國內(nèi)外汽車發(fā)動機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1、國內(nèi)外汽車發(fā)動機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢內(nèi)燃機的發(fā)展帶動汽車的發(fā)展，伴隨汽車產(chǎn)銷量快速增長而來的是大氣污染和石油消耗。無疑，先進的發(fā)動機技術(shù)將在汽車節(jié)能、環(huán)保技術(shù)開發(fā)中起著關(guān)鍵的決定性的作用。近 20 年來, 面對世界石油資源日趨枯竭給社會發(fā)展帶來的壓力, 面對汽車保有量急劇增長對環(huán)境的影響, 世界汽車界不停地在尋找實現(xiàn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的解決方法。一. 車用柴油機發(fā)展及現(xiàn)狀1.1 車用柴油機的性能特點（1） 有能量密度高（大型低速增壓柴油機的有效熱效率已超過50%），燃油消耗率低，這對節(jié)約能源和提高經(jīng)濟效益都很重要。（2） 好的燃油經(jīng)濟性；（3） 溫室效應(yīng)氣體排放少，其二氧化碳的排放量比汽油機大約低

2、30-35%，但廢氣中含有害成分（NO，顆粒物等）較多，噪聲較大，在環(huán)境環(huán)抱方面已引起重視。（4） 功率和轉(zhuǎn)速范圍很大（功率165580KW，轉(zhuǎn)速545000r/min），因此應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?（5） 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，零部件材料和工藝要求較高，制造成本較高，與汽油機相比質(zhì)量較大。主要有三大優(yōu)點:(1)經(jīng)濟。首先, 每單位柴油的能量含量比汽油高;其次,柴油機的壓燃特性, 使其熱效率比汽油機高。一般柴油機的油耗要比汽油機的低 30%40%。(2)環(huán)保。一般來說, 機動車的主要排放物有一氧化碳、碳氫化合物、二氧化碳、顆粒物和氮氧化物。相對而言, 柴油機的一氧化碳、碳氫化合物和二氧化碳排放量極低, 但在顆粒物和

3、氮氧化物的排放控制上要比汽油機更難處理。 這是柴油機本身的特性造成的, 可通過現(xiàn)代技術(shù)處治。(3)柴油機低速大扭矩的特性, 為汽車提供了更好的使用性能。 通過采用先進的燃油噴射技術(shù)和電控技術(shù), 現(xiàn)代柴油機在動力性、加速性、舒適性指標上已經(jīng)無異于汽油機。1.2 國內(nèi)柴油機的現(xiàn)狀自2003年以來,國內(nèi)柴油機行業(yè)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)調(diào)整:濰坊柴油機廠在2002年的基礎(chǔ)上繼續(xù)保持快速增長勢頭,功率水平也有了明顯提高;上海柴油機廠在商用車柴油機領(lǐng)域初露鋒芒,主要得益于北汽福田歐曼重卡市場份額的迅速提高;廣西玉柴機器股份有限公司作為行業(yè)的領(lǐng)先者,進行了新一輪的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化,產(chǎn)品順利實現(xiàn)從歐向歐的過渡,完善了產(chǎn)品系列

4、(從4缸機到 6缸機)平臺,進一步拓展了功率覆蓋范圍,柴油機最大功率水平可以達到257 kW(350 ps)?？傮w水平有了顯著提高。無論是從經(jīng)濟性還是從環(huán)保角度講，國內(nèi)的車用柴油機技術(shù)已經(jīng)接近世界平均水平了。自產(chǎn)發(fā)動機已經(jīng)完全能夠滿足國內(nèi)重卡及低端乘用車對發(fā)動機的需求，無需外購。1.3 國外柴油機的現(xiàn)狀目前西歐國家不但載貨汽車和客車使用柴油發(fā)動機，而且轎車采用柴油機的比例也相當大。最近，美國聯(lián)邦政府能源部和以美國三大汽車公司為代表的美國汽車研究所理事會正在開發(fā)新一代經(jīng)濟型轎車同樣將柴油機作為動力配置。經(jīng)過多年的研究、大量新技術(shù)的應(yīng)用，柴油機最大的問題煙度和噪聲取得重大突破，達到了汽油機的水平。

