陳 歡

汽車發(fā)動機節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

陳 歡

（西安航空學院 車輛工程學院，陜西 西安 710077）

在人類社會可持續(xù)發(fā)展的大背景下，汽車節(jié)能一直是人們關(guān)注的焦點，發(fā)動機作為汽車的心臟，其節(jié)能技術(shù)研究也至關(guān)重要。文章對汽車發(fā)動機節(jié)能的原理進行簡要介紹，對汽油機缸內(nèi)直噴、稀薄燃燒、可變壓縮比、可變配氣系統(tǒng)等發(fā)動機節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀進行總結(jié)分析，并提出對未來發(fā)動機節(jié)能技術(shù)發(fā)展的展望，期望為后續(xù)研究提供理論基礎與參考方向。

汽車發(fā)動機；節(jié)能技術(shù)；可變配氣系統(tǒng)

汽車產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為人們出行、運輸提供便利的同時，也帶來了能源與環(huán)境的雙重危機。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至2022年底全國民用汽車保有量為3.19億輛，其中新能源汽車保有量1 310萬輛，僅占汽車總量的4.10%，絕大部分汽車仍然使用傳統(tǒng)的往復式發(fā)動機。雖然近年來新能源汽車發(fā)展勢頭迅猛，但是在相當長的一段時間內(nèi)，傳統(tǒng)發(fā)動機依然是各類動力機械的主要動力來源。汽車占據(jù)石油能源消耗的重要方向，在石油危機的大背景下，汽車節(jié)能技術(shù)的發(fā)展尤為重要。

汽車節(jié)能是一個系統(tǒng)工程，途徑包含了車輛技術(shù)、道路輔助設施與維修、汽車運用等多個方面。發(fā)動機節(jié)能功能途徑就來源于車輛技術(shù)方面，發(fā)動機節(jié)能又包括了提高發(fā)動機性能和開發(fā)替代的發(fā)動機兩個技術(shù)路徑，本文主要著力于研究提高發(fā)動機性能技術(shù)。

汽車發(fā)動機節(jié)能技術(shù)的研究需要考慮的因素很多，從節(jié)能的角度來講，希望組織完善的燃燒過程從而獲得較高的熱效率，但是發(fā)動機的燃燒是很復雜的過程，往往會顧此失彼，完全的燃燒可能會造成NOx的排放增加；另外還希望發(fā)動機盡可能輕量化，同時具備更好的可靠性與耐久性。在各種參數(shù)或者性能相互矛盾的情況下，采取某種發(fā)動機節(jié)能技術(shù)時，必須要統(tǒng)籌考慮、全面分析，以真正達到節(jié)能的目的。

1 汽車發(fā)動機節(jié)能原理

發(fā)動機節(jié)能主要從兩個方面入手，一是提高發(fā)動機的熱效率，二是實現(xiàn)發(fā)動機輕量化。高速柴油機混合加熱循環(huán)熱效率計算公式為

式中，t為熱效率；為壓縮比；為絕熱指數(shù)；為壓力升高比；為預脹比。

由式（1）可知，發(fā)動機的熱效率主要與絕熱指數(shù)、壓縮比、壓力升高比、預脹比有關(guān)。另外就是各種損失導致了發(fā)動機熱效率比理想熱效率要小得多。目前研究較多的發(fā)動機節(jié)能技術(shù)也多是從這些角度入手，組織好進氣、噴油、燃燒過程、減少損失。例如：提高壓縮比、稀薄燃燒技術(shù)、增壓中冷技術(shù)、可變進氣技術(shù)、缸內(nèi)直噴技術(shù)、改善混合氣在缸內(nèi)的流動方式、改進點火配置提高點火能量、電控噴射技術(shù)、高壓共軌技術(shù)、減磨擦技術(shù)、低散熱技術(shù)等。發(fā)動機輕量化一方面節(jié)約了材料，一方面減少了無效載荷的油耗，其核心就是提高升功率L，也就是提高發(fā)動機工作容積的利用率，以獲得更加強化、緊湊、輕巧的發(fā)動機。涉及的技術(shù)措施包括降低過量空氣系數(shù)、提高充量系數(shù)、增加進氣密度、采用高強度輕質(zhì)材料等。

