发动机小型化是节能减排的有效途径（一）

◆文/江苏　范明强

发动机小型化是节能减排的有效途径（一）

◆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。

一、发动机小型化的意义

柴油轿车的燃油消耗和CO2排放要比相同级别的汽油轿车约低20%，这也是欧洲柴油轿车的市场份额已超过40%的主要原因，因此柴油轿车的这种低燃油消耗特性对降低CO2总排放量具有重要意义。但是由于未来排放限值越来越苛刻，以及目前发动机技术所能达到的水平，进一步大幅度地降低燃油消耗变得越来越困难。因此，汽车发动机技术人员将小型化作为降低燃油消耗和排放的重要途径。

当今柴油机的普及是由于其具有吸引力的行驶功率和高扭矩输出以及低的燃油消耗，对此高压直接喷射和废气涡轮增压两项技术的贡献起到了决定性的作用，它们已使比功率和平均有效压力大大提高，因此柴油机小型化已被证实是节油和降低排放有效的技术措施。但是问题在于：对汽油机而言，小型化是否同样也能获得富有成效的发展？而对柴油机而言，通过小型化是否还能进一步扩大降低燃油消耗的潜力？未来应采取什么样有效的技术方案来进一步挖掘这种潜力？

二、发动机小型化的分析

通常小型化是指发动机即使排量减小了，但仍能发出高的功率，因此其总是具有高的比功率以及高的全负荷平均有效压力和比扭矩。如下列公式所示：

比功率Ne/VH是随着转速n或平均有效压力Pe的提高而提高的。该式中：Ne-发动机功率；VH-发动机排量；i-曲轴每转的循环数（二冲程i=1；四冲程i=1/2）； Me——扭矩。

鉴于发动机小型化的主要目标是显著降低燃油消耗，因此只有采用提高平均有效压力的强化设计方案来挖掘节油的潜力。在欧洲这种强化发动机的最大平均有效压力已超过20bar（相当于160Nm/L，1bar=105Pa），比功率达到60kW/L以上（柴油机）或100kW/L以上（汽油机）（图1），这都必须借助于高压直接喷射和高效的废气涡轮增压系统，并同时采用其他更多的措施才能达到。

图2示出了传统的自然吸气发动机、增压发动机和高转速设计方案在万有特性曲线场中相同功率运转工况点的情况。从图2中可清楚地看出，增压设计方案运转工况点的平均有效压力较高，因而位于较低的燃油消耗区域，同时还具有足够大的扭矩储备。即使具有较为有利的行驶试验循环燃油消耗，但是在需要的时候仍能获得令人满意的行驶功率。除此之外，还有更多的优点，例如发动机重量较轻，并且一个发动机系列有可能具有较大的功率跨度。

通常在转速保持不变的情况下，随着功率的增大有效效率会提高，这是由于工作过程和传动系统方面的原因使各种损失降低所致。图3以实例示出了排量（2.0L）较大的自然吸气汽油机与功率相同的高增压汽油机（1.2L）的效率比较。增压汽油机由于压缩比较低，其理想热力循环的效率要略低于自然吸气汽油机。在相同的转速和平均有效压力的运转工况下，尤其是在低负荷范围内，自然吸气汽油机的比燃油消耗通常要比增压汽油机低，但是在相同功率下运转时增压发动机的燃油消耗优势就非常明显。因此，发动机小型化的效果最主要是由于运转工况点移向更高的平均有效压力所致。由于运转工况点的移动，壁面传热和换气所造成的损失以及机械损失都降低了，而由于燃烧持续期延长或点火角位置延迟所造成的实际燃烧损失有所增加，但是综合起来，根据发动机小型化的程度以及结构和燃烧过程的不同，在对降低燃油消耗具有重要意义的实际行驶工况范围内，仍有明显的节油效果。因此，当今绝大多数将增压强化方案作为汽车发动机小型化和提高现有发动机系列动力性能的最佳方法，而在发动机不断小型化的过程中，应充分挖掘所有影响燃油消耗参数的潜力。

关于发动机小型化所产生的问题，及其对可能达到的最大平均有效压力的限制，对汽油机和柴油机而言在某些方面是有所不同的。一般发动机小型化需要对发动机机械结构、喷油系统、燃烧过程和增压系统进行仔细的匹配。随着小型化程度的提高或比功率和比扭矩的增大，对单个子系统也提出了更高的要求。对汽油机而言，爆燃问题将限制全负荷平均有效压力的提高；而对柴油机而言，则汽缸爆发压力或机械负荷将成为制约因素。

就降低燃油消耗而言，废气涡轮增压要比机械增压更有优势。但是废气涡轮增压的问题在于发动机低转速时废气中的能量不够充足，这将导致起步扭矩（即所谓的“低端扭矩”）较小。此外，涡轮增压器转子的转动惯量在发动机负荷突变时将会延迟增压压力的建立，使发动机的加速响应性能相应变差。

燃油喷射系统或混合气形成系统必须满足从怠速到全负荷之间宽广的运转范围内喷油量变化幅度更大的要求。由于喷油系统在很大程度上影响燃油消耗和有害物质的排放，因此未来喷油压力的可变性是必不可少的。

三、柴油机的小型化

现代柴油机的高压直接喷射和废气涡轮增压已为实施强化设计方案提供了最合适的技术手段。通过改善喷油系统和增压系统，并同时相应改进发动机机械结构提高承载能力，比功率还有可能进一步提高，而此时有害物质的排放是关键。即使最近几年比功率提高，但是通过降低几何压缩比（图4），并采用更高效的喷油系统和增压系统，还能进一步降低颗粒和NOx排放。对此的前提条件是快速和强烈的混合气形成，以确保良好的冷启动和怠速运转性能。（未完待续）