车用发动机的技术与发展趋势

车用发动机的技术与发展趋势

国内外汽车发动机的现状和发展趋势

内燃机的发展带动汽车的发展，伴随汽车产销量快速增长而来的是大气污染和石油消耗。无疑，先进的发动机技术将在汽车节能、环保技术开发中起着关键的决定性的作用。

近20 年来, 面对世界石油资源日趋枯竭给社会发展带来的压力, 面对汽车保有量急剧增长对环境的影响, 世界汽车界不停地在寻找实现汽车工业可持续发展的解决方法。

一. 车用柴油机发展及现状

1.1 车用柴油机的性能特点

（1）有能量密度高（大型低速增压柴油机的有效热效率已超过50%），燃油消耗率低，这对节约能源和提高经济效益都很重要。

（2）好的燃油经济性；

（3）温室效应气体排放少，其二氧化碳的排放量比汽油机大约低30-35%，但废气中含有害成分（NO，颗粒物等）较多，噪声较大，在环境环抱方面已引起重视。

（4）功率和转速范围很大（功率1—65580KW，转速54—5000r/min），因此应用领域宽

（5）结构较复杂，零部件材料和工艺要求较高，制造成本较高，与汽油机相比质量较大。主要有三大优点:

(1) 经济。首先, 每单位柴油的能量含量比汽油高;其次,柴油机的压燃特性, 使其热效率比汽油机高。一般柴油机的油耗要比汽油机的低30%～40%。

(2) 环保。一般来说, 机动车的主要排放物有一氧化碳、碳氢化合物、二氧化碳、颗粒物和氮氧化物。相对而言, 柴油机的一氧化碳、碳氢化合物和二氧化碳排放量极低, 但在颗粒物和氮氧化物的排放控制上要比汽油机更难处理。这是柴油机本身的特性造成的, 可通过现代技术处治。

(3) 柴油机低速大扭矩的特性, 为汽车提供了更好的使用性能。通过采用先进的燃油喷射技术和电控技术, 现代柴油机在动力性、加速性、舒适性指标上已经无异于汽油机。

1.2 国内柴油机的现状

自2003年以来,国内柴油机行业出现了结构调整:潍坊柴油机厂在2002年的基础上继续保持快速增长势头,功率水平也有了明显提高;上海柴油机厂在商用车柴油机领域初露锋芒,主要得益于北汽福田欧曼重卡市场份额的迅速提高;广西玉柴机器股份有限公司作为行业的领先者,进行了新一轮的产品结构优化,产品顺利实现从欧Ⅰ向欧Ⅱ的过渡,完善了产品系列(从4缸机到6缸机)平台,进一步拓展了功率覆盖范围,柴油机最大功率水平可以达到257 kW(350 ps)。总体水平有了显著提高。无论是从经济性还是从环保角度讲，国内的车用柴油机技术已经接近世界平均水平了。自产发动机已经完全能够满足国内重卡及低端乘用车对发动机的需求，无需外购。

改变，这势必造成部分工况不能在最优的状态下，动力性、经济性和排放品质达到最优。

以日本本田思域车用发动机为例，1.5升排量、非增压的直列4缸汽油机，采用VTEC系统后，功率由70kW提高至100kW。目前正在发展的完全电子控制的气门机构，可以取消汽油机的节气门，进气量大小完全由气门定时和升程决定。这样可以使汽油机燃料经济性再提高一步。

汽油机直喷（GDI）技术，就是将汽油通过高压（约100大气压）供油系统将汽油直接喷到燃烧室内与空气混合、燃烧。GDI在电子喷射和控制技术取得长足发展后，于上世纪90年代后期开始进入市场。与传统的多点气道喷射的汽油机相比，GDI有四大显著的优点：能有效降低发动机的未燃碳氢化合物的排放，因为GDI技术避免了气道喷射汽油机在冷起动时燃油在气道壁面沉积的问题，而且极大地提高了燃油与空气的混合程度，更为精确地控制了每个燃烧循环的空气与燃油的比例，从而达到缸内完全燃烧的目的；使汽油在燃烧室内雾化、蒸发，降低了燃烧室内空气的温度，从而增加了燃烧室内空气的质量；因汽油蒸发降低了充气的温度，使发动机设计师有可能提高发动机的压缩比，提高发动机的热效率；GDI使发动机能很容易实现分层燃烧。

燃烧速率控制滑片是另一项节能环保技术，类似的设计思想在Toyota和Ford 的发动机上有所体现。汽油机在怠速和小负荷时，燃烧室内残余废气所占的比例很高，会导致点火困难、火焰传播速度慢，这会负面影响发动机的排放及效率。而另一方面，在一般城市交通中，汽车发动机绝大部分时间是在中、小负荷及怠速状况。优化汽油机在这些状态下的排放和热效率具有重大的意义。燃烧速率控制滑片就是通过促进燃烧室内在火花塞附近创造稳定的、容易点燃的空气燃油混合比，通过增加燃烧室湍流的强度达到节能环保的目的。发动机在怠速或小负荷时，发动机电子控制器会实时调节滑片在发动机进气道的位置，使滑片挡住进气道部分截面积，从而使新鲜空气—燃油混合气在进入燃烧室时有一切向的速度，在燃烧室内形成有序的涡流。在着火及燃烧的早期，有序的涡流碎化成小尺度的涡流，从而大大提高火焰的传播速度。

