汽油機節(jié)能和排放

汽油機節(jié)能和排放1.

多氣門技術

一般情況下，汽油機需要能充分進氣和充分排氣，并根據(jù)需要靈活調節(jié)。先進的充氣技術通常一般主要指多氣門技術、氣門可變技術，而增壓技術本質上也可以歸納為先進的充氣技術。

多氣門技術指發(fā)動機每缸進氣門數(shù)在兩個或兩個以上。與二氣門發(fā)動機相比，每缸四氣門(二進二排)或五氣門(三進二排)設計一方面可增大進氣流通面積，提高充量系數(shù)，減小泵吸損失，提高發(fā)動機經(jīng)濟性和高速時的動力性；另一方面每缸多氣門便于火花塞居中布置，縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，降低爆燃傾向，提高壓縮比。多氣門發(fā)動機的每個氣門較小，因此，每個氣門的慣性質量也較小，這為提高發(fā)動機的轉速進而提高發(fā)動機的：升功率提供了可能。德國FEV汽車技術研究所對多臺四氣門和二氣門發(fā)動機進行了性能試驗，結果表明：采用四氣門后，在額定轉速時，發(fā)動機充量系數(shù)提高15％，平均有效壓力提高25％，壓縮比提高一個單位，升功率達到65kW／L，升扭矩達到105(N·m)／L，最低比油耗達245gkW·h，已達到了渦流室式柴油機的油耗水平。目前多數(shù)轎車發(fā)動機(如夏利2O0O轎車裝載的豐田8A—FE16氣門發(fā)動機)采用每缸4個氣門的配置，使發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性得到最佳發(fā)揮。有的發(fā)動機還采用了每缸5氣門的配置(如奧迪A6發(fā)動機)。汽油機多氣門化已成為當代汽車發(fā)動機的基本配置。

可變氣門技術

在普通的發(fā)動機上，進氣I]和排氣1]的開閉時間和升程是固定不變的，在發(fā)動機運轉過程中是不能改變的，不能滿足發(fā)動機各種轉速下對氣門開啟的不同需要?？勺儦忾T技術則使進排氣根據(jù)需要，靈活調整發(fā)動機的進氣和排氣，使得發(fā)動機效率更高。根據(jù)靈活調節(jié)的范圍和程度的不同，又可以分為氣門正時可變、氣門正時連續(xù)可變、氣門升程可變、氣門正時和升程都可變等類型。3.

氣門腳間隙取允許值的上限

由于氣門重疊角的存在，發(fā)動機排氣沖程后期、進氣沖程初期必然有部分新鮮混合氣直接從尾氣中排出，形成排氣污染。氣門重疊角越大，尾氣中的HC含量越多，因此在調整氣門腳間隙時取允許值的上限，可減小氣門重疊角，從而降低HC的排放。

4.增壓技術

增壓可以提高發(fā)動機的升功率，減少發(fā)動機的體積和重量，改善整車的燃油經(jīng)濟性。渦輪增壓在柴油機上應用很早，現(xiàn)如今在汽油機上也算不上新技術。但是，近年來渦輪增壓技術在汽油機上的應用卻有了質的突破，新一代的渦輪增壓發(fā)動機功率更大，可靠性和易維護性都大有提高。此外可變螺距、雙渦輪等新技術的出現(xiàn)，使得渦輪增壓發(fā)動機的滯后問題也基本得以解決。特別值得一提的是，不少國外廠家紛紛將新一代渦輪增壓技術與缸內直噴技術相結合，成為了小排量高性能汽油發(fā)動機的全新典范。裝備此類發(fā)動機的普通家用轎車擁有相當可觀的升功率，其加速性能甚至可以媲美那些大排量的高性能跑車。5.底盤維護

底盤維護對汽車排放性能有間接影響。如維護中摩擦阻力增大，輪胎氣壓不足，滾動阻力增大，汽車的加速時間延長，從而使發(fā)動機在濃混合氣狀態(tài)下工作時間過長，排污量增加。在底盤維護中，凡是影響汽車加速性能、動力傳遞和變速器換擋靈活性的項目都可能間接影響汽車的排放性能。因此，為了減輕汽車排氣污染，必須加強底盤維護。6.廢氣再循環(huán)(EGR)技術