2 發(fā)動機節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

2.1 汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)

汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)（Gasoline Direct Injec- tion, GDI）是一種由柴油發(fā)動機衍生而來的技術(shù)，如圖1所示。燃油由噴嘴直接噴入缸內(nèi)與空氣進行混合形成可燃混合氣，該技術(shù)與傳統(tǒng)噴射方式相比，可以進一步提高汽油機熱效率、降低汽油機排放。根據(jù)燃油噴入時期的不同形成均質(zhì)燃燒燒和分層燃燒兩種模式，均質(zhì)燃燒模式是指在進氣行程后期向燃燒室內(nèi)噴入燃油，在進氣行程與壓縮行程中完成與空氣的充分混合，并在點火時刻使缸內(nèi)形成較為均勻的混合氣，確保穩(wěn)定點火。分層燃燒模式是指在壓縮行程噴入燃油，隨著壓縮行程的進行，燃油與空氣混合，直至點火時刻，從火花塞處至缸壁，燃油濃度由濃到稀，保證有效點火，火焰?zhèn)鞑ヒ舱?，從而提高燃油?jīng)濟性。采用缸內(nèi)直噴技術(shù)可以降低燃油消耗率的原因在于其燃燒方式與負荷調(diào)節(jié)方式接近于柴油機，但保持外源點火。該技術(shù)目前已經(jīng)大量使用在包含VAG、BMW、Mercedes-Benz、GM以及Toyota （Lexus）車系上。

圖1 缸內(nèi)直噴技術(shù)簡單示意圖

2.2 稀薄燃燒技術(shù)

稀薄燃燒技術(shù)是指空燃比大于17，但仍然能保證發(fā)動機動力性能的一種燃燒技術(shù)，實現(xiàn)的途徑有均質(zhì)稀燃和分層稀燃。與常規(guī)汽油機相比，稀燃汽油機能夠兼顧低排放性能與燃油經(jīng)濟性。稀薄燃燒之所以經(jīng)濟性好，是因為稀混合氣當中的汽油分子與空氣中氧分子的接觸機會更多。因此，燃燒會更加充分和完全，若輔以相應的排放控制措施，能夠顯著減少汽油機的有害排放物，且隨著吸入氣缸內(nèi)的空氣量增多，泵氣損失減少。同時因為是稀混合氣，氣缸內(nèi)整體溫度和壓力較低，因此，不容易出現(xiàn)爆燃，進而將有效提升熱效率。稀薄燃燒再結(jié)合最新的電子控制技術(shù)，將進一步提高車用汽油機熱效率、降低排放。

2.3 可變壓縮比技術(shù)

可變壓縮比是一種動態(tài)調(diào)整內(nèi)燃機壓縮比的技術(shù)。傳統(tǒng)的發(fā)動機壓縮比是固定的，雖然燃燒室容積及氣缸工作容積都是固定的參數(shù)，但是固定的壓縮比無法充分發(fā)揮發(fā)動機性能。比如在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速、小負荷運轉(zhuǎn)時，熱效率低、綜合性能較差，這時可以采用較大的壓縮比；而在高轉(zhuǎn)速、大負荷運轉(zhuǎn)時，較大的壓縮比則會使發(fā)動機產(chǎn)生爆燃，這時無法采用較大的壓縮比。因此，壓縮比若能夠隨工況變化最大限度地發(fā)揮出發(fā)動機的潛能，實現(xiàn)不同工況下發(fā)動機動力性和燃油經(jīng)濟性之間的平衡。特別是為防止增壓發(fā)動機產(chǎn)生爆震，其壓縮比較正常吸氣的發(fā)動機小，這就導致了在增壓壓力較小的情況下，熱效率很低。與此同時，渦輪增壓的發(fā)動機在低壓縮比時還存在增壓遲滯現(xiàn)象，只有發(fā)動機達到一定轉(zhuǎn)速才有增壓作用。可變壓縮比技術(shù)則可以解決這個問題，即在低增壓低負荷工況下，提高壓縮比；在高增壓高速工況下，適當降低壓縮比，使其在整個工況范圍內(nèi)均有較高的熱效率。

