效率汽油发动机的一个可能性。今后将通过同时测量水蒸气分布和热通量等来研究热效率的提高机制，同时，通过优化喷水喷嘴的形状和设置位置等，有望进一步提高热效率。
图4：通过高压缩比+超稀薄燃烧+喷水提高热效率及各种损失的详情
论文信息
题目：Thermal efficiency improvement of super-lean burn spark ignition engine by stratified water insulation on piston top surface
期刊：《International Journal of Engine Research》
DOI：10.1177/1468087420908164
参考文献
1 Jung, D. et al., SAE Technical Paper 2017-01-0677 (2017)
2 Bellis, V. D. et al., SAE Int. J. Engines 10(2), 550-561 (2017)
文：JST客观日本编辑部
