汽車發(fā)動機節(jié)能技術探索

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全球變暖問題使得各個國家都加大了節(jié)能環(huán)保力度，能源消耗、環(huán)境污染以及氣候變化給汽車產業(yè)帶來的壓力日益加劇，對于汽車行業(yè)來說，要想適應社會發(fā)展趨勢，也需要加強環(huán)保型汽車的開發(fā)與研究，通過使用發(fā)動機節(jié)能技術來降低汽車的能量消耗與污染物排放量，是當前汽車行業(yè)貫徹環(huán)保、節(jié)能理念的重要舉措。

1汽車發(fā)動機的危害

隨著全球汽車保有量的不斷增長，汽車消耗的石油資源與日俱增。為此，各國不斷升級限制汽車油耗水平的法規(guī)。環(huán)境危機與能源危機在前些年就引起了國家重視，我國已經在汽車發(fā)動機排放量方面做了相應的努力，力求實現汽車的節(jié)能減排。但是就目前來看，我國當前研發(fā)使用的汽車發(fā)動機，其排放控制技術仍舊處于發(fā)展階段，應用還不夠成熟，并不能大幅度降低汽車發(fā)動機的排放量，對環(huán)境的污染和能源的消耗仍舊較大，不利于人類的健康生存。雖然近幾年我國開始使用新型電動汽車，但是就整體汽車使用情況來看，使用燃油汽車的人數仍舊較多，因此，有必要加強對汽車發(fā)動機的進一步研究與改造，通過開發(fā)節(jié)能新技術來實現節(jié)能減排的目的。

2發(fā)動機運行的原理

發(fā)動機于汽車而言就是動力工廠，離開發(fā)動機，汽車將無法啟動。發(fā)動機工作的主要原理就是通過將液態(tài)或者氣態(tài)的化學物質進行燃燒并轉化成熱能，再進一步轉化成機械能，從而給予汽車足夠的動力，驅動汽車前進。汽車發(fā)動機在工作時只有保證曲軸轉動了兩圈，并且發(fā)動機的活塞往復了四次，才可以稱其為一個工作循環(huán)，這種發(fā)動機是當前我國市場最常見，應用最廣泛的四沖程發(fā)動機。

3發(fā)動機節(jié)能的方法

3.1汽車發(fā)動機采用稀燃技術發(fā)動機在運行時會進行空燃，此時對應一個理論空燃值，而稀燃技術就是通過增加空燃值，使其高于理論空燃值來實現節(jié)能的目的。稀薄燃燒不僅使燃料的燃燒更加完全，而且也減少了換氣損失，使用該技術不僅可以提高發(fā)動機的經濟效率，還可以有效降低發(fā)動機的排放量。稀薄燃燒可以提高發(fā)動機燃料經濟性的主要原因是，由于稀混合氣中的汽油分子有更多的機會與空氣中氧分子接觸，燃燒完全。采用稀混合氣，由于氣缸內壓力低、溫度低，不易發(fā)生爆燃，則可以提高熱效率。實現汽油發(fā)動機稀燃技術的關鍵技術歸納起來主要是高壓縮比、分層燃燒、高能點火三方面。稀燃技術已經成為汽油機發(fā)動機實現45%以上熱效率關鍵技術路線。

3.2汽車發(fā)動機采用增壓技術增壓技術是提高發(fā)動機節(jié)能效果的重要技術之一，它包括兩種增壓方法，一種是渦輪增壓，另一種是機械增壓，常用的是渦輪增壓。該方法主要是利用渦輪增壓器來將空氣進行壓縮，以此來增加進氣量。具體的運行原理是：發(fā)動機轉動過程中會產生一定的廢氣，利用這些廢氣的慣性來使渦輪轉動，與此同時帶動同軸的葉輪進行空氣的壓送，以完成增壓，并將空氣送入氣缸。當發(fā)動機的轉速不斷提高時，送入氣缸的空氣量就會隨之增多，在大密度的空氣壓力下，燃料燃燒將更加徹底，這就會產生更大的動力，從而提高發(fā)動機的輸出功率。與普通發(fā)動機相比，通過在發(fā)動機上增加渦輪增壓器可使發(fā)動機的輸出功率提高至少20%，并且與大排量的發(fā)動機相比，其消耗的能源更少，但獲得的動力卻相當，在很大程度上降低了能源消耗，減少了污染物的排放，提高了汽車發(fā)動機的經濟性。

