◆文/江蘇 高惠民

汽車已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)最主要的交通工具。也是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)統(tǒng)計，截至2017年底，國內(nèi)汽車保有量2.17億輛，其中新能源汽車153萬輛，占比不足1%。傳統(tǒng)能源汽車的大量使用，加劇了能源危機和環(huán)境污染。另一方面，汽車節(jié)能管理法規(guī)日益嚴格，如國家頒布的《乘用車燃料消耗量限值》強制規(guī)定，到2020年國內(nèi)車企生產(chǎn)的乘用車(含新能源)新車平均燃料消耗量需降低至5L/(100km)。在此形勢下，應(yīng)用節(jié)能技術(shù)來降低燃料消耗量對傳統(tǒng)能源汽車至關(guān)重要。目前在采用內(nèi)燃機為動力的乘用車領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)主要是圍繞提高發(fā)動機熱效率，提高傳動系統(tǒng)效率，實現(xiàn)車輛輕量化，減少CO2溫室氣體排放的技術(shù)進行開發(fā)創(chuàng)新，具體有以下三個方面。

一、發(fā)動機節(jié)能技術(shù)

發(fā)動機是汽車的“心臟”，是將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機械能并輸出動力的裝置。目前節(jié)能環(huán)保發(fā)動機正在朝著小排量增壓型的方向發(fā)展。豐田汽車公司采用的“三雙”技術(shù)，包括“雙循環(huán)”、“雙噴射”和“雙渦管”系統(tǒng)，在發(fā)動機不同的工作狀況下，采取不同的工作方式，使自然吸氣發(fā)動機的熱效率提高到40%，達到燃油消耗和動力絕佳平衡，代表著當今傳統(tǒng)能源乘用車發(fā)動機節(jié)能環(huán)保技術(shù)的主流。

1.Otto循環(huán)+Atkinson循環(huán)發(fā)動機技術(shù)

從燃料化學(xué)能到輸出功的能量轉(zhuǎn)換，是由燃燒效率、循環(huán)熱效率和機械效率三個環(huán)節(jié)所組成，其中循環(huán)熱效率是核心的環(huán)節(jié)，因為作為熱力循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換是熱能機械最本質(zhì)的體現(xiàn)，也是發(fā)動機原理最基本的內(nèi)容。過去傳統(tǒng)汽油發(fā)動機在理論上都是按接近等容放熱循環(huán)模式工作，稱為Otto(奧托)循環(huán)，等容放熱線如圖1超膨脹比理論循環(huán)P-V及T-S圖上的(a)、(b)所示。

圖1 超膨脹比理論循環(huán)P-V及T-S圖

如果將等容放熱循環(huán)模式改為等壓循環(huán)放熱模式，即將圖1中的絕熱膨脹線zb延為zb’,再按b’a進行等壓放熱回到壓縮始點a，這種循環(huán)叫做Atkinson(阿特金森)循環(huán)，它是一種超膨脹比發(fā)動機。相比Otto循環(huán)，Atkinson循環(huán)增加了圖所示bb’ab大小面積的有效功或熱量。但是，由于Atkinson發(fā)動機的活塞曲柄連桿機構(gòu)較為復(fù)雜、摩擦損失大、可靠性差以及成本高等原因，當時并沒有得到推廣運用。隨著可變氣門正時技術(shù)的發(fā)展，美國工程師拉夫·米勒(Ralph H Miller)在1947年利用可變氣門相位技術(shù)控制進氣門早關(guān)，實現(xiàn)了膨脹比和壓縮比分離的米勒循環(huán)。

