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
备极高的环保性能，但其存在维护费用极高，在短期内难以普及。

其中，最具代表性的便是由法国Venturi公司开发设计的Fetish跑车，而且该车目前已经投入量产。

Fetish跑车采用了动力系统中置的形式，虽然电动马达的电压还不到60千瓦，但是它却能达到14000转/分的高转速，并能输出241匹的最大马力。

一次充电能够行驶350公里，电池充电时间也非常快，充10分钟电就能跑上16公里。

柴油发动机新技术简介
1. 增压技术和EGR（废气循环）
为了提高柴油发动机的热效率和输出功率，采用高压喷射方式实现直接喷射，并且通过高增压实现高扭矩化。

在常用的低中速领域内能得到高扭矩的增压柴油机，比汽油机更有可能实现小排量化，并且在高速巡航中的转速低，燃油经济性越来越好。

采用VG涡轮增压，不仅能得到汽车理想的平扭矩曲线，而且能够减少低速时的黑烟和改善加速性。

另外，最近研究采用双级涡轮增压等方式，弥补加速时的空气量不足。

从减少废气排放角度考虑，预计今后对高增压、高EGR 的要求更高。

EGR是减少NOx的非常有效的技术。

2. 共轨喷射技术
在各种新技术中，对柴油机最有效的是共轨喷射系统。

共轨喷射系统最大喷射压力的增加和最小喷射间隔的缩短取得日新月异的进步。

每个循环不满一滴眼药水的微少等量燃料，就能产生近乎2000大气压的压力，在微秒级的时段内分数次正确地喷射技术震惊世界。

最近，喷射器控制器的驱动从电磁式变更为压电式，控制阀的应答性提高2倍。

今后将共轨送出的燃料在喷射器内的增压活塞里进一步增压，喷射压力将可能超过2000大气压。

3. 发动机燃烧技术
历经10年以上研究的均匀预混合压缩点火(HCCI)燃烧技术适用于高负荷还不现实，仅限用于排气温度低、后处理净化率低的部分负荷领域。

因而在高负荷和近于无负荷的极低负荷采取通常的柴油燃烧的双模式运转视为有效的方式。

这种模式的转换利用共轨也可能实现。

由于这部分负荷的运转是在比较接近压缩上死点的喷射时期设定的，所以既使预混合化了也不均匀，称作“预混合化燃烧”比称作“HCCI燃烧”更准
确一些。

另外，在近于无负荷领域的通常燃烧模式，既使利用EGR限制NOx，PM的排放水平也低，所以比未燃HC和CO增加的预混合化燃烧更有利。

4. 排气后处理技术
仅靠EGR和共轨等发动机的燃烧技术是不可能使NOx和PM两者同时满足日本现行的新长期排放法规要求的。

排气后处理将承担柴油发动机排气净化的主要任务。

PM用DPF净化减少排放，为减少NOx排放，将采用SCR或NSR 净化新技术。

5. 柴油机混合动力车
现在市基本上都是汽油发动机，为了进一步提高燃油经济性，非常有必要采用柴油机混合动力车。

最新的柴油机混合动力车在燃油消耗和废气排放方面效果都非常好。

而且非常有可能用于乘用车。

未来汽车发动机的发展趋势
作为汽车的心脏部分的发动机，无疑对于一辆车的表现有着举足轻重的影响。

而面对现在越来越挑剔的买家们，一味增强发动机功率的做法显然是缺乏吸引力的。

且不说目前日益严重的大气污染和石油消耗的短缺将会使得买家对发动机的选择考虑再三，就算是驾驶的灵敏度，引擎的耐久度和售后方面的服务，也会让购买者一再的思量和抉择。

