車用汽油機(jī)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)研究

李旭 張立慶 于鎰隆 吳春玲 劉雙喜

摘 要：隨著環(huán)保要求的提高、能耗法規(guī)的加嚴(yán)，對發(fā)動機(jī)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究應(yīng)用顯得至關(guān)重要。文章主要闡述了車用汽油機(jī)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)，包含燃燒技術(shù)、電控技術(shù)、換氣技術(shù)和熱管理技術(shù)等。根據(jù)研發(fā)機(jī)型需求采用最優(yōu)先進(jìn)技術(shù)配置，是實現(xiàn)當(dāng)前和未來一段時間內(nèi)節(jié)能與環(huán)保的有效措施。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī);先進(jìn)技術(shù);油耗;排放

中圖分類號：U464.17? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-70-03

Abstract： With the improvement of environmental protection requirements and the tightening of energy consumption regulations， it is essential to research and apply advanced engine technology. This paper mainly describes the advanced technology of energy conservation & emission reduction for vehicle gasoline engine， including combustion technology， electronic control technology， intake and exhaust technology， heat management technology， etc. According to the needs of the research and development models， the most advanced technology configuration is an effective measure to achieve energy saving and environmental protection in the present and future period.

Keywords： gasoline engine; advanced technology; fuel consumption; emission

前言

汽車行業(yè)的快速發(fā)展和大量汽車的持續(xù)應(yīng)用，已經(jīng)引發(fā)了全球嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺問題，各國政府及汽車企業(yè)對此非常重視，美國、歐洲、日本等分別用法規(guī)強(qiáng)制限制了汽車的排放和油耗。我國已于2016年12月23日，由環(huán)境保護(hù)部和國家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，簡稱“國六”，要求自2020年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型車應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求[1];工信部于2017年9月27日公布了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》[2]，自2018年4月1日起實施。這一系列政策的出臺和實施，進(jìn)一步對汽車行業(yè)的節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)步提出了更高的要求，解決當(dāng)前能源與環(huán)境問題，對其先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用顯得至關(guān)重要。

為了適應(yīng)節(jié)能、環(huán)保等的總體需求，汽油機(jī)廣泛應(yīng)用各種先進(jìn)技術(shù)，包括燃燒技術(shù)、電控技術(shù)、換氣技術(shù)、熱管理技術(shù)等，以滿足市場需求。

1 先進(jìn)燃燒技術(shù)

由于燃燒過程占整個循環(huán)過程的時間非常短，故我們要求發(fā)動機(jī)工質(zhì)的燃燒一定要及時和完全，使得發(fā)動機(jī)具有較好的經(jīng)濟(jì)性和排放性[2]。目前，先進(jìn)燃燒控制技術(shù)主要應(yīng)用高壓縮比、阿特金森循環(huán)/米勒循環(huán)等。

1.1 高壓縮比

發(fā)動機(jī)壓縮比對其性能有多方面的影響。壓縮比越高，發(fā)動機(jī)可以更好地利用活塞式發(fā)動機(jī)的作功特點、在做功行程用同樣數(shù)量的燃油可以爆發(fā)出更大的功率，相應(yīng)熱效率越高，但發(fā)動機(jī)壓縮比過高容易產(chǎn)生爆震。因此，如何在預(yù)防爆震的情況下，最大限度地提高發(fā)動機(jī)的壓縮比，進(jìn)而提高熱效率成為現(xiàn)在很多廠商研究的重點。

如，大眾EA211 1.5TSI發(fā)動機(jī)通過可變截面增壓器的調(diào)節(jié)，提高增壓壓力，從而保持進(jìn)排氣壓差大于0，以降低殘余廢氣量，抑制爆震，讓發(fā)動機(jī)工作在12.5：1的高壓縮比下，使其熱效率達(dá)37.5%;而日產(chǎn)2.0T發(fā)動機(jī)在傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的內(nèi)部，增加了一套復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)，通過改變發(fā)動機(jī)活塞行程，實現(xiàn)壓縮比在8：1至14：1之間調(diào)節(jié)，使其最高熱效率能夠到達(dá)39%，有效提高了發(fā)動機(jī)的熱效率。

1.2 阿特金森循環(huán)/米勒循環(huán)

目前市場上超過90%汽油機(jī)都使用的是奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)。奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)的特點是發(fā)動機(jī)燃燒包括四個沖程（進(jìn)氣-壓縮-做功-排氣）。為了提高奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)的效率，最直接的方法就是提高發(fā)動機(jī)的壓縮比，但壓縮比并不能無限提升，會受到爆震、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素限制。而阿特金森循環(huán)/米勒循環(huán)最明顯的特征就是壓縮行程短，膨脹行程長。目前發(fā)動機(jī)普遍具備可變氣門正時技術(shù)VVT，通過控制進(jìn)氣門早關(guān)或晚關(guān)，使實際壓縮比小于幾何壓縮比，氣缸內(nèi)沒有那么多混合氣體，從而降低實際的壓縮比，膨脹比大于壓縮比，延長作功行程，充分利用燃燒后的廢氣能量，提高熱效率。

2 先進(jìn)電控技術(shù)

提高發(fā)動機(jī)燃效，降低排放，除了先進(jìn)的燃燒技術(shù)，還應(yīng)精確控制和優(yōu)化發(fā)動機(jī)的電控技術(shù)，當(dāng)前，除高壓噴射外，多次噴射和組合噴射等在先進(jìn)機(jī)型中已逐漸受到大部分廠商的青睞。

2.1 高壓噴射

高壓噴射使得燃油霧化效果更佳，氣體顆粒體積更小，使得噴射等量的燃油與空氣接觸的表面積更大。大部分主流的直噴發(fā)動機(jī)燃油噴射壓力都在200-250bar左右，也有比較先進(jìn)的機(jī)型高達(dá)350bar，如此高的燃油噴射壓力可以很好的提升燃油霧化效果，使得燃油和空氣混合得更好，燃燒反應(yīng)更充分[3]。最終，發(fā)動機(jī)的動力和燃油經(jīng)濟(jì)性都得到提升，同時降低了顆粒物的排放量。