5、 1.4 柴油發(fā)動機的主要問題柴油發(fā)動機存在的主要問題就是氮氧化物和黑色的碳煙。 柴油機在燃燒時的壓力和溫度都高于汽油機, 吸入燃燒室里的空氣也較多, 燃燒室內(nèi)剩余空氣中的氧氣和氮氣很容易在高溫、高壓的條件下發(fā)生反應(yīng), 而生成氮氧化物。燃燒區(qū)域中油滴周圍的含氧量相對柴油汽較低, 影響了柴油的充分燃燒, 這將導(dǎo)致碳煙 (燃油中未燃燒的碳) 的排放, 也就是顆粒物。不過, 隨著柴油機技術(shù)的進步, 其環(huán)保性能已大有改善。 自 1998 年以來, 新型公路用柴油機的顆粒物排放量已降低了 83% , 氮氧化物的排放量也已降低了 63% , 達到歐洲或歐洲的柴油發(fā)動機已經(jīng)基本消除了黑煙。這主要得益于 90

6、 年代以來柴油機技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展, 燃油供給、燃燒室設(shè)計和渦輪增壓方面的改良。2柴油機所采用的新技術(shù)及發(fā)展趨勢柴油機的大功率、低排放、良好的電子控制等顯著優(yōu)點將使柴油發(fā)動機在新的時代有長足的發(fā)展?，F(xiàn)在全球各大廠商正致力于新型綠色環(huán)保柴油機的研發(fā) ，在和顆粒物的排放方面將得到近一步改善。而關(guān)鍵點是燃油的精確配置和廢氣的后置處理，電子新科技將運用到新一帶柴油機上。而且在混合動力方面柴油機也有其應(yīng)用特點，高扭矩配合電動汽車的快速響應(yīng)和零排放，將是一種很不錯的選擇。 1) 共軌與四氣門技術(shù)國外柴油機目前一般采用共軌新技術(shù)、四氣門技術(shù)和渦輪增壓中冷技術(shù)相結(jié)合， 使發(fā)動機在性能和排放限值方面取得較好的成

7、效，能滿足歐3排放限值法規(guī)的要求。四氣門結(jié)構(gòu)（二進氣二排氣）不僅可以提高充氣效率，更由于噴油嘴可以居中布置， 使多孔油束均勻分布，可為燃油和空氣的良好混合創(chuàng)造條件；同時， 可以在四氣門缸蓋上將進氣道設(shè)計成兩個獨立的具有為同形狀的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)可變渦流。 這些因素的協(xié)調(diào)配合，可大大提高混合氣的形成質(zhì)量（品質(zhì)），有效降低碳煙顆粒、HC 和 NOX 排放并提高熱效率。2) 高壓噴射和電控噴射技術(shù)高壓噴射和電控噴射技術(shù)是目前國外降低柴油機排放的重要措施之一， 高壓噴射和電控噴射技術(shù)的有效采用，可使燃油充分霧化，各缸的燃油和空氣混合達到最佳， 從而降低排放，提高整機（車）性能。3) 增壓中冷技術(shù)采用渦輪增

8、壓增加柴油機的空氣量，提高燃燒的過量空氣因數(shù)是降低大負荷工況排氣煙度、 PM 排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空空中冷系統(tǒng)，可使增壓空氣溫度下降到50以下， 工作循環(huán)溫度的下降有助于NOX的低排放和PM的下降，故目前重型車用柴油機都普遍是增壓中冷型， 不僅有助于低排放而且燃油經(jīng)濟性良好。此外，渦輪前排氣旁通閥的應(yīng)用，不僅能降低PM和CO排放， 還可以改善渦輪增壓柴油機的瞬態(tài)性能和低速扭矩。4) 排氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)的應(yīng)用EGR 是目前發(fā)達國家先進內(nèi)燃機中普遍采用的技術(shù)，其工作原理是將少量廢氣引入氣缸內(nèi)， 這種不可再燃燒的 CO2 及水蒸汽廢氣的熱容量較大，能使燃燒過程的著火延遲期增加，

9、燃燒速率變慢， 缸內(nèi)最高燃燒溫度下降，破壞 NOX 的生成條件。EGR技術(shù)可使機動車NOX排放明顯降低， 但對重型車用柴油機而言，目前傾向于使用中冷EGR技術(shù)，因為其不僅能明顯降低NOX， 還能保持其他污染物的低水平。5) 后處理技術(shù)柴油機后處理的目標是進一步改善PM和NOX的排放。 目前主要采用加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器和研究開發(fā) NOX 催化轉(zhuǎn)化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。6) 降低機油消耗柴油機排放的顆粒物中，有相當一部分來自餾分較重的機油的燃燒。 為了滿足日益嚴格的柴油機（車）排放限值標準的要求，必須把來自機油的燃燒降至最低限度， 即在保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)的前提下，最大限度地減少機油的