廢氣再循環(huán)(EGR)(23增大了發(fā)動機的充量系數(shù)，提高了發(fā)動機的熱效率，減少了發(fā)動機的泵吸損失，降低了燃油消耗；同時由于廢氣中的CO、N、H2O等惰性氣體具有較高的比熱容，多變指數(shù)低，使得最高燃燒溫度降低，抑制了NO(x)的生成，改善了發(fā)動機的排放廢氣再循環(huán)(EGR)技術必須嚴格控制發(fā)動機在各工況下的廢氣再循環(huán)量，即廢氣再循環(huán)率。廢氣再循環(huán)率過小或過大都不能使發(fā)動機的性能得到最佳發(fā)揮。一般發(fā)動機在各工況下的廢氣再循環(huán)率大小通常由發(fā)動機電子控制系統(tǒng)來完成。廢氣再循環(huán)(EGR)技術有缸內和缸外廢氣再循環(huán)兩種缸內廢氣再循環(huán)主要通過可變配氣相位實現(xiàn)；缸外廢氣再循環(huán)有冷卻和不冷卻再循環(huán)之分。Ricardo公司最新研制開發(fā)的具有可變滾流結構的CCVS系統(tǒng)，使缸內混合氣實現(xiàn)良好的排氣分層燃燒(EGS)，EGR率最大達到空氣量的70％，其可變氣門正時系統(tǒng)可在發(fā)動機不同負荷條件下實現(xiàn)不同的氣門升程，使缸內實現(xiàn)不同的滾流比，實現(xiàn)高的EGR容受度，低的NO(x)排放。7.電子控制技術

電子控制系統(tǒng)的基本功能是電子控制燃油噴射(EFI)和電控點火(ESA)，此外還有爆燃控制(KCS)、怠速控制(ISC)、節(jié)氣門控制(ECT)、電控EGR、渦流控制(SCV)和在線診斷系統(tǒng)(OBDS)等等。電控燃油噴射(EFI)技術的發(fā)展經(jīng)歷了進氣管單點噴射(SPI)、多點噴射(MPI)和缸內直接噴射(GDI)等階段，電控燃油噴射(EFI)技術的應用使得發(fā)動機各缸的混合氣在質和量上得到保證，同時也使發(fā)動機的空燃比A／F和點火提前角得到精確的控制，發(fā)動機的動態(tài)響應性提高。據(jù)統(tǒng)計，1990年美國裝用汽油噴射的發(fā)動機轎車所占比例已達到90％以上且多為進氣管多點噴射(MPI)系統(tǒng)。

在普遍采用電控燃油噴射(EFI)技術的同時，電子點火(ESA)、爆燃控制(KCS)系統(tǒng)等也得到普遍的應用。這是由于電子點火系統(tǒng)(ESA)可使發(fā)動機的點火正時準確，比機械式真空和離心點火提前效果好。防爆燃控制(KCS)系統(tǒng)可使發(fā)動機工作在爆燃的邊界上，發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性最佳。同時，電控技術也使發(fā)動機的某些機構和參數(shù)的改變和優(yōu)化成為可能。日本Honda公司1989年投入市場的VTEC—E可變氣門升程系統(tǒng)，在發(fā)動機低速和高速時，采用兩種不同的凸輪型線，使發(fā)動機的低速和高速性能得到最佳的發(fā)揮文獻[5]中還列舉了一些其它的發(fā)動機可變技術。如可變進氣管長度、可變壓縮比、可變發(fā)動機配氣相位等等。所有這些可變技術的應用，都是由于發(fā)動機電控技術的出現(xiàn)才成為可能。發(fā)動機可變技術的應用使得發(fā)動機在任何工況下都能以最佳的狀態(tài)參數(shù)運行，使得發(fā)動機性能最佳。8.缸內直接噴射技術

缸內直噴汽油機是在部分負荷時用混合氣的分層化實現(xiàn)超稀薄燃燒，得到同柴油機一樣低的燃油消耗率；在高負荷時用預混合汽油機的均勻混合，得到高功率特性的理想汽油機。目前，發(fā)動機缸內直接噴射(GDI)技術已有少量機型出現(xiàn)(如日本豐田汽車公司的D-4發(fā)動機），歐洲市場還有一些直噴發(fā)動機系統(tǒng)。雖然目前缸內直接噴射(GDI)發(fā)動機在技術、成本和排放等問題上還有一些技術難題未能克服，但由于缸內直接噴射(GDI)發(fā)動機的一些無可比擬的優(yōu)點，如部分負荷可以實現(xiàn)無節(jié)流或小節(jié)流的變質調節(jié)；對于中、小負荷的車用發(fā)動機來講，對燃油的經(jīng)濟性改善較大；缸內燃油霧化吸熱，提高了充量系數(shù)并可采用高的壓縮比，發(fā)動機的動態(tài)響應性好等。有人預計j，直噴汽油機將于2005～2010年克服上述技術、成本和排放等技術難題，成為轎車發(fā)動機的主導產品。