2.4 可變配氣系統(tǒng)技術(shù)

可變配氣系統(tǒng)技術(shù)的核心在于通過提高充氣效率來提高發(fā)動機的熱效率。傳統(tǒng)的發(fā)動機配氣系統(tǒng)安裝好后，配氣相位是固定的，僅對于比較小的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有最佳的充氣效率，但理想的配氣相位應該隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷及其他工況而改變?？勺兣錃庀到y(tǒng)技術(shù)應運而生，以達到各個工況都能優(yōu)化的目的，在高轉(zhuǎn)速時希望發(fā)動機提供較大的功率，在低轉(zhuǎn)速時又能提供足夠的轉(zhuǎn)矩。目前應用較多的是可變氣門正時技術(shù)和可變凸輪機構(gòu)技術(shù)，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負荷的改變，控制氣門正時和氣門升程曲線保持最佳選擇。與之相似的可變進氣管長度技術(shù)，雖然利用進氣管的動態(tài)效應，但其核心是通過提高充氣效率以達到提高發(fā)動機熱效率的目的。

3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，相關(guān)的學者和專家對發(fā)動機的節(jié)能技術(shù)進行了仿真研究、效果驗證、綜述總結(jié)，為發(fā)動機節(jié)能技術(shù)的進一步發(fā)展貢獻了力量。

3.1 在缸內(nèi)直噴技術(shù)

王茂美等[1]從燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和燃油噴射控制兩方面對缸內(nèi)直噴汽油機和高壓共軌柴油機的燃油系統(tǒng)進行對比分析，為兩種技術(shù)后續(xù)的研究提供了參考。李家琛等[2]選取了5輛滿足國六排放標準的缸內(nèi)直噴汽油車進行了尾氣顆粒物碳質(zhì)成分、水溶性離子和多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs）組分分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1）各類碳質(zhì)為測試車輛尾氣顆粒物中的主要成分，平均占比約70%；2）通過測量顆粒物中多種水溶性離子的含量，結(jié)果表明Ca2+和SO42-為尾氣顆粒物中的主要水溶性離子，主要來源均為機油添加劑；3）GDI車輛尾氣顆粒物中高環(huán)PAHs排放占比較高，對人體健康危害大，需要重點關(guān)注。

3.2 稀薄燃燒技術(shù)

晁岳棟等[3]研究了一臺渦輪增壓發(fā)動機上不同因素對高效超稀薄燃燒的影響。試驗結(jié)果表明，通過點火方式、增壓器匹配、壓縮比、燃油類型的優(yōu)化，可以將油耗降低約6 g/kW·h，實現(xiàn)最高44.2%的有效熱效率。

朱登豪等[4]針對由于泵氣損失較大產(chǎn)生汽油機小負荷工況、燃油經(jīng)濟性較差的問題，基于一臺壓縮比為16的直噴汽油機，結(jié)合自主研制的高能點火系統(tǒng)將稀燃極限從1.5拓寬到1.65，最大相對熱效率提升22%，其中稀薄燃燒貢獻了17%，高能點火貢獻了5%。模擬結(jié)果表明，稀薄燃燒可以提高比熱比，降低泵氣損失和傳熱損失。高能點火的作用在于加快燃燒初期的湍流火焰速度，增大火焰面積以及生成更多促進燃燒的中間產(chǎn)物，從而縮短滯燃期和燃燒持續(xù)期，拓寬稀燃極限。

3.3 可變壓縮比技術(shù)

