[導讀]本田在東京車展推出了均質稀薄電火花燃燒技術Homogeneous Lean Charge Spark Ignition(簡稱HLSI)，聽起來很玄幻，療效更佳，號稱內燃機熱效率高達50%！他們是怎麼做到的？
正在如火如荼進行的2015東京車展吸引了眾多的眼球，日本車廠這幾年一直被汽車產業視作“過於保守”，主要是因為在全世界大力推廣以電動汽車為主的新能源車的時候，日本車廠幾乎不為所動，只有日產在雷諾-日產聯盟的帶領下賺到了電動車的真金白銀。其他國內競爭對手則主要是寄希望於氫燃料電池技術作為突破。
難道傳統引擎就沒戲了？恐怕未必，本田這不就推出了均質稀薄電火花燃燒技術(HLSI)，這技術不光名字聽起來很玄幻，療效更佳，號稱引擎熱效率高達50%，要知道目前熱效率40%的引擎已經是被認為接近了活塞內燃機的物理極限了，那麼本田這套HLSI技術究竟有哪些過人之處？
研發背景
其實本田對於HLSI技術的開發很早就開始了，早在2013年交給SAE的一份研究報告當中，本田已經提出了相關的技術研發路線圖，報告指出高熱效率引擎將是本田的研發重點中的核心。最近一次則是在2014年的SAE高效率內燃引擎研討會上，由本田研發部門的近藤隆做了研發報告。
一般稀薄燃燒引擎當中，進入氣缸的空氣-燃油混合氣濃度是一個相對分層分佈的狀態，在火花塞附近的混合氣比例相對較濃，能夠在點火過程中穩定點燃，而氣缸其他周邊地區混合氣濃度相對稀薄很多。稀薄燃燒引擎理論上能夠實現更高的熱效率，更高的空燃比也能夠使泵氣損失明顯降低。然而這樣的技術也具有兩面性，這種工況設計下，點火燃燒的前半程燃燒的都是相對濃郁的混合氣，所以氮氧化物NOx產生較多，而且三元催化劑當中對於NOx的催化效率又非常有限。
所以本田的工程師就一直想，要是有一種既能兼顧分層混合氣穩定可控地燃燒，同時也能夠有效降低NOx排放的方法，該有多好啊！均質稀薄電火花燃燒（HLSI）就是他們鼓搗好幾年出來的成果，號稱是完美兼顧了傳統稀薄燃燒的燃燒可控性、低噪聲特性以及均質壓燃點火技術（HCCI）的低氮氧化物NOx和高熱效率的雙重優點，與此同時還避免了兩種技術路線的缺點（稀薄燃燒工況區間小，HCCI運行噪音大），口氣可真是不小，筆者看了簡直佩服得不要不要的。
均質稀薄預混合氣好是好，但是火焰傳播性能奇差的特性讓人頭疼。為了解決這個決定性的難題，本田工程師們開始在一台單缸引擎上實驗調查，一邊調整壓縮比和進氣溫度，一邊研究對應的燃燒特性。
在最初的幾組實驗當中，本田工程師們改造了單缸實驗機的結構，氣道噴射噴油嘴跟氣缸進氣門之間有1米長的超長距離（傳統引擎也就幾厘米），這樣燃油和空氣就會充分接觸霧化，形成了非常均勻的混合氣。之後混合氣在流進氣缸之前，還要先經歷一次加熱過程。就是這樣如此往復，本田工程師們對不同壓縮比、不同進氣溫度進行了排列組合，調查混合氣稀薄程度的極限究竟受什麼因素制約。
研究人員最終發現了一個不尋常的工況循環——也是引起燃燒紊亂的首要因素——導致了上止點溫度偏低。如果上止點溫度低於677攝氏度的話，不僅會造成混合氣不完全燃燒，尤其在做功行程中放熱值也會更低。
他們通過對比還發現，當未燃燒的混合氣超過727攝氏度（1000K）時，氣缸內層狀燃燒速度會顯著增加。調查結果顯示，未燃燒混合氣進入氣缸時超過1000K以上，會分接觸過氧化氫（H2O2），其中的羥基（OH）會促進燃燒。
為了進一步驗證這種燃燒概念能否在大規模量產引擎上應用，本田工程師又將量產這一理論在量產車結構的引擎上進行實驗，只是保證上止點溫度在1000K以上，噴油嘴還是在正常的位置上，為了保證混合氣的充分均勻霧化，噴嘴被換成了原子霧化噴嘴。
除此之外，為了適應層狀燃燒變慢時要給混合氣加溫的特點，引擎內部結構也做了相應的調整，調整了壓縮比、改進了進氣系統、活塞形狀以及點火系統。
一系列的改進終於換來了預期的成果，引擎的空燃比極限值達到了31。為了達到最高熱效率，空燃比被優化成30。與此同時氮氧化物NOx排放也降低到了小於50ppm。
HLSI燃燒將內燃機熱效率提高了6.2個百分點，在空燃比30的工況下，熱效率從33.7%達到了39.9%。 （2015年東京車展上發布的正式版HLSI技術，熱效率又被升級到50%！）本田將熱效率上升的根本原因歸功於冷卻損失的減少和泵氣損失的減少。而排氣損失和不完全燃燒的損失依舊是阻礙效率進一步上升的攔路虎。
總體而言，本田在HLSI技術研究過程中得到的結論有：
1、證明了使用均質預混合氣的火花塞點燃式引擎，通過調整壓縮比和進氣溫度來使缸內溫度上升，從而同時達到更高的稀薄極限和更低的氮氧化物排放是穩定可行的。
2、引擎壓縮比和進氣溫度的組合形式，能夠對空燃比極限有顯著影響，上述組合產生更高的缸內溫度就能產生更高的稀薄極限。與此同時，相同組合下獲得的更高的缸內溫度亦能夠降低氮氧化物NOx的排放。
3、當氣缸內上止點溫度達到或接近1000K（727攝氏度）的時候，過氧化氫（H2O2）分解反應開始發生，反應產物能夠促進氣缸內層狀燃燒速度，燃燒波動變得穩定。
4、對於均質稀薄混合氣燃燒能量釋放的分析證實了HLSI燃燒模型的熱效率提高的機制。
5、這種燃燒模型在量產車引擎結構上同樣適用，也能夠同時提升熱效率和降低氮氧化物NOx排放。
原文Honda progressing with high-efficiency low-emission Homogeneous Lean Charge Spark Ignition (HLSI) combustion work
