未来汽车发动机系统的技术展望

未来汽车发动机 系统的技术展望
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内燃机所面临的挑战和危机
• 对油耗和排放越来越严格的法规标准 • 来自电动汽车和只排水蒸汽的燃料电池 汽车的威胁
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内燃机进一步改进所遇到的 三大主要难题
• 希薄燃烧的排气处理技术
– NOx – PM
• 直喷汽油机的燃烧系统和排气处理
– 低负荷轴效率 – NOx (LNT)
• 均匀混合压燃式发动机(HCCI)的控制技术
– 工作范围的扩大 – 瞬态工况变化的控制
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未来柴油机和汽油机的比例
• 汽油机仍然占主导，80％以上 • 柴油机在西欧的比例将持续增长
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柴油机和汽油机的比较
－价格
6缸100千瓦汽油机价格分析表
柴油机的价格贵30~50%左右
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柴油机和汽油机的比较
－比功率(power
density)
最先进的高速增压柴油机的重量所带来的比功率减幅20～30％
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柴油机和汽油机的比较
－排放控制
• 汽油机配备一或数个三元催化， 加上 先进的控制技术， 可达到当今最严格 的排放标准 － PZEV; • 虽然柴油机在燃烧，噪音和排放上有巨 大改进， 仍然没有耐久，价廉的NOx, PM后处理技术能达标。
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柴油机和汽油机的比较
－油耗和CO2
• 西欧和日本的油价约为美国的4倍 • CO2 促使地球温暖化， 逐渐成为重要排放 指标 • 理论混合比汽油机的油耗已有很大改善， 余地不多
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1975年以来美国汽车汽油机发展
－油耗和性能
CAFÉ 引入 35％
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1975年以来美国汽车汽油机发展
－发动机参数变化
增加压缩比
采用4气阀
减小发动机排气量
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柴油机和汽油机的比较
－油耗和CO2
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如何降低汽车发动机油耗
－
提高轴热效率
• 希薄燃烧PFI ～5-10% • 成层燃烧直喷汽油机 ～15-20% • 高速柴油机 ～ 30%, 但是CO2只降20%左 右， 因为柴油含碳量高。
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理论混合比汽油机效率分布
冷却损失，不完全燃烧， 非理想循环损失，尾气损失等 泵气损失 机械摩擦
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发动机效率改善方法
轴热效率 机械效率 机械损失 指示热效率 实际循环损失 理论热效率
辅 助 部 件 损 失
运 动 件 损 失
气 阀 系 统 损 失
泵 气 损 失
燃 烧 效 率
燃 烧 时 间 损 失
热 裂 解 损 失
冷 却 损 失
比 热 比
压 缩 比
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1 提高理论热效率
• 增加汽缸压缩比
– 优化进排气系统和燃 烧系统设计来增强防 爆震能力 – 使用高octane汽油 – 改善爆震控制（传感 器反馈） – 可变几何压缩比 – 可变有效压缩比 （VVT/EMVA）
• 增加比热比以增加膨 胀功
– 空气希薄燃烧系统 （CIDI,DISC,HCCI…） – 高EGR希薄系统
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2 减少实际循环损失（1）
• 减少冷却损失
– 希薄燃烧/EGR系统 – 提高壁温（冷却水温 度控制） – 减小燃烧室面积与容 积比例 – 尾气余热再利用（涡 轮增压）
• 减少热裂解损失
– 减低燃烧温度 – 希薄燃烧/EGR系统
• 减少燃烧时间损失
Ø 快速燃烧系统 Ø 优化活塞运动/加长连 杆
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2 减少实际循环损失（2）
• 提高燃烧效率
– – – – – 改善混合气形成 减小燃烧室面积 减小燃烧室crevice 减小blew-by 提高壁面温度（冷却 水） • 减少泵气损失
– 希薄燃烧/EGR系统 – 进气加热（利用尾气余热） – 无节气损失（成层燃烧， 进气阀节气，Miller循环） – 可变气阀时间(VVT) – Individual cylinder deactivation – Individual cycle deactivation – 减低排气压力 – 减小排气量，利用增压来 提高比功率
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