熱力發(fā)動(dòng)機(jī)在車(chē)用動(dòng)力裝置領(lǐng)域的應(yīng)用研究及前景展望

伍賽特

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司， 上海 200438）

0 引言

從理論角度出發(fā)，許多熱力發(fā)動(dòng)機(jī)都可用作于汽車(chē)的動(dòng)力裝置。目前，常見(jiàn)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括汽油機(jī)、柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)等[1]。目前，在汽車(chē)動(dòng)力領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的機(jī)型依然為汽油機(jī)和柴油機(jī)。汽油機(jī)多用于轎車(chē)、小型客車(chē)或輕型貨車(chē)，柴油機(jī)多用于大型客車(chē)或重型貨車(chē)。由于柴油機(jī)在可靠性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢(shì)較為顯著，因此，得到了廣泛應(yīng)用。

1 車(chē)用內(nèi)燃機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

1.1 車(chē)用汽油機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

1.1.1 車(chē)用汽油機(jī)的發(fā)展

汽油機(jī)是一類較為常見(jiàn)的內(nèi)燃機(jī)。20 世紀(jì)50 年代以前，汽油機(jī)主要向高功率、高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展。自20 世紀(jì)50 年代以后，由于世界范圍內(nèi)汽車(chē)總保有量急劇增長(zhǎng)，隨之引發(fā)了大氣污染、噪聲污染和能源緊缺等方面的問(wèn)題。

1.1.2 車(chē)用汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

為滿足降低排放的要求，在選擇汽油機(jī)燃燒室形狀時(shí)，需要考慮燃燒室面積與容積的比值，即面容比。面容比如果過(guò)高，會(huì)影響汽油機(jī)的排放。因此，需要控制面容比，以降低排氣中的碳?xì)浠衔铮℉C）。

近年來(lái)，汽油機(jī)多采用頂置式氣門(mén)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要是便于維修、對(duì)高轉(zhuǎn)速工況的適應(yīng)性較好，同時(shí)，能降低配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性力，提高使用壽命。以V 型8 缸汽油機(jī)為例，通常需要2 根凸輪軸，無(wú)形中提高了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性及生產(chǎn)成本。

目前，電子控制技術(shù)也在汽油機(jī)上得到了應(yīng)用，各類新型汽油機(jī)相繼采用了電控燃油噴射系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整噴油壓力，可以減少排氣中的HC、CO 和NOx，滿足降低排放的需求。

汽油機(jī)的冷卻系統(tǒng)多采用溫度控制器，既能實(shí)現(xiàn)冷卻功能，又能避免溫度過(guò)低，造成燃油消耗率增加，腐蝕磨損現(xiàn)象增多。

汽油機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)多采用無(wú)觸點(diǎn)式晶體管點(diǎn)火裝置，具有更好的點(diǎn)火效能。

1.1.3 車(chē)用汽油機(jī)的節(jié)能措施

目前，針對(duì)汽油機(jī)節(jié)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)各部件。目前，汽油機(jī)在穩(wěn)態(tài)工況下對(duì)空燃比的誤差控制約為±5%～±10%（怠速至節(jié)氣門(mén)全開(kāi)的總空燃比誤差）。各缸混合氣的空燃比如果分配不均，會(huì)造成更大的局部誤差。在冷啟動(dòng)、怠速和低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)（空氣流速較低，且燃油霧化率較低）條件下，上述情況將變得更為嚴(yán)重。此外，進(jìn)氣歧管的形狀，如彎角等，也不利于燃油霧化[2]。上述諸多因素導(dǎo)致氣缸間的空燃比分配誤差高達(dá)20%以上。

理想進(jìn)氣系統(tǒng)需要精確計(jì)量所需的空氣和燃油量，使燃油充分蒸發(fā)，與空氣均勻混合后形成可燃混合氣，隨后輸送到各個(gè)氣缸，以確保汽油機(jī)正常進(jìn)行。

