小型汽油機熱效率提升技術研究

1 概述

2020年9月22日，習近平主席在第75屆聯合國大會上發表重要講話，提出我國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，引領全球進入綠色低碳發展的新階段，承諾2030年單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上。作為中國溫室氣體排放增長最快的三個領域之一，汽車行業的碳減排對中國能否順利實現碳中和至關重要。根據研究，在2030年，中國輕型車市場純內燃機汽車約占市場份額的35%，混合動力汽車占25%，電動汽車(含BEV和PHEV)占40%

。假設電動汽車中間有一半應用插電式混合動力，可以計算出2030年中國汽車銷量中仍然有60%～80%的份額需要內燃機。也就說未來相當長的一段時間內，發展內燃機節能減排技術，降低燃油消耗量，減少二氧化碳排放仍是交通運輸行業的重中之重。發展內燃機節能減排技術，主要有兩個途徑，一是內燃機采用增壓技術進行小型化；二是提升內燃機熱效率，并擴大內燃機高熱效率的運行范圍，同時減少運行過程中的各項損失，有效降低燃油消耗水平。

小型汽油機熱效率提升是當前發動機領域研究的熱點問題，2015年之前，量產的汽油機熱效率普遍在35%左右，隨著研究的不斷深入以及新技術的涌現，小型汽油機的壓縮比及熱效率不斷提高，目前很多OEM在研或者量產的汽油機熱效率超過了40%

。例如豐田公司TNGA架構下的新一代2.0L自然吸氣汽油機，設計壓縮比為14，發動機最佳熱效率為41%，該汽油發動機已經投入批量生產并在市場上得到了良好的反饋

。盡管普遍認為發動機熱效率和升功率有trade-off(取舍)關系，但是高熱效率發動機可以很好的和電驅動系統相結合構成混合動力系統，通過引入電機和電池，將發動機的常用工況調整至高熱效率區域，降低燃油消耗。目前，不少主機廠針對混合動力系統而開發的專用高熱效率發動機已經批量生產并投入消費市場。

2 提升熱效率的基本理論分析

根據公式：

=

(1)

其中

為發動機的有效熱效率，

為發動機循環理論熱效率，

為發動機傳熱效率，

為發動機機械效率。

三、了解外國的民俗民風和規矩。泰國小孩的頭摸不得，印度的小孩抱不得。像這些異國他鄉的規矩，在到人家國家旅游的時候，還真應當了解一些。否則，人家并不會因為你是外國人就不責怪你。比如到泰國，您去之前一定要弄清楚了這么一些習俗：進入寺廟要脫鞋，女士見到僧侶要避讓，游覽大皇宮女士不能穿短裙和涼鞋。有不良衛生習慣的人千萬要當心，在新加坡街頭隨地吐痰、亂扔廢物，高額的罰款會讓你腦袋大一圈。

根據熱力學基本理論，汽油機的工作循環可以用等容加熱循環表示，其循環的理論熱效率可以表示為：

(2)

其中

為發動機壓縮比，

為工質的等熵指數。

從式(1)可知，提升發動機熱效率水平有兩個基本途徑，一是提高循環的理論熱效率；二是降低發動機傳熱/冷卻損失，并提升機械效率。

從式(2)可知，提升發動機壓縮比可以有效提升循環的熱效率，但是汽油機壓縮比進一步提高受到爆震的限制。等熵指數

反映了工質熱力特性對循環熱效率的影響，一般

=1

2-1

4，常溫空氣工質的

為1

40，當混合氣偏濃，

向下限偏移，因此，盡可能使汽油機燃用稀混合氣可以提升循環熱效率。盡管在熱力學中將汽油機作為等容加熱循環，汽油機燃燒仍然存在燃燒持續期，合理組織燃燒，提高燃燒速度，提高循環加熱的等容度，可以提升循環熱效率。

3 提升理論熱效率的技術措施

3.1 發動機沖程缸徑比設計(Stoke-Bore Ratio)

