熱力發(fā)動機在車用動力裝置領域的應用研究及前景展望

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司， 上海 200438）

0 引言

從理論角度出發(fā)，許多熱力發(fā)動機都可用作于汽車的動力裝置。目前，常見的熱力發(fā)動機主要包括汽油機、柴油機、燃氣輪機、斯特林發(fā)動機及汪克爾發(fā)動機等[1]。目前，在汽車動力領域應用最廣泛的機型依然為汽油機和柴油機。汽油機多用于轎車、小型客車或輕型貨車，柴油機多用于大型客車或重型貨車。由于柴油機在可靠性、耐久性及經濟性等方面的優(yōu)勢較為顯著，因此，得到了廣泛應用。

1 車用內燃機及其技術特點

1.1 車用汽油機及其技術特點

1.1.1 車用汽油機的發(fā)展

汽油機是一類較為常見的內燃機。20 世紀50 年代以前，汽油機主要向高功率、高轉速的方向發(fā)展。自20 世紀50 年代以后，由于世界范圍內汽車總保有量急劇增長，隨之引發(fā)了大氣污染、噪聲污染和能源緊缺等方面的問題。

1.1.2 車用汽油機的結構組成

為滿足降低排放的要求，在選擇汽油機燃燒室形狀時，需要考慮燃燒室面積與容積的比值，即面容比。面容比如果過高，會影響汽油機的排放。因此，需要控制面容比，以降低排氣中的碳氫化合物（HC）。

近年來，汽油機多采用頂置式氣門機構。該機構的優(yōu)點主要是便于維修、對高轉速工況的適應性較好，同時，能降低配氣機構傳動系統的慣性力，提高使用壽命。以V 型8 缸汽油機為例，通常需要2 根凸輪軸，無形中提高了機構的復雜性及生產成本。

目前，電子控制技術也在汽油機上得到了應用，各類新型汽油機相繼采用了電控燃油噴射系統，通過調整噴油壓力，可以減少排氣中的HC、CO 和NOx，滿足降低排放的需求。

汽油機的冷卻系統多采用溫度控制器，既能實現冷卻功能，又能避免溫度過低，造成燃油消耗率增加，腐蝕磨損現象增多。

汽油機的點火系統多采用無觸點式晶體管點火裝置，具有更好的點火效能。

1.1.3 車用汽油機的節(jié)能措施

目前，針對汽油機節(jié)能領域的研究重點是優(yōu)化進氣系統各部件。目前，汽油機在穩(wěn)態(tài)工況下對空燃比的誤差控制約為±5%～±10%（怠速至節(jié)氣門全開的總空燃比誤差）。各缸混合氣的空燃比如果分配不均，會造成更大的局部誤差。在冷啟動、怠速和低負荷運轉（空氣流速較低，且燃油霧化率較低）條件下，上述情況將變得更為嚴重。此外，進氣歧管的形狀，如彎角等，也不利于燃油霧化[2]。上述諸多因素導致氣缸間的空燃比分配誤差高達20%以上。

理想進氣系統需要精確計量所需的空氣和燃油量，使燃油充分蒸發(fā)，與空氣均勻混合后形成可燃混合氣，隨后輸送到各個氣缸，以確保汽油機正常進行。

各種采用開環(huán)或閉環(huán)反饋的燃油噴射裝置也適用于混合氣的分配過程。電控燃油噴射系統可有效提升整車燃油經濟性。

1.2 車用柴油機及其技術特點

由于柴油機結構較為笨重、轉速較低、振動大、噪聲也大，因此，多用于重型貨車。近年來，隨著新材料的使用和熱處理技術的優(yōu)化，柴油機的轉速逐步提高。隨著相關技術的發(fā)展，柴油機的比體積逐漸減小，比重量逐漸減輕，更適用于汽車等載運工具。目前，許多小型客車也將柴油機作為動力裝置。

隨著柴油機自重的減輕，必然能增加汽車的載重量。近年來，車用柴油機的結構型式多采用短行程的V 型結構，在減輕柴油機質量的同時，結構更加緊湊，更有利于車輛的總體布置方案設計。