10、消耗。為了降低柴油機的機油消耗， 活塞環(huán)的優(yōu)化設(shè)計和制造及缸套間的科學(xué)配置非常重要。二 .車用汽油機發(fā)展及現(xiàn)狀1.1國內(nèi)汽油機現(xiàn)狀目前國內(nèi)已經(jīng)能夠自行設(shè)計并開發(fā)中小功率的汽油發(fā)動機和部分中速發(fā)動機。華晨汽車將自主知識產(chǎn)權(quán)的1.8T發(fā)動機裝上了自己的汽車。中國“首款自主T系列車型”1.8T中華轎車近日在北京人民大會堂高調(diào)上市。清華大學(xué)汽車工程開發(fā)研究院常務(wù)副院長宋健博士告訴記者，根據(jù)他的了解，即使與國外的“T”型車相比，1.8T中華的表現(xiàn)也仍然在多項指標上高出一截。盡管合資汽車公司在總量上占據(jù)了目前中國國內(nèi)發(fā)動機生產(chǎn)的絕大部分地盤，但作為汽車的心臟，自己制造發(fā)動機也出現(xiàn)在越來越多的中國自主品牌汽

11、車公司的計劃中。吉利汽車做出了中國第一臺CVVT發(fā)動機；奇瑞和奧地利AVL公司合作開發(fā)了多款發(fā)動機；長安汽車和德國FEV公司合作開發(fā)了系列發(fā)動機；海馬汽車也引進了馬自達的發(fā)動機技術(shù)。國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的發(fā)動機廠可以分為三大類：第一類 是2000年以前投產(chǎn)的，基本是20年以前的技術(shù)，典型的代表就是豐田的491發(fā)動機至今還在生產(chǎn)。第二類 是在2000年到2005年之間投產(chǎn)的，它是上一代技術(shù)被轉(zhuǎn)移到中國來的結(jié)果，典型的代表是三菱4G6平臺上的發(fā)動機。第三類 是2005年之后開工的，和國際先進水平保持同步水準，比如通用的V8的技術(shù)、大眾的EA888平臺上的直噴技術(shù)。也就是說，不同技術(shù)水平的發(fā)動機現(xiàn)在幾乎都在

12、中國同時生產(chǎn)。但是隨著中國政府排放法規(guī)的越來越嚴格，未來技術(shù)落后的發(fā)動機將難以在國內(nèi)立足。從目前發(fā)動機的國2排放標準到2007年7月1日實施的國3排放標準，再到2010年的國4排放標準，以及2013年可能實施的國5排放標準，發(fā)動機廠家被不斷要求提升技術(shù)能力。當然，這種發(fā)動機的升級換代工作還受燃油價格、油品質(zhì)量特別是柴油質(zhì)量的影響。汽車消費稅政策和燃油消耗量政策，也都會對發(fā)動機在中國的生產(chǎn)起到很大的作用。混合動力和代用燃料仍然會扮演重要的替代角色。1.2國外汽油機的現(xiàn)狀以福特為例，日前，福特汽車公司在美國底特律推出了一項名為EcoBoost的全新發(fā)動機技術(shù)。未來5年中，每年在北美將有50萬輛福特

13、、林肯和安全品牌汽車采用這一新技術(shù)，從而使其燃油經(jīng)濟性提升高達20。 采用EcoBoost技術(shù)的4缸和6缸發(fā)動機兼具渦輪增壓和燃油直噴兩種技術(shù)。相比更為昂貴的混合動力與柴油發(fā)動機，EcoBoost技術(shù)建立在現(xiàn)今廣泛使用的汽油發(fā)動機上，通過改進，使其在無損駕駛性能的前提下提高燃油經(jīng)濟性并降低排放。目前，各國的汽車公司都在大力開發(fā)和采用這種技術(shù)先進、性能優(yōu)異的產(chǎn)品。日本三菱汽車公司一直處于領(lǐng)先地位。自1996年8月率先向市場投放第一臺GDI發(fā)動機以來，三菱公司先后又開發(fā)出了多種不同類型的GDI發(fā)動機，即2.4L四缸機、3.0L六缸機和3.5L六缸機，它們已分別裝用于四種中、大型轎車投放市場。近年來

