汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢分析

鄭俊麗

摘 要：全世界都對汽車的排放作出了嚴(yán)格規(guī)定，同時隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車面臨著越來越大的壓力。發(fā)動機(jī)是汽車的心臟，必須向著輕量化、高利用率、低排放的方向發(fā)展，這樣才能使傳統(tǒng)汽車行業(yè)更好的應(yīng)對新能源汽車帶來的發(fā)展壓力。基于此，本文對汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢作了分析，希望能夠幫助汽車行業(yè)找到明確的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機(jī);變速箱;發(fā)展趨勢

1 引言

我國的石油消耗和石油進(jìn)口上都名列世界前茅，同時在二氧化碳排放以及霧霾等方面也最為嚴(yán)重。我國從2009年開始，在世界汽車產(chǎn)銷排行榜上常年居于首位，這也是導(dǎo)致我國成為消耗石油及排放二氧化碳、造成霧霾天氣的關(guān)鍵因素，因此節(jié)能減排是汽車產(chǎn)業(yè)必然和必須的發(fā)展方向。我國的汽車數(shù)量逐漸增多，二氧化碳的排放以及霧霾天的頻率也在逐漸增加，為了減輕這一問題，我國在2016年頒布了非常嚴(yán)格的排放法規(guī)，對汽車燃料消耗以及汽車尾氣排放做出了嚴(yán)格規(guī)定。除我國之外，很多西方發(fā)達(dá)國家也對汽車消耗和排放作出了規(guī)定，由此在全世界范圍內(nèi)形成了節(jié)能減排的大環(huán)境。在這樣的環(huán)境下，汽車發(fā)動機(jī)必須考慮自身在未來的發(fā)展路徑，以此才能為汽車行業(yè)在未來的發(fā)展創(chuàng)造良好條件。

2 汽車發(fā)動機(jī)的發(fā)展

汽車發(fā)動機(jī)發(fā)展共有蒸汽機(jī)、外燃機(jī)、內(nèi)燃機(jī)三個階段，首先是蒸汽機(jī)階段，該階段為19世紀(jì)初到19世紀(jì)70年代。其次外燃機(jī)階段，由于其和蒸汽機(jī)的差別并不是非常明顯，因此不過多對其進(jìn)行論述。最后是內(nèi)燃機(jī)階段，內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)可以追溯到1814年第一臺蒸汽機(jī)車的發(fā)明，優(yōu)點是工作效率高、機(jī)動性強(qiáng)、便于維護(hù)，因此內(nèi)燃機(jī)一經(jīng)出現(xiàn)就迅速取代了外燃機(jī)和蒸汽機(jī)。法國工程師羅杰斯在1862年提出了等容燃燒四沖程循環(huán)的理論，但是該理論并沒有得到實踐的驗證，后來德國工程師奧姆勒在1883年以該理論為基礎(chǔ)研制出了汽車發(fā)動機(jī)，實現(xiàn)了汽車發(fā)動機(jī)歷史性的飛躍。1886年，臥式單缸二沖程汽油發(fā)動機(jī)被應(yīng)用在了一輛三輪奔馳上，至此，汽車行業(yè)正式進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)時代[1]。

3 提升發(fā)動機(jī)的燃料利用率降低排放

當(dāng)前全世界都對發(fā)動機(jī)的消耗和排放提出了非常嚴(yán)格的要求，因此提升發(fā)動機(jī)的燃料利用率和降低排放成為了發(fā)動機(jī)未來最主要的發(fā)展方向，為此各汽車企業(yè)也從以下幾方面作出了努力：第一，對發(fā)動機(jī)的燃燒和排放進(jìn)行改善，主要使用的技術(shù)有350bar缸內(nèi)直噴、低壓冷卻EGR、GPF等，另外有的小排量發(fā)動機(jī)上仍然會使用PFI技術(shù)，有的企業(yè)為了提升發(fā)動機(jī)的工作效率還會使用雙PFI或者結(jié)合應(yīng)用PFI技術(shù)和GDI技術(shù)。壓縮比控制技術(shù)當(dāng)前也已經(jīng)基本成熟，不久就會在發(fā)動機(jī)上廣泛應(yīng)用。第二是改善充氣，目前各企業(yè)在改善空氣中所使用的主要技術(shù)有雙VVT、分段式VVL等，另外CVVL、可變進(jìn)氣歧管等技術(shù)也在一些發(fā)動機(jī)上得到了應(yīng)用，而且在電子增壓器方面還是用了48V技術(shù)，未來發(fā)動機(jī)的充氣性能必將得到進(jìn)一步提升。第三是改善能量管理，這一點主要依靠強(qiáng)化控制發(fā)動機(jī)附件和強(qiáng)化能量利用率來實現(xiàn)，具體依靠的設(shè)備有變排量機(jī)油泵、智能發(fā)電機(jī)、變排量水泵等。第四是降低發(fā)動機(jī)的摩擦損耗，這一點需要從低張力活塞環(huán)，低粘度機(jī)油、活塞表面涂層等方向出發(fā)來實現(xiàn)。第五是降低發(fā)動機(jī)的重量，實現(xiàn)這一點需要將發(fā)動機(jī)的某些部位替換為重量更低的材料，比如塑料進(jìn)氣管、缸蓋罩、鋁合金缸體等，通過設(shè)計將這些材料合理組合在一起，便可有效降低發(fā)動機(jī)的重量。另外當(dāng)前有些發(fā)動機(jī)也在向著小型化發(fā)展，這也是降低重量的一種有效方式，例如大眾的1.5TSI發(fā)動機(jī)、本田思域的l15B發(fā)動機(jī)等在輕量發(fā)動機(jī)中都具有明顯的代表性。