直噴式燃燒室具有結構簡單、燃油消耗率低等優(yōu)勢，因而廣泛應用于大、中型高速柴油機。采用廢氣渦輪增壓技術，可能提高柴油機的功率、減小比重量、縮小整機尺寸，并且可以節(jié)約原材料、降低燃料消耗率。

1.3 稀燃發(fā)動機及其技術特點

稀燃發(fā)動機的基本結構與汽油機相似，但混合氣的空燃比一般在18 以上。目前，稀燃發(fā)動機仍有許多問題需要解決，如各缸及各循環(huán)的混合氣空燃比偏差較大，容易出現停缸等現象[3]。為解決上述問題，可對燃油的霧化過程和混合氣的分配過程進行改進，強化進氣渦流的運動，提高點火能量。除此之外，還包括提高壓縮比、采用新型燃燒室和高能點火系統等方案。新型燃燒室一般可通過強化混合氣渦流和擾流等方法，進一步提升混合氣的霧化效果，實現均勻混合[4]。

當混合氣濃度得到稀釋，且混合氣的空燃比達到18～20 時，其抗爆能力會顯著提升，壓縮比也可以提高到9～15，相應增加了可燃氣體的膨脹比，空氣含氧量更高，燃料燃燒更完全，其燃油經濟性已接近柴油機。

1.4 分層進氣發(fā)動機及其技術特點

分層進氣發(fā)動機是一類用少量濃混合氣點燃大量稀混合氣的內燃機。分層進氣發(fā)動機也屬于稀燃發(fā)動機中的一類，其混合氣的空燃比可達20～22。分層進氣發(fā)動機充分結合了柴油機較高的燃油經濟性和汽油機較高的比功率。按分層方式的不同，分層進氣發(fā)動機可分為單一燃燒室分層進氣發(fā)動機和分隔燃燒室分層進氣發(fā)動機。單一燃燒室分層進氣發(fā)動機通過燃油噴射系統來控制稀燃混合氣的燃燒過程。而分隔燃燒室分層進氣發(fā)動機則通過燃氣的運動來控制稀混合氣的燃燒過程。單一燃燒室分層進氣發(fā)動機的技術特點與柴油機相似，但也具有使用多種燃料的能力，其燃油經濟性高于分隔燃燒室分層進氣發(fā)動機，傳熱損失較小。分隔燃燒室分層進氣發(fā)動機的壓力升高率較高，在全負荷工況下的噪聲較大。

目前，美國、德國和日本已研制出數款分層進氣發(fā)動機，其性能指標均能達到較高的水平。在不同工況下，與普通汽油機相比，分層進氣發(fā)動機的燃油經濟性都有了顯著提升。此外，分層進氣發(fā)動機對燃料的辛烷值或十六烷值等指標沒有特殊要求。因此，在不影響動力性的情況下，分層進氣發(fā)動機可使用不同類型的燃料。

2 其他車用熱力發(fā)動機及相關技術特點

2.1 車用燃氣輪機及其技術特點

2.1.1 車用燃氣輪機的發(fā)展

作為一類動力裝置，燃氣輪機的燃燒過程可持續(xù)進行。燃料在燃燒室中燃燒，產生的高溫燃氣通向渦輪，將熱能轉換為機械功。自英國于1950 年首次推出配裝燃氣輪機的小型客車以來，各國相繼對車用燃氣輪機開展了研發(fā)工作。隨后的數十年間，美國福特、通用汽車和克萊斯勒等公司都開發(fā)出了相應的機型，并配裝在小型客車、大型客車以及載重汽車上，同時，也開展了大量試驗工作。

2.1.2 車用燃氣輪機的技術特點

燃氣輪機的主要優(yōu)點是結構簡單、質量輕，可使用多種燃料且工作平穩(wěn)。當質量與尺寸等參數大致相同時，燃氣輪機的功率為一般內燃機的2～3 倍。而當功率相同時，燃氣輪機的質量與尺寸則會相應更小。同時，燃氣輪機的排放性較好，其排氣中的HC 和CO含量較低，但NOx卻相對較多。

與內燃機相比，燃氣輪機的主要缺點是其燃氣溫度較低、燃油經濟性較低。燃氣輪機的燃油消耗率，在高負荷工況下較低，但在低負荷和怠速工況下相對較高，因此，更適用于載重量較大的車型。這是因為上述大型車輛在運行時的負荷率通常較高，大部分時候都在全負荷的50%以上。

