滿足未來法規(guī)的汽油機發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析

林思聰，吳堅，劉巨江，李鈺懷

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

行業(yè)綜述

滿足未來法規(guī)的汽油機發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析

林思聰，吳堅，劉巨江，李鈺懷

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

近年來我國的排放及油耗限值法規(guī)日益嚴(yán)格，消費者對發(fā)動機性能的要求也逐漸提高，汽油機的性能優(yōu)化和技術(shù)革新成為提高產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵因素。文章對汽油機技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，闡述了燃燒、冷卻、潤滑等主要系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

內(nèi)燃機；發(fā)展趨勢；先進(jìn)技術(shù)；廣汽發(fā)動機

CLC NO.:U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-01-03

引言

根據(jù)第四階段乘用車油耗法規(guī)，2020年整車企業(yè)CAFC油耗目標(biāo)值為5L/100km（圖1），而2025年和2030年則分別為4L/100km和3.2L/100km。同時，2019年將實施第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)，WLTC循環(huán)下THC、CO、NOx排放物限值分別為100mg/km、500mg/km和60mg/km，PM限值和PN數(shù)量分別為4.5mg/km和6×1011#，可見傳統(tǒng)汽油機的熱效率潛力和排放潛力需要繼續(xù)發(fā)掘，先進(jìn)汽油機技術(shù)的開發(fā)面臨著機遇和挑戰(zhàn)并存的局面。

圖1 乘用車燃料消耗量降低趨勢

1 主流汽油機技術(shù)現(xiàn)狀

主流汽油機技術(shù)以歐美技術(shù)和日本技術(shù)為代表。到2020年，歐洲需達(dá)到二氧化碳排放量95g/km的目標(biāo)，且歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)將采用RDE測試循環(huán)[1～3]。

1.1 歐美技術(shù)

歐美地區(qū)的發(fā)汽油技術(shù)以大眾、標(biāo)致、菲亞特、福特、通用為代表，過去幾年引領(lǐng)了增壓小型化技術(shù)潮流，如大眾的EA211系列汽油機、福特的EcoBoost系列汽油機。目前正在開發(fā)或已經(jīng)量產(chǎn)的汽油機采用米勒循環(huán)（EIVC）配合增壓缸內(nèi)直噴技術(shù)，由小型化轉(zhuǎn)向適型化發(fā)展，如大眾的EA888 Gen3B汽油機，大幅降低油耗的同時提高動態(tài)響應(yīng)性。

1.2 日本技術(shù)

日本地區(qū)的汽油機技術(shù)以豐田、本田為代表，主要有兩個方向，一是用于混動車型的自然吸氣、外部EGR、阿特金森循環(huán)（LIVC）技術(shù)，如豐田的ESTEC系列的1.3L自然吸氣汽油機與本田的地球夢系列2.0L自然吸氣汽油機。二是跟隨歐美的增壓小型化技術(shù)，如豐田的ESTEC系列的2.0L與1.2L增壓直噴汽油機與本田的地球夢系列1.5L增壓直噴汽油機。

2 汽油機技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 燃燒系統(tǒng)發(fā)展趨勢

新型燃燒系統(tǒng)主要技術(shù)路線如圖2所示。

1）以適型化為核心的燃燒技術(shù)

在缸內(nèi)直噴汽油機上，應(yīng)用米勒或阿特金森燃燒技術(shù)（適型化設(shè)計），匹配超高滾流比、高壓縮比的燃燒結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，外加高流量冷卻EGR技術(shù)和高能點火裝置，可實現(xiàn)汽油機快速、高效的燃燒過程，如果配合電動增壓器，則可以極大提高扭矩響應(yīng)速度。汽油機由小型化向適型化轉(zhuǎn)變，在未來兩年將成為主流路線。

2）REGR和VCR技術(shù)

利用發(fā)動機廢氣能量對燃油進(jìn)行催化重整，在催化重整反應(yīng)器上實現(xiàn)燃油與廢氣的先期反應(yīng)，形成廢氣與H2、CO的混合物，再以EGR的形式進(jìn)入發(fā)動機各氣缸參與燃燒，實現(xiàn)催化重整REGR新型燃燒模式。REGR新型燃燒可實現(xiàn)更快的燃燒速度，燃燒穩(wěn)定性更好，可有效拓展燃燒混合氣的濃稀限，在提升發(fā)動機動力性、經(jīng)濟(jì)性的同時，大幅降低污染物排放[4]。

車用汽油機運行工況寬廣，中、低負(fù)荷時，缸內(nèi)爆發(fā)壓力和燃燒溫度都較低，此時采用較大的壓縮比，能獲得更好的經(jīng)濟(jì)性；高負(fù)荷時，需要采用較低的壓縮比以獲取動力性能。

目前，REGR技術(shù)和VCR技術(shù)正在研發(fā)中，屬于中遠(yuǎn)期燃燒控制技術(shù)。

3）均質(zhì)壓燃以及稀薄燃燒技術(shù)

智能可控壓燃和均質(zhì)充量壓燃本質(zhì)上都屬于均質(zhì)壓燃燃燒，是預(yù)混混合氣在壓縮過程中溫度升高達(dá)到自燃溫度以后所發(fā)生的燃燒現(xiàn)象。均質(zhì)壓燃一般只能在部分負(fù)荷運行，而車用發(fā)動機運行工況范圍廣，因此必須考慮均質(zhì)充量壓燃和傳統(tǒng)燃燒方式的過渡運行工況控制。此外，充量壓縮燃燒的燃燒始點和放熱率難以控制。