3.3汽車發(fā)動機采用燃油摻水節(jié)油技術汽車發(fā)動機采用燃油摻水節(jié)油技術，指的就是在汽車燃油中增加一定量的水，在保證燃料總量一定的情況下，能夠有效降低燃油中有害物質的產生，并且可以減少煙霧的排放量，降低其對空氣的污染，實現節(jié)能減排。水噴射技術有多種布置方式，進氣系統(tǒng)噴水的系統(tǒng)復雜度低，技術風險小，但水噴射系統(tǒng)的結冰和銹蝕問題尚無徹底有效解決措施，加之控制系統(tǒng)復雜，成本增加，目前只是在技術研究階段，未能普及應用。

3.4汽車發(fā)動機采用可變進氣歧管技術ECU（ElectronicControlUnit）就是電子控制單元，我們在日常生活中通常將其稱作“車載電腦”。汽車發(fā)動機在運行時其轉速和負荷會發(fā)生一定的變化，該技術就是通過利用發(fā)動機這一特點實現節(jié)能減排的，具體原理是：汽車轉速與負荷變化時會引起氣道長度的改變，轉速增大，或者負荷降低時，氣道長度會隨之增長，進氣流動的整體量就會相應變多，從而引起氣流增速，在一定程度上使充氣效率有了明顯提升。如果燃燒的環(huán)境相同，就會使得輸出功率變大，轉矩也會有所增加。汽車發(fā)動機采用可變進氣歧管技術主要包括兩種：其一為可變進氣共振技術；其二為可變進氣歧管長度[1]。該技術常應用于自然吸氣汽油發(fā)動機。

3.5汽車發(fā)動機采用可變壓縮比技術可變壓縮比技術可直接滿足發(fā)動機高動力輸出和低油耗的目標，其在高負荷區(qū)域，采用低壓縮比，抑制爆震現象發(fā)生，提升發(fā)動機外特性；在低負荷區(qū)域，采用高壓縮比，提高發(fā)動機熱效率，降低油耗。提高壓縮比是提高熱效率的根本途徑，提高壓縮比在外特性區(qū)域會導致爆震和過高的缸內壓力，所以常規(guī)的定壓縮比發(fā)動機為保證全工況不發(fā)生爆震，壓縮比限制的較低，熱效率無法顯著提升。而在部分負荷工作條件下，缸內燃燒溫度和壓力比較低，與爆震的發(fā)生和允許的最大缸壓之間還有一些距離，此時，提高壓縮比是可行的，熱效率可進一步改善。

3.6汽車發(fā)動機采用汽油壓燃技術汽油壓燃屬于先進燃燒技術，融合汽/柴油發(fā)動機技術，發(fā)揮各自特點，常用工況實現壓燃，熱效率提升，可明顯擴大經濟油耗運行區(qū)間。與傳統(tǒng)點燃式汽油機類似，汽油壓燃發(fā)動機在燃燒開始前完成燃料與空氣的預混過程，接下來預混合氣被壓縮，在壓縮行程接近尾聲時，產生類似于傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動機的自燃著火及隨后的燃燒現象。通過在著火前的火花輔助引燃，可解決汽油壓燃難以穩(wěn)定控制的問題。通過壓燃，可在極稀（lambda>2.0）的混合氣氛圍下實現穩(wěn)定燃燒，部分負荷下，消除傳統(tǒng)汽油機節(jié)氣門部分開啟造成的泵氣損失，而且稀釋混合氣可有效降低燃燒溫度，提升工質比熱比，降低冷卻損失，并大幅降低NOx原始排放。常用工況實現壓燃，熱效率提升，可明顯擴大經濟油耗運行區(qū)間。