各種采用開(kāi)環(huán)或閉環(huán)反饋的燃油噴射裝置也適用于混合氣的分配過(guò)程。電控燃油噴射系統(tǒng)可有效提升整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性。

1.2 車(chē)用柴油機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

由于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)較為笨重、轉(zhuǎn)速較低、振動(dòng)大、噪聲也大，因此，多用于重型貨車(chē)。近年來(lái)，隨著新材料的使用和熱處理技術(shù)的優(yōu)化，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步提高。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)的比體積逐漸減小，比重量逐漸減輕，更適用于汽車(chē)等載運(yùn)工具。目前，許多小型客車(chē)也將柴油機(jī)作為動(dòng)力裝置。

隨著柴油機(jī)自重的減輕，必然能增加汽車(chē)的載重量。近年來(lái)，車(chē)用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)型式多采用短行程的V 型結(jié)構(gòu)，在減輕柴油機(jī)質(zhì)量的同時(shí)，結(jié)構(gòu)更加緊湊，更有利于車(chē)輛的總體布置方案設(shè)計(jì)。

直噴式燃燒室具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃油消耗率低等優(yōu)勢(shì)，因而廣泛應(yīng)用于大、中型高速柴油機(jī)。采用廢氣渦輪增壓技術(shù)，可能提高柴油機(jī)的功率、減小比重量、縮小整機(jī)尺寸，并且可以節(jié)約原材料、降低燃料消耗率。

1.3 稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與汽油機(jī)相似，但混合氣的空燃比一般在18 以上。目前，稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)仍有許多問(wèn)題需要解決，如各缸及各循環(huán)的混合氣空燃比偏差較大，容易出現(xiàn)停缸等現(xiàn)象[3]。為解決上述問(wèn)題，可對(duì)燃油的霧化過(guò)程和混合氣的分配過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，強(qiáng)化進(jìn)氣渦流的運(yùn)動(dòng)，提高點(diǎn)火能量。除此之外，還包括提高壓縮比、采用新型燃燒室和高能點(diǎn)火系統(tǒng)等方案。新型燃燒室一般可通過(guò)強(qiáng)化混合氣渦流和擾流等方法，進(jìn)一步提升混合氣的霧化效果，實(shí)現(xiàn)均勻混合[4]。

當(dāng)混合氣濃度得到稀釋，且混合氣的空燃比達(dá)到18～20 時(shí)，其抗爆能力會(huì)顯著提升，壓縮比也可以提高到9～15，相應(yīng)增加了可燃?xì)怏w的膨脹比，空氣含氧量更高，燃料燃燒更完全，其燃油經(jīng)濟(jì)性已接近柴油機(jī)。

1.4 分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)是一類用少量濃混合氣點(diǎn)燃大量稀混合氣的內(nèi)燃機(jī)。分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)也屬于稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的一類，其混合氣的空燃比可達(dá)20～22。分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)充分結(jié)合了柴油機(jī)較高的燃油經(jīng)濟(jì)性和汽油機(jī)較高的比功率。按分層方式的不同，分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)可分為單一燃燒室分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)和分隔燃燒室分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)。單一燃燒室分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃油噴射系統(tǒng)來(lái)控制稀燃混合氣的燃燒過(guò)程。而分隔燃燒室分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)則通過(guò)燃?xì)獾倪\(yùn)動(dòng)來(lái)控制稀混合氣的燃燒過(guò)程。單一燃燒室分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)與柴油機(jī)相似，但也具有使用多種燃料的能力，其燃油經(jīng)濟(jì)性高于分隔燃燒室分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)，傳熱損失較小。分隔燃燒室分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力升高率較高，在全負(fù)荷工況下的噪聲較大。

目前，美國(guó)、德國(guó)和日本已研制出數(shù)款分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其性能指標(biāo)均能達(dá)到較高的水平。在不同工況下，與普通汽油機(jī)相比，分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性都有了顯著提升。此外，分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃料的辛烷值或十六烷值等指標(biāo)沒(méi)有特殊要求。因此，在不影響動(dòng)力性的情況下，分層進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)可使用不同類型的燃料。

