最近，美国诺德士(Nautilus Engineering)宣布，该公司的创新基础发动机设计，能够解决大多数长期困扰均质压燃(HCCI)发动机在汽车行业发展的固有缺陷问题，并通过SAE 2016全球汽车年会平台发布了旗下诺德士循环(Nautilus Cycle)发动机，并利用这个机会向多个行业介绍高效率、低排放的HCCI技术。

 

虽然诺德士曾在最近的媒体发布中表示，公司“相信目前拥有的专利技术足以将可控HCCI燃烧技术推广至多种发动机和应用之中，”但公司CEO兼首席研发科学家Matthew Riley表示，他在刚开始进行诺德士发动机研发时，并没有制定这么高的目标：“当时，我只是想改善一下割草机的发动机而已。”

 

据悉，低温HCCI燃烧技术可以保证为汽油发动机带来柴油机级别的高能效，而且无需担心柴油机的排放和成本问题，这仿佛是一座圣杯，不断激发着汽车动力系统研发人员的征服欲。但是经过十多年的研发，HCCI技术似乎是个无法实现的目标。研发人员不仅需要采用大量燃烧控制策略，有效解决冷启动的问题，还要保证发动机在整个转速范围内的正常运转，这些问题都阻碍了HCCI发动机在量产车型中的应用。

 

然而，诺德士表示，公司解决问题的途径并非不断叠加成本高昂的发动机软件控制。事实上，这款发动机采用了一款创新的活塞设计，这种活塞可以在工作时分隔出一个小型的“初级”燃烧室，在空气和燃油进入大型二次燃烧气缸进行可控的完全燃烧膨胀之前，先进行小规模的预混和“引燃”。此外，诺德士还在二冲程循环的进气口和出气口处应用了类似的措施，通过这一架构，实现对HCCI整个运行过程的简单控制。该技术的模拟示意视频如下。

 

 

“大家都想直接利用火花点火发动机，然后将其改造成HCCI发动机，” Riley在 SAE 2016 全球汽车年会上表示，“但这并不是一个好主意。”

 

诺德士在公司官网上表示，“由于采用了这种全新技术，我们得以在发动机的所有常规转速、负载和工作温度范围内，实现对HCCI循环的全面控制。这种技术可以快速应用至现有平台，达到甚至超过美国环保署的2025年排放目标的要求。”

 

关键在于小型燃烧室

 

在诺德士的设计中，空气和燃油可通过一个理想工作压强在160到200 psi之间的燃油喷嘴，在气缸外部的进气歧管中得到充分混合。诺德士发动机的小型初级燃烧室有几个可选的设计方案，可以实现（小型单气缸发动机的）固定压缩比，也可以将大型二次燃烧室的固定压缩比（大约10.5:1）提升1.5至2.5倍。发动机的进气口和出气口均采用了传统的提升阀，主要是通过数字液压（甚至电力）促动器驱动。这对阀门也能通过更加传统的凸轮轴组合进行控制。

 

诺德士提到，这款发动机的设计采用了单个止回阀，可以尽量减少典型二冲程发动机暴露在进气口和出气口蒸汽之中的情况。

 

根据设计，发动机的空气/燃油比完全是由发动机负载决定的，诺德士循环发动机运转时的空气/燃油比大约在24:1到31:1之间。至于这款发动机的NVH性能（噪声、振动和不平顺性），Riley坦诚地表示，“我们并不确定”。Riley似乎在示意，诺德士发动机的理想配置方式，可能会是一种水平对置气缸的布局。Riley认为，这种发动机在汽车应用中也有可能需要配置某种增压功能，以辅助气缸的填充和净化，特别是在诺德士循环发动机需要在米勒或阿特金森循环下工作的情况下。

 

Riley介绍道，这款原型发动机目前仅存在于计算机之中，尚未真正能够“跑”起来，其燃烧温度预计在1200华氏度左右。他表示，公司计划在未来8到10周内让发动机真正“跑”起来，并在未来6个月内打造一款“可以运转并且在功能上达到预期”的原型发动机。Riley认为，在大约为期1年的原型研发阶段之后，要继续将这种技术应用至“主流汽车应用”之中，还需要2到3年。

 

Drone Duty?

 

对比以往的情况，诺德士给出的时间表可以说是一反常态地谨慎，但公司CEO却非常信任这种发动机设计本身的吸引力：“可能这周就有人会来找我们签研发合同。”

 

Riley表示，对于立足于堪萨斯州的诺德士而言，公司目前的目标是与美国堪萨斯州立大学(Kansas State University)建立合作，共同研发一款适合无人机(UAV)使用的发动机。

 

Riley还表示，诺德士发动机也很容易进行传统四冲程循环。他坚信，这种设计的主要优势之一是尺寸灵活可控，因此可以轻松适应一系列的不同的交通运输设备的要求。

 

作者：Bill Visnic

来源：SAE《汽车工程》杂志

翻译：SAE 上海办公室