為了令發(fā)動機(jī)對燃料的利用率進(jìn)一步得到提升，從而實現(xiàn)廢氣排放的降低，當(dāng)前很多企業(yè)都在研究氬氣循環(huán)內(nèi)燃機(jī)。氬氣循環(huán)內(nèi)燃機(jī)所使用的氧化劑為純氧，以純氧催動氬氣做功，氬氣在做功過程中不會發(fā)生燃燒，因此不會產(chǎn)生氧化氮的代謝產(chǎn)物。氬氣的結(jié)構(gòu)為單原子，絕熱指數(shù)要高于空氣，因此相較于常規(guī)內(nèi)燃機(jī)在熱效率上要更高，如果壓縮比相同，氬氣循環(huán)內(nèi)燃機(jī)相比常規(guī)內(nèi)燃機(jī)高出30%以上的熱效率。當(dāng)前發(fā)動機(jī)在物理極限上的熱效率為65%，但受技術(shù)限制只能達(dá)到49%，氬氣循環(huán)內(nèi)燃機(jī)在物理極限上的熱效率高達(dá)80%，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了燃料電池空載和帶負(fù)載的熱效率水平[2]。而且如果將氫氣作為氬氣循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的燃料，那么內(nèi)燃機(jī)在做功過程中則完全可以做到零排放，而且氬氣還具有可回收利用的優(yōu)勢，極大提升了內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。如果將甲烷作為氬氣循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的燃料，可通過蘭金循環(huán)分離二氧化碳和氬氣，也可以做到零排放和提升經(jīng)濟(jì)性。

4 提升發(fā)動機(jī)和變速箱匹配度

提升發(fā)動機(jī)和變速箱的匹配度可通過降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的方式來完成，將發(fā)動機(jī)限制在最經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)下，這樣可實現(xiàn)發(fā)動機(jī)燃料消耗的降低。但降低燃料消耗和保證發(fā)動機(jī)的動力互相矛盾，因此可通過多擋手動變速、自動變速等進(jìn)行解決，比如6MT、7DCT、CVT變速箱都可以滿足這一要求，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低的同時提高平均有效壓力，進(jìn)而提升發(fā)動機(jī)的工作經(jīng)濟(jì)性。

5 發(fā)動機(jī)的電氣化發(fā)展

電氣化技術(shù)近年在不斷進(jìn)步，推動了內(nèi)燃機(jī)、純電動、混合動力、燃料電池等汽車技術(shù)的發(fā)展。配合應(yīng)用常規(guī)內(nèi)燃機(jī)和功率及拓?fù)洳煌碾姍C(jī)在當(dāng)前的汽車界非常流行，目前主要的應(yīng)用方式有12V起停、48V微混、插電式混合動力、增程式電動等。通過這種方式可以令車輛處于低速低負(fù)荷狀態(tài)時將動力來源更多的轉(zhuǎn)向電機(jī)，以此實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)做工，同時通過阿特金森循環(huán)可以令發(fā)動機(jī)的熱效率得到有效提升。這種技術(shù)也使電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)結(jié)合為了一個整體，通過共同做功、互相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了能耗的降低和經(jīng)濟(jì)性的提升。

很多實際的應(yīng)用數(shù)據(jù)都證明，12V起停技術(shù)可降低3%到5%的能耗，48V微混可能跌10%到20%的能耗，其他類型的能耗也在20%到50%之間，其中能耗降低的差別和電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)[3]。另外使用高電壓混合動力可以將車輛每百公里的油耗4升左右，使用插電混合動力可以將車輛每百公里油耗控制在3升左右，使用增程式電動的車輛可將每百公里油耗控制在1.2升左右。未來社會對汽車排放的要求將更加嚴(yán)格，當(dāng)前很多混合動力車輛的油耗及排放可以滿足當(dāng)前汽車排放法規(guī)的要求，而且這種超低的排放也可以滿足未來10年內(nèi)的法規(guī)要求，因此我們可以將其看做發(fā)動機(jī)在未來最主要的發(fā)展方向。