歷朝有宵禁制度，只有在諸如元宵節這樣的特殊日子里，才允許普通百姓夜間出外走動。那么，古代的宵禁制度從何時開始，又走過了怎樣的發展歷程呢？

在發動機排量不變的前提下，一定范圍內增加沖程缸徑比可以提升發動機的熱效率。一方面，在相同工作容積下，增加沖程缸徑比，可以有效提高進氣行程中空氣/混合氣的滾流強度和壓縮行程中空氣/混合氣的湍流強度，湍流所具有的強脈動和微渦旋運動特性可以促進燃油和空氣的微觀混合，加速燃燒過程，從而提高做功行程中的壓力升高率，改善燃燒等容度，提升循環的理論熱效率。如表1所示，發動機壓縮比設計值為16，工況為全負荷，發動機轉速為2 000 rpm/min的條件下，發動機工作容積不變的條件下，隨著沖程缸徑比的增加，進氣行程中最大滾流比以及進氣門關閉時刻的滾流比均得到提升；同時，在壓縮行程末期的點火時刻，混合氣的湍動能增加。另一方面，增加沖程缸徑比，可以降低面容比，減小傳熱和冷卻損失，提升熱效率。在發動機缸徑和沖程保持不變的前提下，如果進一步提高壓縮比，會導致燃燒室設計扁平化，燃燒火焰與燃燒室壁面的接觸面積變大，不利于火焰的傳播，并且會增加冷卻損失。

不斷增加沖程缸徑比值不會一直提升熱效率。如圖1所示，隨著沖程缸徑比的進一步增大，燃燒室內進氣門直徑設計會受到布置空間的限制，進氣過程中的泵氣損失會急劇增加，同時由于沖程變長，以及活塞的平均運動速度增加，活塞組件和缸體缸孔之間的機械摩擦損失也隨之加大。發動機熱效率隨著沖程缸徑比增大呈現先增大后減小的特征。

3.2 提高壓縮比

由式(1)可知，提高壓縮比可以有效提升發動機熱效率，但是汽油機壓縮比的提高受到發動機爆震的限制，并且由于泵氣損失和傳熱損失的增加，提高壓縮比來提升熱效率呈現邊際遞減的效應。Atkinson循環和Miller循環是對傳統Otto 循環的改進

，應用VVT技術，調整進排氣正時參數，通過進氣門晚關閉或者提前關閉，以減小活塞的有效壓縮行程實現膨脹比大于壓縮比。一方面，發動機小負荷工況下，使用高壓縮比提升熱效率，同時高負荷下調整進氣門關閉時間，降低有效壓縮比，緩解爆震傾向；另一方面，燃燒循環的更改，節氣門的開度以及進排氣門開啟/關閉相位可以同步進行優化設計，減小泵氣損失，提升發動機熱效率。

環境污染及不良生活方式均可擾亂人體的內分泌系統，影響卵巢功能及卵泡質量，導致卵巢儲備功能下降，甚至是卵巢功能不全。

通常自然吸氣的發動機常采用進氣門晚關的策略，發動機在進氣行程中吸入新鮮空氣，在壓縮行程初期，進氣門保持不關閉狀態，將新鮮空氣回吐至進氣歧管內，這種方式稱之為Atkinson循環。增壓發動機常采用進氣門在進氣行程中提前關閉的策略，稱之為Miller循環。

此外，優化噴油系統的噴油壓力，細化燃油顆粒的大小，同樣可以改善燃燒過程，當前350bar噴油壓力的噴油系統已經成為市場主流。同時，配合燃燒循環的優化，還有很多技術措施來抑制由于壓縮比提高產生的爆震傾向問題，例如冷卻系統的控制策略優化，活塞內冷油道，缸內噴水，進氣中冷等技術措施，以及下文將重點介紹的廢氣再循環技術。

3.3 冷卻廢氣再循環 (EGR, Exhaust Gas Recirculation)

