[情報] 移植Honda F1技術 47%世界最高熱效率引擎 目標2020後問世

根據《日経xTECH》報導，Honda目前開發中的汽油引擎試作機種，已可達成47.2%的最高熱效率。若真能實現於量產機種的話，可說是世界最高水準的境界。之所以能達成這項創舉，主要是活用常見於F1等賽車的預燃室技術，並實現超稀薄燃燒。目標希望2020年後市售化。

Honda於2018年發表的「Accord Hybrid」，其搭載的2.0L汽油引擎，達成40.6%的最高熱效率。針對未來的開發目標，希望能兼顧45%的最高熱效率以及80kW/L的升功率。透過運用預燃室技術的超稀薄燃燒，是能達成這項目標的重要技術。



在2019年5月舉辦的JSAE春季大會中，本田技術研究所第3技術開發室的高級研究員 新里智則，針對Honda對於2030年的引擎相關技術進行發表。

雖然Honda在這次的實驗中，相較於功率表現，更著重於熱效率，達成了47%的最高熱效率，但新里先生表示：「量產機種的部分，目標會希望能兼顧升功率和熱效率，因此熱效率大約會為45%左右。」

Ferrari和Daimler於F1帶起的預燃室技術風潮

近期的各日系車廠，大部分都在針對如何提高汽油引擎的最高熱效率進行開發。雖然Honda和Toyota一直在互相競爭世界第一的最高熱效率，但目前的Honda僅能排在達成41%熱效率的Toyota之後。而透過預燃室技術實現的超稀薄燃燒，可望讓Honda重新奪回這項世界第一。

為了提高熱效率，各家車廠的對應技術之一，就是超稀薄燃燒。所謂的超稀薄燃燒，即是將空燃比（A/F）超過30的稀薄混合氣進行燃燒，和傳統汽油引擎（一般理論空燃比為14.7）相較，可藉此提升熱效率。

另外，若能達成空燃比超過30的極稀薄混合氣，則能降低燃燒溫度，並減低NOx的排出量。

過去BMW和Daimler量產化的稀薄燃燒，空燃比大約在17左右，此時的NOx排放量是很多的。

此外，在超稀薄的狀態下，除了點火會更困難，同時也很難穩定燃燒。Honda針對實現穩定燃燒的方法，透過了所謂的預燃室技術。

預燃室技術，是在火星塞前端至於一個小燃燒室（預燃室、副燃燒室）內，並進行點火。同時於火星塞的前端，設有附小孔的金屬蓋。在預燃室內將混合氣點火後，火焰會從複數的小孔噴進主燃燒室內。若能燃燒超稀薄的混合氣，則能讓這些火焰，容易形成接近「多點點火」的燃燒型態。同時，透過這些小孔噴出的火焰可以更為快速，也更容易燃燒。


▲預燃室技術中的多點點火形成示意圖。

預燃室技術在近年，廣泛地導入於賽車引擎。其中如Daimler和Ferrari等車廠已率先於F1賽車上使用。而Honda也有在F1的引擎中導入這項技術，並希望能轉用於市售車款上。另外同為日本車廠的Toyota，則是在WEC賽車上使用這項技術。


▲Honda RA618H（於F1 2018賽季使用的PU）

在Honda導入預燃室技術的實驗中，確認可讓空燃比近40的超稀薄混合氣穩定燃燒。燃燒速度部分，為一般火花點火機構的2倍速。而在轉速2000rpm、指示平均有效壓力（IMEP）為870kPa的狀態下，達成了47.2%的最高熱效率。

此外，在廢氣排放部分也有顯著改善。實驗結果顯示，NOx排放量止於30ppm。這也印證了，若能讓超稀薄混合氣燃燒，確實能降低NOx排放量。

Honda對於這項預燃室技術抱有很大的期待。從Honda將這項技術命名為「i-CVCC」可以看出端倪。當時於1970年代，因為清淨空氣法而轟動全世界「CVCC（Compound Vortex Controlled Combustion）」可望以進階版的方式，再度出現於市場上。

Honda在本次實驗中導入的預燃室技術，是在副燃燒室中設置直噴噴油嘴的形式。這屬於「主動式」的設計，可以讓副燃燒室的稀薄混合氣確實燃燒。而這種方式和德國汽車引擎零件供應商Mahle所開發的技術類似。