6 燃料的改革

新能源自從出現(xiàn)的那一刻起就受到了汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注，而且近幾年關(guān)于新能源和傳統(tǒng)能源的討論一直沒有停止。很多人都認(rèn)為以傳統(tǒng)能源為主的內(nèi)燃機(jī)正在逐漸退出歷史舞臺，甚至無法堅持到21世紀(jì)中期，這一理論的基礎(chǔ)是世界石油能源的儲量越來越低。專家在研究石油的形成過程中發(fā)現(xiàn)，古生物遺體并不是石油的源頭，石油的真正源頭是地殼中的甲烷，而甲烷是地殼中的主要成分，因此只要滿足石油的形成條件，我們也可以將石油看成是一種可再生資源。但將石油轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕Y源的目標(biāo)以當(dāng)前的技術(shù)還無法實現(xiàn)，同時石油在利用過程中還會排放大量的有害氣體，因此當(dāng)前汽車行業(yè)對發(fā)動機(jī)燃料的改革非常重視。由此可知，傳統(tǒng)燃料雖然在未來可能會退出歷史舞臺，但內(nèi)燃機(jī)可用的新型燃料應(yīng)該不斷出現(xiàn)，因此內(nèi)燃機(jī)在很長一段時間內(nèi)依然會是汽車的主要動力源。

在燃料改革過程中出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的內(nèi)燃機(jī)可用燃料，這些燃料同時具備經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，具體有以下幾種：第一種為乙醇，乙醇的來源是糧食，是一種可再生的清潔型燃料，并且在汽油機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，世界范圍內(nèi)應(yīng)用乙醇最廣泛的地區(qū)為巴西，我國應(yīng)用乙醇的方式主要是在燃油中按比例添加。第二種為甲醇，和傳統(tǒng)燃料相比，甲醇有著更高的辛烷值和更優(yōu)秀的抗爆性。而且甲醇含有氧的成分，因此其熱效率更高，使用甲醇燃料的發(fā)動機(jī)只需要增加壓縮比就可以讓功率和轉(zhuǎn)矩得到明顯提升，在型號相同的條件下，使用甲醇燃料的發(fā)動機(jī)功率將提升10%。我國具有極其豐富的煤炭儲量，而煤炭又是甲醇的主要來源，因此以甲醇為燃料的發(fā)動機(jī)在我國將獲得非常好的發(fā)展。第三種為天然氣，在全世界范圍內(nèi)天然氣的儲量要比石油更高，如果能夠?qū)崿F(xiàn)全部天然氣資源的開發(fā)和利用，將為人類持續(xù)提供1000年以上能源，而且在應(yīng)用過后不會對環(huán)境產(chǎn)生任何影響，在未來社會必定會替代石油成為主要能源，因此應(yīng)用天然氣也將是發(fā)動機(jī)的發(fā)展方向之一[4]。第四種為氫氣，氫氣目前是公認(rèn)的最為豐富的清潔能源，很多領(lǐng)域都在研究如何才能更好的用氫氣，汽車領(lǐng)域也同樣如此，在發(fā)動機(jī)的未來發(fā)展道路上，早已將氫氣發(fā)動機(jī)作為了重點研究對象，比如日本的本田和豐田汽車公司就在一直研究氫燃料電池，并希望以此占領(lǐng)未來汽車市場。

7 結(jié)語

綜上所述，汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)和汽車的發(fā)展有著極其密切的聯(lián)系，本文首先介紹了汽車發(fā)動機(jī)的發(fā)展，隨后分別從節(jié)能、高效、低排放等角度分析了汽車發(fā)動機(jī)未來的發(fā)展趨勢，希望通過本次分析使汽車行業(yè)在節(jié)能環(huán)保方向的發(fā)展有所促進(jìn)作用，并最終為社會的可持續(xù)發(fā)展提供充分保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊婉婷.汽車發(fā)動機(jī)再制造技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018，20（9）：32-33.

[2]顏偉，陳龍華，王錦艷.汽油機(jī)停缸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析[J].汽車實用技術(shù)，2017，12（18）：242-244.

[3]林思聰，吳堅，劉巨江.滿足未來法規(guī)的汽油機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].汽車實用技術(shù)，2017，21（15）56-59.

[4]史礴.汽車柴油發(fā)動機(jī)制造工藝發(fā)展前景分析[J].科技展望，2017，19（11）：135-137.