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發(fā)動機小型化相關(guān)節(jié)能減排技術(shù)解析

發(fā)布時間:2016-06-28 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】隨著石油資源緊缺及環(huán)境污染的日益加重,各國開始不斷收緊汽車燃油消耗及排放標(biāo)準(zhǔn),于是,更為節(jié)能環(huán)保的車輛開始受到人們的青睞。對于已有百年多歷史的內(nèi)燃機而言,想要繼續(xù)保持其旺盛的生命力,就必須在節(jié)能減排技術(shù)上有所突破。

從整車廠和零部件供應(yīng)商在發(fā)動機領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新來看,小型化發(fā)動機早已成為各家追逐的焦點。相對而言,更小的、功率密度更大的發(fā)動機能夠降低摩擦損失,從而提升整車燃油經(jīng)濟性。此外,在中國1.6L及以下小排量發(fā)動機還能享受購置稅減半的優(yōu)惠政策。
  
何為發(fā)動機小型化?
  
發(fā)動機小型化即通過減小發(fā)動機排量或減少氣缸數(shù)量,在提高燃油效率的同時減少尾氣和溫室氣體排放。全球排放法規(guī)和不斷提高的燃油經(jīng)濟性標(biāo)準(zhǔn)同時推動著傳統(tǒng)發(fā)動機向著小型化的路線發(fā)展。目前,這項技術(shù)被整車廠廣泛應(yīng)用于輕型汽油發(fā)動機中。有測試數(shù)據(jù)顯示,發(fā)動機小型化可以提升20%到30%的燃油效率。
  
然而在降低油耗和排放量的情形下,小型化發(fā)動機如何在實際行駛過程中保證其動力性能不被削弱?此前,蓋世汽車針對發(fā)動機小型化問題做過一期業(yè)界調(diào)查《發(fā)動機小型化趨勢明顯動力性能表現(xiàn)成市場痛點》。結(jié)果表明,業(yè)界對發(fā)動機小型化最大的疑問在于其動力性能是否足夠強勁,這也是影響小型化發(fā)動機在終端市場表現(xiàn)的根本原因。關(guān)于制約發(fā)動機小型化市場表現(xiàn)的因素,蓋世汽車將在后期的專家訪談中深入講解,本篇不做過多贅述。
  
發(fā)動機小型化相關(guān)技術(shù)
  
更少氣缸數(shù)的更小型的發(fā)動機之所以成為可能,離不開渦輪增壓技術(shù)、汽油直噴技術(shù)、可變氣門正時等關(guān)鍵零部件技術(shù)作保障。下面將簡要解析這些技術(shù)的工作原理,并分析各項技術(shù)的存在的優(yōu)勢和劣勢。
  
渦輪增壓技術(shù)
  
渦輪增壓(Turbocharger)是利用發(fā)動機排放出的廢氣沖擊渦輪來壓縮進氣,從而提高發(fā)動機的動力和燃油效率。
  
 
眾所周知,燃油在發(fā)動機內(nèi)點燃需要氧氣,氧氣越多燃燒越充分,發(fā)動機工作也就越好。渦輪增壓作為汽車發(fā)動機的一種進氣形式,其主要作用就是壓縮空氣,提高發(fā)動機進氣量,從而提高發(fā)動機的功率和扭矩,讓車子更有勁。同時,使燃油燃燒更加充分,提高燃油經(jīng)濟性和降低尾氣排放。
  
一臺發(fā)動機裝上渦輪增壓器后,其最大功率與未裝增壓器的時候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺的發(fā)動機在經(jīng)過增壓之后能夠產(chǎn)生更大的功率。拿我們最常見的1.8T渦輪增壓發(fā)動機來說,經(jīng)過增壓之后,動力可以達到2.4L自然吸氣發(fā)動機的水平,但是耗油量要比1.8L自然吸氣發(fā)動機稍高。
  
優(yōu)勢:
  
1、擁有良好的加速持續(xù)性,后勁十足。最大扭矩輸出的轉(zhuǎn)速范圍寬廣,扭矩曲線平直?!?/div>
2、提高燃油經(jīng)濟性,降低尾氣排放?!?/div>
3、利用廢氣的能量,不消耗發(fā)動機的動力。
  
劣勢:
  
1、平順性有待提升,低速時渦輪不能及時介入,有一定的滯后性。渦輪遲滯、動力輸出不線性是渦輪增壓最大的缺點。
2、使得整個系統(tǒng)溫度提高,需要額外解決高熱影響。為解決高熱影響,需要使用耐高溫抗氧化的冷卻和潤滑介質(zhì),加裝冷卻器等。
3、后期養(yǎng)護費用較高。
  
