汽车发动机节能技术途径分析

汽车发动机节能技术途径分析

汽车发动机节能技术途径分析

随着我国节能减排政策的不断推进，汽车行业的节能减排是一个大趋势，同时也是一个大的系统工程，它涵盖了汽车从设计、制造、使用到报废的整个过程。而发动机是汽车最重要的核心部件，所以在汽车的节能减排中占有举足轻重的地位。目前发动机技术的发展方向就是节约能源和提高效率，对于制造业而言，如何在发动机制造过程中使发动机更加节能和实用将是非常值得人们思考的问题。

一、发动机节能的原理

发动机节能的原理主要有以下四个方面：

1.提高充气效率

1.1减小进气系统的流动损失。

一方面，可以减小进气门座处的流动损失。

首先，可以增大进气门的直径，并选择合适的排气门直径。发动机充气效率的大小，与通过进气门座处的气流的平均马赫数密切相关。平均马赫数是进气门处气流平均速度与该处音速之比，超过0.5，充气效率便急剧下降。

其次，可以增加气门数目，采用小气门，增加气门数是增大进气门流通面积、降低排气损失的有效措施。

再次，可以改善进气门处流体动力学性能，减少气门处流动损失。适当增大气门的升程，改进配气凸轮形状，在惯性力允许的情况下，使气门开闭尽可能地快。适当加大气门杆身与头部的过渡圆弧，减少气门座密封面的宽度，修圆气门座密封锥面的尖角等措施，均可改善进气门处流体力学性能，减小流动损失。

另外，还可以采用S（活塞形成）/D（缸径）值较小的发动机以减小进气门处的流动损失。

另一方面，可以减小整个进气管道的流动阻力。

首先，进气道应该能够使新鲜气体充入气缸内形成涡流；其次，进气道应该有足够的流通截面积，表面光洁，避免急转弯和流通截面的突然变化；另外，空气滤清器的阻力应随着结构和使用时间的延长而不同。

1.2减少对新鲜充气量的加热。

凡是能降低活塞、气门等热区零件的温度和减小接触面积的措施都是有利于减小对新鲜充气量的加热，具有节能效果。

1.3减小排气系统的阻力。

减少排气系统中排气门座、排气道、排气管、排气消声器的阻力，对降低排气压力、减小排气损失均有利。

1.4合理选择配气相位。

选择配气相位需要考虑进气迟闭角、进排气门重叠角、排气提前角的影响。

2. 减小机械损失，提高机械效率

减小机械损失可从几个方面着手：降低活塞、活塞环、连杆等往复运动机件的摩擦和质量；降低滑动部件的滑动速度；减少润滑油的搅拌阻力；改良润滑油，使其粘度降低；合理选择摩擦零件的材料。

3.提高发动机压缩比或采用可变压缩比

从提高发动机指示负荷的角度来看，压缩比越大越好。但压缩比过大，不但燃料超耗，还会引起不良后果，汽油机可能爆燃，柴油机可能加速零件磨损。汽油机压缩比的选择应以不发生爆燃为原则。柴油机压缩比的选择应以保证柴油机冷起动性能和最大负荷为原则，还要考虑排放气体对环境的污染。

爆燃一般发生在发动机全负荷时，部分负荷时一般不发生爆燃。为了满足大负荷的使用要求，不得不把压缩比降低。

可变压缩比发动机由于压缩比可以变化，在部分负荷时压缩比高些，既防止爆燃，又可以节约20%的燃油。

可以通过改变活塞行程、改变燃烧室容积等方法改变压缩比。

4.提高循环热效率

发动机从燃料的化学能转换为有效输出功的过程，是决定发动机动力性和经济性最关键的环节。这当中主要有三个环节：燃烧负荷、机械效率和循环热效率。循环热效率是核心环节，热功转换是热能动力机械最本质的体现。