▲Mahle所設計的主動式預燃室技術。

另外，Honda也在實驗另一種，不在副燃燒室內配置噴油嘴，稱之為「被動式」的設計。這種方式則和德國IAV及奧地利AVL提出的方法類似。

針對副燃燒室內的燃料供應，噴進氣缸內的燃料，可透過副燃燒室上的小孔進入。和主動式的設計相比，可以省去副燃燒室內的噴油嘴，並降低成本。

只是被動式則不是採用稀薄燃燒，而是利用理論空燃比的燃燒。除了實現高速燃燒，主要也是希望能抑制提高壓縮比時，易產生的爆震現象。在Honda的實驗下，可實現較一般火花點火快2倍的高速燃燒。


▲AVL設計的被動式預燃室技術。

重視引擎功率表現，考量導入水噴射技術

為了提高熱效率，Honda除了運用了預燃室技術外，也導入了另一項引人注目的「高壓延遲噴射」技術。在噴油嘴處於高壓的狀態下，較一般大幅延遲了噴射時期。

通常若進行噴射時期的延遲，容易導致不完全燃燒。由於至燃燒開始的時間過短，燃料和空氣混合的時間因此不足。

另外，延遲化具有可以增強汽缸內亂流的優點。在噴射燃料時，同時擾亂混合氣，並藉此讓亂流能維持到燃燒開始。當亂流越強，燃燒的速度也會加快。

延遲化的同時，提高噴油嘴噴射壓，也是讓燃料和空氣能在燃燒開始前的短時間內進行混合的關鍵。在Honda的實驗中，噴射壓從20MPa提升至30MPa，成功大幅延遲了噴射時機。

一般的噴射時機，大約是在活塞於下死點附近，於活塞開始上升離開下死點時進行噴油。具體來說，將噴射時機延遲至BTDC（上死點前）的30度附近時，可以抑制爆震，並提高壓縮比和熱效率。

在提升引擎熱效率的同時，Honda也希望能兼顧到引擎的輸出功率。目前正在開發具備比40%更高的最高熱效率，並能達成100kW/L升功率的引擎。而這當中引人注目的，則是水噴射技術。

這項技術能在追求省油性的同時，兼顧到提升引擎功率。近期BMW已採用Bosch提供的這項技術，並實際展開應用。


▲BMW於2016年發表的「M4 GTS」，當中搭載的直列6缸直噴渦輪引擎，導入了Bosch開發的水噴射技術。

所謂的水噴射技術，是藉由朝汽缸內噴水降低溫度，減少冷卻損失，同時也有助於減緩爆震。雖然這項技術在引擎運轉全域內皆可使用，但在「全負荷」時，對於提升省油表現和排放表現的效果是最大的。

在全負荷時，為了防止爆震，會噴射較濃的燃料，進行冷卻並充分的燃燒。若在此時以水代替，可以減少針對冷卻的燃料。也就是說，原先提升省油性能和排放表現，而降低高轉速域扭力的狀況，可以透過水噴射技術，提高扭力表現。Honda的新里先生表示：「對於這『失去的動力』，這項技術是能有效回復的。」

朗肯排熱回收，並回收於引擎室的目的

Honda本次也透露到，過去曾發表運用朗肯循環的排熱回收技術研究，這回除了小型輕量化外，並將能量存於引擎室內。透過解析，可回收約4%的廢熱，並能讓油電車的省油性能提高3%。


▲Honda於2006年在JSAE發表的朗肯循環技術概要。現行款朝著小型輕量化發展，並能將能量回收至引擎室內。

這裡運用到的朗肯循環，相當於是迷你型的火力發電廠。運用引擎排氣產生的熱，取代煤和液化天然氣，產生水蒸氣，渦輪的部分則是由使用斜板的容積形膨脹機來改變旋轉力。

Honda針對這項開發中的技術，以一次流體分析計算了能量的回收效果。在以美國的油耗試驗模式下，行駛中的回收能源最大約為2000W左右，平均則為數百W。

此外，Honda表示，為了提升冷車啟動的排放性能，開始著手了電熱觸媒的開發。當觸媒處於低溫狀態時，可透過電流加熱。這項技術估計是為了因應歐洲日漸嚴格的排放標準。

新聞來源：
ホンダが世界最高水準のエンジン効率47％、20年代目標
https://tech.nikkeibp.co.jp/atcl/nxt/column/18/00001/02339/