米勒循環(huán)的初始目的是通過降低有效壓縮比降低進氣溫度，從而降低汽油機的爆震趨勢，以便利用增壓技術(shù)，提高汽油機的功率密度和發(fā)動機熱效率。后來發(fā)展成了采用進氣門晚關(guān)的米勒循環(huán)，進氣門晚關(guān)的米勒循環(huán)利用進氣門延遲關(guān)閉時刻，使得壓縮行程初期進氣門仍保持一定的開度，隨著活塞的壓縮上行，部分進入缸內(nèi)的工質(zhì)被推出汽缸流回進氣管，這樣在汽油機部分負荷工況下，利用這種進氣回流控制負荷， 可以保持較大的節(jié)氣門開度，提高進氣管和進氣行程缸內(nèi)壓力，有利于降低泵氣損失，再結(jié)合減小燃燒容積提高壓縮比技術(shù)，便形成了具有高膨脹比的Atkinson循環(huán)的效果。于是汽車界把這種基于進氣門晚關(guān)用于降低泵氣損失的高膨脹比的米勒循環(huán)發(fā)動機稱為Atkinson循環(huán)發(fā)動機。

由于Otto循環(huán)汽油發(fā)動機的壓縮比因燃燒時爆震等因素受到限制，使得發(fā)動機的壓縮比等于膨脹比。而Atkinson 循環(huán)可使進氣門關(guān)閉后才是壓縮行程的實際開始點,而膨脹行程還是和原Otto循環(huán)相似或稍長(延遲排氣門開啟正時，使得膨脹壓力壓力下降后開始進行排氣行程，降低排氣損失)，這樣膨脹比大于有效壓縮比，即膨脹比εe =(膨脹行程量 + 燃燒室容積)/燃燒室容積＞壓縮比ε(壓縮行程量+燃燒室容積)/燃燒室容積，εe=(Vc+Vs″)/Vc＞ε=(Vc+Vs)/Vc,獲得圖1所示bb″a″ab大小面積的膨脹功或熱量，提高熱效率，從發(fā)動機萬有特性圖顯示，圖2所示為豐田雙循環(huán)發(fā)動機萬有特性圖)，雙循環(huán)發(fā)動機低燃油消耗區(qū)范圍顯著擴大。如果在Atkinson 循環(huán)的基礎(chǔ)上，再引入廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)技術(shù)，用來降低最高燃燒溫度，可以控制NOx的生成與排放。同時，外部EGR在抑制爆震、改善缸內(nèi)燃燒相位等方面也有積極影響。在同等負荷條件下，還可以再加大節(jié)氣門開度，從而進一步降低泵氣損失、改善燃油經(jīng)濟性。

圖2 豐田雙循環(huán)發(fā)動機與傳統(tǒng)發(fā)動機萬有特性對比圖

由VVT 控制的Otto循環(huán)+Atkinson 循環(huán)的配氣相位和產(chǎn)生的效果(圖3)，圖4所示黃色線框部分是豐田雙循環(huán)發(fā)動機與傳統(tǒng)發(fā)動機的性能指標對比。

圖3 雙循環(huán)發(fā)動機配氣相位圖

圖4 豐田雙循環(huán)發(fā)動機(IZOA)與傳統(tǒng)發(fā)動機(RAV4)性能指標對比

2.進氣道噴射+缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)

稀薄燃燒是降低汽油發(fā)動機油耗的重要途徑，根據(jù)燃燒的基本概念，實際混合汽濃度比理論空燃比更稀(A/F＞14.7)的燃燒稱為稀薄燃燒。發(fā)動機運行時，隨著空燃比變稀，油耗和NOx排放均顯著降低。但繼續(xù)變稀時，常規(guī)進氣道噴射的汽油發(fā)動機著火和燃燒就會變得不穩(wěn)定，因而油耗也開始上升。圖5所示不同燃燒方式的性能對比。

圖5 不同燃燒方式的性能對比

對乘用車汽油發(fā)動機而言, 無論是非缸內(nèi)直接噴射燃燒(進氣道噴射)，還是缸內(nèi)直接噴射燃燒都各有利弊，采用高壓燃油缸內(nèi)直接噴射燃燒技術(shù)，可以減小泵氣損失，提高充氣效率，提高燃油經(jīng)濟性，降低CO2排放。但在低速低負荷工況缸內(nèi)噴射不能確保最佳的混合汽形成，以及稀薄燃燒帶來的NOx排放增加和凈化處理變得困難。而進氣道噴射具有形成均質(zhì)混合汽和排放物處理簡單的優(yōu)點，但由于受到節(jié)氣門進氣節(jié)流的影響, 進氣量不足，限制了發(fā)動機的扭矩和功率的提高。鑒此誕生了集缸內(nèi)直接噴射和進氣道噴射相結(jié)合的混合噴射系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖6所示，噴油安裝位置如圖7所示。噴射系統(tǒng)中噴油正時與燃油噴射模式的比例由發(fā)動機燃油噴射脈譜圖確定。