(1) 活塞組件的優化。活塞組件和缸體缸孔構成的摩擦副是發動機摩擦損失的最大占比，對活塞組件的優化是減摩擦領域研究的重點。除了輕量化設計，活塞組件也應用了低摩擦涂層技術，例如活塞裙部的石墨涂層，活塞環和活塞銷的PVD/DLC涂層。此外，活塞主推側的裙部和次推側的裙部可以采用非對稱設計，減小次推側和缸壁的接觸面積，減小摩擦損失

。

發動機工作過程中，各個摩擦副處于不同的潤滑狀態；不同的轉速和工況下，同一摩擦副也可能處于不同的潤滑狀態。改善潤滑油粘度特性和摩擦性能，并確保發動機的可靠性，尤其是冷啟動工況下的可靠性，成為當前研究的熱點。目前投入量產的主流發動機使用5W-20牌號的潤滑油，使用0W-20機油的發動機逐步量產，更低牌號的機油0W-16和0W-8正在開發中。根據研究

，相比與5W-30，使用5W-20機油，NEDC工況下，發動機摩擦扭矩減小約6%。

高等職業院校教師應該采取主動學習和系統完善的策略，借用大數據這一平臺了解和掌握當前在高職教育層面先進的教育教學方法，在提升教學方法多元性和功能性的前提下提升自身的教育教學質量。慕課、微課是當前高等職業院校中較為流行的教學形式，對于教師來講要強化多元化先進教學形式和方法的應用，通過應用掌握慕課和微課等先進方法的開展形式與應用技巧，擴大高等職業院校教育教學的影響范圍，進而為教育教學質量和效果的提升提供方法上和形式上的支持與保障。

3.4 稀薄燃燒技術

不同于EGR技術采用排氣廢氣對混合氣進行稀釋，稀薄燃燒技術采用過量空氣對燃燒室內的混合氣進行稀釋

。稀燃時過量空氣有利于燃燒更加充分，并且泵氣損失和傳熱損失降低，提升發動機熱效率。同樣，由于過量空氣的引入使得燃燒變得不穩定，稀薄燃燒技術的應用需要在燃燒室內增強氣流運動，長沖程設計有利于氣體流動速度和空氣湍流強度

。如圖3所示，研究人員在同一臺發動機上對比過量空氣稀薄燃燒，EGR稀釋燃燒、原機三種模式下的經濟性和排放特性

，研究表明，在2000rpm工況下，相比于原機，稀薄燃燒和EGR都可以改善發動機的燃油經濟性，中小負荷下，稀薄燃燒效果更優。但是目前稀薄燃燒技術仍不成熟，存在燃燒不穩定，持續時間長，可靠性不足，排放后處理等問題，還沒有大批量投入量產。

4 降低汽油機冷卻/傳熱損失

5.1.4 應用低摩擦涂層及改善摩擦接觸面

“犯錯誤？”馬縣長被問得莫名其妙，微微思索了一下說：“她主動要求到農村工作的。”怕老人家聽不見又提高了聲音，“沒犯錯誤！”老人一聽松了口氣，對大家說：“有人說殊書是犯錯誤下放的。我納悶兒：這么好的姑娘咋能犯錯誤？”他瞇眼看了看站長，“我瞅她一天樂呵呵的，又不太像——不犯錯誤好，中！好孩子。”老人手捻胡須樂了。

(1)缸體缸蓋分離冷卻+熱管理模塊

。缸體和缸蓋的冷卻系統并聯設計，冷卻流量按照發動機需求進行匹配和獨立控制，冷啟動工況下，發動機需求快速暖機啟動，熱管理模塊關閉控制缸體和缸蓋的水路循環，實現零流動，發動機快速升溫，經濟性和排放性均得到提升；小負荷下，缸蓋水路循環開啟滿足冷卻需求以及抑制爆震，缸體的冷卻水路保持關閉狀態；中高負荷下，冷卻系統根據發動機需求開啟大小循環控制，將缸體和缸蓋的溫度控制在材料許用溫度范圍內。