2 其他車(chē)用熱力發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)

2.1 車(chē)用燃?xì)廨啓C(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1 車(chē)用燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展

作為一類動(dòng)力裝置，燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒過(guò)程可持續(xù)進(jìn)行。燃料在燃燒室中燃燒，產(chǎn)生的高溫燃?xì)馔ㄏ驕u輪，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功。自英國(guó)于1950 年首次推出配裝燃?xì)廨啓C(jī)的小型客車(chē)以來(lái)，各國(guó)相繼對(duì)車(chē)用燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)展了研發(fā)工作。隨后的數(shù)十年間，美國(guó)福特、通用汽車(chē)和克萊斯勒等公司都開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的機(jī)型，并配裝在小型客車(chē)、大型客車(chē)以及載重汽車(chē)上，同時(shí)，也開(kāi)展了大量試驗(yàn)工作。

2.1.2 車(chē)用燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

燃?xì)廨啓C(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，可使用多種燃料且工作平穩(wěn)。當(dāng)質(zhì)量與尺寸等參數(shù)大致相同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的功率為一般內(nèi)燃機(jī)的2～3 倍。而當(dāng)功率相同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的質(zhì)量與尺寸則會(huì)相應(yīng)更小。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的排放性較好，其排氣中的HC 和CO含量較低，但NOx卻相對(duì)較多。

與內(nèi)燃機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)的主要缺點(diǎn)是其燃?xì)鉁囟容^低、燃油經(jīng)濟(jì)性較低。燃?xì)廨啓C(jī)的燃油消耗率，在高負(fù)荷工況下較低，但在低負(fù)荷和怠速工況下相對(duì)較高，因此，更適用于載重量較大的車(chē)型。這是因?yàn)樯鲜龃笮蛙?chē)輛在運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷率通常較高，大部分時(shí)候都在全負(fù)荷的50%以上。

為承受高溫燃?xì)獾某掷m(xù)沖刷，燃?xì)廨啓C(jī)需要選用耐熱性較好的金屬，同時(shí)對(duì)氣流通道制造精度的要求也相對(duì)較高。為了提高渦輪前的燃?xì)鉁囟?，有關(guān)部件的熱負(fù)荷將顯著增加。一般金屬材料難以承受如此高的熱負(fù)荷，需要研制特殊的陶瓷材料，以提高其耐久性。因此，車(chē)用燃?xì)廨啓C(jī)的另一項(xiàng)缺點(diǎn)是對(duì)材料的要求較高。不僅如此，為確保燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，通常還需要為其配備回?zé)崞鳎瑯釉龃罅藱C(jī)組質(zhì)量和尺寸，進(jìn)一步增加了成本。

在上述缺點(diǎn)中，燃油經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題最為重要，已成為車(chē)用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展過(guò)程中的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的研究與改進(jìn)，已取得了顯著的成效。通過(guò)采用回?zé)崞鳎細(xì)廨啓C(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性已達(dá)到接近內(nèi)燃機(jī)的水平，但由此帶來(lái)的問(wèn)題是，機(jī)組結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，質(zhì)量也顯著增大。

但總體而言，燃?xì)廨啓C(jī)在車(chē)輛上的應(yīng)用相對(duì)較少，尚未得到大規(guī)模推廣，這主要是因?yàn)槠湓诓糠重?fù)荷工況下的效率相對(duì)較低。此外，燃?xì)廨啓C(jī)的制動(dòng)性能相對(duì)較差，這一缺陷只有通過(guò)導(dǎo)向器葉片的調(diào)節(jié)才能克服。