徐凱等[5]設計了一種可變壓縮比發(fā)動機多連桿機構(gòu)，通過運動學建模計算與仿真結(jié)果對比分析，驗證了機構(gòu)設計的正確性。驗證結(jié)果表明，多連桿機構(gòu)可通過實現(xiàn)壓縮比實時可變來滿足實際工況的需要，在動力放大特性及抑制活塞與缸壁間摩擦等方面存在力學優(yōu)勢，并能在發(fā)動機振動方面帶來額外的動態(tài)效益。

吳家杰[6]提出了通過提高發(fā)動機的幾何壓縮比，提高中小負荷下的熱效率。在大負荷時，為避免最高爆發(fā)壓力超出限定值，借鑒米勒循環(huán)的思想，通過延長進氣門開啟時間，迫使進氣回流，從而降低最高爆發(fā)壓力，保證全工況下發(fā)動機的穩(wěn)定可靠運行的設想。研究充分論證了通過晚關(guān)進氣門降低最高爆發(fā)壓力的可行性，探究了提高幾何壓縮比對中小負荷指示熱效率提升的潛力，為柴油機幾何壓縮比的確定以及可變壓縮比的策略提供了新的思路。

3.4 可變配氣系統(tǒng)技術(shù)

焦賀彬等[7]針對可變氣門正時機構(gòu)動態(tài)響應和速度控制效率低、能耗高等問題，提出發(fā)動機可變氣門正時機構(gòu)的動態(tài)響應與速度自動化控制研究。研究結(jié)果顯示，采用所提方法后可變氣門正時結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應速度約為0.2 s，證實了所提方法的速度控制效果較好，且提高了發(fā)動機的能量利用率。

鄒鵬[8]提出了一種新型具有自調(diào)節(jié)氣門正時功能的機械式連續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)凸輪軸樞軸中心來改變氣門的動作，利用一個調(diào)節(jié)電機同時控制氣門升程和正時，代替了進氣液壓可變氣門正時技術(shù)（Variable Valve Timing, VVT），具有簡單小巧、穩(wěn)定可靠、成本低廉和響應迅速等優(yōu)點。對該系統(tǒng)進行了相關(guān)的研究，結(jié)果證實了該系統(tǒng)對汽油機經(jīng)濟性的改善效果，明確了該系統(tǒng)原理樣機的優(yōu)化方向，為該系統(tǒng)的工程開發(fā)提供了理論指導。

3.5 其他技術(shù)研究方面

張文杰等[9]為了改善混動汽車發(fā)動機節(jié)能控制效果，選取型號為X186的嵌入式單片機作為控制器的核心控制芯片，開發(fā)了一套節(jié)能控制器。該控制器引入比例-積分-微分（Proportion Integral Differential, PID）控制算法，對發(fā)動機作業(yè)期間產(chǎn)生的多余機械能進行轉(zhuǎn)換處理，從而得到電能，以此減少發(fā)動機能耗。結(jié)果證明了該控制器作業(yè)期間產(chǎn)生的發(fā)動機總扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)值明顯減小，能夠取得節(jié)能效果。

吳銘良[10]總結(jié)分析了發(fā)動機生產(chǎn)制造方面的一些節(jié)能實踐，涉及節(jié)能技術(shù)應用、能源管理體系、能源大數(shù)據(jù)管理，探究進一步挖掘節(jié)能潛力、提高能源績效、不斷降低產(chǎn)品能源單耗，從而實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、低碳發(fā)展的有效模式。

呂良[11]針對現(xiàn)有的發(fā)動機電控系統(tǒng)主要關(guān)注動力-電力鏈的控制，未考慮熱力鏈的優(yōu)化控制研究問題。在熱管理系統(tǒng)熱力學建模和實時優(yōu)化控制兩方面進行了研究，并對所提及的發(fā)動機熱管理控制策略都進行了詳盡的推導及有效性驗證，實現(xiàn)了從理論到應用的系統(tǒng)研究。

