發動機小型化是節能減排的有效途徑(二)

◆文/江蘇　范明強

以往人們的概念是汽車的排量越大,其功率就越大,而現在并非完全如此。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。這就是汽車發動機小型化帶來的效果。節能減排是當今汽車工業的重要任務,也是推動發動機技術進步和創新的重要動力,而為了達到未來更為嚴格的排放法規限值的要求，發動機小型化是節能減排的重要途徑。本文詳細介紹了汽油機和柴油機小型化，進一步降低燃油消耗和排放的潛力及其具體的技術措施，并通過實例分析闡述我國汽車發動機小型化的技術途徑,以便使維修人員和廣大車主了解汽車發動機的發展動向,有助于維修工作和更好地選擇車型。

范明強

(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，主管柴油機的產品開發；1984年調往機械工業部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機廠、第一汽車集團公司無錫研究所高級技術顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

(接上期)

若進一步將比功率提高到70～80kW/L，則爆發壓力有可能明顯提高到180～220bar，由此所產生的高熱應力和機械應力對基礎發動機的機械結構是一種挑戰，特別是與此同時還要降低發動機的質量，因此對汽車發動機小型化的機械結構提出了更高的要求。其中，柴油機最重的單個結構件—汽缸體處于這種目標沖突的中心。對于這樣的高負荷而言，雖然鑄鐵顯得比較合適，但除此之外帶局部加強的鋁結構也可以設計成能承受這樣高應力的輕型結構，其結構方案，如圖5所示。

圖5中所有設計方案的共同特點是主軸承蓋均采用鑄鐵材料，它們以幾乎理想的方式實現了下列功能要求：⑴力在鐵中傳遞，能夠承受很高的爆發壓力；⑵主軸承具有與曲軸相似的熱膨脹系數，配合間隙的穩定性較好；⑶梯子形框架和橫向螺栓拉緊能獲得很高的動態剛度，也是良好噪聲振動特性的先決條件；⑷汽缸套不僅可以作為鑲件鑄入，而且汽缸工作表面可以進行涂層處理；⑸圖中所有結構型式原則上都可以壓鑄。圖6示出了根據在一臺能承受200bar最高爆發壓力的柴油機汽缸體上的使用情況，對各種材料和結構方案汽缸體所進行的性價比分析。分析表明，在達到相同的功能情況下，輕型鋁結構汽缸體能明顯減輕質量(比片墨鑄鐵輕20%～30%)，與蠕墨鑄鐵相比其較高的成本是值得的。只有在結構非常緊湊(很小的缸心距)的情況下，才能發揮蠕墨鑄鐵優越的材料特性的作用。因此，汽車柴油機小型化所產生的高的熱應力和機械應力對基礎發動機機械結構的要求，完全可以根據具體情況由各種不同的結構方案來實現。

汽車柴油機小型化采用增壓強化設計方案后，在從怠速到全負荷之間寬廣的運轉范圍內,噴油量的變化幅度幾乎是隨著比功率線性增大的。即使噴油器的工作范圍擴大了，噴霧質量仍必須提高，以便能滿足未來更為苛刻的排放限值，因此噴油壓力還將進一步提高，這樣噴嘴就可以采用更小的噴孔，使噴束的霧化進一步得到改善。同時，為了能在寬廣的運轉范圍內始終獲得理想的混合氣形成，在部分負荷時噴孔必須較小，而在高負荷時則應用較大的噴孔。

Bosch公司成功開發出的可變噴孔噴嘴，使這個柴油機開發人員長期的夢想得以實現。如圖7所示，這種新型噴油嘴具有內外兩個同軸滑配的針閥，可分別控制上下兩排孔徑大小不同的噴孔的開閉，這樣就能夠根據負荷的大小，打開一排大噴孔或者一排小噴孔，始終獲得理想的混合氣形成。

此外，為了在全負荷范圍內避免噴油受壁面的影響，并能加強混合氣形成，特別是在燃燒室較小的情況下，可變充量運動是必需的。這在普遍采用四氣門技術的現代汽車柴油機上是不難實現的，已成為批量生產柴油機上相當成熟的技術。

廢氣渦輪增壓無論對汽油機還是柴油機，目前基本上都已是應用得很合適的系統。調節式增壓和兩級可調式增壓正好能夠滿足“低端扭矩”和加速響應特性的要求。2004年BMW公司首先將“可變雙渦輪”系統用于其批量生產的3.0L直列6缸共軌直噴式轎車柴油機上，除了能將該機的比功率提高到67kW/L之外，還可以將可用轉速范圍從4 000r/min擴展到5 000r/min，這樣就能夠達到迄今為止只有排量大得多的8缸柴油機才能達到的行駛功率，而且MVEG(機動車排放組合)行駛循環燃油消耗只有8.0L/100km。圖8描述了這種增壓系統的運行策略。在低轉速范圍內，使用一個能快速響應的小渦輪增壓器，而在高轉速范圍內，則使用一個大的渦輪增壓器提供相應的流通能力，以便能獲得較高的功率。在中等轉速范圍內，采用兩級增壓，此時因壓比并不太高，增壓空氣也可以不用中間冷卻。兩個增壓器的運行范圍有限，采用普通的不可變調節的渦輪也已足夠了。但是由于系統附加了一些部件，阻礙了在對成本較為敏感的低擋汽車上的推廣。