9.稀混合氣燃燒技術

在保證發(fā)動機對外輸出扭矩變動較小和NO(x)排放不超過上限的前提下，控制空燃比A／F在大于理論空燃比14.7的稀燃情況下燃燒運行，這種燃燒方式為稀薄燃燒j。稀燃具有許多優(yōu)點，國內外學者都開展了相關的稀燃技術研究。目前較具代表性的稀燃系統(tǒng)大致可分為均質和非均質稀薄燃燒系統(tǒng)，按照燃油的噴射方式又進一步分為：進氣道燃油噴射和缸內直接噴射稀燃系統(tǒng)。近代的稀薄燃燒系統(tǒng)多為進氣道或缸內燃油噴射而形成的非均質稀薄燃燒系統(tǒng)。汽油機燃用稀薄混合氣，可以大幅改善汽油機的燃油消耗率并改善汽油機的排放，但稀燃時汽油機的NO(x)降低較小，此可通過選擇催化還原、吸附催化還原和EGR技術等來解決：目前，天津大學已分別在TJ376Q和豐田8A—FE16氣門汽油機上通過采用特殊的進氣道和排氣可變技術，實現(xiàn)了汽油機進氣道燃油噴射空燃比在24以下的準均質稀薄燃燒。采用選擇催化還原、吸附催化還原和EGR+三元催化技術降低稀燃下汽油機的NO(x)有害氣體排放，取得了一些很有學術價值的成果。

10.代用燃料、電動汽車技術

眾所周知，汽油和柴油一直是汽車發(fā)動機的傳統(tǒng)燃料，但隨著汽車保有量的增加，汽油和柴油的消耗量迅速增加，石油的危機和環(huán)境的污染使得代用燃料和代用動力--電動汽車的研究成為熱點。代用動力發(fā)動機如斯特林發(fā)動機、燃氣渦輪發(fā)動機、改進的二沖程發(fā)動機、電動汽車和混合動力發(fā)動機等都被認為將是在21世紀比較有前途的發(fā)展方向。但這些代用動力到目前為止都存在各式各樣的尚未解決的關鍵技術問題。代用燃料包括壓縮天然氣、液化石油氣、醇類、氫氣，其中天然氣和液化石油氣在地球上的儲備量很大，且排放較低，預計將在本世紀發(fā)揮較大的作用目前國家十五科技攻關中，壓縮天然氣、液化石油氣、醇類燃料等已成為汽車節(jié)約能源和改善排放的重要課題。多數(shù)示范城市已使用了CNG，LPG汽車，而氫能、混合動力、太陽能、電動汽車等，世界上也有城市在應用。11.可控自燃燃燒過程技術

四行程汽油可控自燃燃燒過程CAI發(fā)動機就是將汽油機的混合氣形成均質的稀薄混合氣，實現(xiàn)汽油機的均質壓燃著火燃燒過程(CAI)。目前歐共體參加這一研究開發(fā)的單位較多且研究成果處于較領先的地位。這些研究單位有：英國的Bmnel大學、德國的Ruprecht--Karls大學、德國的戴姆勒--奔馳汽車公司、法國的標志雪鐵龍公司以及英國的福特公司等。它們的目標是經(jīng)過聯(lián)合開發(fā)這種新型燃燒發(fā)動機，取代當前廣泛采用的以化學當量比混合氣工作、帶三效催化器尾氣處理的轎車用四行程火花點火發(fā)動機¨。英國Bmnel大學的趙華博士等·成功地在汽油機基礎上實現(xiàn)了均質壓燃著火燃燒過程(CAI)。通過在一個氣口噴射的普通汽油機上取消節(jié)氣門，把排出廢氣的一部分重新送人燃燒室，以改變進氣的氧濃度、惰性氣體濃度以及比熱等混合氣的燃燒特性。此外，在進氣口處設置了一個電加熱器，在不同工況下把進氣溫度加熱到390～450最后經(jīng)過大量實驗找到了適合轎車道路運行工況下實現(xiàn)均質壓燃著火燃燒過程的控制條件，NO(x)排放只有幾個ppm，比原機減少100倍(原機為1000ppm以上)，油耗降低了20％。這類燃燒方法目前只能在低負荷下運轉，中等負荷以上時易出現(xiàn)爆震燃燒，以至于出現(xiàn)發(fā)動機的燃燒過程不能控制及爆發(fā)壓力高等嚴重問題，離實際應用還有較大的距離。12.汽油機柴油化技術