14、，該公司又推出多種GDI新機型:4.5L的V8機、1.5L的直列四缸機和0.66L的直列三缸機。三菱公司稱，其1.8L的GDI發(fā)動機不僅可節(jié)省燃油20，降低排放20，而且還可把發(fā)動機的功率和扭矩提高10。2汽油機所采用的新技術(shù)及發(fā)展趨勢燃油電子噴射 相比于過去采用的化油器，燃油電子噴射系統(tǒng)可以的燃油計量精確度上有較大幅度的提高。因此，采用電子控制燃油噴射的汽油機，其經(jīng)濟性和動力性有很大的提高，使對混合氣濃度要求的三效催化轉(zhuǎn)化器降低排放成為可能。電子控制燃油噴射從單點式發(fā)展到多點式。這使汽油機不僅在動力性上仍舊能保持其密度的特點，而且其燃油性幾乎可以和柴油機相媲美。有人甚至稱汽油直接噴射是汽油機

15、的一次革命。汽油直接噴射技術(shù)已經(jīng)在日本三菱、豐田和日產(chǎn)的一些發(fā)動機上應(yīng)用。歐洲的一些汽車公司如德國大眾、法國雷諾等也在發(fā)展之中。點火和管理系統(tǒng) 汽油機是電火花點燃混合氣的點燃式發(fā)動機。火花的發(fā)生過去是依靠點火系統(tǒng)內(nèi)的機械式白金斷電器來完成的。斷電器在高速運轉(zhuǎn)下很容易磨損并燒蝕，從而使發(fā)動機出現(xiàn)失火，造成動力性下降和有害排放物激增的后果。采用電磁式或霍爾式無觸點的斷電器便徹底解決汽油機運轉(zhuǎn)過程中動力下降的排放增加的難題，也大大地減少了發(fā)動機的維修和保養(yǎng)工作?，F(xiàn)代的高性能汽油機已經(jīng)毫無例外地采用了電子控制的無觸點點火系統(tǒng)?？勺儦忾T定時和升程系統(tǒng) 發(fā)動機的氣門是控制進氣與換氣過程的基本機構(gòu)，主要的控

16、制參數(shù)是氣門定時和升程。對應(yīng)于一定的運行工況，要求的定時和升程各不相同。但一般發(fā)動機一經(jīng)制造出后，氣門機構(gòu)的定時和升程便不能改變，這勢必造成部分工況不能在最優(yōu)的狀態(tài)下，動力性、經(jīng)濟性和排放品質(zhì)達到最優(yōu)。以日本本田思域車用發(fā)動機為例，1.5升排量、非增壓的直列4缸汽油機，采用VTEC系統(tǒng)后，功率由70kW提高至100kW。目前正在發(fā)展的完全電子控制的氣門機構(gòu)，可以取消汽油機的節(jié)氣門，進氣量大小完全由氣門定時和升程決定。這樣可以使汽油機燃料經(jīng)濟性再提高一步。汽油機直噴（GDI）技術(shù)，就是將汽油通過高壓（約100大氣壓）供油系統(tǒng)將汽油直接噴到燃燒室內(nèi)與空氣混合、燃燒。GDI在電子噴射和控制技術(shù)取得長

17、足發(fā)展后，于上世紀90年代后期開始進入市場。與傳統(tǒng)的多點氣道噴射的汽油機相比，GDI有四大顯著的優(yōu)點：能有效降低發(fā)動機的未燃碳氫化合物的排放，因為GDI技術(shù)避免了氣道噴射汽油機在冷起動時燃油在氣道壁面沉積的問題，而且極大地提高了燃油與空氣的混合程度，更為精確地控制了每個燃燒循環(huán)的空氣與燃油的比例，從而達到缸內(nèi)完全燃燒的目的；使汽油在燃燒室內(nèi)霧化、蒸發(fā)，降低了燃燒室內(nèi)空氣的溫度，從而增加了燃燒室內(nèi)空氣的質(zhì)量；因汽油蒸發(fā)降低了充氣的溫度，使發(fā)動機設(shè)計師有可能提高發(fā)動機的壓縮比，提高發(fā)動機的熱效率；GDI使發(fā)動機能很容易實現(xiàn)分層燃燒。燃燒速率控制滑片是另一項節(jié)能環(huán)保技術(shù)，類似的設(shè)計思想在Toyota