2.2 車(chē)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由蘇格蘭人羅伯特·斯特林（Robert Stirling）于1816 年發(fā)明，并遵循斯特林循環(huán)（Stirling Cycle）。伴隨著內(nèi)燃機(jī)等熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的飛速發(fā)展，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)曾一度淡出歷史舞臺(tái)。自20 世紀(jì)以來(lái)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)又重新引起業(yè)界的重視。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用傳熱特性好、壓降小的氦氣作為工質(zhì)。與燃?xì)廨啓C(jī)一樣，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程是持續(xù)進(jìn)行的，其運(yùn)行過(guò)程較為平穩(wěn)，且排放物較少，并且適用于多種燃料[5]。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)已達(dá)到較高的水平。目前，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)需要解決的問(wèn)題主要有工質(zhì)的密封性以及發(fā)生交通事故后工質(zhì)的漏泄問(wèn)題。目前，控制斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法主要有兩種：一是改變循環(huán)工質(zhì)氣體的壓力和流量；二是使用角度可變的旋轉(zhuǎn)斜盤(pán)裝置，以改變其流量。但是，第一種方法效率較低，第二種方法會(huì)造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。

美國(guó)與荷蘭曾針對(duì)車(chē)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用性開(kāi)展了研究。荷蘭菲利浦公司曾將一臺(tái)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)配裝于一輛大型客車(chē)上，并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有著低污染及低噪聲的優(yōu)勢(shì)。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速較低、加速性能差、重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且成本高昂。

2.3 車(chē)用汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

20 世紀(jì)50 年代后期，德國(guó)的菲利克斯·汪克爾（Felix Wankel）研發(fā)出了以自己名字命名的發(fā)動(dòng)機(jī)。之后，世界各國(guó)相繼對(duì)該款發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了研究工作。最早將該款發(fā)動(dòng)機(jī)作為車(chē)用動(dòng)力的國(guó)家是日本。汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小，并且沒(méi)有采用往復(fù)運(yùn)動(dòng)件，其振動(dòng)幅度較小，平穩(wěn)性較好[6]。在相同的壓縮比下，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)可使用低辛烷值汽油，拆裝方便、維修簡(jiǎn)易，在配備有專用生產(chǎn)設(shè)備的情況下，制造工藝也并不復(fù)雜。

此外，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)還有一項(xiàng)突出優(yōu)勢(shì)，即排氣中NOx的排放量明顯低于內(nèi)燃機(jī)。汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的主要缺點(diǎn)在于低速工況下的經(jīng)濟(jì)性較差，并且啟動(dòng)性和耐久性有待進(jìn)一步改善。由于在排氣凈化方面具備一定的優(yōu)勢(shì)，使汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)成為一類較有前景的動(dòng)力裝置。

2.4 車(chē)用陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

目前，使用陶瓷材料的發(fā)動(dòng)機(jī)主要可以分成兩類。第一類依據(jù)陶瓷耐熱性好及質(zhì)量輕的特點(diǎn)，利用該類材料來(lái)制造凸輪軸、搖臂觸頭、燃燒室鑲塊及熱電塞等部件。第二類主要利用陶瓷的隔熱性及耐熱性，將齒塞、缸蓋、進(jìn)排氣門(mén)及排氣道村套等部件改用陶瓷制造。通過(guò)該方案，機(jī)體及缸蓋可取消水套，并省去水泵、散熱器及風(fēng)扇等部件，減少由冷卻水帶走的熱量，制成低散熱發(fā)動(dòng)機(jī)（早期曾被稱為絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)）。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步利用高溫排氣能量，從而提高機(jī)組效率。在陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，還存在以下問(wèn)題：

1）作為發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的構(gòu)成材料，陶瓷面臨的最大問(wèn)題仍然是其可靠性等問(wèn)題。陶瓷屬于脆性材料，其抗機(jī)械沖擊和熱沖擊的能力較差，加工性不佳，并且在高溫時(shí)強(qiáng)度會(huì)有所下降。如果用陶瓷作為內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)的高溫隔熱零部件，不僅要具有較好的高溫強(qiáng)度、較強(qiáng)的耐熱沖擊性和較大的熱膨脹系數(shù)，而且要有良好的隔熱性能，且便于加工制造，成本也不應(yīng)過(guò)高。