由于柴油機的燃燒效率遠遠高于汽油機，因此，柴油機的燃油消耗率要比汽油機低30％左右，而且柴油機的有害排放物較低(柴油機的主要排放物是NO(x)和PM)。近年來，由于柴油機技術的進步，如柴油機采用高壓噴射、二次及多次噴油技術等使得柴油機的燃油消耗率更低，柴油機的NVH(噪聲、振動和不平順性)獲得較大的改善，加上柴油機后處理器(碳煙微粒過濾器DPF和脫除氮氧化物催化器De—NO(x))的廣泛使用，使得柴油機的NO(x)和PM排放更低。目前，在輕型卡車及載重汽車中，基本上使用的都是柴油機，而在歐洲市場，在轎車領域已有近50％左右的轎車發(fā)動機使用柴油機。發(fā)動機節(jié)能和排放的發(fā)展，使得車用汽油機越來越柴油機化¨。如德國大眾汽車公司最近推向市場的1．2L，1．9LTDI柴油機，就是采用了上述一些先進技術，使轎車的耗油量達到3升／百公里的指標，成為真正的經(jīng)濟性轎車DiesOto汽柴聯(lián)姻技術

。13催化技術

汽車尾氣催化技術已有近四十年歷史，由最初的只采用氧化型二元催化劑，發(fā)展到目前廣泛采用的三元催化轉化系統(tǒng)TWC。電控燃油噴射EFI和三元催化轉化器TWC技術的結合已大幅改善了汽油機的尾氣排放，排放水平已達歐Ⅱ水平。由于汽油機節(jié)能的需要，稀燃技術得到迅速發(fā)展。目前，汽油機催化領域正在開展稀燃條件下降低NO(x)的研究。富氧條件下降低NO(x)技術已成為世界汽車和發(fā)動機研究機構的重大課題u。目前，稀燃催化轉化器分為選擇還原型(De—NO(x))、NO(x)捕集型和NO(x)分解型等。它們各有其相應的特點，都可在一定的范圍內麻用。14.優(yōu)化設計燃燒系統(tǒng)內燃機技術的發(fā)展在很大程度上與燃燒技術的發(fā)展密切相關。燃燒室結構是影響燃燒過程的主要因素，它涉及到活塞頂和缸蓋的形狀，火花塞的位置，進、排氣門的尺寸和數(shù)量，以及進氣口的設計等一系列問題。設計者對燃燒室形狀、燃燒室布置以及噴射系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，具體目標是：a)在全部工況下都能實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、連續(xù)的燃燒；b)在油門全開時有高的容積效率；c)由燃燒室壁傳走的熱量損失少；d)排放污染物低；e)抗爆燃性能好。15.優(yōu)化供油系統(tǒng)現(xiàn)代內燃機向著提高比功率、改善燃油經(jīng)濟性和符合環(huán)境保護法規(guī)的方向發(fā)展，使供油系統(tǒng)有了以下幾種發(fā)展趨勢：a)采用增壓技術。這樣不僅能提高發(fā)動機升功率，還能降低燃油消耗和有害排放物。b)改善燃油經(jīng)濟性。為達到這一目的，車用柴油機越來越多地采用直噴燃燒系統(tǒng)，并要求較高的噴油壓力和噴油率。c)精確控制噴油過程參數(shù)。隨著電控技術在供油系統(tǒng)中的廣泛應用，實現(xiàn)了內燃機在每個工況點上對噴油過程參數(shù)(噴油定時、噴油率、持續(xù)時間)的控制，從而達到了最低油耗，控制了排放污染和噪聲污染，使供油系統(tǒng)達到最佳化16．降低機械損失汽車的機械損失主要包括運動部件摩擦損失和驅動功率損失，這兩大類損失約占總機械損失的90％以上，為此，汽車設計者在降低運動副的摩擦系數(shù)和提高傳動效率方面做了許多工作，即主要通過減少活塞組、曲軸與連桿、配氣機構、傳動系統(tǒng)、各驅動裝置的機械損失來實現(xiàn)。另外，使用時在潤滑油中添加各種減摩劑，也可使各運動副摩擦系數(shù)降低。目前使用的減摩劑主要有二硫化鉬、石墨和有機鉬、有機硼、GRT、YGC節(jié)能減摩劑等，還有一些摩擦改進劑，如磷酸脂、硫磷酸鉬、油酸環(huán)氧脂等。17．采用新材料為適應汽車輕量化的要求，輕金屬和非金屬材料在汽車制造上的使用量逐年增長，特別是轎車發(fā)動機更甚，這樣可有效地改善車廂布置，縮小汽車外形尺寸。目前，在汽車制造上主要使用了一些高強度低合金鋼、鋁合金、鎂合金、塑料、陶瓷以及一些纖維強化材料。隨著新材料、新工藝的不斷發(fā)展，一些汽車已開始用鋁和其它輕質材料制造保險杠、車廂、車架縱梁、飛輪殼、油箱等，從而使汽車的有效負載能力有了大幅度的提高。資料表明，車重減輕10％，油耗可減少8％-9％，在同樣的加速性能下，單位燃油的行駛里程可延長10％左右。18．改善車廂的空氣動力性能通常汽車速度越快，空氣阻力也越大，從而消耗在克服空氣阻力上的功率也就越多。在一般車速行駛時，發(fā)動機功率的20％—30％消耗于空氣阻力。所以，無論是對轎車，還是對載貨汽車來說，都應在車體設計上盡可能地減少空氣阻力，主要采取的辦法是：a)設計合理的車身外形。對發(fā)動機、前保險杠、水箱、翼子板、擋風玻璃、車門、車身、車尾形狀進行空氣動力學優(yōu)化設計，使整車綜合性能達到最佳。b)加裝導流裝置。通常在車身上加裝導流板、導風罩等，目前還在一些小轎車上加裝了防止因空氣浮力而引起汽車牽引力不足的壓風板，在大型貨車上使用了裝在牽引車項上的導風板及裝在牽引車與半掛車之間的導風罩等?？偨Y節(jié)能和排放是當前汽車工業(yè)的研究主題。先進的節(jié)能技術和控制排放措施的廣泛用，可以使得汽油機在節(jié)能和排放領域更趨完美。參考文獻【1】