另一项最近两年开始投入市场的汽油机技术就是切缸工作循环，或称为可变排量。可变排量技术就是根据汽车动力的需求来实时决定发动机的有效排量，使做功的汽缸总是处于大负荷状态，从而达到节能环保的目的。这一技术适用于中大排量、V型布置的发动机，如本田的V6、通用的V8及戴-克的V12汽油机。

三．其他车用发动机

1．1油、电、氢混合动力技术

混合动力车属于电动汽车，采用传统的内燃机和电动机作为动力能源，通过混合使用热能和电能两套系统开动汽车。混合动力系统的最大特点是油、电发动机的互补工作模式。在起步或低速行驶时，车子仅依靠电力驱动，此时汽油发动机关闭，车辆的燃油消耗量是零；当车辆行驶速度升高(一般达40km/h 以上)或者需要紧急加速时，汽油发动机和电机同时启动并开始输出动力；在车

辆制动时，混合动力系统能将动能转化为电能，并储存在蓄电池中以备下次低速行驶时使用。日本马自达汽车公司于去年年底展出了一款全新的普力马混合动力概念车，并向人们展示了其全新的油、电、氢共三种能源的混合动力技术。该款混合动力车本身就具备了混合动力车的特征，它内部有一个内燃发动机，从电动机获得助力，所需电力则是来自刹车等操作而产生并被储存在一个大电池中的电能。同时，马自达还尝试着将这种电动引擎和一种本身就是混合动力引擎的内燃发动机结合在一起，后者既能使用汽油、也能使用氢气作为燃料。公司花费了数年的时间开发出这种双燃料内燃发动机，并表示已经可以进行批量生产。

1.2天然气驱动技术

天然气驱动技术，已经广泛应用于许多车型中，具备了较高的经济性能，例如欧宝汽车推出的赛飞利CNG，便是以天然气作为主要燃料。以欧宝赛飞“CNG”为例，其燃效为18.9km/kg。目前的天然气价格为每公斤0.76欧元，成本可比柴油发动机款减少大约30%，而比汽油发动机款则可减少大约50%。而且车上的天然气罐由高强度钢制成，其天然气传输管线也由不锈钢制成；同时由于因冲撞导致天然气泄漏的危险较低，而且天然气比汽油易燃性低，所以与普通车辆相比，着火的危险性更低。

1.3氢燃料电池驱动技术

这种技术具有一种潜在的魅力，如果工程师和科学家们能够将这种洁净蓄能系统真正地应用于汽车，那么大多数汽车上使用的内燃发动机将成为历史。燃料电池通过化学反应将氢转化成电能，这种化学反应的唯一副产品是热量和水蒸气。电能供应给电机来驱动汽车。该项技术依靠氢和氧的化学反应释放能量，相对于内燃机驱动，燃料电池驱动的效率更高，污染更低，甚至是没有污染，它排出的仅有纯净的水蒸气。实际上从60年代起，航天工业就已经使用这种燃料电池了。该技术已应用于部分试验车辆和为某些建筑物提供电能。但由于氢燃料电池动力汽车成本高，而且给电池补氢的“补给站”数量很少，目前商业化推广还为时过早。而美国通用汽车公司和戴姆勒—克莱斯勒公司不久前便与美国能源部签署合约，计划在将来5年内开发氢燃料电池动力汽车。其中，梅赛德斯—奔驰A级“F-Cell"便是采用了该技术的代表车型之一，该车将整个燃料电池系统置于夹层地板装置中，应用65千瓦异步电动机加以驱动，这使其输出范围可达到72千瓦(97马力)。其时速最高可至140公里，行程达162公里。汽车工业目前面临的挑战是如何向燃料电池供给大量的氢。通用汽车公司相信自己已经找到了一条捷径可将其燃料电池汽车推进。他们采取了从汽油中提取氢的方法，这样可使驾驶汽车的人利用国家现有的燃油供给基础设施。通用汽车公司正在研究设计一条实用的汽油改造线，估计，该项目将耗资数10亿美元。通用汽车公司希望自己能成为第一家卖出100万辆汽车的公司。其他一些汽车制造厂商，如：福特、戴姆勒-克莱斯勒、本田等公司也正在抓紧研制氢燃料汽车和甲醇燃料汽车。这两种燃料都需要新的供应基础设施。只有完善这两种燃料供应的基础设施，才能使人们广泛地接受使用氢燃料汽车和甲醇燃料汽车。

纯电力驱动技术

顾名思义，使用了该项技术的车型将以纯电力作为其动力源，这类车型具