電輔助廢氣渦輪增壓器和電動輔助壓氣機(圖9)等型式的電動輔助增壓能改善高增壓發動機的起動特性和瞬態響應特性。但是，這種系統的效果首先取決于電動機和功率電子模塊是否合適，并是否能以有競爭力的成本集成到汽車電路中去。由于必需提供1.5～2kW以上的電功率，因此用于批量生產時首先必須采用較高電壓水平的汽車電路。

提高“低端扭矩”和瞬態響應特性的另一種方法是采用帶開關閥(空氣脈沖閥)的脈沖增壓。這種方法基于一個附加的快速開關閥，它位于每缸進氣管中進氣門之前，能針對性地利用空氣動力效應來增加汽缸的充氣量，并減少殘余廢氣。這種脈沖增壓能與廢氣渦輪增壓相組合，與無脈沖增壓的廢氣渦輪增壓發動機相比，可使低轉速范圍的扭矩提高25%～50%，并且增壓壓力的建立要快兩倍。圖9(右)表示出了脈沖增壓在一臺渦輪增壓柴油機穩態和瞬態全負荷特性上的潛力。但是進氣流動增加的摩擦會導致汽缸充量溫度的升高，這在柴油機上能用來進一步降低幾何壓縮比，抑制燃燒室內的最高燃燒壓力，可以減少燃油消耗和有害物質的排放。

四.汽油機的小型化

現在的增壓汽油機大部分是進氣道噴射發動機，出于扭矩特性的緣故，有的采用機械增壓系統，但是這樣一來可能的節油潛力就遠遠沒有被充分利用。

汽油機的廢氣渦輪增壓采用與柴油機類似的系統，調節式增壓系統或兩級可調式增壓系統都能大大改善起步性能、加速性和燃油消耗。最近發展起來的廢氣渦輪增壓和機械增壓相結合的兩級增壓系統，則充分利用了這兩種不同增壓方式各自的優點，明顯加快了低速時增壓壓力的建立，大大提高了發動機的低端扭矩，進一步改善了增壓汽油機的加速響應特性和燃油消耗。例如，德國大眾公司Golf轎車原裝用自然吸氣式2.0L-FSI直噴式汽油機(最大功率110kW,平均有效壓力12.7bar)，2005年開發出的兩級增壓式1.4L-TSI直噴式汽油機，雖然排量減小了30%，最大功率(125kW)卻提高了13.6%，平均有效壓力高達21.7bar，升功率已達到89.3kW/L，特別是具有非常豐滿的扭矩特性曲線，在1 250r/min這樣低的轉速下扭矩就已達到了200Nm，而到1 750r/min轉速時就達到了最大扭矩240Nm，并一直保持到4 500r/min這樣寬廣的轉速范圍。圖10示出了這種廢氣渦輪增壓和機械增壓相結合的兩級增壓系統的工作原理。機械式高速壓氣機由集成在水泵傳動皮帶輪上的一個帶電磁離合器的皮帶輪傳動，與曲軸的速比為5∶1，其最高轉速可達到18 000r/min。與其并聯的調節閥用來為廢氣渦輪增壓器提供運轉工況所必需的空氣量，在只有廢氣渦輪增壓器單級增壓運轉時該調節閥是打開的。

在穩態運轉的情況下，只有在發動機2 400 r/min以下的轉速范圍內才需要接入機械式壓氣機運轉工作，而在此期間內因廢氣能量不足，廢氣渦輪增壓器處于較低的轉速狀態，無法提供足夠的增壓壓力，因此有意將其設計在高效率區運行。機械式壓氣機最遲到3 500r/min時就斷開了，從該轉速起它就相當于一個“渦流孔”，不再起增壓作用，而與此同時廢氣渦輪增壓器就開始從倒拖狀態逐漸動態過渡到全負荷運轉，并單獨產生所需要的增壓壓力，確保扭矩特性曲線的圓滑平穩過渡。圖11示出的是在發動機試驗臺上模擬轉速升高時所測得的瞬態扭矩提升曲線，這大約相當于在汽車掛3擋時的全負荷加速過程。

在沒有機械式壓氣機輔助而由廢氣渦輪增壓器單級增壓的情況下，大約在0.5s以后進氣管中才建立起規定的壓力，而扭矩目標值(100%)在大約4.8s以后才達到，并導致了扭矩提升的不連續性，使司機感覺到很不舒服。在與機械式壓氣機共同工作的情況下，這種運行特性的缺憾基本得到了克服。一旦機械式壓氣機接入工作，就有助于進氣管壓力的提升，因而扭矩特性曲線提升的梯度也要比在廢氣渦輪增壓器單級增壓時陡得多，而且扭矩特性曲線的提升一直都是連續的，達到目標扭矩的時間(2.4s)比原來縮短了一半，因此這種兩級增壓發動機的運轉主觀上感覺起來就好像是排量大得多的自然吸氣發動機一樣。同時，由于這種增壓強化發動機的運轉工況點移向更高的平均有效壓力范圍，因而搭載這種功率125kW的小型化汽油機的Golf GT轎車非但達到了歐Ⅳ排放標準，而且具有極低的燃油消耗。如圖12所示，與同類型的傳統汽油機相比，其NEFZ(標準歐洲行駛試驗循環)燃油消耗只有7.2L/100km，具有非常明顯的優勢。