嚴新平，謝友柏，蕭漢梁．油液監(jiān)測技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J]．

【2】嚴新平．高速船舶柴油機運行工況鐵譜監(jiān)測試驗研究[M]．

【3】Jack

Poley．Oil

Analysis

For

Monitoring

Hvdralie

Oil

Systems，

【4】Tian

Hongxiang，YahXinping．Rrsearch

on

Spectrographic

Oil

Analysis

of

12VE

【5】嚴新平．摩擦學系統(tǒng)油液監(jiān)測診斷與信息融合的研究[D]．

【6】嚴新平，謝友柏，蕭漢梁．摩擦學故障種類診斷的D—S與信息融合研究[J]．

【7】吳超仲嚴新平，周新聰．基于遺傳算法的信息融合在摩擦學組合故障診斷中的應用[J]．【8】吳勇.

新能源汽車補貼政策對汽車市場的影響[J].

汽車維修.

2010(07)

[2]

陳柳欽.

新能源汽車產業(yè)發(fā)展的政策支持[J].

中國市場.

2010(20)

【9】

本報記者

徐麗紅.

發(fā)揮政策功能

推動新能源汽車發(fā)展[N].

中國財經(jīng)報.

2010

(008)

【10】本報特約記者

劉婧.

新能源汽車政府采購陷入兩難境地[N].

中國能源報.

2010

(S01)

【11】程廣宇.

國外新能源汽車產業(yè)政策分析及啟示[J].

杭州(生活品質).

2010(12)

【12】方海峰.

日本輕型電動汽車發(fā)展概況及對我國的啟示[J].

汽車工業(yè)研究.

2010(12)

【13】李果仁,李菡.

國外支持節(jié)能環(huán)保的財稅政策及借鑒[J].

節(jié)能與環(huán)保.

2010(05)

【14】張海星.

振興東北裝備制造業(yè)的財稅支持政