分析导致循环热效率下降的因素有：（1）工质向外传热的损失；（2）早燃损失及后燃损失；（3）换气损失；（4）不完全燃烧损失；（5）缸内流动损失；（6）工质泄露损失。可以根据以上这些因素采取有针对性的措施提高循环热效率。二、发动机节能的着手点

从上个世纪七八十年代开始，世界各国就对汽车的节能非常重视，概括起来主要有三个方面：

第一，是汽车轻量化。特别是小轿车，尺寸小型化，采用代用材料，比如轻铝合金或者塑料化。同时，在结构设计上采用发动机前置、前轮驱动，不需要传动轴，可以保持座舱内有较大空间，不仅实现了轻量化，而且在高速行驶时也可以保持操纵的稳定性。

第二，是通过本身外形的改进来减少汽车的行驶阻力，达到节能的目的。

第三，是改善发动机性能。研究稀薄混合气分层燃烧技术，或者汽车发动机柴油化，提高发动机的压缩比。此外，还考虑安装电子控制燃料喷射装置和点火定时装置，从而可以保持发动机在最佳工作状态下运行，以降低燃油消耗和减少排放污染。

以上几个方面仅仅是就汽车节能技术的发展动向而言，基于第三个方面，就发动机本身的节能技术来说，则可以考虑从以下几点着手：

（1）改进发动机的进气和燃料供应系统。比如采用复式化油器或者进气歧管的合理设计以及混合气体的加热加温，以保证燃料的雾化质量和混合气在各缸中的均匀分配。

（2）采用代用燃料和燃油掺水等技术。这样既可以提高燃料的抗爆性、减少结炭和降低污染，又能达到节能的目的。

（3）点火系统的改进。比如应用晶体管电容放电点火装置，可以加大点火能量或者高能点火，加快火焰核心的形成。此外，还可以采用短路保护器，以防止火花塞的结炭漏电，造成失火现象，影响发动机的稳定性与经济性。

（4）改善发动机内的燃烧过程。当前有的燃烧方式是按分层燃烧的原理设计燃烧室，为了适应快速燃烧过程，通常燃烧室采取分隔室的形式，除了一些新型的设计外，可以在燃烧室的结构上采取某些相应的辅助技术措施，也能取得较好的节能效果。

（5）排气再循环系统的应用。通常随着发动机负荷的变化，由进气歧管适当地引进排气再循环，控制燃烧室内温度，可以改善燃烧过程，降低氮氧化合物的生成量。

（6）提高机械效率、改善润滑条件。可以使用低摩擦力机油，从而减少活塞和曲轴摩擦力等。减少机械摩擦损失，对节能来说也是很重要的因素。

（7）发动机零部件的轻量化。对于发动机缸体和缸盖的制造，可以考虑采用有色金属（镁或铝等），另外凸轮轴、活塞、连杆的制造业可以考虑寻找其他材料。

可以把以上七点总结起来看，（1）至（5）属于提高发动机燃烧效率方面的技术，（6）属于减少发动机机械摩擦损失的技术，（7）则是受到汽车轻量化技术的启发，对发动机的零部件也可以考虑轻量化。

三、发动机节能的措施

根据上述发动机节能的原理以及节能着手点，可以归纳出主要有以下一些发动机节能技术。

1.发动机稀薄燃烧技术

发动机稀薄燃烧技术，指采用发动机的实际空燃比远大于理论空燃比的情况下进行的具有良好动力性、经济性和排放性的燃烧技术。该技术综合了汽油机和柴油机两种燃烧方式的优点，可提高燃烧速度，使发动机混合气以较大的空燃比稳定燃烧。汽油机采用该技术可使热效率达到柴油机的水平，而且可使氮氧化合物的排放降到极低。

实现该技术的技术途径主要有：（1）实现稀燃混合气。实现稀燃混合气的措施有：使汽油充分雾化；采用结构紧凑的燃烧室；加快燃烧速度；提高点火能量；采用分层燃烧技术。（2）采用分层燃烧系统。主要有气道喷射稀燃系统和直接喷射稀燃系统。