若汽油機小型化通過采用較高的增壓比來提高比功率，則需要采取適當的措施來降低爆燃傾向，這樣就能在整個萬有特性曲線范圍內普遍獲得節油效果，并能降低相關零部件的熱負荷。可能采取的措施有汽油直接噴射、有效的增壓空氣冷卻以及冷卻EGR，同時針對性地組織充量運動。

增壓汽油機不但需要高效的壓氣機，以便降低壓氣機的功率消耗和進氣空氣壓縮終了的溫度，從而可降低爆燃傾向，同時還需要高效的增壓空氣冷卻器。在汽油機上采用水-空氣式增壓空氣冷卻器，它能設計得相當緊湊，從而為獲得良好的響應特性創造前提條件。但是，若要達到更低的溫度水平，則需要附加一個低溫冷卻循環回路，當然這將會增加額外的成本。

缸內汽油直接噴射由于燃油是在汽缸內部汽化的，對缸內充量起到了冷卻作用，因此與增壓的進氣道噴射發動機相比，允許幾何壓縮比提高1～2個單位，這樣可提高整個轉速范圍內的效率和平均有效壓力。在較高的壓縮比下運行可降低廢氣溫度，從而降低廢氣渦輪或催化器的熱負荷。此外，缸內汽油直接噴射還允許加大氣門重疊角，所產生的掃氣作用有利于降低缸內殘余廢氣含量，增加進氣空氣量，從而為大噴油量工況改善霧化品質和混合氣形成創造更好的前提條件。可調節的充量運動可使混合氣形成更加均勻，并能提高EGR廢氣的兼容性。若要更進一步利用缸內汽油直接噴射所提供的潛力，只有當噴束引導的缸內汽油直噴分層燃燒過程能可靠和穩定運行的時候才有可能。因此，以化學計量比混合氣運轉是當今一段時間內汽油機小型化比較合適的方法，因為這種運轉方式已能使缸內汽油直噴的基本優點大部分得到利用。至于汽缸分層充氣運轉方式，由于在增壓發動機上較難以實現，因而對汽油機小型化來說將是下一步的努力目標。

缸內汽油直接噴射與廢氣渦輪增壓的組合可以獲得比進氣道噴射更顯著的優勢。如圖13所示，與常規的帶凸輪軸相位調節器的自然吸氣汽油機相比，根據小型化程度的不同，采用進氣道噴射方案增壓，新歐洲行駛循環(NEFZ)試驗的相對燃油消耗可降低10%～20%，而若采用缸內汽油直接噴射方案增壓，則總的節油潛力最多可達到30%。

如果要進一步降低燃油消耗，就需要采用其他的可變方案才能實現，當然成本也會有所提高。其中，對我國轎車汽油機比較容易實現而成本又不至于增加太多的技術方案是凸輪軸可變相位調節。在這方面，歐洲轎車汽油機小型化為我們提供了值得借鑒的經驗。

例如，Ford 公司在著名的Duratec汽油機系列的基礎上為Focus轎車開發出了一種新的1.6 L-Duratec-Ti-VCT(雙獨立可變凸輪正時)汽油機，其最大的特點是裝有兩個相互獨立工作的進排氣凸輪軸相位調節器，首先使得發動機能在低部分負荷范圍內無節流運轉，在整個轉速范圍內獲得了相當豐滿的扭矩特性曲線，并且在低速范圍內達到了大一擋排量1.8 L發動機的扭矩，同時最大功率提高了約15%，達到了發動機小型化的效果。此外，可變凸輪軸相位調節還能為通過實現機內ERG和減少發動機泵吸功降低燃油消耗提供巨大的潛力。

相對于機外EGR，借助于進排氣凸輪軸相位調節器實現機內EGR，在廢氣的引入和分配，以及殘余廢氣的可調節性(首先是瞬態過渡工況)等方面具有明顯的優越性。機內EGR可使發動機在部分負荷工況無節流運行，從而減少泵吸功，而且降低了工作過程的溫度，對降低發動機的原始排放和燃油消耗都非常有利。

圖14表示這種新的1.6L-Duratec-Ti-VCT汽油機在發動機萬有特性曲線上相對于基本機型燃油消耗的改善情況。若單獨只采用Ti-VCT技術，與配氣定時固定的基本型發動機相比，在NEFZ行駛試驗循環中能獲得4.5%的節油效果。

當然，采用減少汽缸數目進一步實現發動機小型化，在其他邊界條件相同的情況下，可獲得最大的節油潛力。同時應該指出，隨著汽油機小型化程度的增加，由于爆燃的問題，可利用的節油潛力將越來越小。(未完待續)