發動機小型化是節能減排的有效途徑（三）

◆文/江蘇　范明強

發動機小型化是節能減排的有效途徑（三）

◆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。本文詳細分析通過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，以便使汽車維修行業和廣大用戶能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2015年第11期）

五、發動機小型化實例分析

探討我國汽車發動機如何采用成本較低而又不太復雜的切實可行的技術措施實現小型化降低燃油耗和排放，對于我國汽車發動機行業的可持續發展，以及節約能源和環境保護具有深遠的意義。歐洲菲亞特-通用（Fiat-GM）動力總成公司生產的歐寶（Opel）轎車用小型汽油機系列的更新換代稱得上是汽車發動機小型化的典范，其開發過程中的分析思路和所采用的技術方案值得我們認真研究和借鑒。

Fiat-GM動力總成公司O系列小型汽油機系列的1.0L-Ecotec三缸和1.2L-Ecotec四缸汽油機自1997年投產以來，年產量已達到50萬臺，成為該公司的主導產品，由于其獨特的燃油耗和功率特性，在眾多的競爭機型中處于領先地位。為了適應市場和用戶的需求，2004年該公司在第一代O-Ecote系列的基礎上又開發了第二代O-Ecote系列發動機。其開發的主要目標是采用四氣門-雙進氣道和可變進氣充量運動調節技術，通過改進燃燒過程和降低機械損失的方法進一步降低小型汽油機系列的燃油耗。新開發的第二代O系列汽油機有1.0L、1.2L和1.4L三種排量機型，其中1.4L機型充分利用了該發動機系列的排量潛力，用來替代大一擋發動機系列（1系列）中的1.4L機型，達到發動機小型化的目的。第二代O-Ecote系列汽油機和1系列1.4L機型的技術數據對比見表1，其中天藍色部分示出了小型化的主要特點。

表1 第二代O系列1.0L、1.2L和1.4L發動機和原1系列1.4L發動機主要技術參數的比較

汽油機降低燃油耗的技術措施有以下幾種：

①采用高EGR率稀釋汽缸充量，或在充量運動可調節的情況下采用稀薄運行方式；

②負荷控制，可變氣門機構；

③均質或分層充氣汽油直接噴射；

④切斷部分汽缸；

⑤增壓和縮小汽缸排量。

當時該公司內部對這些措施還存在著爭議，曾進行過激烈的爭論。即使各公司根據自身的特長和具體情況，所選用的方法和途徑不同，但是只要采用節能技術降低燃油耗的方法所增加的成本與所期望取得的節油效益之間具有較好的性價比，都能得到用戶的認可。因此，Fiat-GM動力總成公司根據發動機的汽缸數和排量制定了不同的節油降低CO2排放的策略，它跟發動機大小與汽車質量之間的比例關系，即汽車運行的負荷率有關。圖15表示該公司各個汽油機系列所采用的技術措施與發動機排量和功率的關系。在1.6L及其以下排量的汽油機上都采用四氣門技術—進氣道可變充量運動調節和高EGR率相結合，在2L排量的汽油機上則采用減小排量與廢氣渦輪增壓相結合的方案，而在排量超過2L的汽油機上才采用缸內汽油直接噴射。

圖15 汽油機系列及其采用的技術措施與發動機排量和功率的關系

這種新的O系列汽油機無論是總體技術方案，還是基礎發動機的結構設計都經過精心的策劃，處處體現出小型化的特點，有好多值得參考之處，以下對此進行簡要的介紹。

為了達到最大的節油效果，最小排量的機型仍保留了3缸機方案。把最小排量分成3個汽缸可明顯地減少機械損失，并能獲得較有利的發動機尺寸和燃燒室形狀。由于三缸機的結構非常緊湊，汽缸體具有非常高的剛度和非常好的聲學特性，因此允許不采用平衡軸，而有利于降低燃油耗。

發動機汽缸體用GG25灰鑄鐵鑄造而成，汽缸中心距78mm，汽缸之間的“鼻梁”厚度只有4.6mm，結構非常緊湊，具有非常低的比重量。3缸發動機的汽缸體重量（包括鋁制框架式主軸承蓋座）為18.3kg，4缸發動機的汽缸體質量為22.3kg。由圖16可看到，這樣的質量處于灰鑄鐵汽缸體質量分布帶的低端，且已進入鋁汽缸體質量分布帶范圍。

圖16 鋁和灰鑄鐵汽缸體質量的比較

鑄鋁活塞采用封閉式結構，以1.4L發動機為例，其活塞壓縮高度23mm，火力岸高度3.8mm，總質量只有175g，與原1系列1.4L發動機相比，質量減輕了38%。

曲軸由GGG60球墨鑄鐵鑄造而成，1.0L的三缸機由于采用了新設計的空心鑄造的連桿軸頸，重量減輕了1.4kg。由于曲軸具有高的剛度，降低了摩擦損失。

鋁合金汽缸蓋每缸都有兩個不對稱的進氣道，用于產生強烈的缸內渦流運動。其中的充氣氣道用一個氣動控制的渦流調節閥來開關，另一個螺旋氣道總是打開的，用于在部分負荷運行工況時產生強烈的缸內充量運動。采用雙頂置凸輪軸和滾柱式搖臂傳動機構，進排氣門呈52°夾角對稱布置，從而獲得了非常緊湊的結構。凸輪軸由冷激硬模用砂芯空心鑄造而成，有利于減輕質量。