為承受高溫燃氣的持續(xù)沖刷，燃氣輪機需要選用耐熱性較好的金屬，同時對氣流通道制造精度的要求也相對較高。為了提高渦輪前的燃氣溫度，有關部件的熱負荷將顯著增加。一般金屬材料難以承受如此高的熱負荷，需要研制特殊的陶瓷材料，以提高其耐久性。因此，車用燃氣輪機的另一項缺點是對材料的要求較高。不僅如此，為確保燃氣輪機的熱效率，通常還需要為其配備回熱器，同樣增大了機組質量和尺寸，進一步增加了成本。

在上述缺點中，燃油經濟性的問題最為重要，已成為車用燃氣輪機發(fā)展過程中的重點。經過近年來的研究與改進，已取得了顯著的成效。通過采用回熱器，燃氣輪機的燃油經濟性已達到接近內燃機的水平，但由此帶來的問題是，機組結構更為復雜，質量也顯著增大。

但總體而言，燃氣輪機在車輛上的應用相對較少，尚未得到大規(guī)模推廣，這主要是因為其在部分負荷工況下的效率相對較低。此外，燃氣輪機的制動性能相對較差，這一缺陷只有通過導向器葉片的調節(jié)才能克服。

2.2 車用斯特林發(fā)動機及其技術特點

斯特林發(fā)動機由蘇格蘭人羅伯特·斯特林（Robert Stirling）于1816 年發(fā)明，并遵循斯特林循環(huán)（Stirling Cycle）。伴隨著內燃機等熱力發(fā)動機的飛速發(fā)展，斯特林發(fā)動機曾一度淡出歷史舞臺。自20 世紀以來，斯特林發(fā)動機又重新引起業(yè)界的重視。斯特林發(fā)動機主要采用傳熱特性好、壓降小的氦氣作為工質。與燃氣輪機一樣，斯特林發(fā)動機的燃燒過程是持續(xù)進行的，其運行過程較為平穩(wěn)，且排放物較少，并且適用于多種燃料[5]。

斯特林發(fā)動機的主要性能指標已達到較高的水平。目前，斯特林發(fā)動機需要解決的問題主要有工質的密封性以及發(fā)生交通事故后工質的漏泄問題。目前，控制斯特林發(fā)動機功率的方法主要有兩種：一是改變循環(huán)工質氣體的壓力和流量；二是使用角度可變的旋轉斜盤裝置，以改變其流量。但是，第一種方法效率較低，第二種方法會造成系統結構過于復雜。

美國與荷蘭曾針對車用斯特林發(fā)動機的實用性開展了研究。荷蘭菲利浦公司曾將一臺斯特林發(fā)動機配裝于一輛大型客車上，并開展了相關試驗。斯特林發(fā)動機有著低污染及低噪聲的優(yōu)勢。其缺點是轉速較低、加速性能差、重量大、結構復雜，且成本高昂。

2.3 車用汪克爾發(fā)動機及其技術特點

20 世紀50 年代后期，德國的菲利克斯·汪克爾（Felix Wankel）研發(fā)出了以自己名字命名的發(fā)動機。之后，世界各國相繼對該款發(fā)動機開展了研究工作。最早將該款發(fā)動機作為車用動力的國家是日本。汪克爾發(fā)動機的特點是結構簡單、質量輕、體積小，并且沒有采用往復運動件，其振動幅度較小，平穩(wěn)性較好[6]。在相同的壓縮比下，汪克爾發(fā)動機可使用低辛烷值汽油，拆裝方便、維修簡易，在配備有專用生產設備的情況下，制造工藝也并不復雜。

此外，汪克爾發(fā)動機還有一項突出優(yōu)勢，即排氣中NOx的排放量明顯低于內燃機。汪克爾發(fā)動機的主要缺點在于低速工況下的經濟性較差，并且啟動性和耐久性有待進一步改善。由于在排氣凈化方面具備一定的優(yōu)勢，使汪克爾發(fā)動機成為一類較有前景的動力裝置。