(2)電子水泵。傳統機械水泵依靠帶輪驅動，需要消耗曲軸功，電子水泵直接依靠電機驅動，由整車蓄電池供電。相比于機械水泵，電子水泵可以根據冷卻需求靈活控制冷卻流量，發動機冷啟動狀態下，可以實現最小流量或者零流量進行快速暖機；小負荷下，降低流量，減少熱量損失；低速大負荷下，增大流量進行冷卻，實現冷卻策略與發動機轉速的解耦。由于ECU對電子水泵進行直接控制，冷卻系統響應快，圖4是電子水泵的控制策略。

(3)絕熱涂層

。該技術是在發動機燃燒室內噴涂約0.2 mm的涂層，涂層材料具有低傳熱系數和低熱容的特點，發動機工作狀態下，可以減少燃燒室向外界的傳熱損失。當前絕熱涂層技術在汽油發動機上的應用仍處于研發中，沒有實現規模量產。

謝里丹唐草風格的花型大小取決于兩點：一是所用的工具，二是作品的大小。原來的皮雕多用于馬鞍，所以作品個頭都比較大，花也比較大，現在很多皮雕作品多用于小件，而且工具也更加精細，所以就連表帶上也可以雕花。還要注意，就是皮革的厚度，厚的皮革不適合很小的花，薄的皮子也不適合很大的花。最薄的皮雕皮也就是1.6mm，一般錢夾等小物2.0mm的就很合適，追求特殊效果的除外。

5 提升機械效率的技術措施

機械摩擦損失，泵氣損失和附件消耗，這三項損失之和統稱為發動機機械損失，相關研究表明

，在發動機轉速范圍內，機械摩擦損失約占50%～80%，泵氣損失約占5%～40%，附件消耗約占10%。

(3) 曲軸主軸徑和連桿軸徑優化，減小軸徑直徑和寬度。

5.1 降低機械摩擦損失

機械摩擦損失主要由以下幾個摩擦副構成，缸體缸孔內表面和活塞組件 ，曲軸連桿運動系統，凸輪軸和前端驅動系統，配氣機構系統 。圖5是一款1.5L四缸自然吸氣發動機，在90℃水溫和油溫的邊界條件下，機械摩擦損失隨發動機轉速的關系，可以看出，機械摩擦損失隨發動機轉速增加不是線性上升的關系，而是隨著轉速的增加急劇增大，降低發動機機械損失，可以主要從以下幾個方面考慮：

城市快速路和高速公路由于功能要求一般都會在道路兩側設置防止牛羊等牲畜和人進入的隔離護欄，還會在中央分隔帶設置波形梁護欄；其他城市道路，除了在為了防止對向車道借道行駛在道路中間設置隔離護欄和橋梁上設置防撞護欄，其他地方基本不設置護欄。其他公路由于地理位置特殊，在高填方和轉彎半徑較小的平曲線外側均需增設護欄。城市道路由于晚間有路燈，視線比較好，所以防眩和視線誘導基本不考慮；高速公路由于車速較快，為了保證晚上行車安全，還會在兩側隔離帶設置視線誘導，在中央分隔帶設置防眩設施。

5.1.1 降低潤滑油粘度

如圖2所示，EGR對發動機的工作影響主要表現在兩方面：一是 低負荷時通過引入廢氣提高進氣歧管壓力，降低泵氣損失，同時由于降低了燃燒溫度，抑制爆震傾向，配合Atkinson或Miller循環，低負荷下的壓縮比有進一步提高的空間，提升發動機熱效率。二是 在高負荷下，廢氣的稀釋作用降低了缸內充量燃燒溫度，有利于降低傳熱損失和提高充量絕熱指數，抑制爆震的同時提升熱效率。同時，EGR技術是降低汽油發動機NO

