汽車發(fā)動機節(jié)能技術途徑分析

王凱

隨著我國節(jié)能減排政策的不斷推進，汽車行業(yè)的節(jié)能減排是一個大趨勢，同時也是一個大的系統(tǒng)工程，它涵蓋了汽車從設計、制造、使用到報廢的整個過程。而發(fā)動機是汽車最重要的核心部件，所以在汽車的節(jié)能減排中占有舉足輕重的地位。

一、發(fā)動機節(jié)能的原理

發(fā)動機節(jié)能的原理主要有以下四個方面：

1.提高充氣效率

1.1減小進氣系統(tǒng)的流動損失。

一方面，可以減小進氣門座處的流動損失。

首先，可以增大進氣門的直徑，并選擇合適的排氣門直徑。發(fā)動機充氣效率的大小，與通過進氣門座處的氣流的平均馬赫數密切相關。平均馬赫數是進氣門處氣流平均速度與該處音速之比，超過0.5，充氣效率便急劇下降。

其次，可以增加氣門數目，采用小氣門，增加氣門數是增大進氣門流通面積、降低排氣損失的有效措施。

另一方面，可以減小整個進氣管道的流動阻力。

首先，進氣道應該能夠使新鮮氣體充入氣缸內形成渦流;其次，進氣道應該有足夠的流通截面積，表面光潔，避免急轉彎和流通截面的突然變化;另外，空氣濾清器的阻力應隨著結構和使用時間的延長而不同。

1.2減少對新鮮充氣量的加熱。

凡是能降低活塞、氣門等熱區(qū)零件的溫度和減小接觸面積的措施都是有利于減小對新鮮充氣量的加熱，具有節(jié)能效果。

1.3減小排氣系統(tǒng)的阻力。

減少排氣系統(tǒng)中排氣門座、排氣道、排氣管、排氣消聲器的阻力，對降低排氣壓力、減小排氣損失均有利。

1.4合理選擇配氣相位。

選擇配氣相位需要考慮進氣遲閉角、進排氣門重疊角、排氣提前角的影響。

2.減小機械損失，提高機械效率

減小機械損失可從幾個方面著手：降低活塞、活塞環(huán)、連桿等往復運動機件的摩擦和質量;降低滑動部件的滑動速度;減少潤滑油的攪拌阻力;改良潤滑油，使其粘度降低;合理選擇摩擦零件的材料。

3.提高發(fā)動機壓縮比或采用可變壓縮比

從提高發(fā)動機指示負荷的角度來看，壓縮比越大越好。但壓縮比過大，不但燃料超耗，還會引起不良后果，汽油機可能爆燃，柴油機可能加速零件磨損。汽油機壓縮比的選擇應以不發(fā)生爆燃為原則。柴油機壓縮比的選擇應以保證柴油機冷起動性能和最大負荷為原則，還要考慮排放氣體對環(huán)境的污染。

爆燃一般發(fā)生在發(fā)動機全負荷時，部分負荷時一般不發(fā)生爆燃。為了滿足大負荷的使用要求，不得不把壓縮比降低。

4.提高循環(huán)熱效率

發(fā)動機從燃料的化學能轉換為有效輸出功的過程，是決定發(fā)動機動力性和經濟性最關鍵的環(huán)節(jié)。這當中主要有三個環(huán)節(jié)：燃燒負荷、機械效率和循環(huán)熱效率。循環(huán)熱效率是核心環(huán)節(jié)，熱功轉換是熱能動力機械最本質的體現(xiàn)。

分析導致循環(huán)熱效率下降的因素有：（1）工質向外傳熱的損失;（2）早燃損失及后燃損失;（3）換氣損失;（4）不完全燃燒損失;（5）缸內流動損失;（6）工質泄露損失。可以根據以上這些因素采取有針對性的措施提高循環(huán)熱效率。

二、發(fā)動機節(jié)能的著手點

從上個世紀七八十年代開始，世界各國就對汽車的節(jié)能非常重視，概括起來主要有三個方面：

第一，是汽車輕量化。特別是小轎車，尺寸小型化，采用代用材料，比如輕鋁合金或者塑料化。同時，在結構設計上采用發(fā)動機前置、前輪驅動，不需要傳動軸，可以保持座艙內有較大空間，不僅實現(xiàn)了輕量化，而且在高速行駛時也可以保持操縱的穩(wěn)定性。

第二，是通過本身外形的改進來減少汽車的行駛阻力，達到節(jié)能的目的。

第三，是改善發(fā)動機性能。研究稀薄混合氣分層燃燒技術，或者汽車發(fā)動機柴油化，提高發(fā)動機的壓縮比。此外，還考慮安裝電子控制燃料噴射裝置和點火定時裝置，從而可以保持發(fā)動機在最佳工作狀態(tài)下運行，以降低燃油消耗和減少排放污染。

以上幾個方面僅僅是就汽車節(jié)能技術的發(fā)展動向而言，基于第三個方面，就發(fā)動機本身的節(jié)能技術來說，則可以考慮從以下幾點著手：

（1）改進發(fā)動機的進氣和燃料供應系統(tǒng)。比如采用復式化油器或者進氣歧管的合理設計以及混合氣體的加熱加溫，以保證燃料的霧化質量和混合氣在各缸中的均勻分配。