不过我们很欣慰的看见，车商们同样的也开始重视这些能够左右买家决定的要素，并且默默的在做出改变。

前不久上海通用汽车有限公司推出的由莲花公司集成美国、德国先进技术打造，引进并专为中国开发的直列四缸全铝发动机Ecotec?系列就是一个典型的例子。

它集中应用了大量当今最前沿发动机技术，在动力性、运转平顺性和燃油经济性等综合平衡指标上达到了极高水准，真正做到了顺应市场的要求。

上海通用汽车的Ecotec?四缸系列发动机以优异的燃油经济性和低尾气排放著称，基于“技术——环保——经济性”原则开发的该系列引擎被广泛应用于包括庞蒂亚克，雪佛兰和土星在内的20多款通用车型上，是全球普及率最高的四缸发动机系列之一。

2005年12月8日，Ecotec?发动机被美国Ward’s《汽车世界》杂志评选第12届“06年世界十佳发动机”。

而Ecotec? 2.0升的涡轮增压版发动机在美国高速直线汽车赛(NHRA)也表现出色，曾经以高达1250匹马力的非凡动力技惊四座，于2004年获得25个分站赛的17站冠军，打破多项赛道纪录，彰显超群实力，其卓越性能、优异的原型设计和惊人的耐用度得到参赛车队的一致赞誉。

日前，上海通用汽车推出的别克La CROSS E君越装备了Ecotec家族最新成员——Ecotec? D-VVT 2.4L发动机，同时也为中国的买家带来了杰出的提速动力表现、同级车最具竞争力的燃油经济性和最出色的静音科技。

该系列引擎采用顶置双凸轮轴的多气门设定(16气门)，能够更进一步的保证排气效率。

顶置凸轮轴按照数目，分为单顶置凸轮轴(SOHC)和双顶置凸轮轴(DOHC)，后者更加先进。

中高档轿车发动机一般是多气门及V形汽缸排列，再配合以每缸4气门结构，(即2个进气门，2个排气门)使燃烧更加彻底，辅以多点燃油顺序喷射，Ecotec? D-VVT 2.4L引擎的最大输出功率在转速为6400转每分的时候可以达到125千瓦(168马力)，而扭矩峰值则为225牛米／480转每分。

由于发动机从曲轴端输出的力矩，与发动机提供的牵引力成正比，直接反应车辆瞬时提速能力，所以最大扭矩一般出
现在发动机的中、低转速的范围内，能够让车辆起步或低速状态下提速更加有力。

技术最先进的发动机往往能在很广阔的转速区间提供最大扭矩90%以上的平台，这样一来，就能在低中高各种转速下均能保证良好的加速能力。

为乘客带来真正的强劲动力。

Ecotec? D-VVT 2.4L发动机在2400转每分的低转速区域就可以实现扭矩峰值90%的表现，大大增强了日常行驶的动力表现和引擎对于驾驶者操作的响应性，同时也对燃油的节省有一定的帮助。

可变气门正时系统是Ecotec? D-VVT 2.4L的一个法宝，可变气门正时系统也称可变配气相位。

发动机本身在一些状况下会出现难以解决的矛盾，例如无法保证低转速时的扭矩输出和高转速时的功率输，同时无法保证出及在这些这款下的燃油消耗较低等问题。

用单个节气门控制的燃油供给方式是难以完满解决的。

最好的方式就是通过可变进气管道、可变压缩比和可变气门的升程和正时来解决这个问题。

别克LaCROSSE君越采用的Ecotec? D-VVT 2.4L发动机(Dual Variable Valve Timing的缩写)为进、排气门双持续可变正时系统，效率比目前大多采用的进气门单可变正时系统大为提高，具有低转速大扭矩、高转速高功率的优异特性。