3.7汽車發(fā)動機采用停缸技術在發(fā)動機還僅僅采用化油器機械供油的時代，這項技術還較難實現，但隨著電噴技術的普及，斷缸相對來說就容易的多。工程師們首先將發(fā)動機氣缸分為常工作和間歇工作兩部分，低負荷時使簡寫工作的一組氣缸停止運行，而加大常工作氣缸的負荷率，使之保持在中、大負荷經濟油耗區(qū)運轉，達到機油的目的。發(fā)動機停缸后,燃燒室總表面積的減少可降低燃燒過程的傳熱損失,從而提高了發(fā)動機的循環(huán)熱效率，這也是停缸節(jié)油的一個原因。目前該技術在V6、V8大排量發(fā)動機應用較多。

3.8加強新型能源使用汽油屬于不可再生資源，要想減少汽油使用量，就需要我國加大新型能源技術的開發(fā)力度，對于汽車行業(yè)來說，其是汽油消耗的主要產業(yè)，因此，更應當積極研發(fā)新能源技術，提高汽車節(jié)能效果?？梢蚤_發(fā)使用烴類液體燃料，因為此類燃料不僅含有的雜質非常少，而且由于此類物質中含硫成分非常少，所以燃燒后產生的有害物質也很少，主要是水和二氧化碳，將其應用到汽車行業(yè)中可以有效減少尾氣排放污染。由此可見，烴類液體燃料替代石油具備較強的應用優(yōu)勢，在解決汽車尾氣排放的同時，還能夠解決能源需求問題。

4發(fā)動機節(jié)能技術的未來發(fā)展方向

4.1發(fā)動機動力系統(tǒng)電氣化發(fā)展過去，汽車發(fā)動機獨自承擔驅動任務，需要工作在較寬區(qū)間以滿足復雜工況，提升其熱效率則需增加各種可控技術以擴大最佳工作區(qū)域，這同時也帶來了成本的大幅增加。發(fā)動機完全可以借助電池、電機和電控技術的進步，轉向動力系統(tǒng)電氣化的發(fā)展方向，從而獲得更大的潛力。未來，發(fā)動機將與電池電機有效組合承擔驅動任務。盡管整車對動力總成的需求并未改變，但由于動力系統(tǒng)中耦合了電池電機單元，可通過電池充放電來適應不同工況。發(fā)動機則始終工作在較窄的高熱效率區(qū)域，甚至最終可以只追求有效熱效率的單點最高值。而動力輸出的可變調節(jié)則由電池與電機的有效組合來完成。這樣發(fā)動機將大幅簡化，成本將顯著降低，從而補償引入電池電機所帶來的成本增加。傳統(tǒng)內燃機動力系統(tǒng)的全面電氣化將是一個漸進的過程，隨著法規(guī)約束的不斷增強和電池、電機和電控技術的持續(xù)進步，這一進程將不斷加快。由此，各企業(yè)將逐漸放棄單獨以純發(fā)動機驅動車輛的技術路線，而是轉向根據混合動力、插電式以及增程式等各種機電耦合動力系統(tǒng)的需求來進行內燃機的優(yōu)化。

4.2智能網聯化方向發(fā)展當前汽車正向低碳化、網聯化和智能化方向不斷升級，而智能網聯技術的應用并不局限于整車層面。對于汽車動力系統(tǒng)而言，借助智能網聯技術，可以面向節(jié)能、環(huán)保、低碳目標，實現更有效的優(yōu)化控制。顯然，這不僅有利于純電動力系統(tǒng)的優(yōu)化運行，搭載發(fā)動機和電池電機單元的復雜機電耦合系統(tǒng)對此同樣有緊迫需求。未來動力系統(tǒng)將通過網聯實時獲取車輛自身信息以及與車輛相關的交通環(huán)境信息，并基于對車輛內外部狀態(tài)的感知和預測，實施高度智能化的精準控制，以最大限度地降低汽車能耗和排放。

5結語

綜上所述，隨著人類節(jié)能環(huán)保意識的增強和國家節(jié)能減排理念的提出，汽車行業(yè)要想滿足社會發(fā)展需求，實現自身的健康、長久發(fā)展，就必須使用先進的節(jié)能技術，尤其是發(fā)動機，更應當加大研究，提高發(fā)動機的運行效率，降低能源損耗，減少環(huán)境污染。

參考文獻：

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作者:段景輝 單位:長城汽車股份有限公司技術中心