（2）采用代用燃料和燃油摻水等技術。這樣既可以提高燃料的抗爆性、減少結炭和降低污染，又能達到節(jié)能的目的。

（3）點火系統(tǒng)的改進。比如應用晶體管電容放電點火裝置，可以加大點火能量或者高能點火，加快火焰核心的形成。此外，還可以采用短路保護器，以防止火花塞的結炭漏電，造成失火現(xiàn)象，影響發(fā)動機的穩(wěn)定性與經濟性。

三、發(fā)動機節(jié)能的措施

根據上述發(fā)動機節(jié)能的原理以及節(jié)能著手點，可以歸納出主要有以下一些發(fā)動機節(jié)能技術。

1.發(fā)動機稀薄燃燒技術

發(fā)動機稀薄燃燒技術，指采用發(fā)動機的實際空燃比遠大于理論空燃比的情況下進行的具有良好動力性、經濟性和排放性的燃燒技術。該技術綜合了汽油機和柴油機兩種燃燒方式的優(yōu)點，可提高燃燒速度，使發(fā)動機混合氣以較大的空燃比穩(wěn)定燃燒。汽油機采用該技術可使熱效率達到柴油機的水平，而且可使氮氧化合物的排放降到極低。

實現(xiàn)該技術的技術途徑主要有：（1）實現(xiàn)稀燃混合氣。實現(xiàn)稀燃混合氣的措施有：使汽油充分霧化;采用結構緊湊的燃燒室;加快燃燒速度;提高點火能量;采用分層燃燒技術。（2）采用分層燃燒系統(tǒng)。主要有氣道噴射稀燃系統(tǒng)和直接噴射稀燃系統(tǒng)。

2.發(fā)動機的增壓技術

對進入氣缸的空氣提前進行壓縮，使單位時間進入燃燒室的新鮮空氣量增多，增加發(fā)動機的充氣效率，提高發(fā)動機的功率。

為進一步改善發(fā)動機的燃油經濟性，減少發(fā)動機尺寸和降低轉速，通常是采用渦輪增壓器。良好的低速扭矩，是用戶普遍接受降尺寸和降速度技術措施的關鍵之一。采用雙增壓技術，即渦輪和機械增壓相結合，可保證低速時的扭矩快速響應。

3.發(fā)動機可變氣缸排量技術

發(fā)動機在中低負荷情況下，使部分氣缸停止工作，增加工作氣缸的負荷率，使其工作點落入低燃油消耗率區(qū)域和低排放工作區(qū)域內，從而改善車輛的經濟性能和排放性能;當發(fā)動機需要大功率時，則讓全部氣缸工作，體現(xiàn)發(fā)動機的動力性。

4.可變壓縮比技術

采用可變壓縮比技術對于自然吸氣發(fā)動機，在部分負荷情況下壓縮比可以設計高一些;對于增壓發(fā)動機在增壓壓力比較低的低負荷情況下，適當降低壓縮比，使壓縮比隨發(fā)動機負荷的變化連續(xù)調節(jié)，這樣可以避免爆燃，又提高了在高壓縮比情況下中低負荷的工作效率，增加了動力性能，提高了經濟性，保證了發(fā)動機工作效率的最大化。

改變發(fā)動機壓縮比的方法主要有改變燃燒室容積和改變活塞行程。

5.發(fā)動機的燃油噴射系統(tǒng)和點火系統(tǒng)的電子控制技術

在汽油機的電子控制燃油噴射系統(tǒng)中，電控單元主要根據進氣量確定基本的噴油量，再根據其他傳感器信號對噴油量進行修正，使發(fā)動機在各種工況下均能獲得最佳濃度的混合氣，從而提高發(fā)動機的動力性、經濟性和排放性。

汽油機的電子控制點火系統(tǒng)根據相關傳感器信號，判斷發(fā)動機的運行工況和運行條件，選擇最佳的點火提前角點燃可燃混合氣，從而改變發(fā)動機的燃燒過程，實現(xiàn)發(fā)動機動力性、經濟性和排放性的提高。

6.電子節(jié)氣門技術

汽車電子節(jié)氣門技術淘汰了傳統(tǒng)加速踏板采用拉索或杠桿機構，與發(fā)動機節(jié)氣門之間進行直接的機械連接，通過增加相應的傳感器和電控單元，實現(xiàn)精確控制節(jié)氣門的開度。該技術可以實現(xiàn)發(fā)動機轉矩和空燃比的精確控制，有助于提高汽車行駛的動力性、平穩(wěn)性、經濟性以及降低排放污染。

四、結語

從我國的能源政策和汽車工業(yè)發(fā)展情況來看，國家首先應大力發(fā)展柴油機技術，主要是研究電控柴油機;其次大力發(fā)展電動汽車，優(yōu)先發(fā)展混合動力汽車，加大電池續(xù)航能力的研究;再次大力研發(fā)推廣代用燃料車。發(fā)動機油耗的高低直接反應了我國發(fā)動機設計與制造水平，汽車發(fā)動機節(jié)能技術的推廣應用，將大力推動我國汽車工業(yè)的發(fā)展。

（作者單位：東風悅達起亞汽車有限公司）