2）經(jīng)濟(jì)性及零部件壽命問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)如果只采用陶瓷零部件而不對(duì)其高溫排氣能量進(jìn)行充分利用，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益則并不明顯。若采用渦輪增壓技術(shù)，除了渦輪增壓器及中冷器之外，還要增加動(dòng)力渦輪、齒輪裝置和液力耦合器等設(shè)備，導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)的總成本大幅增加。

3 車(chē)用熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)研究及應(yīng)用前景展望

3.1 車(chē)用熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)研究

在相同功率條件下，四行程汽油機(jī)扭矩特性較好，啟動(dòng)性和加速性較好，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲較低，制造成本較低，熱效率約為25%～35%，部分四行程汽油機(jī)可通過(guò)采用米勒循環(huán)（Miller Cycle）、阿特金森循環(huán)（Atkinson Cycle）、稀薄燃燒、可變壓縮比和均質(zhì)壓燃等技術(shù)，將熱效率提升至40%以上。四行程汽油機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟，且產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)較好。

兩行程汽油機(jī)則具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、制造成本低、轉(zhuǎn)速較高和布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。但其零部件損耗較快，燃油利用率較低，排放性較差，難以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)。

柴油機(jī)熱效率較高，最高可達(dá)40%左右，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。此外，柴油機(jī)故障較少，工作可靠性較好。但柴油機(jī)啟動(dòng)性較差、工作轉(zhuǎn)速較低、體積較大、質(zhì)量較大、工作粗暴，振動(dòng)—噪聲—粗糙度（NVH）特性也有待優(yōu)化。雖然柴油機(jī)有害氣體的排放通常少于汽油機(jī)，但是柴油機(jī)排氣中的固體顆粒物較多，制約了柴油機(jī)在乘用車(chē)中的應(yīng)用?？紤]到柴油機(jī)在經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)，因而成為商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的良好選擇。

與內(nèi)燃機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、比功率高、排放性能好、NVH 特性好、轉(zhuǎn)速高，但其高效工況區(qū)域較窄，且制造成本較高，限制了其在車(chē)輛領(lǐng)域的應(yīng)用。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃料適應(yīng)性強(qiáng)、理論熱效率高、NVH 特性好，但斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)體積較大、成本過(guò)高、啟動(dòng)較慢，并且對(duì)工況變化的響應(yīng)性較差。

汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)具有比功率高、轉(zhuǎn)速高、體積小、質(zhì)量輕、重心低和振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，但是，其經(jīng)濟(jì)性和排放性能較差，同時(shí)成本較高，且可靠性較低。

以上幾類車(chē)用熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)如表1 所示。

表1 車(chē)用熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與技術(shù)劣勢(shì)

3.2 車(chē)用熱力發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用前景展望

與現(xiàn)有的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)相比，未來(lái)的車(chē)用動(dòng)力裝置應(yīng)滿足燃料消耗率較低、排氣污染較少、噪聲較低、燃料適應(yīng)性較好、對(duì)稀有材料依賴性較低和制造成本較低等要求。

作為傳統(tǒng)車(chē)用動(dòng)力裝置，內(nèi)燃機(jī)能充分滿足上述要求。但由于汽車(chē)工業(yè)和公路交通運(yùn)輸對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的重大影響，也可視情發(fā)展一些能替代內(nèi)燃機(jī)的其他熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。

目前，在車(chē)用動(dòng)力裝置領(lǐng)域，占據(jù)統(tǒng)治性地位的機(jī)型依然為汽油機(jī)與柴油機(jī)。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的熱效率較高，HC 和CO 排放較少，NOx排放則相對(duì)較高。

