車用汽油機(jī)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)研究

李旭 張立慶 于鎰隆 吳春玲 劉雙喜

摘 要：隨著環(huán)保要求的提高、能耗法規(guī)的加嚴(yán)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究應(yīng)用顯得至關(guān)重要。文章主要闡述了車用汽油機(jī)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)，包含燃燒技術(shù)、電控技術(shù)、換氣技術(shù)和熱管理技術(shù)等。根據(jù)研發(fā)機(jī)型需求采用最優(yōu)先進(jìn)技術(shù)配置，是實(shí)現(xiàn)當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)節(jié)能與環(huán)保的有效措施。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī);先進(jìn)技術(shù);油耗;排放

中圖分類號(hào)：U464.17 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）12-70-03

Abstract： With the improvement of environmental protection requirements and the tightening of energy consumption regulations， it is essential to research and apply advanced engine technology. This paper mainly describes the advanced technology of energy conservation & emission reduction for vehicle gasoline engine， including combustion technology， electronic control technology， intake and exhaust technology， heat management technology， etc. According to the needs of the research and development models， the most advanced technology configuration is an effective measure to achieve energy saving and environmental protection in the present and future period.

Keywords： gasoline engine; advanced technology; fuel consumption; emission

CLC NO.： U464.17 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-70-03

前言

汽車行業(yè)的快速發(fā)展和大量汽車的持續(xù)應(yīng)用，已經(jīng)引發(fā)了全球嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題，各國(guó)政府及汽車企業(yè)對(duì)此非常重視，美國(guó)、歐洲、日本等分別用法規(guī)強(qiáng)制限制了汽車的排放和油耗。我國(guó)已于2016年12月23日，由環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》，簡(jiǎn)稱“國(guó)六”，要求自2020年7月1日起，所有銷售和注冊(cè)登記的輕型車應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求[1];工信部于2017年9月27日公布了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》[2]，自2018年4月1日起實(shí)施。這一系列政策的出臺(tái)和實(shí)施，進(jìn)一步對(duì)汽車行業(yè)的節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)步提出了更高的要求，解決當(dāng)前能源與環(huán)境問(wèn)題，對(duì)其先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用顯得至關(guān)重要。

為了適應(yīng)節(jié)能、環(huán)保等的總體需求，汽油機(jī)廣泛應(yīng)用各種先進(jìn)技術(shù)，包括燃燒技術(shù)、電控技術(shù)、換氣技術(shù)、熱管理技術(shù)等，以滿足市場(chǎng)需求。

1 先進(jìn)燃燒技術(shù)

由于燃燒過(guò)程占整個(gè)循環(huán)過(guò)程的時(shí)間非常短，故我們要求發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)的燃燒一定要及時(shí)和完全，使得發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的經(jīng)濟(jì)性和排放性[2]。目前，先進(jìn)燃燒控制技術(shù)主要應(yīng)用高壓縮比、阿特金森循環(huán)/米勒循環(huán)等。

1.1 高壓縮比

發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比對(duì)其性能有多方面的影響。壓縮比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)可以更好地利用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的作功特點(diǎn)、在做功行程用同樣數(shù)量的燃油可以爆發(fā)出更大的功率，相應(yīng)熱效率越高，但發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比過(guò)高容易產(chǎn)生爆震。因此，如何在預(yù)防爆震的情況下，最大限度地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，進(jìn)而提高熱效率成為現(xiàn)在很多廠商研究的重點(diǎn)。

如，大眾EA211 1.5TSI發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)可變截面增壓器的調(diào)節(jié)，提高增壓壓力，從而保持進(jìn)排氣壓差大于0，以降低殘余廢氣量，抑制爆震，讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在12.5：1的高壓縮比下，使其熱效率達(dá)37.5%;而日產(chǎn)2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部，增加了一套復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)活塞行程，實(shí)現(xiàn)壓縮比在8：1至14：1之間調(diào)節(jié)，使其最高熱效率能夠到達(dá)39%，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

1.2 阿特金森循環(huán)/米勒循環(huán)

目前市場(chǎng)上超過(guò)90%汽油機(jī)都使用的是奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒包括四個(gè)沖程（進(jìn)氣-壓縮-做功-排氣）。為了提高奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，最直接的方法就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，但壓縮比并不能無(wú)限提升，會(huì)受到爆震、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素限制。而阿特金森循環(huán)/米勒循環(huán)最明顯的特征就是壓縮行程短，膨脹行程長(zhǎng)。目前發(fā)動(dòng)機(jī)普遍具備可變氣門正時(shí)技術(shù)VVT，通過(guò)控制進(jìn)氣門早關(guān)或晚關(guān)，使實(shí)際壓縮比小于幾何壓縮比，氣缸內(nèi)沒(méi)有那么多混合氣體，從而降低實(shí)際的壓縮比，膨脹比大于壓縮比，延長(zhǎng)作功行程，充分利用燃燒后的廢氣能量，提高熱效率。

2 先進(jìn)電控技術(shù)