圖6 混合噴射系統(tǒng)組成

圖7 混合噴射噴油嘴安裝位置

(1)噴油正時控制(圖8)

圖8 混合噴射噴油正時

①冷啟動缸內(nèi)直接噴射正時：在進氣行程和壓縮行程后半程進行燃油噴射，可以利用汽缸內(nèi)高壓縮湍流混合燃油與空氣，縮短噴射時間，產(chǎn)生較稀薄的混合汽，混合汽A/F=15～16，改善分層燃燒效果，加快暖機過程。

②暖機后缸內(nèi)直接噴射正時：根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負荷，在進氣行程進行1次或多次噴射，使燃油和空氣有充分混合時間，并且通過提高噴嘴效果優(yōu)化干擾，抑制爆震趨勢，混合汽A/F=14～15。

③進氣道噴射正時：進氣道噴射采用在進氣門開啟前噴射，這樣燃油有充分吸熱霧化時間，保證產(chǎn)生均質(zhì)混合汽，混合汽A/F=14～15。

(2)噴射模式控制

發(fā)動機朋友脈譜圖如圖9所示。

圖9 混合噴射脈譜圖

①全負荷工況區(qū)

缸內(nèi)直噴被用于全負荷工況區(qū), 因為它能夠充分利用噴入汽缸汽油的汽化潛熱來改善充氣效率(冷卻效果),最大限度控制爆震。

②部分負荷工況區(qū)

改變缸內(nèi)直噴和進氣口噴射量的比例，能夠在某一個比例下獲得比單獨應(yīng)用其中一種噴射方式更好的燃油經(jīng)濟性和扭矩輸出。此外, 隨著負荷的變動, 優(yōu)化噴射比例量以適應(yīng)負荷的變化。對空燃比分析的試驗結(jié)果表明，30%缸內(nèi)直噴能獲得比100% 進氣道噴射更均勻的混合汽, 并且在火花塞周圍區(qū)域形成稍濃的混合汽, 導(dǎo)致著火滯后期縮短, 燃燒速度加快, 從而改善了燃燒穩(wěn)定性?；旌蠂娚湎到y(tǒng)統(tǒng)計出所有行駛工況的最佳燃油噴射比例量后就能夠轉(zhuǎn)化成噴射比例脈譜圖。圖10(a)所示怠速時的進氣道噴射數(shù)據(jù)流，圖10(b)是中等負荷時的混合噴射數(shù)據(jù)流。

③冷啟動工況區(qū)

因為冷啟動時的速度原因，高壓油泵不可能迅速建立起缸內(nèi)直噴所必需的燃油流量, 燃油壓力也難以達到足夠的壓力標準, 因此，直到缸內(nèi)直噴供油系統(tǒng)中的燃油壓力達到預(yù)先規(guī)定值之前，只實行進氣道噴射，這樣就能夠改善啟動時油束油滴直徑, 降低冷啟動時的HC排放量。此后為了加速催化轉(zhuǎn)換器的預(yù)熱過程，轉(zhuǎn)換到按比例混合噴射，提高怠速使扭矩波動和HC排放都得到了優(yōu)化。

3.單渦輪+雙渦管增壓系統(tǒng)技術(shù)

增壓小排量技術(shù)是指發(fā)動機通過增壓技術(shù)并減小發(fā)動機排量，在保證輸出扭矩和功率不變的前提下，提高發(fā)動機的有效效率，增壓小排量帶來的益處如下。

