淺談汽車發(fā)動機的節(jié)能減排技術(shù)

韋邦暄　張世宇

摘 要：隨著世界各國汽車數(shù)量的不斷增加，環(huán)境污染的問題亟待解決。節(jié)能減排和提高發(fā)動機的能量利用率已經(jīng)成為這個時代對現(xiàn)代汽車的新要求。而可變壓縮比技術(shù)（VCR）、可變氣缸技術(shù)（VCM）、燃油分層噴射（FSI）這些技術(shù)可以在一定程度上提高燃油經(jīng)濟性，減少尾氣排放。本文主要對發(fā)動機的三大節(jié)能減排技術(shù)進行了介紹和分析，并在探討了未來發(fā)動機節(jié)能技術(shù)可能的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車;發(fā)動機;節(jié)能減排;技術(shù)分析;發(fā)展趨勢

1 汽車發(fā)動機節(jié)能減排技術(shù)的研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀

近年來我國的空氣污染問題日趨嚴重。根據(jù)中國社會科學(xué)院和中國氣象局發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，近幾十年來我國部分地區(qū)霧霾天氣總體呈上升趨勢，持續(xù)性的霧霾天氣現(xiàn)象顯著增加。而引發(fā)這些問題的源頭都與汽車的燃油經(jīng)濟利用率和尾氣排放有著密不可分的聯(lián)系。而且這些問題對于我國這樣一個汽車大國來說已經(jīng)成為了不得不面對的嚴峻挑戰(zhàn)。所以如何采取一些有效的措施去處理好汽車與能源、環(huán)保、安全等問題之間的關(guān)系，成為了這個時代的一個挑戰(zhàn)。故而，有關(guān)汽車發(fā)動機節(jié)能減排技術(shù)的研究與應(yīng)用對于緩解當下形勢顯得尤為重要起來。

就現(xiàn)階段來看，在市場上應(yīng)用比較廣泛的發(fā)動機節(jié)能減排技術(shù)主要有可變氣缸技術(shù)（VCM）、可變壓縮比技術(shù)（VCR）、燃油分層噴射技術(shù)（FSI）、可變配氣技術(shù)（VVT）等。這些技術(shù)基本上都是利用發(fā)動機的參數(shù)變化控制技術(shù)來使汽車發(fā)動機在不同工況下盡可能地達到其最佳的工作性能，提高燃油的經(jīng)濟性，減少尾氣排量。本文，將主要對可變壓縮比、可變氣缸、燃油分層噴射這三種節(jié)能減排的發(fā)動機技術(shù)進行重點分析。

2 汽車發(fā)動機常見的節(jié)能減排技術(shù)

2.1 可變壓縮比技術(shù)（VCR）

可變壓縮比（VCR）技術(shù)就是汽車發(fā)動機在運行過程中，能根據(jù)負荷的變化，實現(xiàn)對發(fā)動機壓縮比進行動態(tài)調(diào)整的技術(shù)。在發(fā)動機高負載時候提供較低的壓縮比，而在發(fā)動機低負載的時候提供較高的壓縮比。目前應(yīng)用這種技術(shù)比較成熟的是日產(chǎn)汽車公司的VC-TURBO發(fā)動機。下面，將以這款發(fā)動機為例，對其進行工作原理和優(yōu)缺點分析。

日產(chǎn)VC-TURBO可變壓縮比發(fā)動機的工作原理就是靠固定在發(fā)動機側(cè)面的電機執(zhí)行器控制一套連桿機構(gòu)來改變發(fā)動機壓縮比。這套連桿機構(gòu)采用的是在曲柄銷轉(zhuǎn)動部位擺動的杠桿的一端與連桿連接，而其另一端則是采用與控制軸延伸出來連桿相連接的構(gòu)造。在需要調(diào)整壓縮比的時候，由于連桿是與控制軸的偏心部分連接的，所以當控制軸在轉(zhuǎn)動的時侯，控制軸的連桿就會通過帶動曲柄銷回轉(zhuǎn)而使杠桿擺動。如此一來，活塞的上止點的位置就會向上或者向下移動一段距離，進而造成燃燒室容積改變，但是此時氣缸的工作容積沒有改變（因為活塞的行程并沒有發(fā)生變化）。在這種情況下，由于氣缸工作容積沒變，而燃燒室的容積卻變大或者變小，所以這時候就實現(xiàn)了對發(fā)動機壓縮比大小的一個調(diào)整。簡單的來說，就是利用一套多連桿機構(gòu)，通過調(diào)整活塞上止點位置來實現(xiàn)可變壓縮比的。