提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃效，降低排放，除了先進(jìn)的燃燒技術(shù)，還應(yīng)精確控制和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的電控技術(shù)，當(dāng)前，除高壓噴射外，多次噴射和組合噴射等在先進(jìn)機(jī)型中已逐漸受到大部分廠商的青睞。

2.1 高壓噴射

高壓噴射使得燃油霧化效果更佳，氣體顆粒體積更小，使得噴射等量的燃油與空氣接觸的表面積更大。大部分主流的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射壓力都在200-250bar左右，也有比較先進(jìn)的機(jī)型高達(dá)350bar，如此高的燃油噴射壓力可以很好的提升燃油霧化效果，使得燃油和空氣混合得更好，燃燒反應(yīng)更充分[3]。最終，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和燃油經(jīng)濟(jì)性都得到提升，同時(shí)降低了顆粒物的排放量。

2.2 多次噴射、組合噴射

多次噴射即根據(jù)燃燒需求，在不同工況下控制噴油器進(jìn)行一次或者多次缸內(nèi)直噴的情況;組合噴射技術(shù)即采用缸內(nèi)直噴與歧管噴射的雙噴射技術(shù)[4]。由于進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況各有利弊，若能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所處狀態(tài)巧妙進(jìn)行組合噴射，對(duì)改善油耗和排放顯得很有意義。一方面，可以兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的效率，另一方面，可以降低排放，滿足日益苛刻的排放法規(guī)。

如，大眾EA888第三代發(fā)動(dòng)機(jī)為了降低碳煙排放、改善油耗降低爆震趨勢(shì)，采用組合噴射和多次噴射技術(shù)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于熱怠速或者低速小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)氣體流動(dòng)特性較差，溫度低，燃油霧化效果較差，采用氣道噴射工作模式，使燃油在歧管內(nèi)蒸發(fā)霧化后與空氣充分混合進(jìn)入缸內(nèi)燃燒，改善燃燒性能，使得降低排放、效率更高;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)或中低速大負(fù)荷時(shí)，使用缸內(nèi)多次噴射方式來(lái)工作，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)稀燃，改善油耗和排放;在中高負(fù)荷，缸內(nèi)氣體流動(dòng)加強(qiáng)，切換為缸內(nèi)單次噴射，精確控制燃油，燃油霧化更加精致，提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，可以有效降低缸內(nèi)溫度，提高充氣效率，從而提高汽油機(jī)的動(dòng)力性，且同時(shí)降低爆震趨勢(shì)。若兩種噴油系統(tǒng)的一種出現(xiàn)故障，則另一種系統(tǒng)將會(huì)執(zhí)行應(yīng)急運(yùn)行功能，保證車輛仍能正常行駛。

3 先進(jìn)換氣技術(shù)

換氣系統(tǒng)將合適質(zhì)量、溫度、成分和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的充量提供給發(fā)動(dòng)機(jī)，換氣系統(tǒng)的性能相當(dāng)大程度決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[5]。為了適應(yīng)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況，各種先進(jìn)換氣技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，包含可變進(jìn)氣歧管、可變氣門正時(shí)、可變氣門升程、廢氣再循環(huán)、停缸技術(shù)等。

3.1 可變進(jìn)氣歧管

為了提高充氣效率，在汽油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)更有效地利用進(jìn)氣慣性效應(yīng)，達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性的目的。在汽油機(jī)上應(yīng)用較多的有可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度、可變進(jìn)氣容積腔和可變進(jìn)氣道等[5]。

3.2 可變氣門正時(shí)

目前，可變氣門正時(shí)技術(shù)已在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，分為進(jìn)氣VVT、排氣VVT、進(jìn)排氣同時(shí)調(diào)節(jié)VVT和進(jìn)排氣獨(dú)立調(diào)節(jié)VVT[5]，在不同發(fā)動(dòng)機(jī)上可變氣門正時(shí)的應(yīng)用，能在不同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化缸內(nèi)氣流，特別可在部分負(fù)荷下改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率和性能。

3.3 可變氣門升程

可變氣門升程技術(shù)可通過(guò)調(diào)整凸輪升程高低來(lái)調(diào)整氣門開(kāi)度，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)高、低轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下不同的工況要求，低轉(zhuǎn)速和小負(fù)荷下升程低，以優(yōu)化油耗和輸出充沛轉(zhuǎn)矩;在高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷下使用高升程凸輪驅(qū)動(dòng)氣門，以提供燃燒室最佳的進(jìn)氣流量和進(jìn)氣流速，實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出。且連續(xù)可變氣門升程可在各個(gè)工況下實(shí)現(xiàn)無(wú)節(jié)氣門負(fù)荷控制，降低泵氣損失，減小油耗[5]。目前，在豐田、本田、寶馬、奔馳和奧迪等車系上，該技術(shù)都在不同程度上使用。

3.4 廢氣再循環(huán)

