發(fā)動(dòng)機(jī)小型化是節(jié)能減排的有效途徑（三）

◆文/江蘇　范明強(qiáng)

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化是節(jié)能減排的有效途徑（三）

◆文/江蘇范明強(qiáng)

以往人們的概念是汽車的排量越大，其功率就越大，而現(xiàn)在并非完全如此。比如，1.4L排量汽車完全可比2.0L排量汽車的功率大，而且還更省油。這就是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)小型化帶來的效果。節(jié)能減排是當(dāng)今汽車工業(yè)的重要任務(wù)，也是推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新的重要?jiǎng)恿?，而為了達(dá)到未來更為嚴(yán)格的排放法規(guī)限值的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化是節(jié)能減排的重要途徑。本文詳細(xì)分析通過汽油機(jī)和柴油機(jī)小型化，進(jìn)一步降低燃油消耗和排放的潛力及其具體的技術(shù)措施，并通過實(shí)例分析闡述我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的技術(shù)途徑，以便使汽車維修行業(yè)和廣大用戶能了解汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展動(dòng)向，有助于維修工作和更好地選擇車型。

范明強(qiáng)

（本刊編委會委員）

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)；1984年調(diào)往機(jī)械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機(jī)廠?、第一汽車集團(tuán)公司無錫研究所高級技術(shù)顧問、湖南奔騰動(dòng)力科技有限公司總工程師。

（接2015年第11期）

五、發(fā)動(dòng)機(jī)小型化實(shí)例分析

探討我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)如何采用成本較低而又不太復(fù)雜的切實(shí)可行的技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)小型化降低燃油耗和排放，對于我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，以及節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)具有深遠(yuǎn)的意義。歐洲菲亞特-通用（Fiat-GM）動(dòng)力總成公司生產(chǎn)的歐寶（Opel）轎車用小型汽油機(jī)系列的更新?lián)Q代稱得上是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的典范，其開發(fā)過程中的分析思路和所采用的技術(shù)方案值得我們認(rèn)真研究和借鑒。

Fiat-GM動(dòng)力總成公司O系列小型汽油機(jī)系列的1.0L-Ecotec三缸和1.2L-Ecotec四缸汽油機(jī)自1997年投產(chǎn)以來，年產(chǎn)量已達(dá)到50萬臺，成為該公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，由于其獨(dú)特的燃油耗和功率特性，在眾多的競爭機(jī)型中處于領(lǐng)先地位。為了適應(yīng)市場和用戶的需求，2004年該公司在第一代O-Ecote系列的基礎(chǔ)上又開發(fā)了第二代O-Ecote系列發(fā)動(dòng)機(jī)。其開發(fā)的主要目標(biāo)是采用四氣門-雙進(jìn)氣道和可變進(jìn)氣充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，通過改進(jìn)燃燒過程和降低機(jī)械損失的方法進(jìn)一步降低小型汽油機(jī)系列的燃油耗。新開發(fā)的第二代O系列汽油機(jī)有1.0L、1.2L和1.4L三種排量機(jī)型，其中1.4L機(jī)型充分利用了該發(fā)動(dòng)機(jī)系列的排量潛力，用來替代大一擋發(fā)動(dòng)機(jī)系列（1系列）中的1.4L機(jī)型，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的目的。第二代O-Ecote系列汽油機(jī)和1系列1.4L機(jī)型的技術(shù)數(shù)據(jù)對比見表1，其中天藍(lán)色部分示出了小型化的主要特點(diǎn)。

表1 第二代O系列1.0L、1.2L和1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)和原1系列1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的比較

汽油機(jī)降低燃油耗的技術(shù)措施有以下幾種：

①采用高EGR率稀釋汽缸充量，或在充量運(yùn)動(dòng)可調(diào)節(jié)的情況下采用稀薄運(yùn)行方式；

②負(fù)荷控制，可變氣門機(jī)構(gòu)；

③均質(zhì)或分層充氣汽油直接噴射；

④切斷部分汽缸；

⑤增壓和縮小汽缸排量。

當(dāng)時(shí)該公司內(nèi)部對這些措施還存在著爭議，曾進(jìn)行過激烈的爭論。即使各公司根據(jù)自身的特長和具體情況，所選用的方法和途徑不同，但是只要采用節(jié)能技術(shù)降低燃油耗的方法所增加的成本與所期望取得的節(jié)油效益之間具有較好的性價(jià)比，都能得到用戶的認(rèn)可。因此，F(xiàn)iat-GM動(dòng)力總成公司根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)和排量制定了不同的節(jié)油降低CO2排放的策略，它跟發(fā)動(dòng)機(jī)大小與汽車質(zhì)量之間的比例關(guān)系，即汽車運(yùn)行的負(fù)荷率有關(guān)。圖15表示該公司各個(gè)汽油機(jī)系列所采用的技術(shù)措施與發(fā)動(dòng)機(jī)排量和功率的關(guān)系。在1.6L及其以下排量的汽油機(jī)上都采用四氣門技術(shù)—進(jìn)氣道可變充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)和高EGR率相結(jié)合，在2L排量的汽油機(jī)上則采用減小排量與廢氣渦輪增壓相結(jié)合的方案，而在排量超過2L的汽油機(jī)上才采用缸內(nèi)汽油直接噴射。

