搜索
国内外汽车发动机的技术现状及发展趋势摘要：内燃机从发明发展到一百多年后的今天，相关技术不断创新和走向成熟。但内燃机作为汽车动力仍然面临着诸多问题，主要是热效率还不够高（特别是汽油机），所依赖的石油资源逐渐减少，废气排放污染大气环境，并难以集中治理等。因此，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。关键词：高压共轨；汽油直喷技术（GDI）；可变气门正时技术（VVT）；均质充量压缩点燃（HCCI）Abstract：Withtheinventionofthedevelopmentofinternalcombustionengine,tooveronehundredyearslater,therelatedtechnicalinnovationandtomature.Butinternalcombustionenginesasamotorpowerstillfacesmanyproblems,whichisstillnottallenoughthermalefficiency(especiallythegasolineengine),dependentonoilresourcesreducegradually,emissionsatmosphericpollutionenvironment,anddifficulttofocusoncontrol,etc.Therefore,theadvancedenginetechnologywillincartheenergyconservation,theenvironmentalprotectiontechnologydevelopmentplaysakeyofthedecisiverole.Keywords:gasolinedirectinjectiontechnology(GDI);Variablevalvetimingtechnology(VVT);Homogeneousfillingquantitycompressionlighting(HCCI);Electricauxiliarypressurization当今世界，为了保护环境，节约能源并减少温室气体二氧化碳的排放,人们不断的探索和改进车用动力的解决方案。一、车用柴油机的现状及发展趋势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CO2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，在环境环保方面已引起重视。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:a.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%。b.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。c.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国外柴油机技术现状目前西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机，而且轿车采用柴油机的比例也相当大。最近，美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。经过多年的研究、大量新技术的应用，柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平。下面是目前国外柴油机应用的一些新技术：1)共轨与四气门技术国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气门技术和涡轮增压中冷技术相结合，使发动机在性能和排放限值方面取得较好的成效，能满足欧3排放限值法规的要求。高压共轨系统先将柴油以高压（喷油压）状态蓄集在被称为共轨的容器中，然后利用电磁三通阀将共轨中的与喷油压力相同的柴油引到喷油器中完成喷射任务。利用安装在高压油路中的高速、强力电磁溢流阀来直接控制喷油始点和喷油量，与汽油机的电控喷油系统原理不同的是还可以通过实时变更电磁阀升程或改变高压油路中的油压来实现喷油率和喷油压力的控制。它还具有能分缸调控和响应快等优点。四气门结构（二进气二排气）不仅可以提高充气效率，更由于喷油嘴可以居中布置，使多孔油束均匀分布，可为燃油和空气的良好混合创造条件；同时，可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有为同形状的结构，以实现可变涡流。这些因素的协调配合，可大大提高混合气的形成质量（品质），有效降低碳烟颗粒、HC和NOX排放并提高热效率。2)高压喷射和电控喷射技术高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油机排放的重要措施之一，高压喷射和电控喷射技术的有效采用，可使燃油充分雾化，各缸的燃油和空气混合达到最佳，从而降低排放，提高整机（车）性能。3)增压中冷技术采用涡轮增压增加柴油机的空气量，提高燃烧的过量空气因数是降低大负荷工况排气烟度、PM排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空——空中冷系统，可使增压空气温度下降到50℃以下，工作循环温度的下降有助于NOX的低排放和PM的下降，故目前重型车用柴油机都普遍是增压中冷型，不仅有助于低排放而且燃油经济性良好。此外，涡轮前排气旁通阀的应用，不仅能降低PM和CO排放，还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。