汽油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)，存在進(jìn)氣節(jié)流，產(chǎn)生較大的泵氣損失，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，采用廢氣再循環(huán)，可以有效改善進(jìn)氣門后的真空度，減小泵氣損失，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性;缸內(nèi)混合氣經(jīng)廢氣稀釋，減慢燃燒速度，使得缸內(nèi)燃燒溫度降低，抑制了NOx排放的生成。在暖機(jī)過(guò)程、怠速、低負(fù)荷和全負(fù)荷時(shí)，為保證汽油機(jī)正常著火和輸出足夠動(dòng)力，一般不進(jìn)行廢氣再循環(huán)[6]。

3.5 停缸技術(shù)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到輸出動(dòng)力有冗余時(shí)，ECU會(huì)自動(dòng)判斷關(guān)閉部分氣缸的進(jìn)、排氣門和噴油，以降低油耗和排放。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于大負(fù)荷等任何需要大功率輸出的工況，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)全部氣缸又會(huì)都投入工作，保證強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出。

4 先進(jìn)熱管理技術(shù)

各汽車廠商針對(duì)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和消費(fèi)者的需求，應(yīng)用不同發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)，其中，也包含先進(jìn)熱管理技術(shù)，其包括分流冷卻控制、集成式排氣歧管、進(jìn)氣歧管集成水冷式中冷器等。

4.1 分流冷卻控制

分流冷卻控制，即通過(guò)兩個(gè)節(jié)溫器分別控制缸蓋、缸體冷卻液流向，通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)不同區(qū)域水溫，使發(fā)動(dòng)機(jī)各部件工作在最佳溫度，降低相應(yīng)摩擦副運(yùn)動(dòng)阻力，滿足低油耗的要求[7]。目前，分流冷卻已成為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主流技術(shù)。

4.2 集成式排氣歧管

集成式排氣歧管使得發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，使廢氣進(jìn)入增壓器的距離縮短，增壓器響應(yīng)更靈敏，降低渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)遲滯效應(yīng);冷啟動(dòng)階段，集成式排氣歧管結(jié)構(gòu)可以很好地利用排氣熱量對(duì)冷卻液進(jìn)行快速加熱，加速冷卻液達(dá)到工作溫度，減少暖機(jī)時(shí)間，降低該過(guò)程油耗和排放;在發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，缸蓋內(nèi)部冷卻液可以快速降低排氣歧管內(nèi)氣體溫度，有利于提高進(jìn)氣密度，增加進(jìn)氣量，尤其在高溫高負(fù)荷工況下，集成式排氣歧管結(jié)構(gòu)可以利用冷卻液降低排溫，將其很好地控制在零部件所承受的臨界溫度以下，減小增壓器熱負(fù)荷，防止燃燒混合氣加濃策略過(guò)早，獲得強(qiáng)勁動(dòng)力的同時(shí)也改善油耗。

雖然，集成排氣歧管對(duì)缸蓋鑄造提出了更高的工藝要求，但是，基于以上眾多優(yōu)點(diǎn)，集成式排氣歧管技術(shù)已在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到大量應(yīng)用。

4.3 進(jìn)氣歧管集成水冷式中冷器

進(jìn)氣歧管集成水冷式中冷器結(jié)構(gòu)緊湊，大幅度縮短了進(jìn)氣管路，減小空間占用和管內(nèi)壓損;更短的管路意味著空氣能更快地到達(dá)中冷器，同時(shí)水冷的冷卻效果也明顯優(yōu)于風(fēng)冷式中冷。進(jìn)氣歧管集成水冷式中冷器能更好地滿足了小排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊的需要，又具備更精準(zhǔn)的控溫能力，因而具備明顯的優(yōu)勢(shì)[8]。

5 其他先進(jìn)技術(shù)

為了滿足節(jié)能、環(huán)保等的總體需求，汽油機(jī)廣泛應(yīng)用大量的先進(jìn)技術(shù)，除以上提到的先進(jìn)燃燒技術(shù)、先進(jìn)電控技術(shù)、先進(jìn)換氣技術(shù)、先進(jìn)熱管理技術(shù)，還包含高滾流比氣道、可變截面增壓、能量回收、怠速啟停、全鋁缸體、變排量機(jī)油泵、電子節(jié)溫器等先進(jìn)技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)向著低功耗、低排放、輕量化、小型化方向發(fā)展，另外，還有受廣大廠商青睞的混合動(dòng)力技術(shù)等。

6 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)國(guó)六排放法規(guī)從測(cè)試循環(huán)到污染物排放限值全面加嚴(yán)、國(guó)家四階段油耗加嚴(yán)和雙積分政策的挑戰(zhàn)[9]，汽車行業(yè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究應(yīng)用顯得尤其重要。本文簡(jiǎn)要分析了影響發(fā)動(dòng)機(jī)能耗和排放的部分先進(jìn)技術(shù)，包含燃燒技術(shù)、電控技術(shù)、換氣技術(shù)和先進(jìn)熱管理技術(shù)等，為開(kāi)發(fā)工程師提供參考。不同先進(jìn)技術(shù)之間可能存在關(guān)聯(lián)或制約的關(guān)系，可根據(jù)所研發(fā)機(jī)型需求采用最優(yōu)配置。

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