发动机小型化是节能减排的有效途径(二)

◆文/江苏　范明强

以往人们的概念是汽车的排量越大,其功率就越大,而现在并非完全如此。比如，1.4L排量汽车完全可比2.0L排量汽车的功率大，而且还更省油。这就是汽车发动机小型化带来的效果。节能减排是当今汽车工业的重要任务,也是推动发动机技术进步和创新的重要动力,而为了达到未来更为严格的排放法规限值的要求，发动机小型化是节能减排的重要途径。本文详细介绍了汽油机和柴油机小型化，进一步降低燃油消耗和排放的潜力及其具体的技术措施，并通过实例分析阐述我国汽车发动机小型化的技术途径,以便使维修人员和广大车主了解汽车发动机的发展动向,有助于维修工作和更好地选择车型。

范明强

(本刊编委会委员)

教授级高级工程师，参加过陕西汽车制造总厂的筹建工作，主管柴油机的产品开发；1984年调往机械工业部无锡油泵油嘴研究所，曾任一汽无锡柴油机厂、第一汽车集团公司无锡研究所高级技术顾问、湖南奔腾动力科技有限公司总工程师。

(接上期)

若进一步将比功率提高到70～80kW/L，则爆发压力有可能明显提高到180～220bar，由此所产生的高热应力和机械应力对基础发动机的机械结构是一种挑战，特别是与此同时还要降低发动机的质量，因此对汽车发动机小型化的机械结构提出了更高的要求。其中，柴油机最重的单个结构件—汽缸体处于这种目标冲突的中心。对于这样的高负荷而言，虽然铸铁显得比较合适，但除此之外带局部加强的铝结构也可以设计成能承受这样高应力的轻型结构，其结构方案，如图5所示。

图5中所有设计方案的共同特点是主轴承盖均采用铸铁材料，它们以几乎理想的方式实现了下列功能要求：⑴力在铁中传递，能够承受很高的爆发压力；⑵主轴承具有与曲轴相似的热膨胀系数，配合间隙的稳定性较好；⑶梯子形框架和横向螺栓拉紧能获得很高的动态刚度，也是良好噪声振动特性的先决条件；⑷汽缸套不仅可以作为镶件铸入，而且汽缸工作表面可以进行涂层处理；⑸图中所有结构型式原则上都可以压铸。图6示出了根据在一台能承受200bar最高爆发压力的柴油机汽缸体上的使用情况，对各种材料和结构方案汽缸体所进行的性价比分析。分析表明，在达到相同的功能情况下，轻型铝结构汽缸体能明显减轻质量(比片墨铸铁轻20%～30%)，与蠕墨铸铁相比其较高的成本是值得的。只有在结构非常紧凑(很小的缸心距)的情况下，才能发挥蠕墨铸铁优越的材料特性的作用。因此，汽车柴油机小型化所产生的高的热应力和机械应力对基础发动机机械结构的要求，完全可以根据具体情况由各种不同的结构方案来实现。

汽车柴油机小型化采用增压强化设计方案后，在从怠速到全负荷之间宽广的运转范围内,喷油量的变化幅度几乎是随着比功率线性增大的。即使喷油器的工作范围扩大了，喷雾质量仍必须提高，以便能满足未来更为苛刻的排放限值，因此喷油压力还将进一步提高，这样喷嘴就可以采用更小的喷孔，使喷束的雾化进一步得到改善。同时，为了能在宽广的运转范围内始终获得理想的混合气形成，在部分负荷时喷孔必须较小，而在高负荷时则应用较大的喷孔。

Bosch公司成功开发出的可变喷孔喷嘴，使这个柴油机开发人员长期的梦想得以实现。如图7所示，这种新型喷油嘴具有内外两个同轴滑配的针阀，可分别控制上下两排孔径大小不同的喷孔的开闭，这样就能够根据负荷的大小，打开一排大喷孔或者一排小喷孔，始终获得理想的混合气形成。

此外，为了在全负荷范围内避免喷油受壁面的影响，并能加强混合气形成，特别是在燃烧室较小的情况下，可变充量运动是必需的。这在普遍采用四气门技术的现代汽车柴油机上是不难实现的，已成为批量生产柴油机上相当成熟的技术。

废气涡轮增压无论对汽油机还是柴油机，目前基本上都已是应用得很合适的系统。调节式增压和两级可调式增压正好能够满足“低端扭矩”和加速响应特性的要求。2004年BMW公司首先将“可变双涡轮”系统用于其批量生产的3.0L直列6缸共轨直喷式轿车柴油机上，除了能将该机的比功率提高到67kW/L之外，还可以将可用转速范围从4 000r/min扩展到5 000r/min，这样就能够达到迄今为止只有排量大得多的8缸柴油机才能达到的行驶功率，而且MVEG(机动车排放组合)行驶循环燃油消耗只有8.0L/100km。图8描述了这种增压系统的运行策略。在低转速范围内，使用一个能快速响应的小涡轮增压器，而在高转速范围内，则使用一个大的涡轮增压器提供相应的流通能力，以便能获得较高的功率。在中等转速范围内，采用两级增压，此时因压比并不太高，增压空气也可以不用中间冷却。两个增压器的运行范围有限，采用普通的不可变调节的涡轮也已足够了。但是由于系统附加了一些部件，阻碍了在对成本较为敏感的低挡汽车上的推广。