1）從環(huán)保的角度來(lái)看，燃?xì)廨啓C(jī)是一類較有前途的車(chē)用動(dòng)力。與內(nèi)燃機(jī)相比，由于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒過(guò)程的連續(xù)性，以及有著較高的過(guò)量空氣系數(shù)，所產(chǎn)生的排放污染較低，并能使用多種燃料運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)還包括振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等方面的優(yōu)勢(shì)。由于目前燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)鉁囟戎鸩教岣?，其燃油?jīng)濟(jì)性也在逐步提升。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)在質(zhì)量和尺寸等方面也有著較大的優(yōu)勢(shì)，但依然存在制造成本高、響應(yīng)性差和燃油消耗率高等弊端。如果渦輪前的燃?xì)鉁囟饶苓M(jìn)一步提高，其熱效率將逐步接近柴油機(jī)。如果將柴油機(jī)制成低散熱發(fā)動(dòng)機(jī)，效率還可以進(jìn)一步提高。但是，要提高工作溫度必須要采用能耐高溫的材料。目前，燃?xì)廨啓C(jī)尚未在汽車(chē)動(dòng)力領(lǐng)域得到大規(guī)模推廣。

燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)是比功率較大，動(dòng)力性較強(qiáng)。以采用自由渦輪的燃?xì)廨啓C(jī)為例，其扭矩特性較好，低速工況下輸出的扭矩較大，而在高速工況下輸出的扭矩則會(huì)相應(yīng)減小，符合車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)要求。燃?xì)廨啓C(jī)的最大缺點(diǎn)是怠速和低負(fù)荷工況下的燃料消耗率較高，一定程度上影響了其在汽車(chē)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2）作為外燃式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃料的適應(yīng)性更強(qiáng)。此外，由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程是持續(xù)進(jìn)行的，因此，其排放污染較低，同時(shí)有著較高的理論熱效率。但斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)如要用作車(chē)用動(dòng)力裝置，仍存在一定的技術(shù)缺陷，主要是附屬設(shè)備較多，且質(zhì)量和尺寸較大。除此以外，由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)處于封閉狀態(tài)，在循環(huán)中不與高溫燃?xì)饨佑|，需要有效密封工質(zhì)。確保在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)不應(yīng)因意外事件而發(fā)生泄漏。目前，基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的以上幾類問(wèn)題依然亟待優(yōu)化。

3）在日本等國(guó)家，車(chē)用汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)得到了發(fā)展，主要用于部分轎車(chē)的動(dòng)力來(lái)源。汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的比重量低于汽油機(jī)。在同等功率下，其質(zhì)量比汽油機(jī)輕30%。由于質(zhì)量輕，一定程度上可以節(jié)省燃料。目前，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗依然高于汽油機(jī)，但采用分層進(jìn)氣方式的汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗已達(dá)到與汽油機(jī)相近的水平。除了燃用汽油的汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)外，以天然氣為燃料的汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)也已投入使用，燃用柴油的汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)還在研究過(guò)程中。總體而言，該類動(dòng)力裝置具有較好的發(fā)展?jié)摿?，隨著科技的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍將會(huì)日益拓寬。

4）陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)是一類在常規(guī)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上采用陶瓷材料的新機(jī)型，可顯著提升燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減少昂貴金屬的使用量，并延長(zhǎng)零部件的使用壽命。但近年來(lái)，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能夠充分滿足上述要求，且完全令人滿意的特種陶瓷材料。此外，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，針對(duì)陶瓷材料的加工工藝和探傷技術(shù)，還有待進(jìn)一步改善。

4 結(jié)論

盡管燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)等幾類熱力發(fā)動(dòng)機(jī)均有其各自的優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)，但考慮汽車(chē)對(duì)動(dòng)力裝置的技術(shù)要求，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的統(tǒng)治性地位依然較難被撼動(dòng)。考慮到交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展以及不同運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)要求，針對(duì)其他熱力發(fā)動(dòng)機(jī)而開(kāi)展的相關(guān)研究依然有一定的必要性。