排放的主要技術措施之一，其抑制了NO

產生所需的“高溫、富氧”環境。需要注意的是，氣缸內引入過多的廢氣會造成燃燒速度減慢，燃燒持續時間增長，可能造成燃燒不穩定或者失火現象，這對熱效率的提升是不利的，改善措施是可以通過改進氣道或者燃燒室設計增加缸內氣流運動，使用高能點火等技術手段擴展EGR率和使用范圍。

對工程有影響的基巖裂隙、溶隙水主要指分布于場區灰巖溶隙、裂隙、溶洞內的淺層水體，在場區內局部分布。受裂隙、溶隙或溶洞、巖性組合、高程等因素控制。地塊地下水較貧瘠，久晴，無地下水；久雨，局部存在上層滯水，但由于擬建場地地勢總體較平緩，雨季施工基坑底部將可能局部出現積水、涌水，建議在基坑等低洼處做好排水措施。

5.1.2 零件輕量化

汽車整車當中發動機重量約占10%～15%，發動機輕量化可以提升整車的動力性和經濟性，優化整車的質量分布。零件輕量化的前提是保證發動機工作的可靠，在此基礎上，通過新材料，新工藝，新結構設計等手段實現輕量化。

新材料的應用。一是使用密度更小的材料對現有產品材料的替代。例如發動機節溫器殼體和進氣歧管改為塑料材料，缸體從鑄鐵材料改為鋁合金材料等；二是，現有材料的技術改進。例如對座圈材料和排氣門材料的優化，可以承受發動機更高的排溫以及實現更加優良的耐磨性能。

新工藝的應用。發動機技術的進步也對生產工藝提出了更高的要求，近年來各種新工藝的發展也推動了零件的輕量化。例如，得益于壓鑄工藝和熱處理工藝的進步，發動機油底殼基礎壁厚由4 mm優化為2.5 mm，在輕量化的同時，零件可靠性及抗沖擊性能得到提升。

運用MRI常規序列評估新生兒缺氧缺血性腦損傷的預后研究較少，本研究發現，T1 flair、T2 flair 和SWI圖在短期評價其預后方面作用可以優先考慮使用，而中遠期價值仍有待于下一步深入研究。

新結構的優化設計。結合CAE仿真分析，對活塞連桿曲軸運動機構系統進行優化設計，減小往復慣性力，從而降低發動機摩擦損失。圖6是本田的研究人員在一款1.5T發動機上對連桿進行設計優化，在實現可靠性的同時，實現15%的減重。

沖程缸徑比是汽油機燃燒系統的關鍵設計參數，直接影響汽油機燃燒室的結構，壓縮比，傳熱和摩擦性能等。

5.1.3 曲軸偏置設計

曲軸中心線在一定范圍內向活塞主推力側偏移，與發動機缸孔中心線不重合，該技術可以有效降低活塞做功行程中，活塞裙部和缸壁在主推力側的接觸應力，降低摩擦，但是隨著曲軸偏置量的增加，次推力側的接觸應力也會隨之增加。如圖7的研究結果，曲軸偏置量在4～10 mm為宜

。曲軸偏置技術已被很多先進發動機所采用，并用于實際的發動機批量生產中 , 但是曲軸偏置技術對生產線的影響很大，需要在發動機初始設計時予以確定，后期更改偏置量或者發動機改型采用該技術，生產線的改造代價很大。

發動機燃燒、膨脹過程中，有大量熱量被冷卻系統帶走，優化冷卻系統設計，實現冷卻系統與發動機實際需求的智能匹配，可以有效提升發動機熱效率。優化冷卻系統主要有以下技術手段：

如前文所述，壓縮比的進一步提高，會增加缸內燃燒溫度，爆震傾向加劇，導致發動機各組件的磨損加劇，發動機功率和扭矩迅速下降，通常ECU的控制策略是將點火提前角推后，推遲燃燒相位，抑制爆震，但這會導致熱效率的下降。EGR技術是通過惰性氣體在燃燒室內對燃燒的抑制作用來對燃燒速率，燃燒溫度，以及氧濃度產生影響。

