车用汽油机节能减排先进技术研究

车用汽油机节能减排先进技术研究 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;排放前言汽车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輕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VVT5，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。推荐阅读：汽车运输从读者需要出发，为振兴交通服务;替作者传播知识、施展才华、介绍经验、交流信息创造条件;为读者提高技术、增长才干、丰富人生、扩大眼界提供方便。办刊理念：以质量求生存，靠拼搏图发展，凭智慧创辉煌，用诚信走天下。