發動機小型化是節能減排的有效途徑（一）

◆文/江蘇　范明強

發動機小型化是節能減排的有效途徑（一）

◆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。

一、發動機小型化的意義

柴油轎車的燃油消耗和CO2排放要比相同級別的汽油轎車約低20%，這也是歐洲柴油轎車的市場份額已超過40%的主要原因，因此柴油轎車的這種低燃油消耗特性對降低CO2總排放量具有重要意義。但是由于未來排放限值越來越苛刻，以及目前發動機技術所能達到的水平，進一步大幅度地降低燃油消耗變得越來越困難。因此，汽車發動機技術人員將小型化作為降低燃油消耗和排放的重要途徑。

當今柴油機的普及是由于其具有吸引力的行駛功率和高扭矩輸出以及低的燃油消耗，對此高壓直接噴射和廢氣渦輪增壓兩項技術的貢獻起到了決定性的作用，它們已使比功率和平均有效壓力大大提高，因此柴油機小型化已被證實是節油和降低排放有效的技術措施。但是問題在于：對汽油機而言，小型化是否同樣也能獲得富有成效的發展？而對柴油機而言，通過小型化是否還能進一步擴大降低燃油消耗的潛力？未來應采取什么樣有效的技術方案來進一步挖掘這種潛力？

二、發動機小型化的分析

通常小型化是指發動機即使排量減小了，但仍能發出高的功率，因此其總是具有高的比功率以及高的全負荷平均有效壓力和比扭矩。如下列公式所示：

比功率Ne/VH是隨著轉速n或平均有效壓力Pe的提高而提高的。該式中：Ne-發動機功率；VH-發動機排量；i-曲軸每轉的循環數（二沖程i=1；四沖程i=1/2）； Me——扭矩。

鑒于發動機小型化的主要目標是顯著降低燃油消耗，因此只有采用提高平均有效壓力的強化設計方案來挖掘節油的潛力。在歐洲這種強化發動機的最大平均有效壓力已超過20bar（相當于160Nm/L，1bar=105Pa），比功率達到60kW/L以上（柴油機）或100kW/L以上（汽油機）（圖1），這都必須借助于高壓直接噴射和高效的廢氣渦輪增壓系統，并同時采用其他更多的措施才能達到。

圖2示出了傳統的自然吸氣發動機、增壓發動機和高轉速設計方案在萬有特性曲線場中相同功率運轉工況點的情況。從圖2中可清楚地看出，增壓設計方案運轉工況點的平均有效壓力較高，因而位于較低的燃油消耗區域，同時還具有足夠大的扭矩儲備。即使具有較為有利的行駛試驗循環燃油消耗，但是在需要的時候仍能獲得令人滿意的行駛功率。除此之外，還有更多的優點，例如發動機重量較輕，并且一個發動機系列有可能具有較大的功率跨度。

通常在轉速保持不變的情況下，隨著功率的增大有效效率會提高，這是由于工作過程和傳動系統方面的原因使各種損失降低所致。圖3以實例示出了排量（2.0L）較大的自然吸氣汽油機與功率相同的高增壓汽油機（1.2L）的效率比較。增壓汽油機由于壓縮比較低，其理想熱力循環的效率要略低于自然吸氣汽油機。在相同的轉速和平均有效壓力的運轉工況下，尤其是在低負荷范圍內，自然吸氣汽油機的比燃油消耗通常要比增壓汽油機低，但是在相同功率下運轉時增壓發動機的燃油消耗優勢就非常明顯。因此，發動機小型化的效果最主要是由于運轉工況點移向更高的平均有效壓力所致。由于運轉工況點的移動，壁面傳熱和換氣所造成的損失以及機械損失都降低了，而由于燃燒持續期延長或點火角位置延遲所造成的實際燃燒損失有所增加，但是綜合起來，根據發動機小型化的程度以及結構和燃燒過程的不同，在對降低燃油消耗具有重要意義的實際行駛工況范圍內，仍有明顯的節油效果。因此，當今絕大多數將增壓強化方案作為汽車發動機小型化和提高現有發動機系列動力性能的最佳方法，而在發動機不斷小型化的過程中，應充分挖掘所有影響燃油消耗參數的潛力。

關于發動機小型化所產生的問題，及其對可能達到的最大平均有效壓力的限制，對汽油機和柴油機而言在某些方面是有所不同的。一般發動機小型化需要對發動機機械結構、噴油系統、燃燒過程和增壓系統進行仔細的匹配。隨著小型化程度的提高或比功率和比扭矩的增大，對單個子系統也提出了更高的要求。對汽油機而言，爆燃問題將限制全負荷平均有效壓力的提高；而對柴油機而言，則汽缸爆發壓力或機械負荷將成為制約因素。

就降低燃油消耗而言，廢氣渦輪增壓要比機械增壓更有優勢。但是廢氣渦輪增壓的問題在于發動機低轉速時廢氣中的能量不夠充足，這將導致起步扭矩（即所謂的“低端扭矩”）較小。此外，渦輪增壓器轉子的轉動慣量在發動機負荷突變時將會延遲增壓壓力的建立，使發動機的加速響應性能相應變差。

燃油噴射系統或混合氣形成系統必須滿足從怠速到全負荷之間寬廣的運轉范圍內噴油量變化幅度更大的要求。由于噴油系統在很大程度上影響燃油消耗和有害物質的排放，因此未來噴油壓力的可變性是必不可少的。

三、柴油機的小型化

現代柴油機的高壓直接噴射和廢氣渦輪增壓已為實施強化設計方案提供了最合適的技術手段。通過改善噴油系統和增壓系統，并同時相應改進發動機機械結構提高承載能力，比功率還有可能進一步提高，而此時有害物質的排放是關鍵。即使最近幾年比功率提高，但是通過降低幾何壓縮比（圖4），并采用更高效的噴油系統和增壓系統，還能進一步降低顆粒和NOx排放。對此的前提條件是快速和強烈的混合氣形成，以確保良好的冷啟動和怠速運轉性能。（未完待續）