车用汽油机节能减排先进技术研究

时间：2019-07-06 11:26:13 所属分类：电工技术 浏览量: 221

摘 要：随着环保要求的提高、能耗法规的加严，对发动机先进技术进行研究应用显得至关重要。文章主要阐述了车用汽油机节能减排先进技术，包含燃烧技术、电控技术、换气技术和热管理技术等。根据研发机型需求采用最优先进技术配置，是实现当前和未来一段时间内

　　摘 要：随着环保要求的提高、能耗法规的加严，对发动机先进技术进行研究应用显得至关重要。文章主要阐述了车用汽油机节能减排先进技术，包含燃烧技术、电控技术、换气技术和热管理技术等。根据研发机型需求采用最优先进技术配置，是实现当前和未来一段时间内节能与环保的有效措施。

　　关键词：汽油机;先进技术;油耗;排放

　　前言

　　汽车行业的快速发展和大量汽车的持续应用，已经引发了全球严重的环境污染和能源短缺问题，各国政府及汽车企业对此非常重视，美国、欧洲、日本等分别用法规强制限制了汽车的排放和油耗。我国已于2016年12月23日，由环境保护部和国家质检总局联合发布了《輕型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，简称“国六”，要求自2020年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型车应符合该标准的要求[1];工信部于2017年9月27日公布了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》[2]，自2018年4月1日起实施。这一系列政策的出台和实施，进一步对汽车行业的节能减排技术进步提出了更高的要求，解决当前能源与环境问题，对其先进技术进行研究和应用显得至关重要。

　　为了适应节能、环保等的总体需求，汽油机广泛应用各种先进技术，包括燃烧技术、电控技术、换气技术、热管理技术等，以满足市场需求。

　　1 先进燃烧技术

　　由于燃烧过程占整个循环过程的时间非常短，故我们要求发动机工质的燃烧一定要及时和完全，使得发动机具有较好的经济性和排放性[2]。目前，先进燃烧控制技术主要应用高压缩比、阿特金森循环/米勒循环等。

　　1.1 高压缩比

　　发动机压缩比对其性能有多方面的影响。压缩比越高，发动机可以更好地利用活塞式发动机的作功特点、在做功行程用同样数量的燃油可以爆发出更大的功率，相应热效率越高，但发动机压缩比过高容易产生爆震。因此，如何在预防爆震的情况下，最大限度地提高发动机的压缩比，进而提高热效率成为现在很多厂商研究的重点。

　　如，大众EA211 1.5TSI发动机通过可变截面增压器的调节，提高增压压力，从而保持进排气压差大于0，以降低残余废气量，抑制爆震，让发动机工作在12.5：1的高压缩比下，使其热效率达37.5%;而日产2.0T发动机在传统发动机的内部，增加了一套复杂的连杆机构，通过改变发动机活塞行程，实现压缩比在8：1至14：1之间调节，使其最高热效率能够到达39%，有效提高了发动机的热效率。

　　1.2 阿特金森循环/米勒循环

　　目前市场上超过90%汽油机都使用的是奥托循环发动机。奥托循环发动机的特点是发动机燃烧包括四个冲程(进气-压缩-做功-排气)。为了提高奥托循环发动机的效率，最直接的方法就是提高发动机的压缩比，但压缩比并不能无限提升，会受到爆震、结构强度等因素限制。而阿特金森循环/米勒循环最明显的特征就是压缩行程短，膨胀行程长。目前发动机普遍具备可变气门正时技术VVT，通过控制进气门早关或晚关，使实际压缩比小于几何压缩比，气缸内没有那么多混合气体，从而降低实际的压缩比，膨胀比大于压缩比，延长作功行程，充分利用燃烧后的废气能量，提高热效率。

　　2 先进电控技术

　　提高发动机燃效，降低排放，除了先进的燃烧技术，还应精确控制和优化发动机的电控技术，当前，除高压喷射外，多次喷射和组合喷射等在先进机型中已逐渐受到大部分厂商的青睐。

　　2.1 高压喷射

　　高压喷射使得燃油雾化效果更佳，气体颗粒体积更小，使得喷射等量的燃油与空气接触的表面积更大。大部分主流的直喷发动机燃油喷射压力都在200-250bar左右，也有比较先进的机型高达350bar，如此高的燃油喷射压力可以很好的提升燃油雾化效果，使得燃油和空气混合得更好，燃烧反应更充分[3]。最终，发动机的动力和燃油经济性都得到提升，同时降低了颗粒物的排放量。

　　2.2 多次喷射、组合喷射

　　多次喷射即根据燃烧需求，在不同工况下控制喷油器进行一次或者多次缸内直喷的情况;组合喷射技术即采用缸内直喷与歧管喷射的双喷射技术[4]。由于进气道喷射和缸内直喷针对发动机不同工况各有利弊，若能根据发动机所处状态巧妙进行组合喷射，对改善油耗和排放显得很有意义。一方面，可以兼顾发动机在不同工况下的效率，另一方面，可以降低排放，满足日益苛刻的排放法规。

　　如，大众EA888第三代发动机为了降低碳烟排放、改善油耗降低爆震趋势，采用组合喷射和多次喷射技术。当发动机处于热怠速或者低速小负荷时，缸内气体流动特性较差，温度低，燃油雾化效果较差，采用气道喷射工作模式，使燃油在歧管内蒸发雾化后与空气充分混合进入缸内燃烧，改善燃烧性能，使得降低排放、效率更高;当发动机冷起动或中低速大负荷时，使用缸内多次喷射方式来工作，实现均质稀燃，改善油耗和排放;在中高负荷，缸内气体流动加强，切换为缸内单次喷射，精确控制燃油，燃油雾化更加精致，提高发动机经济性，同时，可以有效降低缸内温度，提高充气效率，从而提高汽油机的动力性，且同时降低爆震趋势。若两种喷油系统的一种出现故障，则另一种系统将会执行应急运行功能，保证车辆仍能正常行驶。

　　3 先进换气技术

　　换气系统将合适质量、温度、成分和运动状态的充量提供给发动机，换气系统的性能相当大程度决定了发动机的性能[5]。为了适应车用发动机的不同工况，各种先进换气技术得到广泛应用，包含可变进气歧管、可变气门正时、可变气门升程、废气再循环、停缸技术等。

　　3.1 可变进气歧管

　　为了提高充气效率，在汽油机转速范围内更有效地利用进气惯性效应，达到改善发动机经济性及动力性的目的。在汽油机上应用较多的有可变进气管长度、可变进气容积腔和可变进气道等[5]。

　　3.2 可变气门正时

　　目前，可变气门正时技术已在发动机上得到广泛应用，分为进气VVT、排气VVT、进排气同时调节VVT和进排气独立调节VVT[5]，在不同发动机上可变气门正时的应用，能在不同转速下优化缸内气流，特别可在部分负荷下改善发动机燃油效率和性能。

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