采用空燃比大于化學(xué)計量空燃比的稀薄混合氣在發(fā)動機上燃燒時，能有效提升混合氣的等熵指數(shù)，進(jìn)而改善發(fā)動機的熱效率。稀薄燃燒面臨NOx后處理相對困難、燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷葐栴}。

均質(zhì)充量壓縮燃燒和稀薄燃燒目前處于試驗室研究階段，市場化前景尚不明朗。

圖2 新型燃燒系統(tǒng)主要技術(shù)路線

2.2 冷卻系統(tǒng)趨勢

分流冷卻通過在冷卻系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置具有不同開啟溫度的雙調(diào)溫器，把缸蓋和缸體劃分為不同的冷卻回路，使它們具有不同的溫度，使發(fā)動機各部分在最優(yōu)的溫度設(shè)定點工作，冷卻系統(tǒng)的整體效率達(dá)到最大。

如圖3所示，暖機階段，缸體調(diào)溫器關(guān)閉，冷卻液只流經(jīng)缸蓋排氣側(cè)，冷卻鼻梁區(qū)和排氣歧管，實現(xiàn)缸體快速升溫。溫度達(dá)到調(diào)溫器開啟溫度時，冷卻液分別流經(jīng)缸體、缸蓋，由主調(diào)溫器控制散熱器的開啟。

圖3 缸體缸蓋分流冷卻示意圖

2.3 低摩擦技術(shù)趨勢

在未來的發(fā)動機降摩擦工作中，零部件的優(yōu)化設(shè)計、新的涂層技術(shù)、低粘度機油以及附件系統(tǒng)優(yōu)化等將逐漸發(fā)展成熟并普及開來。

新的涂層技術(shù)為降低邊界潤滑與混合潤滑條件下的摩擦損失提供了可能，包括有DLC涂層的活塞環(huán)、活塞銷、氣門挺柱以及帶樹脂涂層的軸瓦等，同時也為低粘度機油的使用帶來了保證。

通過進(jìn)一步優(yōu)化缸套參數(shù)和活塞環(huán)結(jié)構(gòu)，在保證機油耗和漏氣量滿足設(shè)計要求的情況下，低張力活塞環(huán)配合優(yōu)化型線的大配缸間隙活塞和新的活塞涂層工藝技術(shù)，能夠為整機油耗帶來5%以上的貢獻(xiàn)。

附件系統(tǒng)也貢獻(xiàn)了很大一部分的摩擦損失，在當(dāng)前，可變壓力機油泵設(shè)計也日漸成為主機廠的主流配置。另一方面，外控式空調(diào)壓縮機、OAD技術(shù)和離合式水泵等技術(shù)為降低附件內(nèi)部功耗，從而進(jìn)一步降低發(fā)動機摩擦功提供可能。在將來，附件的電氣化的發(fā)展趨勢，如電子水泵、電子機油泵和BSG電機等，將使得發(fā)動機再 也不需要直接驅(qū)動以上附件，進(jìn)而降低了發(fā)動機內(nèi)部摩擦。

3 結(jié)束語

我國乘用車動力目前仍然以傳統(tǒng)汽油機為主，汽油機還有很大的提升空間和發(fā)展?jié)摿Γ鞣N汽油機先進(jìn)技術(shù)和控制策略正蓬勃發(fā)展，汽油機依然是未來乘用車的主要動力。合理規(guī)劃發(fā)動機的技術(shù)路線，優(yōu)化發(fā)動機的性能，使用先進(jìn)的發(fā)動機技術(shù)，才能滿足未來的法規(guī)要求。

[1] Luisi, S., Doria, V., Stroppiana, A., Millo, F. et al., "Experimental Investigation on Early and Late Intake Valve Closures for Knock Mitigation through Miller Cycle in a Downsized Turbocharged Engine," SAE Technical Paper 2015-01-0760, 2015, doi:10.4271/ 2015-01-0760.

[2] Dipling. johann schopp, Dipling. RaineR Düngen,Dipling. heiko Fach. BMW V8 Gasoline Engine With turbocharging, Direct Injec -tion and Fully Variable Valve Gear. Development Gasoline Engines, 2013,74:78-25.

[3] Roland Ernst, Rainer Friedfeldt, Steve Lamb, et al. The New 3 Cylinder 1.0L Gasoline Direct Injection Turbo Engine from Ford. The 20th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2011.

[4] A. Tsolakis, A. Megaritis, D. Yap, A. Abu-Jral. Combustion Characteristics and Exhaust Gas Emissions of a Diesel Engine Supplied with Reformed EGR. SAE paper, 2005-01-2087.

The development of gasoline engine to meet future regulations and Trend analysis

Lin Sicong, Wu Jian, Liu Jujiang, Li Yuhuai
( Guangzhou automobile group co., LTD. Automobile engineering research institute, Guangdong Guangzhou 511434）

In recent years, China's emissions and fuel consumption is becoming more and more strict limit regulations, consumer demand for engine performance also gradually improve, gasoline engine performance optimization and technical innovation to become a key factor to enhance the competitiveness of products. This paper analyzes the development trend of gasoline engine technology, and expounds the development trend of the main system of combustion, cooling and lubrication.

internal combustion engine; Development trends; Advanced technology; Universal steam engine

U464

A

1671-7988 (2017)15-01-03

林思聰，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.001