4)排气再循环（EGR）技术的应用EGR是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术，其工作原理是将少量废气引入气缸内，这种不可再燃烧的CO2及水蒸汽废气的热容量较大，能使燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，破坏NOX的生成条件。EGR技术可使机动车NOX排放明显降低，但对重型车用柴油机而言，目前倾向于使用中冷EGR技术，因为其不仅能明显降低NOX，还能保持其他污染物的低水平。5)后处理技术柴油机后处理的目标是进一步改善PM和NOX的排放。目前主要采用加装氧化型催化转化器和研究开发NOX催化转化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。6)降低机油消耗柴油机排放的颗粒物中，有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧。为了满足日益严格的柴油机（车）排放限值标准的要求，必须把来自机油的燃烧降至最低限度，即在保证发动机正常运转的前提下，最大限度地减少机油的消耗。为了降低柴油机的机油消耗，活塞环的优化设计和制造及缸套间的科学配置非常重要。1.3国内柴油机的技术现状自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257kW(350ps)。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。1.4柴油发动机的发展趋势笨重、噪音振动巨大的柴油发动机，多用于卡车、机械车和纯种越野车。但随着柴油发动机技术的进步，现在新型柴油机的诸多性能指标已经能和汽油发动机相媲美(甚至超越)，而其无可比拟的燃油经济性则要远远胜过汽油机。因此，越来越多的新型柴油发动机开始在轿车上采用。TDI是英文“TurboDirectInjection”的缩写，中文意思是“电控共轨柴油直喷涡轮增压发动机”。TDI通过采用电控共轨直喷和涡轮增压的技术，解决了老式柴油机的诸多问题。全球车用动力柴油化趋势业已形成。在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机为动力。在欧洲，90%的商用车及33%的轿车为柴油车。在美国，90%的商用车为柴油车。在日本，38%的商用车为柴油车，9.2%的轿车为柴油车。据专家预测，在今后20年，甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展。当前和将来一个时期车用柴油机技术的发展趋势突出表现在如下几个方面：1）进一步优化燃烧系统，特别重视开发和选择喷射系统Perkins公司的Ouadram燃烧室、日野公司的HMMS燃烧室，小松公司的MTEC燃烧室及五十铃公司的四角形燃烧室等，都在试验开发阶段，其基本特点是由一个中央涡流及四周的微涡流使空气燃料快速而充分地混合，并配合以合适的燃油喷射系统。目前，喷射系统已进入一个较快的发展时期，现正在研究开发lms内完成一次喷射，并在有限时间内正确控制喷射量的方法。喷射压力已提高到160—180MPa，实验室内已到200MPa。如共轨式喷射系统及分段预喷射系统等，可根据发动机的负荷与转速自动控制合理的喷射规律和喷油压力。2）增压及可变气门配气定时当今柴油机增压和增压中冷已成为标准特点，随着发动机的轻量化与小型化，为了降低车辆油耗，提高车辆装载效率，必须继续提高增压比及增压器效率。在进一步提高大负荷区的过量空气系数a时可以减少颗粒排放，同时通过稀燃化，减少热损失，提高循环效率，进而同时降低油耗，随着高增压和高a化，组装有多个增压器的复合系统已成为可能。另外，增压器固定的涡轮几何形状也将由可用于多用途的电控可变几何形状所取代。目前，在小缸径柴油机上4气门和喷油嘴垂直中置技术得到广泛的应用，为了减少换气损失，使混合气的形成进一步优化，现正在研究采用可变气门配气定时，从而使发动机在整个转速范围内的气门升程和定时得到最佳优化。3）全电子优化控制如前所述，目前对燃油喷射时间、喷射量、惯性增压、增压器、进气涡流及废气再循环(EGR)等都能实现电子优化的可变控制，从而对降低排放、减少油耗、提高输出功率和启动性能等有很大作用；但是，这些控制中的多半内容，如EGR、自动诊断等，还有很多技术不够完善，有待进一步研究和开发，今后还将继续开发其它方面的电子可变控制机构，尤其是与整车相协调统一的综合化的全电子控制系统。4）排气后处理技术柴油机能否像汽油机那样使用催化剂大幅度减少排放，尤其是NOx，这是柴油机研制者一直追求的目标。日美欧现都在对此进行研究，日本有关大学、研究所和厂家正在对沸石镁及氧化铝的催化剂上用还原剂进行NOx还原试验，美国福特等公司也正在对催化还原系统(SCR)及DeNOx，催化器两种NOx还原系统进行研究。SCR技术是利用氮氧化物有选择地与存在于废气中的或喷入的反应剂反应，利用一个催化器降低NOx排放，排出生成的氧气。还原反应剂可以是在柴油机废气中的HC化合物或是由附加油箱直接喷入废气流中的物质，如氨等。与SCR技术相比，DeNOx催化技术系统简单，无有害生成物，目前认为最具发展潜力。DeNOx催化技术主要是将NOx催化热裂变为N2和O2,目前的问题是废气在催化器中停留时，催化器效率不高，因此带来转化还原效率也受到很大限制。为减少颗粒排放而研制的各种“柴油机颗粒收集器或称过滤器(DEF)”，虽然不少产品已在欧洲轿车柴油机上装车使用，但由于DEF的耐久性差且过滤器的再生问题也没有彻底解决，因此，该项技术也正在进一步改进和发展中。5）改进燃料燃料性能的改进，对减少排放起到很大作用，日本继美欧之后，从1997年开始把轻油中的硫含量降到0.05%以下，以此大幅度减少排放颗粒中的硫酸盐，同时减少EGR造成的发动机内部的腐蚀磨耗及催化剂中毒；进一步减少硫含量，提高十六烷值，可进一步降低NOx。减少芳香烃，尤其是减少3环以上的芳香族成分，可减