2.4 車用陶瓷發(fā)動機及其技術特點

目前，使用陶瓷材料的發(fā)動機主要可以分成兩類。第一類依據陶瓷耐熱性好及質量輕的特點，利用該類材料來制造凸輪軸、搖臂觸頭、燃燒室鑲塊及熱電塞等部件。第二類主要利用陶瓷的隔熱性及耐熱性，將齒塞、缸蓋、進排氣門及排氣道村套等部件改用陶瓷制造。通過該方案，機體及缸蓋可取消水套，并省去水泵、散熱器及風扇等部件，減少由冷卻水帶走的熱量，制成低散熱發(fā)動機（早期曾被稱為絕熱發(fā)動機）。在此基礎上，可進一步利用高溫排氣能量，從而提高機組效率。在陶瓷發(fā)動機的發(fā)展過程中，還存在以下問題：

1）作為發(fā)動機零部件的構成材料，陶瓷面臨的最大問題仍然是其可靠性等問題。陶瓷屬于脆性材料，其抗機械沖擊和熱沖擊的能力較差，加工性不佳，并且在高溫時強度會有所下降。如果用陶瓷作為內燃機燃燒室內的高溫隔熱零部件，不僅要具有較好的高溫強度、較強的耐熱沖擊性和較大的熱膨脹系數，而且要有良好的隔熱性能，且便于加工制造，成本也不應過高。

2）經濟性及零部件壽命問題。發(fā)動機如果只采用陶瓷零部件而不對其高溫排氣能量進行充分利用，所產生的經濟效益則并不明顯。若采用渦輪增壓技術，除了渦輪增壓器及中冷器之外，還要增加動力渦輪、齒輪裝置和液力耦合器等設備，導致動力系統的總成本大幅增加。

3 車用熱力發(fā)動機的技術特點研究及應用前景展望

3.1 車用熱力發(fā)動機的技術特點研究

在相同功率條件下，四行程汽油機扭矩特性較好，啟動性和加速性較好，運轉噪聲較低，制造成本較低，熱效率約為25%～35%，部分四行程汽油機可通過采用米勒循環(huán)（Miller Cycle）、阿特金森循環(huán)（Atkinson Cycle）、稀薄燃燒、可變壓縮比和均質壓燃等技術，將熱效率提升至40%以上。四行程汽油機技術相對成熟，且產業(yè)化基礎較好。

兩行程汽油機則具有結構簡單、質量輕、制造成本低、轉速較高和布置靈活等優(yōu)點。但其零部件損耗較快，燃油利用率較低，排放性較差，難以滿足日益嚴格的排放法規(guī)。

柴油機熱效率較高，最高可達40%左右，具有較好的經濟性。此外，柴油機故障較少，工作可靠性較好。但柴油機啟動性較差、工作轉速較低、體積較大、質量較大、工作粗暴，振動—噪聲—粗糙度（NVH）特性也有待優(yōu)化。雖然柴油機有害氣體的排放通常少于汽油機，但是柴油機排氣中的固體顆粒物較多，制約了柴油機在乘用車中的應用?？紤]到柴油機在經濟性方面的優(yōu)勢，因而成為商用車發(fā)動機的良好選擇。

與內燃機相比，燃氣輪機結構緊湊、比功率高、排放性能好、NVH 特性好、轉速高，但其高效工況區(qū)域較窄，且制造成本較高，限制了其在車輛領域的應用。

斯特林發(fā)動機燃料適應性強、理論熱效率高、NVH 特性好，但斯特林發(fā)動機體積較大、成本過高、啟動較慢，并且對工況變化的響應性較差。

汪克爾發(fā)動機具有比功率高、轉速高、體積小、質量輕、重心低和振動小等優(yōu)點，但是，其經濟性和排放性能較差，同時成本較高，且可靠性較低。

以上幾類車用熱力發(fā)動機的技術優(yōu)勢及劣勢如表1 所示。

表1 車用熱力發(fā)動機的技術優(yōu)勢與技術劣勢

3.2 車用熱力發(fā)動機應用前景展望

與現有的熱力發(fā)動機相比，未來的車用動力裝置應滿足燃料消耗率較低、排氣污染較少、噪聲較低、燃料適應性較好、對稀有材料依賴性較低和制造成本較低等要求。

作為傳統車用動力裝置，內燃機能充分滿足上述要求。但由于汽車工業(yè)和公路交通運輸對社會和經濟的重大影響，也可視情發(fā)展一些能替代內燃機的其他熱力發(fā)動機。

