車用汽油機節能減排先進技術研究

李旭 張立慶 于鎰隆 吳春玲 劉雙喜

摘 要：隨著環保要求的提高、能耗法規的加嚴，對發動機先進技術進行研究應用顯得至關重要。文章主要闡述了車用汽油機節能減排先進技術，包含燃燒技術、電控技術、換氣技術和熱管理技術等。根據研發機型需求采用最優先進技術配置，是實現當前和未來一段時間內節能與環保的有效措施。

關鍵詞：汽油機;先進技術;油耗;排放

中圖分類號：U464.17 ?文獻標識碼：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

CLC NO.： U464.17 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-70-03

前言

汽車行業的快速發展和大量汽車的持續應用，已經引發了全球嚴重的環境污染和能源短缺問題，各國政府及汽車企業對此非常重視，美國、歐洲、日本等分別用法規強制限制了汽車的排放和油耗。我國已于2016年12月23日，由環境保護部和國家質檢總局聯合發布了《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符合該標準的要求[1];工信部于2017年9月27日公布了《乘用車企業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，進一步對汽車行業的節能減排技術進步提出了更高的要求，解決當前能源與環境問題，對其先進技術進行研究和應用顯得至關重要。

為了適應節能、環保等的總體需求，汽油機廣泛應用各種先進技術，包括燃燒技術、電控技術、換氣技術、熱管理技術等，以滿足市場需求。

1 先進燃燒技術

由于燃燒過程占整個循環過程的時間非常短，故我們要求發動機工質的燃燒一定要及時和完全，使得發動機具有較好的經濟性和排放性[2]。目前，先進燃燒控制技術主要應用高壓縮比、阿特金森循環/米勒循環等。

1.1 高壓縮比

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

如，大眾EA211 1.5TSI發動機通過可變截面增壓器的調節，提高增壓壓力，從而保持進排氣壓差大于0，以降低殘余廢氣量，抑制爆震，讓發動機工作在12.5：1的高壓縮比下，使其熱效率達37.5%;而日產2.0T發動機在傳統發動機的內部，增加了一套復雜的連桿機構，通過改變發動機活塞行程，實現壓縮比在8：1至14：1之間調節，使其最高熱效率能夠到達39%，有效提高了發動機的熱效率。

1.2 阿特金森循環/米勒循環

目前市場上超過90%汽油機都使用的是奧托循環發動機。奧托循環發動機的特點是發動機燃燒包括四個沖程（進氣-壓縮-做功-排氣）。為了提高奧托循環發動機的效率，最直接的方法就是提高發動機的壓縮比，但壓縮比并不能無限提升，會受到爆震、結構強度等因素限制。而阿特金森循環/米勒循環最明顯的特征就是壓縮行程短，膨脹行程長。目前發動機普遍具備可變氣門正時技術VVT，通過控制進氣門早關或晚關，使實際壓縮比小于幾何壓縮比，氣缸內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 先進電控技術

提高發動機燃效，降低排放，除了先進的燃燒技術，還應精確控制和優化發動機的電控技術，當前，除高壓噴射外，多次噴射和組合噴射等在先進機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動機燃油噴射壓力都在200-250bar左右，也有比較先進的機型高達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，燃燒反應更充分[3]。最終，發動機的動力和燃油經濟性都得到提升，同時降低了顆粒物的排放量。

2.2 多次噴射、組合噴射

多次噴射即根據燃燒需求，在不同工況下控制噴油器進行一次或者多次缸內直噴的情況;組合噴射技術即采用缸內直噴與歧管噴射的雙噴射技術[4]。由于進氣道噴射和缸內直噴針對發動機不同工況各有利弊，若能根據發動機所處狀態巧妙進行組合噴射，對改善油耗和排放顯得很有意義。一方面，可以兼顧發動機在不同工況下的效率，另一方面，可以降低排放，滿足日益苛刻的排放法規。