(2) 缸體缸孔 的優化。一是降低缸體缸孔的變形，例如結構設計上考慮缸孔壁厚，水套結構等，增強缸孔抵抗變形的能力；工藝上可以考慮在缸孔加工時使用工藝缸蓋，降低缸孔冷態下的變形。二是缸孔內表面珩磨參數優化，在保證良好潤滑的前提下，降低摩擦表面的粗糙度，減小缸壁和活塞裙部的摩擦損失。

兼顧風險與收益的主動配電網非正常停運恢復策略//周天,郝麗麗,王昊昊,李威,李乃雙//(13):136

(4) 主軸承軸瓦和連桿軸瓦增加低摩擦聚合物涂層。

IHPC是近年興起的一種腹腔惡性腫瘤治療手段，對各種腹腔惡性腫瘤的腹膜轉移均具有可靠的臨床療效[10]。IHPC通過持續高溫作用（42～43℃條件下作用90 min），能在不影響正常組織的情況下誘導腫瘤細胞凋亡；同時高溫（＞41℃）可提高化療藥物進入腫瘤細胞的效率來達到更佳的腫瘤抑制效果[11]。

(5) 正式鏈條和機油泵鏈條低摩擦涂層。

傳統上，歐盟布魯塞爾公約體系一直對源自英美法系國家的不方便法院原則持排斥態度。其排斥的理由主要包括以下兩大層面的原因：

(6) 凸輪軸第一檔增加球軸承降低摩擦。

5.2 降低泵吸損失

除了前文所述Atkinson/Miller循環，EGR/稀薄燃燒等技術降低泵吸損失，優化配氣機構的設計也可以降低泵吸損失，隨著可變技術的發展，配氣機構的控制參數不再是發動機各個轉速及各個工況下的折中方案，對配氣機構進行精確控制成為汽油機的發展趨勢。

利用VVT技術實現凸輪軸相位調節已經成為發動機的標配技術，當前已經衍生出中置鎖止VVT，電動VVT等新的改進技術，進一步提升配氣機構的響應速度和調節范圍。利用VVL/CVVL技術實現對凸輪軸升程曲線的切換，使發動機在高速區和低速區都得到良好響應。無凸輪軸可變配氣機構是下一代配氣機構技術，可以在發動機整個工作范圍內實現每缸單獨且高效精準的進排氣管理。

5.3 附件系統電氣化

進一步提高機械效率，必須增加電氣化來提供額外的能量利用率，汽油機需要皮帶驅動的附件主要有發電機，空調壓縮機，水泵，助力轉向泵等零件，由于混合動力系統中引入了電機和電池，為發動機的電氣化提供了更好的條件，附件系統由電池直接供電，并且和發動機轉速/工況解耦，響應性得到了提高。附件系統全面電氣化將是混動專用高熱效率發動機的趨勢。

6 結論

(1)發展節能減排技術，提升小型汽油機熱效率水平，尤其是開發混合動力系統專用高熱效率發動機已經成為乘用車行業發展的共識和必然趨勢。當前40%～ 43%熱效率水平的發動機已經實現量產并推向消費市場，45%及以上熱效率的發動機已經在實驗室中完成開發并向量產推進。

(2)提高壓縮比，Atkinson/Miller循環，沖程缸徑比設計優化，EGR系統是當前提升發動機熱效率比較成熟的技術，這些技術措施優化了燃燒系統和氣體交換系統。

(3)優化冷卻系統設計，減少機械摩擦，附件系統電氣化等措施，降低發動機各項損失，進一步提升熱效率。

(4)高熱效率發動機開發的復雜度提升，對零件設計和標定工作提出了更高要求，需要對燃油的消耗進行更加精細化的管理和控制。同時，發動機熱效率的提升需要綜合考慮可靠性，動力性，排放和成本。

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