引擎本体的轻量化则是该引擎的另一个主要特征，缸体、缸盖都采用铝合金材质，用先进工艺制造，重量比铸铁发动机大为减轻，提升了降噪减震性和燃油经济性。

两种材质发动机最大的不同就是重量，全铝合金发动机比铸铁发动机可以轻一半的重量。

本来轿车的总重量就不高，所以发动机所占的比例就更加不能忽略，重量减轻的最直接效果便是油耗方便表现的增强，而发动机的重量也直接影响车辆的行驶性能。

由于一般轿车多为前轮驱动，所以前舱重量如果过重，就会在车辆拐弯时引起转向过度，制动距离增长等等缺点。

铝合金材质的引擎克服了这一缺陷，真正的实现了轻便和安全。

为了能够实现更为人性化的驾驶，通用使用了电子节气门用电线控制代替传统油门拉索，它综合油门踏板位置和脚踩踏板的速度，以及其他信息如发动机转速、冷却液温度、底盘电子控制信号等，经过精确计算后，再确定节气门应有的开度。

这样，就完全避免了机械式的油门踏板杆系中诸如间隙、摩擦和磨损等引起的误差，改进了节气门的反应速度，发挥每一滴燃油的最大功效，让燃烧更充分，排放更清洁，更省油，并使驾驶操控的精确性和响应性大为改观，相信也会让大家对于美系车的耗油程度有所改观。

自动调整式链条正时驱动在发动机上实现了终身免维护的神话，彻底抛弃了定时调整、更换正时皮带的烦恼。

双对旋平衡轴是采用两根平衡轴抵消直列四缸发动机运转时产生的往复惯性垂直振动，具有更优秀的降噪减震特性。

发动机的控制模块为32-bit 处理器，比普遍采用的16-bit处理器运算能力高出一倍，连同引擎内更精确、更可靠、更有效率的数码传感器和高速can bus系统，形成最强大的指挥中心。

当然，我们还需要看到，其他的车商都纷纷也在发动机的设计构造上面尽心竭力的进行着各种各样的改善。

例如宝马公司最近推出的“可变双涡轮”柴油发动机，由特别设计制造的电子设备控制，采用创新的可变增压技术，主要由两个尺寸不同的涡轮增压器组成。

根据发动机转速不同，由一个或两个涡轮增压器对进气进行压缩。

200千瓦的功率、560牛米的扭矩也让其当之无愧的成为同级发动机之中的王者。

另一汽车制造巨头三菱的最新三菱4g6系列发动机分为采用直列4缸、16气门、单顶置凸轮轴、电子控制多点燃油喷射，有双平衡轴、液压挺柱、带滚针轴承摇臂、一体型主轴承盖、锻造曲轴等多项独特技术，功率大、扭矩高、结构紧凑、低振动、低噪声、低燃油消耗、低排放等特点。

至于历来以越野性能著称的奥迪，也在自己的S6和S8车型上推出了新的V字型排列的10缸发动机。

该引擎同样采用燃油直喷技术，实际排气量为5204毫升，最大输出功率在7000转每分的时候为331千瓦，最大扭矩在3500转每分的时候出现。

虽然相比同出一辙的蓝博基尼的引擎还要差上几分，但是我们不难发现，这样的性能在同级之中已经难觅对手了。

日本的富士重工同样也为他们的赛车至宝翼豹用上了自己的镇山之宝-2.0升四缸水平对置双凸轮轴16气门涡轮增压引擎，这款引擎同样能够迅速爆发出
225hp/5600rpm的最大马力，30.6kgm/4000rpm的最大扭力。

同时由于采用了水平对置的方式，发动机活塞平均分布在曲轴两侧，在水平方向上左右运动。

所以整体高度低、长度短、整车的重心降低，车辆行驶更加平稳，噪音更低。

在我们介绍了上面的各种各样的发动机之后，我们发现无论是哪个什么样的发动机，都是围绕着高环保，高性能，低油耗和高舒适度等等方面来展开设计的，再加上现今购车者的不断理性化，我们有理由相信，发动机的最终进化方向会趋于一致，品牌区别带来的影响力在日后可能会慢慢的被淡化，取而代之的是发动机本身真正的功效和实际的表现。