4 總結(jié)與展望

汽車節(jié)能是一個系統(tǒng)工程，任重而道遠。汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)、稀薄燃燒技術(shù)、可變壓縮比技術(shù)、可變配氣系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展研究已經(jīng)比較成熟，均是從改善缸內(nèi)燃燒，提高熱效率的角度達到節(jié)能目的。發(fā)動機輕量化也是節(jié)能的關(guān)鍵路徑，后期可對此方面進一步研究。

隨著替代燃料的應用、新型燃燒技術(shù)的發(fā)展以及電控技術(shù)的革新、新能源汽車的大面積普及，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機的節(jié)能技術(shù)還依然有廣闊的研究空間。因為在未來很長一段時間內(nèi)，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車依然會在市場占據(jù)最主要的位置，發(fā)動機的節(jié)能問題仍然是亟待解決的問題。高效率、低排放，尋求能耗更低的代用燃料是發(fā)動機節(jié)能技術(shù)追求的方向。

[1] 王茂美,孔曉林,牛雅麗,等.缸內(nèi)直噴汽油機與高壓共軌柴油機燃油供給系統(tǒng)對比[J].汽車實用技術(shù), 2022,47(20):192-198.

[2] 李家琛,葛蘊珊,王浩浩,等.缸內(nèi)直噴汽油車顆粒物化學組分特征[J].環(huán)境科學,2022,43(12):5464-5469.

[3] 晁岳棟,王志望,胡軻,等.超稀薄燃燒汽油機試驗及測試循環(huán)研究[C]//2021中國汽車工程學會年會論文集(3).北京:中國汽車工程學會,2021:13-16.

[4] 朱登豪,鄧俊,李理光.稀薄燃燒結(jié)合高能點火對高壓縮比汽油機小負荷工況燃油經(jīng)濟性的影響[J].燃燒科學與技術(shù),2021,27(4):394-404.

[5] 徐凱,馮增銘,楊金興,等.可變壓縮比發(fā)動機多連桿機構(gòu)設計及動力學分析[J].機械傳動,2022,46(12): 161-168.

[6] 吳家杰.基于米勒循環(huán)的壓縮比可變控制策略研究[D].長春:吉林大學,2022.

[7] 焦賀彬,李富強.發(fā)動機可變氣門正時機構(gòu)的動態(tài)響應與速度自動化控制[J].制造業(yè)自動化,2021,43(5): 63-66,143.

[8] 鄒鵬.一種新型全可變氣門升程機構(gòu)的正向開發(fā)及其應用研究[D].長沙:湖南大學,2020.

[9] 張文杰,姚翠萍.混合動力汽車發(fā)動機節(jié)能控制器設計研究[J].內(nèi)燃機與配件,2022(18):63-65.

[10] 吳銘良.汽車發(fā)動機生產(chǎn)制造的節(jié)能實踐[J].節(jié)能與環(huán)保,2022(7):39-41.

[11] 呂良.面向節(jié)能的汽車發(fā)動機熱管理系統(tǒng)建模與優(yōu)化控制[D].長春:吉林大學,2020.

Research Status and Expectation of Automobile Engine Energy Conservation Technology

CHEN Huan

( College of Vehicle Engineering, Xi'an Aeronautical University, Xi'an 710077, China )

In the context of sustainable development of society, automobile energy conservation has been the focus of people's attention, the engine as the heart of the automobile, its energy saving technology research is also very important.This paper briefly introduces the principle of automobile engine energy saving, summarize and analyze the key technologies and research status of engine energy saving, such as gasoline direct injection, fuel stratified injection, variable compression ratio and variable valve system, and put forward the prospect of future development of engine energy saving technology, hoping to provide theoretical basis and reference direction for subsequent research.

Automobile engine;Energy conservation technology;Variable valve system

U464

A

1671-7988(2023)17-211-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.040

陳歡（1995－），女，碩士，助理工程師，研究方向為動力工程及工程熱物理，E-mail:yeah950811@163.com。