冷卻水泵和機油泵的布置和結構設計很有特色，它們被一起集成在鋁合金正時鏈條罩蓋上，成為一個泵模塊，預裝配好后直接送至發動機裝配線。冷卻水泵由曲軸齒形皮帶傳動，而內齒輪機油泵則由曲軸前端的六角形軸頸驅動。機油的流動方向經過模擬優化，將機油油道中的液壓流動損失降低到最低程度，而且由于機油壓力波動幅度較小，改善了運行噪聲。同時，在通往汽缸蓋凸輪軸軸承的油道中加入了一個孔徑標定過的節流閥，優化了汽缸蓋和汽缸體之間機油油量的分配，減少了機油流量，與第一代O系列發動機相比，機油泵的尺寸減小了，進一步減少了功率損耗。

新的第二代O系列汽油機的工作過程也進行了精心的組織，確保達到降低燃油耗和排放的目標。部分負荷工況的廢氣再循環（EGR）率高達25%，充量被極其高度的稀釋，EGR的適應性就是靠燃燒室內充量的強烈渦流運動來保證的。進氣渦流調節閥同樣也有助于汽車瞬態過渡工況運行，以及有利于降低燃油耗的推遲點火角的稀薄燃燒運行。再加上降低摩擦損失的措施以及壓縮比提高0.5的共同效果，在歐寶Corsa轎車上，第二代1.0L發動機比第一代節油約5%。1.4L發動機在同樣的5擋手動變速器轎車上，相對于被替代的尺寸較大的原1系列1.4 L發動機可節油17 %。O系列發動機優化燃燒過程和降低機械損耗使其在FEV燃油耗分布帶中處于最低的位置（圖17），而且并沒有采用會使生產成本和運行成本大大提高的技術措施。如此低的穩態運行燃油耗只有采用分層充氣的缸內直噴式汽油機才能達到，但是由于其熱機運行中的問題和稀薄廢氣后處理裝置需要周期性再生，分層充汽缸內直噴式汽油機的燃油耗優勢最終并沒有直接轉化成整車的燃油耗性能。

圖17 O系列汽油機比油耗在FEV燃油耗分布帶中的位置

圖18表示第一代1.0L發動機與第二代雙進氣道1.0L發動機相比，在MVEG（機動車排放組合）測試循環中各個不同階段燃油耗的差異。從圖中可以清楚地看到，進氣渦流調節閥關閉的各個階段的節油效果，所有等速和加速行駛階段都是如此，僅僅在提速到120km/h的加速行駛和120km/h等速行駛時渦流調節閥才是打開的。怠速運轉時的節油效果是由于怠速轉速比第一代發動機低約100r/min，以及渦流調節閥關閉時發動機具有較高的燃燒穩定性，可采用較小的點火提前角。在減速倒拖行駛時，由于降低了重新恢復噴油的轉速，因此比老機型節省了大約24%的燃油消耗。由于渦流調節閥關閉時發動機具有較高的燃燒穩定性，因此在熱機運行期間能應用低達6%的稀燃混合氣，這樣也能夠收到節油效果。

圖18 歐寶Corsa-1.0L汽油轎車在MVEG-B行駛試驗循環中各重要運行工況的節油效果

歐寶Corsa轎車由于搭載了這種新一代汽油機，整車MVEG循環的燃油耗明顯降低。1.4L發動機由于換型成新系列機型，發動機質量減輕，振動質量等級降低，使整車燃油耗降低了17%。1.0L發動機由于發動機方面采取的措施， 使整車燃油耗降低了5%（圖19），這種額定燃油耗的降低在用戶實際使用中同樣也明顯地體現出來。因此，四氣門-雙進氣道和可變充量運動調節相結合的技術方案是汽油機小型化綜合效果最好的方法。

圖19 歐寶Corsa轎車1.0L汽油機在MVEG-B行駛試驗循環中的節油效果

六、結論

發動機小型化方案提供了大大降低燃油耗的可能性。汽油機根據燃燒方法和小型化程度的不同，可充分利用的降低燃油耗的潛力能夠達到10%～30%。而對柴油機而言，由于其最大的挑戰在于滿足未來的排放限值，因此在壓縮點火的情況下，近幾年內燃油耗通過發動機小型化只能獲得適度的降低。

為了能夠實現降低CO2排放量的目標，必須增加有利于降低燃油耗車型的市場份額，因此增壓發動機對未來將顯得更為重要，其市場效果主要取決于是否能夠成功地實現在獲得令人滿意的行駛功率的同時，具有低的燃油耗和可接受的額外成本。

我國汽車汽油機應采用成本較低而又不太復雜的技術措施來實現小型化，四氣門技術和可變充量運動調節相結合的技術方案的性價比極具有吸引力，為我國汽車汽油機小型化提供了切實可行并且綜合效果最佳的技術途徑。為此，根據我國的具體情況，建議在批量生產中采用EGR和可變進氣渦流調節，進一步降低燃油耗和排放，達到歐Ⅳ排放標準，然后在此基礎上盡快通過增壓實施發動機小型化，并采用可變凸輪軸相位調節技術，各制造廠商可根據各自機型的具體情況及其配套車型的需要而靈活使用。（全文完）