如，大眾EA888第三代發動機為了降低碳煙排放、改善油耗降低爆震趨勢，采用組合噴射和多次噴射技術。當發動機處于熱怠速或者低速小負荷時，缸內氣體流動特性較差，溫度低，燃油霧化效果較差，采用氣道噴射工作模式，使燃油在歧管內蒸發霧化后與空氣充分混合進入缸內燃燒，改善燃燒性能，使得降低排放、效率更高;當發動機冷起動或中低速大負荷時，使用缸內多次噴射方式來工作，實現均質稀燃，改善油耗和排放;在中高負荷，缸內氣體流動加強，切換為缸內單次噴射，精確控制燃油，燃油霧化更加精致，提高發動機經濟性，同時，可以有效降低缸內溫度，提高充氣效率，從而提高汽油機的動力性，且同時降低爆震趨勢。若兩種噴油系統的一種出現故障，則另一種系統將會執行應急運行功能，保證車輛仍能正常行駛。

3 先進換氣技術

換氣系統將合適質量、溫度、成分和運動狀態的充量提供給發動機，換氣系統的性能相當大程度決定了發動機的性能[5]。為了適應車用發動機的不同工況，各種先進換氣技術得到廣泛應用，包含可變進氣歧管、可變氣門正時、可變氣門升程、廢氣再循環、停缸技術等。

3.1 可變進氣歧管

為了提高充氣效率，在汽油機轉速范圍內更有效地利用進氣慣性效應，達到改善發動機經濟性及動力性的目的。在汽油機上應用較多的有可變進氣管長度、可變進氣容積腔和可變進氣道等[5]。

3.2 可變氣門正時

目前，可變氣門正時技術已在發動機上得到廣泛應用，分為進氣VVT、排氣VVT、進排氣同時調節VVT和進排氣獨立調節VVT[5]，在不同發動機上可變氣門正時的應用，能在不同轉速下優化缸內氣流，特別可在部分負荷下改善發動機燃油效率和性能。

3.3 可變氣門升程

可變氣門升程技術可通過調整凸輪升程高低來調整氣門開度，以適應發動機高、低轉速和負荷下不同的工況要求，低轉速和小負荷下升程低，以優化油耗和輸出充沛轉矩;在高轉速和高負荷下使用高升程凸輪驅動氣門，以提供燃燒室最佳的進氣流量和進氣流速，實現更加強勁的動力輸出。且連續可變氣門升程可在各個工況下實現無節氣門負荷控制，降低泵氣損失，減小油耗[5]。目前，在豐田、本田、寶馬、奔馳和奧迪等車系上，該技術都在不同程度上使用。

3.4 廢氣再循環

汽油機在部分負荷時，存在進氣節流，產生較大的泵氣損失，影響發動機的動力性和經濟性，采用廢氣再循環，可以有效改善進氣門后的真空度，減小泵氣損失，從而提高發動機的燃油經濟性;缸內混合氣經廢氣稀釋，減慢燃燒速度，使得缸內燃燒溫度降低，抑制了NOx排放的生成。在暖機過程、怠速、低負荷和全負荷時，為保證汽油機正常著火和輸出足夠動力，一般不進行廢氣再循環[6]。

3.5 停缸技術

汽車發動機在部分負荷時，當系統檢測到輸出動力有冗余時，ECU會自動判斷關閉部分氣缸的進、排氣門和噴油，以降低油耗和排放。當發動機處于大負荷等任何需要大功率輸出的工況，汽車發動機全部氣缸又會都投入工作，保證強勁的動力輸出。

4 先進熱管理技術

各汽車廠商針對日益嚴格的排放法規和消費者的需求，應用不同發動機先進技術，其中，也包含先進熱管理技術，其包括分流冷卻控制、集成式排氣歧管、進氣歧管集成水冷式中冷器等。

4.1 分流冷卻控制

分流冷卻控制，即通過兩個節溫器分別控制缸蓋、缸體冷卻液流向，通過控制發動機不同區域水溫，使發動機各部件工作在最佳溫度，降低相應摩擦副運動阻力，滿足低油耗的要求[7]。目前，分流冷卻已成為發動機冷卻系統開發的主流技術。