日產(chǎn)VC-TURBO可變壓縮比發(fā)動機的優(yōu)點主要有：（1）提高了發(fā)動機的動力性，減少了油耗，同時在一定程度上也改善尾氣排放性能。（2）該多連桿機構(gòu)中，活塞的往復(fù)運動接近正弦曲線，幾乎沒有二次振蕩的情況。

日產(chǎn)VC-TURBO可變壓縮比發(fā)動機的缺點主要有：（1）多連桿機構(gòu)比較復(fù)雜，增加了制造成本。（2）由于添加了一些可活動的零部件，所以給后期維修增加了困難，同時也增加了發(fā)動機的總質(zhì)量。

綜合來看，日產(chǎn)的這款VC-TURBO可變壓縮比發(fā)動機雖然在提高燃油經(jīng)濟效率和節(jié)能減排方面是有著顯著效果的作用。但是其在結(jié)構(gòu)上仍有需要進一步改善的地方。相信未來，隨著智能化應(yīng)用的加入，可變壓縮比技術(shù)將會變得更簡約，更完善，為進一步提高發(fā)動機的能量利用率及尾氣排放性能做貢獻。

2.2 可變氣缸技術(shù)（VCM）

可變氣缸技術(shù)也稱可變排量技術(shù)。因為在日常的開車駕駛中，有時候并不需要發(fā)動機大功率的輸出，特別是在一些大城市遭遇堵車的時候，大排量多氣缸的組合就有點浪費了。而可變氣缸技術(shù)就是在發(fā)動機工作在小負荷狀態(tài)時，通過一系列的方法讓一部分氣缸停止工作，而另一部分氣缸繼續(xù)正常工作。具體的方法主要有兩種（對發(fā)動機停止供油和停止供氣），這兩種方法也是目前眾多汽車廠家用的比較多的方法。

現(xiàn)階段，具有代表性的可變氣缸技術(shù)有VCM、MDS、DOD、ACT等。下面，筆者將針對VCM這種可變排量技術(shù)進行具體的分析。

VCM的工作原理是通過VTEC系統(tǒng)在特定情況下，關(guān)閉指定氣缸的進、排氣門，以此來中止這些氣缸的工作。具體的工作過程就是利用電子控制技術(shù)，采用專用的一體式滑閥。在接收到來自于系統(tǒng)電控裝置發(fā)出的調(diào)節(jié)指令后，滑閥會有選擇地將油壓導(dǎo)向特定氣缸的搖臂。然后，同步活塞在上述油壓的推動下，實現(xiàn)搖臂的連接和斷開，從而達到關(guān)閉進、排氣門的目的。在關(guān)閉氣門的同時，這些氣缸的燃油供給會被動力傳動系控制的模塊來切斷，最終使這些氣缸停止工作。這樣一來，就實現(xiàn)了在特定情況下，部分氣缸工作，而另一部分氣缸不工作的目的。這里需要特別指出的是，在VCM系統(tǒng)中，非工作氣缸的火花塞還是會繼續(xù)點火。其目的是降低火花塞的溫度損失，避免非工作氣缸重新投入工作時因為不能完全燃燒而造成火花塞油污的現(xiàn)象發(fā)生。

VCM技術(shù)的主要優(yōu)點是在特定情況下關(guān)閉部分氣缸，有利于燃油效率提高，在一定程度上提高了燃油經(jīng)濟性，同時也降低尾氣排放水平。當然，VCM技術(shù)也有它的不足之處，以本田的VCM為例。當汽車發(fā)動機在小負荷運行或者減速時，只有前排的3個氣缸工作，而后排的3個氣缸不工作，這時候由于發(fā)動機是處于一種不平衡的工作狀態(tài)，會產(chǎn)生抖動和異響。由此可見，VCM系統(tǒng)雖然在節(jié)能減排方面有著巨大的作用，但是其系統(tǒng)在設(shè)計方面還需要考慮更全面一點，有待進一步的優(yōu)化提高。

2.3 燃油分層噴射技術(shù)（FSI）

燃油分層噴射技術(shù)（FSI），是直噴式汽油發(fā)動機領(lǐng)域中的一項新技術(shù)。它在發(fā)動機同等排量的情況下，將發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性幾乎最大程度地結(jié)合起來。可以說是當代汽車發(fā)動機新技術(shù)中最為先進，也是最成熟的燃油直噴技術(shù)。這項技術(shù)最大的優(yōu)勢就是在提供大的輸出功率和扭矩的同時，還能能夠提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和降低尾氣排放。

