车用汽油机的节油潜力及高效汽油机的可行性

第26卷（2008）增刊内燃机学报TransactionsofCSICEVol.26（2008）Suppl收稿日期：2008-10-31；修回日期：2008-11-02。作者简介：杨嘉林，博士，E-mail：[e-mail]。文章编号：1000-0909（2008）增-0077-0626-104车用汽油机的节油潜力及高效汽油机的可行性杨嘉林(上汽集团股份有限公司技术中心，上海201804)摘要：本文通过对未来30年的主要交通能源和乘用车动力主流产品的分析，指出研发汽油机节油技术的重要性。车用汽油机还有很大节油潜力，尤其是均质压燃汽油机克服了点燃燃烧对发动机空燃比和压缩比的限制，能够提高汽车平均燃油效率达25%以上。均质压燃的燃烧时间能在各种情况下得到可靠控制，因而能够在车辆上应用。目前国内车用发动机技术研发现状不容乐观。要避免在10年内陷入困境，应建立车用发动机创新研究的体制。关键词：汽油机；燃油经济性；均质压燃；交通能源中图分类号：TK411+.7文献标志码：APotentialandFeasibilityofHigh-EfficiencyGasolineEnginesforVehicleYANGJia-lin(SAICMotorTechnicalCenter，Shanghai201804，China)Abstract：Thispaperanalyzedthemajortransportationenergyandthemainstreampowertrainproductsofpassengercarsinthenext30years，leadingtoaconclusionthatthedevelopmentofgasolineenginetechnologiesisimportant.Gasolineen-gines，especiallyhomogeneouschargecompressionignition(HCCI)engines，Becausetheconstrainsonair-fuelratioandcompressionratioofagasolineengineduetotheneedofsparkignitionandflamepropagationhavebeenremoved，anHCCIenginecansignificantlyimprovevehiclefueleconomybymorethan25%.CombustiontimingofanHCCIenginecanbecontrolledandHCCI；henceanbeappliedinvehicle.EnginetechnologyR&DinChinaisnotwellestablished.Toavoidbeingintroublewithin10years，ChineseautomakersshouldestablishenginetechnologyR&D.Keywords：Gasolineengine；Fueleconomy；HCCI；Transportationenergy引言汽车动力技术正遇到重大挑战。由于地球上石油资源消耗速度不断增加，能源开始紧缺，油价急剧上升。内燃机燃烧产生温室气体使地球变暖，影响人类生存环境。“内燃机到底能用多久”，“是否值得研发高效内燃机技术”已成为一个问题。在制定应对能源紧缺战略时，无论是国家还是企业都应首先对一些基本问题作认真研讨，弄清楚什么是未来30年的主要交通能源，什么是未来30年的轿车主流动力产品，并了解目前占99%以上轿车市场的汽油机的节油潜力和高效汽油机的可行性。1乘用车主流产品的动力制定应对能源紧缺战略，首先要分析未来30年汽车动力主流产品。如果放弃研发主流产品的节油技术，盲目地把研发资源集中用于非主流产品技术或至少50年后才有可能大量应用的汽车动力技术，会使中国汽车工业新建的自主产权部分在10年内陷入困境，即使能勉强生存，30~50年内也无法翻身。