浅谈现代汽油发动机新技术及应用

浅谈现代汽油发动机新技术及应用杨平摘要：近年来，当代汽车汽车飞速发展，汽车新技术不断涌现和应用，带动汽车性能不断改善。下面简要介绍近几年来广泛研究和应用的汽油机新技术，并就其基本原理，优缺点和应用进行了浅分析。关键词：汽油发动机新技术动力性经济性排放性前言：汽车的诞生发展已经经历的一个多世纪，汽车技术的发展已成为带动整个社会科技进步的重要标志，对人类文明有着不可忽视的影响，而汽车的心脏——发动机的科学技术水平起着重中之重的作用，在经过一个世纪的发展之后，它的发展远远没有达到顶点，在动力性、经济性和污染物控制方面还在不断改进。就汽油发动机而言，在市场竞争和排放法规的双重影响下，缸内直喷（GDI）、均质混合气压缩燃烧（HCCI）、可变气门正时、涡轮增压中冷及废气再循环等新技术应运而生，为汽油机行业发展提出了新的机遇和挑战。1、多气门与气门可控技术传统的发动机多是每缸一个进气门和一个排气门，这种二气门配气机构相对比较简单，制造成本也低，对于输出功率要求不太高的普通发动机来说，就能获得较为满意的发动机输出功率与扭矩性能。排量较大、功率较大的发动机要采用多气门技术，最简单的多气门技术是三气门结构。采用多气门结构可增加燃烧室的进气量，减少进气阻力，使进气和排气过程更加平稳；提高充气效率，使燃烧过程更迅速、更完全从而达到更高的性能和更低的油耗。汽油机采用多气门技术后，可降低HC和NOx的排放，降低油耗。目前每缸两进两排的四气门发动机已成为轿车用汽油机的主要趋势，每缸两进一排的三气门发动机退出市场，而五气门技术由于其控制机构更加复杂导致成本增加，一直只在部分高端发动机上采用。在发动机设计中，为了提高标定功率，要提早开启、推迟关闭进气门，并提高进气门升程；为了提高低速扭矩，要提早关闭进气门；为了改善起动性能并提高怠速稳定性，则要推迟开启进气门，减小进排气门同时开启的重叠角。同时，在大负荷高转速条件下，大的进排气门升程，有利于提高气缸充气效率并减小进气阻力损失；而在小负荷低转速条件下，小的进排气门升程，其节流效应则更有利于形成良好的可燃混合气，从而使燃烧更为充分、稳定，对提高燃料的燃烧效率将起到明显的促进作用，最终实现汽油机燃油经济性的提高和尾气排放的改善。要兼顾车用汽油机在高速和低速、大负荷和中低负荷下对进排气的要求必须采用气门可变控制技术，包括可变气门正时技术和可变凸轮型线技术。可变气门正时系统如VVT以及广泛采用的连续可变气门正时CVVT。系统的最大特点是可根据发动机的状态控制进气凸轮轴，通过调整凸轮轴转角对配气正时进行优化，以获得最佳的配气正时。从而在所有速度范围内提高发动机动力性、经济性及排放性能。但是单纯的可变气门正时技术并不能实现气门升程的可变调节，来更好的适应高速大负荷、低速小负荷等工况变化，而且大部分可变气门正时技术仅仅是凸轮相位的整体移动，很难完全适应各种复杂工况的要求。由于采用的是传动相对简单的一组或两组凸轮，上述被广泛采用的气门可变技术均不能做到发动机气门和升程的完全灵活可变控制，由于这套机构过于复杂，很难在发动机上推广应用。2可变进气歧管可变进气歧管通过改变进气管的长度和截面积，提高燃烧效率，使发动机在低转速时更平稳、扭矩更充足，高转速时更顺畅、功率更强大。进气歧管一端与进气门相连，一端与进气总管后的进气谐振室相连，每个汽缸都有一根进气歧管。发动机在运转时，进气门不断地的开启和关闭，气门开启时，进气歧管中的混合气以一定的速度通过气门进入汽缸，当气门关闭时混合气受阻就会反弹，周而复始会产生震动频率。如果进气歧管很短，显然这种频率会更快；如果进气歧管很长的话，这个频率就会变得相对慢一些。如果进气歧管中混合气的震荡频率与进气门开启的时间达到共振的话，那么此时的进气效率显然是很高的。因此可变进气歧管，在发动机高速和低速时都能提供最佳配气。发动机在低转速时，用又长又细的进气歧管，可以增加进气的气流速度和气压强度，并使得汽油得以更好的雾化，燃烧的更好，提高扭矩。