电辅助废气涡轮增压器和电动辅助压气机(图9)等型式的电动辅助增压能改善高增压发动机的起动特性和瞬态响应特性。但是，这种系统的效果首先取决于电动机和功率电子模块是否合适，并是否能以有竞争力的成本集成到汽车电路中去。由于必需提供1.5～2kW以上的电功率，因此用于批量生产时首先必须采用较高电压水平的汽车电路。

提高“低端扭矩”和瞬态响应特性的另一种方法是采用带开关阀(空气脉冲阀)的脉冲增压。这种方法基于一个附加的快速开关阀，它位于每缸进气管中进气门之前，能针对性地利用空气动力效应来增加汽缸的充气量，并减少残余废气。这种脉冲增压能与废气涡轮增压相组合，与无脉冲增压的废气涡轮增压发动机相比，可使低转速范围的扭矩提高25%～50%，并且增压压力的建立要快两倍。图9(右)表示出了脉冲增压在一台涡轮增压柴油机稳态和瞬态全负荷特性上的潜力。但是进气流动增加的摩擦会导致汽缸充量温度的升高，这在柴油机上能用来进一步降低几何压缩比，抑制燃烧室内的最高燃烧压力，可以减少燃油消耗和有害物质的排放。

四.汽油机的小型化

现在的增压汽油机大部分是进气道喷射发动机，出于扭矩特性的缘故，有的采用机械增压系统，但是这样一来可能的节油潜力就远远没有被充分利用。

汽油机的废气涡轮增压采用与柴油机类似的系统，调节式增压系统或两级可调式增压系统都能大大改善起步性能、加速性和燃油消耗。最近发展起来的废气涡轮增压和机械增压相结合的两级增压系统，则充分利用了这两种不同增压方式各自的优点，明显加快了低速时增压压力的建立，大大提高了发动机的低端扭矩，进一步改善了增压汽油机的加速响应特性和燃油消耗。例如，德国大众公司Golf轿车原装用自然吸气式2.0L-FSI直喷式汽油机(最大功率110kW,平均有效压力12.7bar)，2005年开发出的两级增压式1.4L-TSI直喷式汽油机，虽然排量减小了30%，最大功率(125kW)却提高了13.6%，平均有效压力高达21.7bar，升功率已达到89.3kW/L，特别是具有非常丰满的扭矩特性曲线，在1 250r/min这样低的转速下扭矩就已达到了200Nm，而到1 750r/min转速时就达到了最大扭矩240Nm，并一直保持到4 500r/min这样宽广的转速范围。图10示出了这种废气涡轮增压和机械增压相结合的两级增压系统的工作原理。机械式高速压气机由集成在水泵传动皮带轮上的一个带电磁离合器的皮带轮传动，与曲轴的速比为5∶1，其最高转速可达到18 000r/min。与其并联的调节阀用来为废气涡轮增压器提供运转工况所必需的空气量，在只有废气涡轮增压器单级增压运转时该调节阀是打开的。

在稳态运转的情况下，只有在发动机2 400 r/min以下的转速范围内才需要接入机械式压气机运转工作，而在此期间内因废气能量不足，废气涡轮增压器处于较低的转速状态，无法提供足够的增压压力，因此有意将其设计在高效率区运行。机械式压气机最迟到3 500r/min时就断开了，从该转速起它就相当于一个“涡流孔”，不再起增压作用，而与此同时废气涡轮增压器就开始从倒拖状态逐渐动态过渡到全负荷运转，并单独产生所需要的增压压力，确保扭矩特性曲线的圆滑平稳过渡。图11示出的是在发动机试验台上模拟转速升高时所测得的瞬态扭矩提升曲线，这大约相当于在汽车挂3挡时的全负荷加速过程。

在没有机械式压气机辅助而由废气涡轮增压器单级增压的情况下，大约在0.5s以后进气管中才建立起规定的压力，而扭矩目标值(100%)在大约4.8s以后才达到，并导致了扭矩提升的不连续性，使司机感觉到很不舒服。在与机械式压气机共同工作的情况下，这种运行特性的缺憾基本得到了克服。一旦机械式压气机接入工作，就有助于进气管压力的提升，因而扭矩特性曲线提升的梯度也要比在废气涡轮增压器单级增压时陡得多，而且扭矩特性曲线的提升一直都是连续的，达到目标扭矩的时间(2.4s)比原来缩短了一半，因此这种两级增压发动机的运转主观上感觉起来就好像是排量大得多的自然吸气发动机一样。同时，由于这种增压强化发动机的运转工况点移向更高的平均有效压力范围，因而搭载这种功率125kW的小型化汽油机的Golf GT轿车非但达到了欧Ⅳ排放标准，而且具有极低的燃油消耗。如图12所示，与同类型的传统汽油机相比，其NEFZ(标准欧洲行驶试验循环)燃油消耗只有7.2L/100km，具有非常明显的优势。