1.1未来30年内的主要交通能源电力可直接驱动或通过制取氢燃料来驱动车辆，是未来利用新能源的重要途径。但至今仍不能看到什么是在50年内能够大量供应而又不危害环境的新能源来生产电力。中国拥有大量煤炭资源，目前80%电力为火电。但欧盟联合研究中心报告说，用煤炭发电驱动汽车会使温室气体排放至少增加一倍，使环境污染问题更为严重。用其它能源发电，包括直接利用太阳能、风能、河流、潮汐等，虽然对环境没有危害，但潜在的发电·78·内燃机学报第26卷增刊量有限。如果要减少温室气体排放而采用这些清洁能源代替煤炭发电，不能提供更多电力。核裂变发电由于各种原因，目前仅占全国发电量不到1%，难以成为主要能源。利用海水中的重氢进行核聚变能够在相当长的时期提供人类所需要的能量，是真正能大量供应的新能源。但可控核聚变技术至今仍未突破，目前还看不到在50年内大规模利用核聚变能量发电的可能性。在代用燃料方面，用粮食制取燃料已开始影响人类粮食供应。而用木材、植物以及利用废料等生产燃料的数量有限。由于至今仍看不出在未来50年内会出现哪一种可大量供应而又不危害环境的新能源来代替石油作为主要交通能源，交通能源的基本转型将至少在50年之后，在至少30年内车辆将不得不继续主要依靠石油产品来驱动。在这种情况下，汽车公司可以把一部分研发资源用于电动汽车和插电式汽车等，但应当把研发重点放在降低燃油动力的油耗方面，使得未来30年内的主流产品有竞争力。1.2什么是未来30年内乘用车动力的主流产品？1.2.1混合动力混合动力使汽车发动机仅在高效区工作，提高车辆平均燃油效率。不同混合动力节油效果不同，可从5%到50%。高效混合动力的成本高，可达数万元，因此市场占有率受到限制，难以成为主流乘用车产品。节油技术产品的市场份额对汽车公司平均油耗(CAFC)的改善有重大影响。如图1所示，即使混合动力技术能够降低油耗达50%，由于其成本高，可能仅占公司销售量的10%，公司平均油耗仅能降低5%，低于高效内燃机技术对公司平均油耗的影响。图1比较混合动力和高效内燃机技术对降低公司平均油耗的效果Fig.1Comparisonoftheeffectofhybridandhigh-efficientenginetechnologyonreductionofthecooperateaveragedfuelconsumption(CAFC)1.2.2柴油机轿车柴油机比汽油机的热效率高。根据欧盟联合研究中心(EUACEA)公布的数据，在2004年欧洲柴油轿车的CO2排放(油耗)比汽油车低11%。图2比较了在2003年前后生产的6台2.0L轿车汽油机和5台1.9~2.0L轿车柴油机在1500r/min转速下不同负荷的比油耗。当转速增加时，两类内燃机油耗之间的差别有所下降，但柴油机仍优于汽油机。预计将来柴油机油耗会因满足更严格的排放法规而有所增加。在国内推广柴油轿车受到柴油供应紧张的限制。中国炼油的柴汽比已高达2.3∶1，很难再提高。所炼制的汽油主要依靠轿车来消耗。因此，即使未来柴油供应紧张得到缓解，容许生产一些柴油轿车，所占比例也一定会很小，在中国难以成为主流产品。图2比较11台在2003年前后生产的轿车柴油机和汽油机的油耗Fig.2Comparisonof11gasolineanddieselenginesproducedaround20031.2.3汽油机轿车汽油轿车目前占中国轿车市场99%以上的份额。虽然汽油机的热效率低于柴油机(图2)，但它有一些重要优点：成本低及在中国汽油供应比柴油充足，解决了混合动力和柴油轿车所遇到的难题；升功率高、重量轻、后处理技术较成熟，又有很大的节油潜力，采用新技术后可提高部分负荷热效率。这些因素使汽油机能够在未来30年内继续作为乘用车的主流动力。图3显示不同燃油动力车辆燃油平均效率和单机成本的相对提高。