汽车发动机国内外技术现状与发展趋势综述

汽车发动机国内外技术现状与发展趋势综述xx
（山东科技大学交通学院，车辆工程2011-1）
摘要：
内燃机是用途最广的动力机械，并且作为汽车动力，在材料与制造技术、电子控制与智能技术、节能与环保技术、燃料与燃烧技术等方面不断发展进步，各种新技术互相交叉、互相渗透，性能指标不断优化和提升。

关键词：
新材料；缸内直喷；分层燃烧；代用燃料；高压共轨
The Status and Development Trend of Domestic and Foreign
Automobile Engines
Ma Chao
(Vehicle Engineering 2011-1, College of Transportation, Shandong University of Science and
Technology)
Abstract:
Key words:
1汽车发动机技术现状
进入21世纪，汽车内燃机并未因其他车用动力的竞争（如电力）而成为“夕阳工业”，相反，技术进步使得车用四行程内燃机仍保持主体地位。

1.1新材料的使用
高强度、低密度材料的使用，如铝与加强纤维、陶瓷材料、塑料、碳素纤维等，使内燃机不断轻量化。

与传统铸铁缸体相比，采用铝合金材料铸造的气缸体，在保证强度的前提下，质量显著减轻，导热性能有所提高，满足了现代汽车发动机的性能要求。

但由于铝合金的耐磨性不好，使用时必须镶嵌缸套。

有的汽油机汽缸盖用铝合金铸造，因铝的导热性比铸铁好，有利于提高压缩比。

铝合金缸盖的缺点是刚度低，使用中容易变形。

由于生产成本较高等原因，铝合金发动机并未完全取代传统的铸铁发动机，常见的铝合金发动机有上汽通用别克君越（LaCrosse）所搭载的2.4L直列4缸发动机、一汽-大众奥迪A6L上的2.5LV型6缸发动机、东风日产骐达（TIIDA）上的1.6L发动机等。