若汽油机小型化通过采用较高的增压比来提高比功率，则需要采取适当的措施来降低爆燃倾向，这样就能在整个万有特性曲线范围内普遍获得节油效果，并能降低相关零部件的热负荷。可能采取的措施有汽油直接喷射、有效的增压空气冷却以及冷却EGR，同时针对性地组织充量运动。

增压汽油机不但需要高效的压气机，以便降低压气机的功率消耗和进气空气压缩终了的温度，从而可降低爆燃倾向，同时还需要高效的增压空气冷却器。在汽油机上采用水-空气式增压空气冷却器，它能设计得相当紧凑，从而为获得良好的响应特性创造前提条件。但是，若要达到更低的温度水平，则需要附加一个低温冷却循环回路，当然这将会增加额外的成本。

缸内汽油直接喷射由于燃油是在汽缸内部汽化的，对缸内充量起到了冷却作用，因此与增压的进气道喷射发动机相比，允许几何压缩比提高1～2个单位，这样可提高整个转速范围内的效率和平均有效压力。在较高的压缩比下运行可降低废气温度，从而降低废气涡轮或催化器的热负荷。此外，缸内汽油直接喷射还允许加大气门重叠角，所产生的扫气作用有利于降低缸内残余废气含量，增加进气空气量，从而为大喷油量工况改善雾化品质和混合气形成创造更好的前提条件。可调节的充量运动可使混合气形成更加均匀，并能提高EGR废气的兼容性。若要更进一步利用缸内汽油直接喷射所提供的潜力，只有当喷束引导的缸内汽油直喷分层燃烧过程能可靠和稳定运行的时候才有可能。因此，以化学计量比混合气运转是当今一段时间内汽油机小型化比较合适的方法，因为这种运转方式已能使缸内汽油直喷的基本优点大部分得到利用。至于汽缸分层充气运转方式，由于在增压发动机上较难以实现，因而对汽油机小型化来说将是下一步的努力目标。

缸内汽油直接喷射与废气涡轮增压的组合可以获得比进气道喷射更显著的优势。如图13所示，与常规的带凸轮轴相位调节器的自然吸气汽油机相比，根据小型化程度的不同，采用进气道喷射方案增压，新欧洲行驶循环(NEFZ)试验的相对燃油消耗可降低10%～20%，而若采用缸内汽油直接喷射方案增压，则总的节油潜力最多可达到30%。

如果要进一步降低燃油消耗，就需要采用其他的可变方案才能实现，当然成本也会有所提高。其中，对我国轿车汽油机比较容易实现而成本又不至于增加太多的技术方案是凸轮轴可变相位调节。在这方面，欧洲轿车汽油机小型化为我们提供了值得借鉴的经验。

例如，Ford 公司在著名的Duratec汽油机系列的基础上为Focus轿车开发出了一种新的1.6 L-Duratec-Ti-VCT(双独立可变凸轮正时)汽油机，其最大的特点是装有两个相互独立工作的进排气凸轮轴相位调节器，首先使得发动机能在低部分负荷范围内无节流运转，在整个转速范围内获得了相当丰满的扭矩特性曲线，并且在低速范围内达到了大一挡排量1.8 L发动机的扭矩，同时最大功率提高了约15%，达到了发动机小型化的效果。此外，可变凸轮轴相位调节还能为通过实现机内ERG和减少发动机泵吸功降低燃油消耗提供巨大的潜力。

相对于机外EGR，借助于进排气凸轮轴相位调节器实现机内EGR，在废气的引入和分配，以及残余废气的可调节性(首先是瞬态过渡工况)等方面具有明显的优越性。机内EGR可使发动机在部分负荷工况无节流运行，从而减少泵吸功，而且降低了工作过程的温度，对降低发动机的原始排放和燃油消耗都非常有利。

图14表示这种新的1.6L-Duratec-Ti-VCT汽油机在发动机万有特性曲线上相对于基本机型燃油消耗的改善情况。若单独只采用Ti-VCT技术，与配气定时固定的基本型发动机相比，在NEFZ行驶试验循环中能获得4.5%的节油效果。

当然，采用减少汽缸数目进一步实现发动机小型化，在其他边界条件相同的情况下，可获得最大的节油潜力。同时应该指出，随着汽油机小型化程度的增加，由于爆燃的问题，可利用的节油潜力将越来越小。(未完待续)