图3不同燃油动力技术使汽车平均燃油效率的提高和汽车成本的增加Fig.3Theincreaseinvehiclefuelefficiencyandpiececostofdifferentpowertraintechnologies2008年12月杨嘉林：车用汽油机的节油潜力及高效汽油机的可行性·79·2汽油机的节油潜力2.1汽油机热效率低于柴油机的原因汽油机热效率低于柴油机是由于汽油机燃烧依靠点燃和火焰传播，混合气的空燃比必须控制在一定范围。在低负荷工况不得不进行节流降低进气压力，造成泵气损失，也使混合气的比热比较低，影响热效率。火焰传播时火焰前锋面后面未燃混合气可能发生爆燃，需要限制压缩比。因此，尽管汽油机的机械磨擦损失比柴油机小，油耗仍比柴油机高(图2)。2.2提高汽油机部分负荷燃油效率的途径提高汽油机部分负荷热效率可通过不同途径。首先，提高进气压力可降低泵气损失，包括采用可变气门定时或可变升程机构、均匀混合直喷与可变气门定时结合[1-2]、废气再循环、稀燃、分层燃烧缸内直喷、各缸进气道节流等技术。其中“软喷射”或称“喷雾引导”型分层燃烧缸内直喷汽油机[2]可提高汽车在规定运行工况的平均燃油效率近15%。其次，可避免或减少发动机在低效率的低负荷工况工作，包括采用部分气缸停缸技术、怠速自动停机及自动起动技术、变冲程数发动机减小排量、增压减小发动机排量等。其中直喷增压减小排量后汽车平均燃油效率可提高10%以上。采用一些储能技术，包括蓄电池、压缩空气瓶、储能飞轮等，也可避免发动机在低效率的低负荷工况工作，常称为混合动力。其他节油措施包括改进结构设计和各运动副的摩擦来降低机械摩擦损失、控制润滑油粘度和温度、排气热量利用、冷起动时用排气加热进气、冷却水温控制提高机体温度、可变压缩比机构、可变排量机油泵、电动水泵、低负荷工况冷却水节流[3]、电动风扇、高效电机等，能不同程度地降低油耗。2.3新型汽油燃烧方式—均质压燃汽油机均匀混合气压燃汽油机的燃烧不依靠外源点火和火焰传播，因而混合气空燃比和发动机压缩比不再受到燃烧所带来的限制，使部分负荷热效率有大幅度提高的可能性。车用均质压燃汽油机有不同方案[4-8]，节油效果也不相同。图4比较3类汽油机：1台单缸优化动力型(OKP)均质压燃汽油机[4-5]、1台分层燃烧缸内直喷(DISI)汽油机样机以及2台电喷(PFI)汽油机在转速为1,500r/min下的试验结果。4台发动机试验数据处理方法相同，其平均有效压力都是根据运转和拖转时所测量转矩之差决定的。在一个典型低负荷工况，OKP型均质压燃汽油机的燃油效率比电喷汽油机高50%左右。OKP汽油机的压缩比提高至15左右，在高负荷工况以点燃方式工作，由于采用Atkinson循环，油耗也比电喷汽油机低。根据不同工况下测量数据估算车辆运行工况下的平均燃油效率，可比常规电喷汽油机汽车提高25%~30%(图3)。均质压燃汽油机热效率高可从影响活塞式发动机热效率的7个因素得到解释。表1对不同类型活塞式发动机进行评估，A优于B。可以看到，OKP型汽油机总是属于较好的A组，因而能大幅度提高热效率，应当说已接近活塞式发动机部分负荷热效率在技术上的上限。图4三类不同汽油机在1500r/min不同负荷下比油耗值比较Fig.4Comparisonofnetindicatedspecificfuelconsumptionof3differenttypesofgasolineenginesat1500r/min表1从影响活塞式发动机热效率的七个因素比较不同类型的活塞式发动机Tab.1Evaluationofthermalefficiencyofdifferentpistonenginesbasedon7keyfactorsHCCI电喷汽油机车用柴油机直喷分层CAICSIOKPVCR压缩比BABBBAA泵气损失BAA-A-AAA气体比热比BAA-BBAA传热损失BB-BAAAA-高温分解BBBAAAA燃烧时间损失AA-BA-A-AA机械摩擦损失ABAAAA-B+·80·内燃机学报第26卷增刊3在车辆上