1998年，巴斯夫公司与丰田的工程师们合作首次开发成功用聚酰胺6制造的进气歧管，从而取代了铸铁、铸铝等金属材料。

这一组件由巴斯夫的Ultramid®制造，Ultramid®是一种经玻璃纤维强化的聚酰胺，已成为众多车型的“首选材料”。

当时是采用“去芯成型法”生产这一结构复杂的部件，并进一步开发“振动焊接”工艺将三个部件连接为一体。

此项应用中该材料所经受的最大考验是对热空气的耐受能力和抗热老化的能力：
这种聚合物必须能经受住与120℃热空气的长时间接触及最高温度达150℃的耐热测试。

在将其投入生产线之前，丰田对该部件进行了严格的实验室测试与广泛的道路测试。

使用聚酰胺（塑料）而非常规铝金属制造进气歧管为丰田带来了众多突破性优势：
塑料取代金属后减轻了该部件约40%的重量，从而提高了燃料效率并减少了排放。

使用Ultramid®制造的进气歧管还加强了发动机空气补给，从而提高发动机的性能。

比起铝制产品，聚酰胺进气歧管的光滑内壁阻力更低，同时，由于塑料的成型更为容易，这种材料更有利于最佳空气流动设计的实现。

通过优化制造流程，使用Ultramid®制造的组件有助于节省生产成本。

设计师能够将其它的功能整合于Ultramid®进气模块中，同时又保证相同水平的质量
与安全性，从而降低组件的复杂性。

空气滤清器壳体、配线固定座、防尘罩与安装螺塞都可添加于完全由塑料制成的模块之上。

因为这个项目非常成功，丰田将此合作扩展至其在亚洲、欧洲与美国的其它生产基地。

今天，该组件已被应用于丰田绝大部分使用汽油发动机的小汽车上。

1.2燃烧模式的变革
燃烧模式和燃烧系统发生重大变革，稀燃技术在汽油机上成功应用。

典型的有日本三菱公司缸内直喷式汽油机（GDI）、大众缸内直喷分层燃烧发动机（FSI）、凯迪拉克双模直喷发动机（SIDI）。

FSI（Fuel Stratified Injection）燃油分层喷射，是基于GDI（汽油直喷）的一种技术。

与常规的进气道喷射点燃式发动机相比，FSI将燃油直接喷入燃烧室。

由于喷雾的气化冷却作用，它优化了充气效率，实现了汽油机质的调节，大大降低了进气损失。

分层燃烧减少了发动机的传热损失，从而增大了满负荷的输出功率并降低了部分负荷的燃油消耗。

大众FSI发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷嘴。

它的特点是空气在进气道中已经产生涡流，进气流以最佳的涡流形态进入燃烧室内，通过分层填充的方式推动，使混合气集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。

通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点燃的浓混合气，空燃比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。

浓混合气点燃后，燃烧迅速扩散至外层。

在发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。

此时节气门为半开状态，空气由进气管进入气缸冲击活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状，从而在火花塞附近形成期望的涡流。

当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。

这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的稀混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。

当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。

从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。

ECU不断地根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。

燃油的充分利用不仅提高了燃烧效率和发动机的输出特性，而且改善了排放。

FSI发动机既然有如此多的技术优势，相应的其对发动机硬件和油品的要求也就很高。

首先，它的喷油器安装在燃烧室内，这就要求其具备在高温高压环境下可靠工作的能力。

其次，油路中必须具备比气缸内更高的压力才能有效地把汽油喷射入气缸。

燃油管路中的压力提高以后，管接头密封处的强度也要随之提高。

这样就对喷油器的设计和制造工艺提出了更高的要求。

除此之外，FSI发动机的压缩比较高，可达11.5：1，在这种情况下对燃油标号和油品的要求就很严格。

就中国的情况来说，必须使用97号及以上的高清洁度汽油。

通用将燃油直喷技术的代号定为SIDI（Spark Ignition Direct Injection），直译为火花点燃直接喷射技术。

其实现原理和一般的直喷发动机并无二致：
凸轮轴驱动的燃油泵为供油系统提供高压燃油，共轨喷油嘴将高压燃油直接喷射入汽缸，点火时间就可得到精确控制，高压喷射和极细的喷嘴设计则保证了喷油量的精确控制。

缸内直喷技术代替了传统MPFI（多点电喷）技术之后，发动机在低转速下的燃烧效率进一步提升。

1.3燃料的多样化
燃料更加多样，对于控制排气污染、改善燃油经济性、减少内燃机对日益短缺的石油基燃料的依赖，各国进行了大量内燃机代用燃料的研究工作，并在一定范围内取代汽油和柴油，如用天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油、生物柴油以及二甲基醚等。

天然气(NG)是一种清洁、高效、优质能源，在世界各国得到广泛的利用。

液化天然气(LNG)是将天然气在-162℃常压下转化成液态，其液化后的体积为常压下气态的，小于压缩天然气(CNG)的体积；而CNG是将常温常压下的天然气压缩到20~25MPa后的高压天然气，其体积为常温常压下气态的，是LNG体积的2.5~3.0倍。

由于CNG具有体积较小、储存效率较高和运输较方便等优势；既可将其作为民用、工业和城市燃气调峰，也可作为汽车燃料。

目前，我国CNG汽车在四川成都、重庆、郑州、北京、开封、济南等城市迅猛发展，全国天然气汽车拥有量已超10万辆。

但天然气和汽油、柴油相比更易燃易爆，对天然气气源和管网的依赖性较强，只能在有天然气管网的地点建设CNG加气站等相应的基础设施。

乙醇汽油E85由85%的乙醇和15%的汽油混合而成，使用E85乙醇汽油能够显著降低CO和HC排放，这是因为乙醇中含有氧元素，使得不完全燃烧产生的CO和HC被氧化。