（就像捏扁水管后，水流就会更有力）发动机在高转速时需要大量混合气，这是进气歧管就会变的又粗有短，这样才能吸入更多的混合气，提高输出功率。3均质压燃技术HCCI汽油和柴油都是从石油中提炼出来的，它们性质差别相当大。汽油易引燃但自燃温度高，相反，柴油自燃温度低但难引燃。汽油机属于预混合均质燃烧，借助火花塞点燃。由于汽油特性和爆震等诸多因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比，使热效率比柴油机低得多。汽油机工况的调节是通过调节进气量来实现的，在部分负荷工况，进气的空气量较小，会产生泵气损失，从而导致汽油机热效率比柴油机低。柴油机是依靠发动机活塞压缩到接近上止点时的高温使燃气自燃着火，属于喷雾扩散燃烧。由于喷雾与空气的混合时间很短，燃料与空气的混合很不均匀，在高温富氧区域产生大量的NOx排放，在高温过浓区产生大量碳烟。提高汽油机热效率，降低柴油机碳烟和NOx排放一直是内燃机领域研究的重点。人们希望通过结合汽油机和柴油机的优点来解决上述问题。均质压燃燃烧技术结合了传统点燃式发动机和压燃式发动机的优点，采用预混合均质混合气、压缩自燃着火的燃烧方式。它可以实现高热效率（高压缩比、减少泵气损失）及超低的NOx和碳烟排放。对于汽油机来说，燃烧技术的关键是提高汽油机热效率，降低油耗。汽油机采用均质压燃可以取消或减小部分负荷和小负荷节气门导致的泵气损失，还可以提高压缩比，此外，它还可以减少燃烧持续期长造成的损失。汽油机均质压燃在实现的技术途径上有两种方案，其一是基于传统气道喷射汽油机技术方案，另一种是基于缸内直喷的技术方案。缸内直喷方案在混合气浓度分层控制上有较大的灵活性，通过缸内多次喷油技术实现混合浓度分层，但控制的难度更大。在中小负荷工况需要通过缸内的残余废气提高混合气能量，使汽油混合气可以压燃，或采用压燃与火花塞点火复合燃烧方式；在大负荷时可以采用外部废气来抑制燃烧反应。因此，可变气门技术是实现均质燃烧的重要基础。HCCI技术的理论效果虽然可观，但目前仍停留在实验阶段，一些技术难关亟需突破。一在燃烧时刻的控制上，HCCI发动机靠汽缸的压力和温度自燃，油气混合气的密度，气缸的温度和压力都需要进行精确的检测和控制，所以发动机的ECU管理程序也要进行相应的加强。二由于HCCI的同时压燃和放热，瞬时间汽缸和活塞会受到强大的压力，有可能会产生爆震的现象，所以必须提高混合气的空燃比（高于传统的14.7：1），这就需要HCCI在稀燃状态下工作，排气的温度也比较低，使得发动机较难采用涡轮增压。以上这些都使得HCCI可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多。另外，低排气温度对催化转化器来说也是一个问题，因为需要相当高的温度才能起动氧化/还原反应。三由于HCCI发动机可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多，所以，在大负荷高转速的时候或者冷机状态下发动机还必须依靠传统的火花塞点火系统，这就间接要求了发动机的压缩比可变，在传统点火模式的时候变回低压缩比。所以气门正时系统及众多的压力传感器也是必须的。所以就现在的限制而言，HCCI汽油发动机还不能实现完全的压燃稀燃模式进行，它只在中低转速的时候介入工作，提高效率，降低油耗。4涡轮增压中冷涡轮增压，是一种利用内燃机运作所产生的废气驱动空气压缩机的技术，与机械增压的功能相同。汽油机增压可大幅提高进入气缸的空气充量密度，提高缸内的平均有效压力，从而达到提高功率和改善燃油经济性的目的。但汽油机增压后，由于缸内压缩混合气的温度和压力提高，存在着爆震和运行范围窄等难题，也增加了燃烧室受热零件的热负荷，长期仅限于赛车和高原功率的恢复等特殊领域。些年来，随着技术的日趋成熟完善、制造成本的不断下降，此项技术在更多汽车上得到普及和推广。