车用汽油机节能减排先进技术研究

李旭 张立庆 于镒隆 吴春玲 刘双喜

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

中图分类号：U464.17  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）12-70-03

Abstract： With the improvement of environmental protection requirements and the tightening of energy consumption regulations， it is essential to research and apply advanced engine technology. This paper mainly describes the advanced technology of energy conservation & emission reduction for vehicle gasoline engine， including combustion technology， electronic control technology， intake and exhaust technology， heat management technology， etc. According to the needs of the research and development models， the most advanced technology configuration is an effective measure to achieve energy saving and environmental protection in the present and future period.

Keywords： gasoline engine; advanced technology; fuel consumption; emission

CLC NO.： U464.17  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）12-70-03

前言

汽車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《轻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。

3.3 可变气门升程

可变气门升程技术可通过调整凸轮升程高低来调整气门开度，以适应发动机高、低转速和负荷下不同的工况要求，低转速和小负荷下升程低，以优化油耗和输出充沛转矩;在高转速和高负荷下使用高升程凸轮驱动气门，以提供燃烧室最佳的进气流量和进气流速，实现更加强劲的动力输出。且连续可变气门升程可在各个工况下实现无节气门负荷控制，降低泵气损失，减小油耗[5]。目前，在丰田、本田、宝马、奔驰和奥迪等车系上，该技术都在不同程度上使用。

3.4 废气再循环

汽油机在部分负荷时，存在进气节流，产生较大的泵气损失，影响发动机的动力性和经济性，采用废气再循环，可以有效改善进气门后的真空度，减小泵气损失，从而提高发动机的燃油经济性;缸内混合气经废气稀释，减慢燃烧速度，使得缸内燃烧温度降低，抑制了NOx排放的生成。在暖机过程、怠速、低负荷和全负荷时，为保证汽油机正常着火和输出足够动力，一般不进行废气再循环[6]。

3.5 停缸技术

汽車发动机在部分负荷时，当系统检测到输出动力有冗余时，ECU会自动判断关闭部分气缸的进、排气门和喷油，以降低油耗和排放。当发动机处于大负荷等任何需要大功率输出的工况，汽车发动机全部气缸又会都投入工作，保证强劲的动力输出。

4 先进热管理技术

各汽车厂商针对日益严格的排放法规和消费者的需求，应用不同发动机先进技术，其中，也包含先进热管理技术，其包括分流冷却控制、集成式排气歧管、进气歧管集成水冷式中冷器等。

4.1 分流冷却控制

分流冷却控制，即通过两个节温器分别控制缸盖、缸体冷却液流向，通过控制发动机不同区域水温，使发动机各部件工作在最佳温度，降低相应摩擦副运动阻力，满足低油耗的要求[7]。目前，分流冷却已成为发动机冷却系统开发的主流技术。

4.2 集成式排气歧管

集成式排气歧管使得发动机结构紧凑，使废气进入增压器的距离缩短，增压器响应更灵敏，降低涡轮增压发动机迟滞效应;冷启动阶段，集成式排气歧管结构可以很好地利用排气热量对冷却液进行快速加热，加速冷却液达到工作温度，减少暖机时间，降低该过程油耗和排放;在发动机热态运转时，缸盖内部冷却液可以快速降低排气歧管内气体温度，有利于提高进气密度，增加进气量，尤其在高温高负荷工况下，集成式排气歧管结构可以利用冷却液降低排温，将其很好地控制在零部件所承受的临界温度以下，减小增压器热负荷，防止燃烧混合气加浓策略过早，获得强劲动力的同时也改善油耗。

虽然，集成排气歧管对缸盖铸造提出了更高的工艺要求，但是，基于以上众多优点，集成式排气歧管技术已在发动机上得到大量应用。

4.3 进气歧管集成水冷式中冷器

进气歧管集成水冷式中冷器结构紧凑，大幅度缩短了进气管路，减小空间占用和管内压损;更短的管路意味着空气能更快地到达中冷器，同时水冷的冷却效果也明显优于风冷式中冷。进气歧管集成水冷式中冷器能更好地满足了小排量增压发动机结构紧凑的需要，又具备更精准的控温能力，因而具备明显的优势[8]。

5 其他先进技术

为了满足节能、环保等的总体需求，汽油机广泛应用大量的先进技术，除以上提到的先进燃烧技术、先进电控技术、先进换气技术、先进热管理技术，还包含高滚流比气道、可变截面增压、能量回收、怠速启停、全铝缸体、变排量机油泵、电子节温器等先进技术，使发动机向着低功耗、低排放、轻量化、小型化方向发展，另外，还有受广大厂商青睐的混合动力技术等。

6 结语

面对国六排放法规从测试循环到污染物排放限值全面加严、国家四阶段油耗加严和双积分政策的挑战[9]，汽车行业对发动机先进技术进行研究应用显得尤其重要。本文简要分析了影响发动机能耗和排放的部分先进技术，包含燃烧技术、电控技术、换气技术和先进热管理技术等，为开发工程师提供参考。不同先进技术之间可能存在关联或制约的关系，可根据所研发机型需求采用最优配置。

参考文献

[1] 韩道平，周保华，李秋诚，侯勇，何非，刘骁辉.“国六”的实施对进口机动车入境口岸排放检测的影响及建议[J].汽车工业研究，2018 （01）：41-44.

[2] 肖红.浅析提高车用发动机经济性的途径及先进技术[J].科技经济市场，2017（10）：7-8.

[3] 国产动力崛起，这6款发动机不输大众丰田，还买什么合资车？http：//www.sohu.com/a/279153398_120218，2018-12-02.

[4] 赵乐文.乙醇汽油双燃料双喷射系统发动机经济性和排放特性研究[D].天津大学，2017.

[5] 李骏.汽车发动机节能减排先进技术[M].北京：北京理工大学出版社，2011.

[6] 黎苏，李明海.内燃机原理[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[7] 成晓北，潘立，鞠洪玲.现代车用发动机冷却系统研究进展[J].车用发动机，2008，（1）：1-6.

[8] 水冷和风冷之争-涡增发动机中冷器解析[EB/OL].（2017-02-27）. https：//chejiahao.autohome.com.cn/info/1565760.

[9] 吴春玲，崔莹泉，赵亮，高章.轻型汽油车满足国六排放法规的技术路径[J].汽车实用技术，2017（12）：103-104.