由于乙醇的气化潜热较大，使得即使发动机的负荷增加，气缸内温度增加也不显著。

这样导致CO和HC的排放在使用E85时没有随负荷的增加而显著减少。

使用E85乙醇汽油的柯尼塞格Agera R搭载一台5.0升双涡轮增压V8发动机，最大功率达到820kW（1115hp），峰值扭矩1200N·m。

而在使用普通98号燃油时，该车仅能实现691kW（940hp），1100N·m的输出。

很明显使用E85能够显著减少HC和CO排放，但同时燃油消耗率会有所增加，这主要是因为乙醇的低热值较低。

因此，使用E85将需要更大的油箱，这是其一大缺点。

即便如此，使用E85后热效率仍可以提高3%~8%。

总之，乙醇汽油由于其良好的排放特性以及可再生性，必将在未来发挥更大的作用。

1.4智能控制技术的应用
各种智能控制技术更加成熟。

例如，在进气系统方面，本田的VT
EC、丰田的VVT-i、现代的CVVT、通用的DVVT等可变气门正时技术都得到了广泛应用；柴油机电控技术，包括高压共轨技术、电控泵喷嘴、电控单体泵、增压及中冷技术等向小型柴油机和汽油机扩展。

VVT—i（Variable Valve Timing with intelligence）系统是丰田公司的智能可变气门正时系统的英文缩写，最新款丰田轿车的发动机已普遍安装了VVT—i系统。

丰田的VVT—i系统可连续调节气门正时，但不能调节气门升程。

它的工作原理是：
当发动机由低速向高速转换时，计算机就自动将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，在压力的作用下，小涡轮相对齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60°的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。

高压共轨(CommonRail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。

它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(Rail)，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力(Pressure)大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。

共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来，如果把单体泵柴油喷射技术比作柴油技术的革命，那么高压共轨就可以称作反叛了。

因为它背离了传统柴油喷射系统而近似于顺序汽油喷射系统。

共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径。

欧洲可以说是柴油汽车的天堂，在德国柴油轿车占了39%。

柴油轿车已有了近70年的历史，可以说柴油发动机有了突飞猛进的发展。

1997年，博世与奔驰公司联合开发了共轨柴油喷射系统(Common Rail System)。

今天在欧洲，众多品牌的轿车都配有共轨柴油发动机，如标致公司就有HDI共轨柴油发动机、菲亚特公司的JTD发动机，而德尔福则开发了Multec DCR柴油共轨系统。

近年来，匹配柴油机的轿车在欧洲迅速发展，具备出色的燃油经济性，并降低了发动机噪音。

柴油发动机使用的是泵喷嘴系统，国内生产的1.9TDI大众宝来就应用了这一系统，最高喷射压力可达1800kPa。

泵喷嘴系统的燃油压力不能保持恒定，随着排放法规日益严苛，更高且恒定的燃油喷射压力和更完善的电子控制成为必需。

于是众多制造商就把优点更多的高压共轨系统作为柴油发动机的发展方向。

这一系统具有很高的燃油压力，并能提供弹性燃油分配控制，通过ECU灵活地控制燃油分配、燃油喷射时间、喷射压力及喷射速率。

通过对以上特性的控制，高压共轨已使柴油机的响应性和驾驶舒适性达到了汽油机的水平，同时它具有显著的燃油经济性和低排放特性。

2车用内燃机发展方向
一般说来，节能和环保，即高经济性和低公害，仍然是21世纪车用内燃机发展的主题。

（1）采用高效率的内燃机工作循环。

如米勒（Miller）循环，高增压、中冷循环，内燃机与涡轮复合循环等。

（2）改进进气系统，减小进气阻力，采用低涡流的进气道。

进气系统与内燃机进行良好的动态匹配，充分利用进气的脉动或共振能量，使内燃机的扭矩特性可在宽广的转速范围内有较大的提高，进气管、进气道采用CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助试验）技术。

（3）采用多气门内燃机，气门正时可随工况变化而自动调节。

（4）改进燃烧室及燃烧过程，改进燃烧室形状及结构参数，提高压缩比。

在燃烧过程的研究手段上，采用可视化模拟实验，利用先进的激光技术和高速摄影技术，利用三维流动与燃烧模型的软件对燃烧过程进行仿真计算。

（5）改进燃油供给系，电控汽油机从将汽油喷在进气道内发展到直接喷在燃烧室内，以实现稀薄燃烧。

柴油机则采用更高喷射压力（配低空气涡流）的喷油系统，如共轨式、蓄压式、单体泵等，最高喷射压力从目前的近100MPa 提高到120~150MPa，甚至200MPa。