FSI發(fā)動機的工作原理就是根據(jù)發(fā)動在低負荷和全負荷兩種狀態(tài)時采用兩種不同的注油方式來分別實現(xiàn)稀薄燃燒和均勻燃燒。下面，筆者將以大眾邁騰的FSI發(fā)動機為例，對其具體的工作原理進行具體分析。

當發(fā)動機處于低負荷狀態(tài)時，此時油門處于半開狀態(tài)，在發(fā)動機壓縮沖程噴注燃油。由于特特殊結(jié)構(gòu)的活塞頂設(shè)計，會使空氣和燃油形成滾流。這時候在火花塞周圍形成的混合氣是近似接近理論空燃比的可燃混合氣。通過點燃火花塞周圍的混合氣來引燃整個燃燒室內(nèi)的混合氣。由于除火花塞周圍外，在燃燒室其他地方的混合氣則是高空燃比混合氣，形成了稀薄燃燒。這種燃燒能夠起到節(jié)約燃油，改善了發(fā)動機的經(jīng)濟性，降低尾氣排放水平的作用。

當發(fā)動機處于全負荷狀態(tài)時，系統(tǒng)會根據(jù)吸入的空氣量來控制燃油的噴注量。這種情況下，燃油與空氣同步注入汽缸，使符合理論空燃比的混合氣均勻地充滿燃燒室，形成均質(zhì)燃燒。這種充分的燃燒一方面能使發(fā)動機的動力得到充分的發(fā)揮。而在另一方面，燃油的蒸發(fā)又對混合氣起到了一定的降溫作用，減少了爆震現(xiàn)象的發(fā)生。除此之外，在這種均勻燃燒下，發(fā)動機還可以獲得更高的扭矩和動力輸出。

FSI發(fā)動機的技術(shù)優(yōu)勢十分明顯，其除了具有上文我們分析工作原理時提到的節(jié)省油耗，降低尾氣排放，能夠輸出更高的扭矩和功率之外。它還具有操作輕便，舒適的優(yōu)點。因為我們在日常行駛過程中，遇到不同的路況，需要不停的換擋。而FSI發(fā)動機的出現(xiàn)，可以讓駕駛者明顯地體會到換擋次數(shù)的降低，操作也更加方便舒適。不過盡管如此，F(xiàn)SI發(fā)動機也還是有一些小瑕疵的。例如：稀薄燃燒時，尾氣中NOx的含量升高，而且還會對發(fā)動機燃油的品質(zhì)有著更高的要求。不過，相信隨著技術(shù)的不斷進步，這些不足之處會被逐漸克服的。

3 汽車發(fā)動機節(jié)能減排技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

隨著社會的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進步，汽車發(fā)動機在節(jié)能減排方面可能朝著智能化和網(wǎng)聯(lián)化的方向發(fā)展。未來的發(fā)動機節(jié)能減排技術(shù)的實現(xiàn)可能不再需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來滿足，智能化的硬件設(shè)備將代替之前這些技術(shù)中的某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)。同時這些智能化的設(shè)備也會通過從發(fā)動機中采集的實時數(shù)據(jù)來進行更精確的決策和調(diào)控，使發(fā)動機的尾氣排放量盡可能降到最低。而網(wǎng)聯(lián)化則可以通過互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析，在實時地獲取汽車所在的地理位置及這個位置的路況信息之后，及時地反饋給發(fā)動機的相關(guān)決策系統(tǒng)進行分析計算，最終根據(jù)計算結(jié)果及時地調(diào)整發(fā)動機的某些參數(shù)來實現(xiàn)減少排量。

4 結(jié)語

較好的燃油經(jīng)濟性能，較低的尾氣排放水平，日趨成為這個時代對汽車發(fā)動機的新要求。目前市場上雖然已經(jīng)出現(xiàn)許多較為成熟，應(yīng)用也相對比較廣泛的節(jié)能減排技術(shù)，但是它們?nèi)匀换蚨嗷蛏俅嬖谝恍┎蛔阒?，需要我們不斷改進。而在智能化，網(wǎng)聯(lián)化這個發(fā)展趨勢的推動下，將給汽車的節(jié)能減排技術(shù)開辟一個新的領(lǐng)域。而如何更好地將節(jié)能減排技術(shù)與智能化，網(wǎng)聯(lián)化結(jié)合，還需要每一個技術(shù)人員和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业奶剿髋c努力。

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