技术措施包括在涡轮增压器出口与进气管口之间安装中冷器，对进入气缸的空气进行冷却，可以使发动机压缩比保持一定值而不会产生爆燃，同时进气温度降低增加了实际进入气缸的空气量，进一步提高发动机的有效功率；采用复杂的三元曲面超薄壁叶轮适应汽油发动机转速范围宽，空气流量变化大的特点，使涡轮增压器的反应滞后减小；采用爆震传感器，监控发动机爆燃产生的不正常振动，适时调节点火定时等。对涡轮增压的应用通常有两个选择，一是通过增压降低发动机尺寸，使用小排量增压发动机代替大排量自然吸气发动机，降低油耗；二是将相同排量的自然吸气发动机改为涡轮增压，提高发动机动力性能。积极地以增压为手段开发小型化的缸内直喷式汽油发动机，已成为乘用车汽油发动机发展的主流趋势。在某些附加价值较高的乘用车中，为了改善低速工况和瞬态工况时的增压不足，与车用柴油发动机一样也开始应用可变涡轮喷嘴增压器(VNT)，有的高功率机型更是采用两级涡轮增压。涡轮增压技术也存在某些不足：一些采用涡轮增压技术的汽油机，虽然增压后的扭矩输出特性优异，发动机动力提升效果非常明显，但是在增压器启动之前的低转速区域，压缩比远低同档自然吸气汽油机，燃烧效率低，扭矩输出不足，导致增压介人前后发动机动力变化明显。5可变压缩比（VCR）为了充分发挥增压小排量汽油机燃油经济性的潜力，同时在增压汽油机上既有效控制爆震又不牺牲增压器起动前的低速扭矩，最佳的解决方案是采用VCR技术，即VariableCompressionRatio可变压缩比技术。各种改变压缩比的技术都是通过改变发动机排量来实现的，通过压缩比的改变，在小负荷时提高压缩比来提高发动机的热效率；大功率时降低压缩比来提高发动机的功率和扭矩。可变压缩比技术的采用也有利于排放的降低：在起动工况，可变压缩比汽油机可以通过压缩比的改变，降低热效率进而提高单位排量的废气热流量，缩短三效催化转化器起燃时间，明显地降低冷起动和暖机阶段排放。部分负荷工况，针对HC随着压缩比增大而升高的现象，一方面，由于可变压缩比汽油机可以接受较大的排气再循环率，因而能够更多地降低NOX排放；另一方面，在较高负荷下通过提高压缩比能够提高热效率，增大扭矩，可以部分地替代混合气加浓的程度，因而降低对混合气加浓的要求，这样就可以扩大闭环控制的工况范围，进一步降低有害物质CO和HC的排放。可变压缩比对汽油机的动力性和经济性都有明显的改善，但会增加发动机结构设计的复杂性，可以说，对可变压缩比结构设计的研究远大于对燃烧的研究。目前获得可变压缩比的方法包括：移动缸盖；改变燃烧室容积；改变活塞火力岸的高度；改变连杆的几何结构；改变活塞冲程和改变曲轴轴线的位置。以上技术的选择应尽量保证发动机机械结构的紧凑，减小活塞的摩擦功，以抵消多级连接系统带来的摩擦损失。成本也是可变压缩比技术应用需要考虑的重要因素。6双火花塞点火双火花塞点火系统是在燃烧室两侧布置两个同型号火花塞，这两个火花塞与燃烧室中心的距离相等，发动机怠速或低速运行时仍采用单火花塞点火；随着发动机转速的提高，两个火花塞同时点火，不仅火焰传播距离缩短了一半，而且两个火焰前锋之间形成较强烈的燃烧湍流，大幅度加快了火焰的传播速度。双火花塞点火系统的优点在于使点火的效率更高，着火概率提高一倍；缩短了火焰传播距离的同时加快了火焰的传播速度，缩短了燃烧时间，提高了热效率；实现稳定燃烧，发动机工作更加平稳柔和。除增加了火花塞数量及结构和布置需特殊设计外，无明显缺点。梅赛德斯一奔驰的S级轿车汽油机采用了双火花塞点火系统，以强大的功率输出和低噪声著称。国内如本田飞度的1.3L和思迪1.3L汽油机均采用了双火花塞点火技术。7停缸技术（CylinderDeactivation）目前持续飙升的汽油价格和油耗的强制性法规促使停缸技术受到人们的重视，它用低速下停止大排量发动机部分气缸工作的方法达到节省油耗的目的，而在高速下迅速激活所有气缸工作，恢复大排量发动机的澎湃动力。停缸技术早在上世纪70年代就被提出，但因为当时停缸系统增加的成本高于油耗节省下来的费用，技术没有被市场承认。以2005年投放市场采用停缸技术的5.7升HEMIV8发动机为例，配备了8个可调式滚子挺杆，当车速不超过每小时三十公里，发动机转速在3000转以下时，发动机停止四个气缸工作，相应的配气机