在提高喷射压力的同时，燃油的喷油正时和喷油速率也可实现控制与调节。

喷孔数进一步增加，而喷孔直径进一步减小，并对喷孔的形状也在进行研究，从单一的圆形到其他形状，如长方形或夹气喷孔。

此外可改变喷射规律，如采用先少喷后多喷的型线凸轮、多次间隙喷射等方式。

（6）采用稀薄燃烧，高能点火，空燃比在20以上，点火能量在
100~120mJ。

（7）采用能量再生系统，如串接在内燃机和变速器之间的电动机——发电机和电容器等装置的能量再生系统。

（8）降低运动机件的摩擦损失。

3典型发动机解析
3.1奥迪
4.0T发动机
在“环保”和“减排”的概念渐渐深入高性能轿车产品领域的大背景下，奥迪再一次成为了先行者。

这一次，工程师们为即将加入“S”阵营的S
6、S7及S8带来了全新的V8发动机，不仅动力澎湃，而且更加经济节能。

这台90°夹角的4.0L V8 TFSI发动机拥有高低功率两种不同版本的调校：
在奥迪S6（含旅行版）、S7车型上搭载的是低功率版，拥有309kW
（420hp）的最大功率和550N·m的最大扭矩，而S8车型搭载的高功率版本可输出382kW（520hp），扭矩也达到了650N·m，轻松超越了上一代车型使用5.2L V10自然吸气发动机，匹配7速Stronic双离合变速箱或8速自动变速箱，而未来这台4.0TFSI发动机还将应用到宾利欧陆GT上。

当然，强劲的动力并不是这台4.0TFSI双涡轮增压发动机的唯一卖点，它之所以引人注目，还因为搭载了诸多奥迪最新的技术，“Cylinder on Demand System”便是其中之一。

这套“Cylinder on Demand System”可理解为按需气缸管理系统，是一套依靠对车辆动力需求（发动机负荷）的判断，对发动机工况进行相应调整的系统。

在发动机负荷较低的情况下，系统会关闭发动机的4个气缸，使发动机仅以4个气缸工作。

目前，在奔驰、本田、通用、克莱斯勒等品牌的产品上都有这种通过关闭气缸来节约能耗的技术。

在实现手段上，“Cylinder on Demand System”也与其它厂商的方法大同小异。

它的实现是依靠升级版的奥迪可变气门升程控制系统——“AVS”，在其凸轮轴增加了一套“零升程”的凸轮。

当切换到这套“零升程”凸轮时，凸轮轴将无法驱动气门运动，
2、3、
5、8四个气缸的进排气门便处于关闭状态。

要实现关闭气缸运行，需要发动机的工况满足以下诸多条件：
第一是发动机的转速高于怠速，在960~3500rpm之间，发动机输出扭矩在峰值扭矩的25%~40%之间，其次冷却液的温度高于30℃，而且变速箱的挡位处在3挡以上。

而变速箱的“运动模式”并不会影响“Cylinder on Demand”系统的工作。

在即将登场的新“S”系列奥迪车型上，将会全部搭载“Start-stop”智能启停系统，进一步提升产品的经济性表现，它帮助奥迪产品减少的二氧化碳排放量高达24g/km。

“Cylinder on Demand”与智能启停联合作用使发动机整体经济性提升12%，平均油耗可达10L/100km甚至更低。

除了可变排量的气缸管理技术之外，这台全新的4.0TFSI双涡轮增压发动机还有诸多技术亮点，比如主动的发动机悬置系统——进一步减少车厢的震动，提升舒适性；减少活塞往复阻力的DLC类金刚石碳涂层、更高效的发动机热管理系统等，使得这台双涡轮增压V8发动机在平顺性、经济性和动力性能方面都能拿出优越的表现。