圖15 汽油機(jī)系列及其采用的技術(shù)措施與發(fā)動(dòng)機(jī)排量和功率的關(guān)系

這種新的O系列汽油機(jī)無論是總體技術(shù)方案，還是基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都經(jīng)過精心的策劃，處處體現(xiàn)出小型化的特點(diǎn)，有好多值得參考之處，以下對此進(jìn)行簡要的介紹。

為了達(dá)到最大的節(jié)油效果，最小排量的機(jī)型仍保留了3缸機(jī)方案。把最小排量分成3個(gè)汽缸可明顯地減少機(jī)械損失，并能獲得較有利的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和燃燒室形狀。由于三缸機(jī)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，汽缸體具有非常高的剛度和非常好的聲學(xué)特性，因此允許不采用平衡軸，而有利于降低燃油耗。

發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體用GG25灰鑄鐵鑄造而成，汽缸中心距78mm，汽缸之間的“鼻梁”厚度只有4.6mm，結(jié)構(gòu)非常緊湊，具有非常低的比重量。3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體重量（包括鋁制框架式主軸承蓋座）為18.3kg，4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體質(zhì)量為22.3kg。由圖16可看到，這樣的質(zhì)量處于灰鑄鐵汽缸體質(zhì)量分布帶的低端，且已進(jìn)入鋁汽缸體質(zhì)量分布帶范圍。

圖16 鋁和灰鑄鐵汽缸體質(zhì)量的比較

鑄鋁活塞采用封閉式結(jié)構(gòu)，以1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其活塞壓縮高度23mm，火力岸高度3.8mm，總質(zhì)量只有175g，與原1系列1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)相比，質(zhì)量減輕了38%。

曲軸由GGG60球墨鑄鐵鑄造而成，1.0L的三缸機(jī)由于采用了新設(shè)計(jì)的空心鑄造的連桿軸頸，重量減輕了1.4kg。由于曲軸具有高的剛度，降低了摩擦損失。

鋁合金汽缸蓋每缸都有兩個(gè)不對稱的進(jìn)氣道，用于產(chǎn)生強(qiáng)烈的缸內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)。其中的充氣氣道用一個(gè)氣動(dòng)控制的渦流調(diào)節(jié)閥來開關(guān)，另一個(gè)螺旋氣道總是打開的，用于在部分負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的缸內(nèi)充量運(yùn)動(dòng)。采用雙頂置凸輪軸和滾柱式搖臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)排氣門呈52°夾角對稱布置，從而獲得了非常緊湊的結(jié)構(gòu)。凸輪軸由冷激硬模用砂芯空心鑄造而成，有利于減輕質(zhì)量。

冷卻水泵和機(jī)油泵的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很有特色，它們被一起集成在鋁合金正時(shí)鏈條罩蓋上，成為一個(gè)泵模塊，預(yù)裝配好后直接送至發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線。冷卻水泵由曲軸齒形皮帶傳動(dòng)，而內(nèi)齒輪機(jī)油泵則由曲軸前端的六角形軸頸驅(qū)動(dòng)。機(jī)油的流動(dòng)方向經(jīng)過模擬優(yōu)化，將機(jī)油油道中的液壓流動(dòng)損失降低到最低程度，而且由于機(jī)油壓力波動(dòng)幅度較小，改善了運(yùn)行噪聲。同時(shí)，在通往汽缸蓋凸輪軸軸承的油道中加入了一個(gè)孔徑標(biāo)定過的節(jié)流閥，優(yōu)化了汽缸蓋和汽缸體之間機(jī)油油量的分配，減少了機(jī)油流量，與第一代O系列發(fā)動(dòng)機(jī)相比，機(jī)油泵的尺寸減小了，進(jìn)一步減少了功率損耗。