4.2 集成式排氣歧管

集成式排氣歧管使得發動機結構緊湊，使廢氣進入增壓器的距離縮短，增壓器響應更靈敏，降低渦輪增壓發動機遲滯效應;冷啟動階段，集成式排氣歧管結構可以很好地利用排氣熱量對冷卻液進行快速加熱，加速冷卻液達到工作溫度，減少暖機時間，降低該過程油耗和排放;在發動機熱態運轉時，缸蓋內部冷卻液可以快速降低排氣歧管內氣體溫度，有利于提高進氣密度，增加進氣量，尤其在高溫高負荷工況下，集成式排氣歧管結構可以利用冷卻液降低排溫，將其很好地控制在零部件所承受的臨界溫度以下，減小增壓器熱負荷，防止燃燒混合氣加濃策略過早，獲得強勁動力的同時也改善油耗。

雖然，集成排氣歧管對缸蓋鑄造提出了更高的工藝要求，但是，基于以上眾多優點，集成式排氣歧管技術已在發動機上得到大量應用。

4.3 進氣歧管集成水冷式中冷器

進氣歧管集成水冷式中冷器結構緊湊，大幅度縮短了進氣管路，減小空間占用和管內壓損;更短的管路意味著空氣能更快地到達中冷器，同時水冷的冷卻效果也明顯優于風冷式中冷。進氣歧管集成水冷式中冷器能更好地滿足了小排量增壓發動機結構緊湊的需要，又具備更精準的控溫能力，因而具備明顯的優勢[8]。

5 其他先進技術

為了滿足節能、環保等的總體需求，汽油機廣泛應用大量的先進技術，除以上提到的先進燃燒技術、先進電控技術、先進換氣技術、先進熱管理技術，還包含高滾流比氣道、可變截面增壓、能量回收、怠速啟停、全鋁缸體、變排量機油泵、電子節溫器等先進技術，使發動機向著低功耗、低排放、輕量化、小型化方向發展，另外，還有受廣大廠商青睞的混合動力技術等。

6 結語

面對國六排放法規從測試循環到污染物排放限值全面加嚴、國家四階段油耗加嚴和雙積分政策的挑戰[9]，汽車行業對發動機先進技術進行研究應用顯得尤其重要。本文簡要分析了影響發動機能耗和排放的部分先進技術，包含燃燒技術、電控技術、換氣技術和先進熱管理技術等，為開發工程師提供參考。不同先進技術之間可能存在關聯或制約的關系，可根據所研發機型需求采用最優配置。

參考文獻

[1] 韓道平，周保華，李秋誠，侯勇，何非，劉驍輝.“國六”的實施對進口機動車入境口岸排放檢測的影響及建議[J].汽車工業研究，2018 （01）：41-44.

[2] 肖紅.淺析提高車用發動機經濟性的途徑及先進技術[J].科技經濟市場，2017（10）：7-8.

[3] 國產動力崛起，這6款發動機不輸大眾豐田，還買什么合資車？http：//www.sohu.com/a/279153398_120218，2018-12-02.

[4] 趙樂文.乙醇汽油雙燃料雙噴射系統發動機經濟性和排放特性研究[D].天津大學，2017.

[5] 李駿.汽車發動機節能減排先進技術[M].北京：北京理工大學出版社，2011.

[6] 黎蘇，李明海.內燃機原理[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[7] 成曉北，潘立，鞠洪玲.現代車用發動機冷卻系統研究進展[J].車用發動機，2008，（1）：1-6.

[8] 水冷和風冷之爭-渦增發動機中冷器解析[EB/OL].（2017-02-27）. https：//chejiahao.autohome.com.cn/info/1565760.

[9] 吳春玲，崔瑩泉，趙亮，高章.輕型汽油車滿足國六排放法規的技術路徑[J].汽車實用技術，2017（12）：103-104.