3.2日产VQ38DETT发动机
日产GTR R35上搭载的VQ38DETT发动机，是由英菲尼迪G37的VQ37VHR 发动机发展强化而来。

2015款日产GTR Nismo高性能版搭载的3.8升V6双涡轮发动机重新调校后可产生438kW的最大功率和650N·m的最大扭矩，完全超越上一代GTR Nismo车型。

VQ38DETT采用左右交叉的独立铝合金进气歧管。

从左侧进入的空气经过歧管进入右侧的汽缸，右侧的空气进入左侧汽缸，如此的设定让第一缸与第六缸，第三缸和第四缸的进气量更加均等，减少了进气干涉。

相比前作RB26DETT 的L6布局，VQ38DETT的平顺性得到了显著提升。

VQ38DETT的采用铝合金气缸体，两列汽缸并不是完全对称，而是错开了一定的距离。

这样的设计可以让曲轴连杆更紧凑地布置，使气缸体的体积和质量进一步减小。

VQ38DETT是一台紧凑而轻量的V6发动机。

VQ38DETT的进气系统和自然吸气的VQ37VHR相比，反而去掉了VVEL电控可变气门升程技术，并只有进气侧拥有CVTC可变气门正时系统。

排气凸轮则通过另一根链条与进气凸轮联动。

VQ38DETT采用非常对称的设计，两侧汽缸使用独立的进气歧管、排气歧管、节气门、中冷器以及传感器，为发动机在高负荷运行时提供了良好的可靠性。

3.3克莱斯勒HEMI发动机
HEMI是“hemispherical”一词的缩写，是由于发动机采用了半球形燃烧室而得名。

HEMI发动机诞生于上世纪五十年代，至今已繁衍了半个多世纪。

其特点是进排气门倾斜布置，以更好地利用气流提升进排气效率，气缸燃烧室因此而呈半球形，这种气缸结构设计一直沿用至今。

HEMI发动机最早出现在1948年，当时开发了一款用于捷豹汽车的6缸HEMI发动机。

随后在1951年，克莱斯勒汽车公司发布了180马力的V8 HEMI发动机，排量5.4L（331立方英寸），因此被命名为“331HEMI”。

虽然180马力对于现代发动机不算什么，可这在当时是一个难以触及的动力巅峰，由此开辟了HEMI的传奇时代。

相对于HEMI的半球缸盖，平顶缸盖发动机是上世纪50年代大多数车型的首选，因为这样的结构制造成本更低。

平顶燃烧室发动机的进排气门安排在发动机一侧，由凸轮轴直接驱动而省略了挺杆和摇臂。

与同时代发动机相比，早期HEMI发动机的最大优势在于燃烧效率，使得它能产生更强大的功率。

HEMI 发动机的燃烧室顶部呈半球状，火花塞通常安装在燃烧室的顶部中央，进排气门分列在燃烧室两侧。

上世纪70年代后，HEMI发动机的表现已经大不如前了，新的发动机技术如多气门、可变气门升程和点火提前角、稀薄燃烧和缸内直喷技术等让人眼花缭乱的新鲜事物已经把曾经辉煌的HEMI徽标淹没了。

就在人们已经把HEMI逐渐遗忘时，克莱斯勒发布了全新的
5.7L HEMI V8发动机。

HEMI V8发动机可在40ms内实现4缸模式和8缸模式之间的平顺转换。

在发动机不需要全功率运转时，可关闭四个气缸；而在需要时，MDS又可迅速恢复气缸工作以释放发动机的全部功率，从而将燃油经济性大大提高，压缩比为7.5：1，这项技术可保证车辆的综合油耗降低20%。

4结束语
纵观世界汽车产业的发展态势，自汽车发明以来一百二十多年的时间，汽车发动机技术仍然蓬勃发展，日新月异，正向世人展现其经久不衰的生机与活力。

汽车发动机的动力性与经济性日益精进，不断满足政府与消费者所提出的愈来愈苛刻的各项要求。

我们相信在可预见的未来，车用发动机的发展前途仍将一片光明。

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