新的第二代O系列汽油機(jī)的工作過程也進(jìn)行了精心的組織，確保達(dá)到降低燃油耗和排放的目標(biāo)。部分負(fù)荷工況的廢氣再循環(huán)（EGR）率高達(dá)25%，充量被極其高度的稀釋，EGR的適應(yīng)性就是靠燃燒室內(nèi)充量的強(qiáng)烈渦流運(yùn)動(dòng)來保證的。進(jìn)氣渦流調(diào)節(jié)閥同樣也有助于汽車瞬態(tài)過渡工況運(yùn)行，以及有利于降低燃油耗的推遲點(diǎn)火角的稀薄燃燒運(yùn)行。再加上降低摩擦損失的措施以及壓縮比提高0.5的共同效果，在歐寶Corsa轎車上，第二代1.0L發(fā)動(dòng)機(jī)比第一代節(jié)油約5%。1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)在同樣的5擋手動(dòng)變速器轎車上，相對于被替代的尺寸較大的原1系列1.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)可節(jié)油17 %。O系列發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化燃燒過程和降低機(jī)械損耗使其在FEV燃油耗分布帶中處于最低的位置（圖17），而且并沒有采用會使生產(chǎn)成本和運(yùn)行成本大大提高的技術(shù)措施。如此低的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行燃油耗只有采用分層充氣的缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)才能達(dá)到，但是由于其熱機(jī)運(yùn)行中的問題和稀薄廢氣后處理裝置需要周期性再生，分層充汽缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的燃油耗優(yōu)勢最終并沒有直接轉(zhuǎn)化成整車的燃油耗性能。

圖17 O系列汽油機(jī)比油耗在FEV燃油耗分布帶中的位置

圖18表示第一代1.0L發(fā)動(dòng)機(jī)與第二代雙進(jìn)氣道1.0L發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在MVEG（機(jī)動(dòng)車排放組合）測試循環(huán)中各個(gè)不同階段燃油耗的差異。從圖中可以清楚地看到，進(jìn)氣渦流調(diào)節(jié)閥關(guān)閉的各個(gè)階段的節(jié)油效果，所有等速和加速行駛階段都是如此，僅僅在提速到120km/h的加速行駛和120km/h等速行駛時(shí)渦流調(diào)節(jié)閥才是打開的。怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的節(jié)油效果是由于怠速轉(zhuǎn)速比第一代發(fā)動(dòng)機(jī)低約100r/min，以及渦流調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的燃燒穩(wěn)定性，可采用較小的點(diǎn)火提前角。在減速倒拖行駛時(shí)，由于降低了重新恢復(fù)噴油的轉(zhuǎn)速，因此比老機(jī)型節(jié)省了大約24%的燃油消耗。由于渦流調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的燃燒穩(wěn)定性，因此在熱機(jī)運(yùn)行期間能應(yīng)用低達(dá)6%的稀燃混合氣，這樣也能夠收到節(jié)油效果。

圖18 歐寶Corsa-1.0L汽油轎車在MVEG-B行駛試驗(yàn)循環(huán)中各重要運(yùn)行工況的節(jié)油效果

歐寶Corsa轎車由于搭載了這種新一代汽油機(jī)，整車MVEG循環(huán)的燃油耗明顯降低。1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)由于換型成新系列機(jī)型，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕，振動(dòng)質(zhì)量等級降低，使整車燃油耗降低了17%。1.0L發(fā)動(dòng)機(jī)由于發(fā)動(dòng)機(jī)方面采取的措施， 使整車燃油耗降低了5%（圖19），這種額定燃油耗的降低在用戶實(shí)際使用中同樣也明顯地體現(xiàn)出來。因此，四氣門-雙進(jìn)氣道和可變充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)相結(jié)合的技術(shù)方案是汽油機(jī)小型化綜合效果最好的方法。

圖19 歐寶Corsa轎車1.0L汽油機(jī)在MVEG-B行駛試驗(yàn)循環(huán)中的節(jié)油效果

六、結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化方案提供了大大降低燃油耗的可能性。汽油機(jī)根據(jù)燃燒方法和小型化程度的不同，可充分利用的降低燃油耗的潛力能夠達(dá)到10%～30%。而對柴油機(jī)而言，由于其最大的挑戰(zhàn)在于滿足未來的排放限值，因此在壓縮點(diǎn)火的情況下，近幾年內(nèi)燃油耗通過發(fā)動(dòng)機(jī)小型化只能獲得適度的降低。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)降低CO2排放量的目標(biāo)，必須增加有利于降低燃油耗車型的市場份額，因此增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對未來將顯得更為重要，其市場效果主要取決于是否能夠成功地實(shí)現(xiàn)在獲得令人滿意的行駛功率的同時(shí)，具有低的燃油耗和可接受的額外成本。

我國汽車汽油機(jī)應(yīng)采用成本較低而又不太復(fù)雜的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)小型化，四氣門技術(shù)和可變充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)相結(jié)合的技術(shù)方案的性價(jià)比極具有吸引力，為我國汽車汽油機(jī)小型化提供了切實(shí)可行并且綜合效果最佳的技術(shù)途徑。為此，根據(jù)我國的具體情況，建議在批量生產(chǎn)中采用EGR和可變進(jìn)氣渦流調(diào)節(jié)，進(jìn)一步降低燃油耗和排放，達(dá)到歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，然后在此基礎(chǔ)上盡快通過增壓實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)小型化，并采用可變凸輪軸相位調(diào)節(jié)技術(shù)，各制造廠商可根據(jù)各自機(jī)型的具體情況及其配套車型的需要而靈活使用。（全文完）