①排量減小，泵氣損失減小，相同動力輸出條件下的指示平均壓力升高，使得運行工況點移向更高效率區(qū)，發(fā)動機的有效效率可大幅提高。

②排量減小，燃燒室表面積減少，降低了機械摩擦損失，從而提高了發(fā)動機的有效效率。

③如果采用渦輪增壓技術(shù)，還可以回收排氣能量，大幅度提高循環(huán)熱效率。因此，渦輪增壓是目前乘用車汽油發(fā)動機節(jié)能減排普遍采用的一種措施。

根據(jù)發(fā)動機利用廢氣能量方式的不同，渦輪增壓系統(tǒng)可以分為定壓系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)兩種形式，如圖11所示。

圖10 混合噴射系統(tǒng)噴射模式數(shù)據(jù)流

圖11 渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本形式

定壓渦輪增壓系統(tǒng)把所有汽缸的排氣歧管都通向一個體積較大總管，然后按渦輪機前排氣背壓PK,導(dǎo)入渦輪機的噴嘴環(huán),稱為定壓渦輪增壓系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，各歧管排氣壓力有較大波動，各缸排氣的時間互有差異，且部分重疊，但匯入到總管后的各缸排氣相互混合，減速和滯止，造成不可逆膨脹損失，使廢氣可用能降低。而脈沖渦輪增壓系統(tǒng)，原則上是將各缸排氣歧管中的脈沖氣流直接導(dǎo)入渦輪機中，以盡量減小定壓系統(tǒng)廢氣匯集到總管時節(jié)流出現(xiàn)較大的不可逆膨脹能量損失。但是，各缸排氣歧管獨自接入渦輪機，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也難以布置，所以對汽缸數(shù)是3的倍數(shù)的多缸機，如三缸、六缸、十二缸機等，可以將點火間隔240°CA的三個汽缸的排氣歧管連在一起，形成一個支管，再接入渦輪機，這樣在一個工作循環(huán)內(nèi)，一個排氣支管內(nèi)可以形成三個均勻連續(xù)的排氣脈沖，稱為三脈沖系統(tǒng)。對于汽缸數(shù)不是3的倍數(shù)的多缸機，無法構(gòu)成三排氣脈沖，但可以將排氣間隔均勻的兩個汽缸歧管連接起來，形成一個支管，稱為雙脈沖系統(tǒng)。雙脈沖系統(tǒng)雖然無法在排氣支管中形成連續(xù)的排氣，但能形成間隔均勻的排氣，也有利于渦輪機穩(wěn)定工作和提高增壓效率。把這種兩個支管分別接入一個渦輪機的系統(tǒng)，豐田汽車公司把它稱為單渦輪+雙渦管增壓系統(tǒng)。豐田皇冠8AR-FTS四缸2.0L發(fā)動機雙渦管渦輪增壓器排氣歧管連接如圖12所示。

圖12 豐田皇冠8AR-FTS四缸2.0L發(fā)動機雙渦管渦輪增壓器排氣歧管連接示意圖

由于脈沖渦輪增壓系統(tǒng)不存在大容量的集氣總管，理論上應(yīng)不出現(xiàn)不可逆的膨脹損失，實際上，初始排氣時仍有很大壓降，此時對應(yīng)于自由排氣階段，但此階段時間很短，排氣門背壓很快上升，再加上脈沖系統(tǒng)流入渦輪機的廢氣已具有較高的動能速度，此能量的一部分在渦輪機中也可轉(zhuǎn)為機械功，所以它的能量利用率要比定壓系統(tǒng)高。定壓系統(tǒng)所損失的可用能，大約40%～50%可在脈沖系統(tǒng)中得到利用。另外脈沖系統(tǒng)對發(fā)動機換氣過程掃氣作用有明顯好處，因為進排氣門開啟重疊的掃氣期，脈沖系統(tǒng)的廢氣已基本排空，排氣背壓PK,處于低谷，而定壓系統(tǒng)由于PK,波動不大，所以其掃氣壓差，即進氣壓力減去排氣背壓(Pb- PK,)要低于脈沖系統(tǒng)(圖13)。

圖13 排氣脈沖壓力波與發(fā)動機的掃氣性能