目前，在車用動力裝置領域，占據統治性地位的機型依然為汽油機與柴油機。與汽油機相比，柴油機的熱效率較高，HC 和CO 排放較少，NOx排放則相對較高。

1）從環(huán)保的角度來看，燃氣輪機是一類較有前途的車用動力。與內燃機相比，由于燃氣輪機燃燒過程的連續(xù)性，以及有著較高的過量空氣系數，所產生的排放污染較低，并能使用多種燃料運行。燃氣輪機還包括振動小、運轉平穩(wěn)等方面的優(yōu)勢。由于目前燃氣輪機的燃氣溫度逐步提高，其燃油經濟性也在逐步提升。同時，燃氣輪機在質量和尺寸等方面也有著較大的優(yōu)勢，但依然存在制造成本高、響應性差和燃油消耗率高等弊端。如果渦輪前的燃氣溫度能進一步提高，其熱效率將逐步接近柴油機。如果將柴油機制成低散熱發(fā)動機，效率還可以進一步提高。但是，要提高工作溫度必須要采用能耐高溫的材料。目前，燃氣輪機尚未在汽車動力領域得到大規(guī)模推廣。

燃氣輪機的特點是比功率較大，動力性較強。以采用自由渦輪的燃氣輪機為例，其扭矩特性較好，低速工況下輸出的扭矩較大，而在高速工況下輸出的扭矩則會相應減小，符合車輛的驅動要求。燃氣輪機的最大缺點是怠速和低負荷工況下的燃料消耗率較高，一定程度上影響了其在汽車領域中的應用。

2）作為外燃式熱力發(fā)動機，斯特林發(fā)動機對燃料的適應性更強。此外，由于斯特林發(fā)動機的燃燒過程是持續(xù)進行的，因此，其排放污染較低，同時有著較高的理論熱效率。但斯特林發(fā)動機如要用作車用動力裝置，仍存在一定的技術缺陷，主要是附屬設備較多，且質量和尺寸較大。除此以外，由于斯特林發(fā)動機的工質處于封閉狀態(tài)，在循環(huán)中不與高溫燃氣接觸，需要有效密封工質。確保在車輛運行時，工質不應因意外事件而發(fā)生泄漏。目前，基于斯特林發(fā)動機的以上幾類問題依然亟待優(yōu)化。

3）在日本等國家，車用汪克爾發(fā)動機得到了發(fā)展，主要用于部分轎車的動力來源。汪克爾發(fā)動機的比重量低于汽油機。在同等功率下，其質量比汽油機輕30%。由于質量輕，一定程度上可以節(jié)省燃料。目前，汪克爾發(fā)動機的比油耗依然高于汽油機，但采用分層進氣方式的汪克爾發(fā)動機的比油耗已達到與汽油機相近的水平。除了燃用汽油的汪克爾發(fā)動機外，以天然氣為燃料的汪克爾發(fā)動機也已投入使用，燃用柴油的汪克爾發(fā)動機還在研究過程中。總體而言，該類動力裝置具有較好的發(fā)展?jié)摿?，隨著科技的不斷發(fā)展，其應用范圍將會日益拓寬。

4）陶瓷發(fā)動機是一類在常規(guī)內燃機的基礎上采用陶瓷材料的新機型，可顯著提升燃油經濟性，同時減少昂貴金屬的使用量，并延長零部件的使用壽命。但近年來，還沒有發(fā)現能夠充分滿足上述要求，且完全令人滿意的特種陶瓷材料。此外，為實現大規(guī)模生產，針對陶瓷材料的加工工藝和探傷技術，還有待進一步改善。

4 結論

盡管燃氣輪機、斯特林發(fā)動機及汪克爾發(fā)動機等幾類熱力發(fā)動機均有其各自的優(yōu)勢及劣勢，但考慮汽車對動力裝置的技術要求，未來一段時間內，傳統內燃機的統治性地位依然較難被撼動。考慮到交通運輸業(yè)的發(fā)展以及不同運輸的技術要求，針對其他熱力發(fā)動機而開展的相關研究依然有一定的必要性。