18、和Ford的發(fā)動機上有所體現(xiàn)。汽油機在怠速和小負荷時，燃燒室內(nèi)殘余廢氣所占的比例很高，會導(dǎo)致點火困難、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，這會負面影響發(fā)動機的排放及效率。而另一方面，在一般城市交通中，汽車發(fā)動機絕大部分時間是在中、小負荷及怠速狀況。優(yōu)化汽油機在這些狀態(tài)下的排放和熱效率具有重大的意義。燃燒速率控制滑片就是通過促進燃燒室內(nèi)在火花塞附近創(chuàng)造穩(wěn)定的、容易點燃的空氣燃油混合比，通過增加燃燒室湍流的強度達到節(jié)能環(huán)保的目的。發(fā)動機在怠速或小負荷時，發(fā)動機電子控制器會實時調(diào)節(jié)滑片在發(fā)動機進氣道的位置，使滑片擋住進氣道部分截面積，從而使新鮮空氣燃油混合氣在進入燃燒室時有一切向的速度，在燃燒室內(nèi)形成有序的渦流。在著火

19、及燃燒的早期，有序的渦流碎化成小尺度的渦流，從而大大提高火焰的傳播速度。另一項最近兩年開始投入市場的汽油機技術(shù)就是切缸工作循環(huán)，或稱為可變排量。可變排量技術(shù)就是根據(jù)汽車動力的需求來實時決定發(fā)動機的有效排量，使做功的汽缸總是處于大負荷狀態(tài)，從而達到節(jié)能環(huán)保的目的。這一技術(shù)適用于中大排量、V型布置的發(fā)動機，如本田的V6、通用的V8及戴-克的V12汽油機。三其他車用發(fā)動機11油、電、氫混合動力技術(shù)混合動力車屬于電動汽車，采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機和電動機作為動力能源，通過混合使用熱能和電能兩套系統(tǒng)開動汽車?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的最大特點是油、電發(fā)動機的互補工作模式。在起步或低速行駛時，車子僅依靠電力驅(qū)動，此時汽油發(fā)動

20、機關(guān)閉，車輛的燃油消耗量是零；當車輛行駛速度升高(一般達40km/h以上)或者需要緊急加速時，汽油發(fā)動機和電機同時啟動并開始輸出動力；在車輛制動時，混合動力系統(tǒng)能將動能轉(zhuǎn)化為電能，并儲存在蓄電池中以備下次低速行駛時使用。日本馬自達汽車公司于去年年底展出了一款全新的普力馬混合動力概念車，并向人們展示了其全新的油、電、氫共三種能源的混合動力技術(shù)。該款混合動力車本身就具備了混合動力車的特征，它內(nèi)部有一個內(nèi)燃發(fā)動機，從電動機獲得助力，所需電力則是來自剎車等操作而產(chǎn)生并被儲存在一個大電池中的電能。同時，馬自達還嘗試著將這種電動引擎和一種本身就是混合動力引擎的內(nèi)燃發(fā)動機結(jié)合在一起，后者既能使用汽油、也能使

21、用氫氣作為燃料。公司花費了數(shù)年的時間開發(fā)出這種雙燃料內(nèi)燃發(fā)動機，并表示已經(jīng)可以進行批量生產(chǎn)。1.2天然氣驅(qū)動技術(shù)天然氣驅(qū)動技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多車型中，具備了較高的經(jīng)濟性能，例如歐寶汽車推出的賽飛利CNG，便是以天然氣作為主要燃料。以歐寶賽飛“CNG”為例，其燃效為18.9km/kg。目前的天然氣價格為每公斤0.76歐元，成本可比柴油發(fā)動機款減少大約30%，而比汽油發(fā)動機款則可減少大約50%。而且車上的天然氣罐由高強度鋼制成，其天然氣傳輸管線也由不銹鋼制成；同時由于因沖撞導(dǎo)致天然氣泄漏的危險較低，而且天然氣比汽油易燃性低，所以與普通車輛相比，著火的危險性更低。1.3氫燃料電池驅(qū)動技術(shù)這種技術(shù)具有一種潛在的魅力，如果工程師和科學(xué)家們能夠?qū)⑦@種潔凈蓄能系統(tǒng)真正地應(yīng)用于汽車，那么大多數(shù)汽車上使用的內(nèi)燃發(fā)動機將成為歷史。燃料電池通過化學(xué)反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化成電能，這種化學(xué)反應(yīng)的唯一副產(chǎn)品是熱量和水蒸氣。電能供應(yīng)給電機來驅(qū)動汽車。該項技術(shù)依靠氫和氧的化學(xué)反應(yīng)釋放能量，相對于內(nèi)燃機驅(qū)動，燃料電池驅(qū)動的效率更高，污染更低，甚至是沒有污染，它排出的僅有純凈的水蒸氣。實際上從60年代起，航天工業(yè)就已經(jīng)使用這種燃料電池了。該技術(shù)已應(yīng)用于部分試驗車輛和為某些建筑物提