因此,在使用渦輪增壓發(fā)動機時,需要著重考慮發(fā)動機油品的挑選和換油周期。渦輪增壓器中的關(guān)鍵軸承需要用發(fā)動機油進行潤滑,用發(fā)動機冷卻液進行冷卻。絕大多數(shù)設(shè)計都允許發(fā)動機冷卻液泵在熱停車后再持續(xù)工作幾分鐘,用來為渦輪護蓋降溫。由于渦輪是由發(fā)動機尾氣所驅(qū)動的,因此渦輪護蓋可能會變得紅熱。此外,由于機油都有其既成的流動路徑,因此在發(fā)動機關(guān)閉時,機油就會經(jīng)由這些流道排空。如果沒有適當(dāng)?shù)睦鋮s和排空,軸承上的發(fā)動機油就會燃燒(焦化),變成焦油,阻塞機油的流道,從而導(dǎo)致渦輪出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。
  
汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)
  
缸內(nèi)直噴,顧名思義就是直接將燃油噴入氣缸內(nèi)與空氣混合的技術(shù)。與傳統(tǒng)歧管噴射的意義不同,缸內(nèi)直噴將噴射壓力更進一步提高,使燃油霧化更加細致,真正實現(xiàn)了精準(zhǔn)地按比例控制噴油并與進氣混合,同時消除了缸外噴射的缺點。在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速低載荷時,延遲噴射,在活塞進行壓縮沖程最后階段時噴射,利用空氣渦流,使燃油聚集在火花塞附近,分層燃燒實現(xiàn)節(jié)油的目的,但當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速上去,載荷上去時,還是要提前噴射,在吸氣沖程就將燃油噴射進去,使油氣均勻混合燃燒。
 
 
此外,噴嘴位置、噴霧形狀、進氣氣流控制,以及活塞頂形狀等特別的設(shè)計,使油氣能夠在整個氣缸內(nèi)充分、均勻的混合,從而使燃油充分燃燒,能量轉(zhuǎn)化效率更高。相比于傳統(tǒng)的PFI(port fuel injection歧管噴射)發(fā)動機,GDI發(fā)動機燃油消耗可減少20%到50%。
  
優(yōu)勢:
  
1、燃油燃燒更充分,能量轉(zhuǎn)化效率更高。
2、更加精準(zhǔn)地控制發(fā)動機進氣量與噴油時機,促進節(jié)能環(huán)保。
3、缸內(nèi)直噴的瞬態(tài)反應(yīng)快,啟動也比較快。
  
劣勢:
  
1、燃燒室處于富氧環(huán)境,易產(chǎn)生氮氧化物。
2、燃燒溫度較低,三元催化器并不能達到很好的工作溫度,對有害介質(zhì)的轉(zhuǎn)化不完全。
3、對于油品適應(yīng)能力差,汽油中的硫會毒害氮氧化物催化裝置。
  
可變氣門正時技術(shù)
  
發(fā)動機可變氣門正時技術(shù)“VVT”(Variable Valve Timing),通稱是“可變氣門正時”。其工作原理就是根據(jù)發(fā)動機的運行情況,調(diào)整進氣、排氣的量,控制氣門開合的時間和角度,使進入的空氣量達到最佳,從而提高燃燒效率。
 
 
通俗點來說,四沖程汽油機分為吸氣、壓縮、做功、排氣這四步流程,由于發(fā)動機工作時的轉(zhuǎn)速很高,四沖程發(fā)動機的一個工作行程僅需千分之幾秒,這么短促的時間往往會引起發(fā)動機進氣不足,排氣不凈,造成功率下降。因此,就需要利用氣流的進氣慣性,氣門要早開晚關(guān),以滿足進氣充足,排氣干凈的要求。
  
既要兼顧引擎在低速區(qū)的扭矩特性,又想榨取高速區(qū)的功率特性的情形下,一種對氣門升程進行調(diào)節(jié)的裝置即“可變氣門正時技術(shù)”應(yīng)運而生。該技術(shù)既能保證低速高扭矩,又能獲得高速高功率,對引擎而言是一個極大的突破。到今天幾乎每家企業(yè)都有了自己的可變氣門正時技術(shù),如豐田開發(fā)的VVT-i,保時捷開發(fā)的Variocam,現(xiàn)代開發(fā)的DVVT……一系列可變氣門技術(shù)雖然商品名各異,但其設(shè)計思想?yún)s極為相似。
  
優(yōu)勢:
  
通過控制進行配氣,改變進氣門的打開與關(guān)閉時間,可以提高進氣充量,使發(fā)動機的扭矩和功率可以得到進一步的提高。
  
劣勢:
  
1、中段轉(zhuǎn)速扭矩不足。
2、由于多搖臂和凸輪組機構(gòu)的介入,發(fā)動機運轉(zhuǎn)噪音大。
3、維修使用的成本也大幅增加。
  
可變排量技術(shù)
  
可變排量技術(shù)又稱氣缸休眠技術(shù),是指當(dāng)發(fā)動機工作在小負荷狀態(tài)時,通過一系列的“手段”讓部分氣缸停止工作(休眠),剩余的氣缸正常工作,該技術(shù)能將發(fā)動機的6缸燃燒智能切換成3缸燃燒,達到節(jié)省燃油、降低排放的雙重功效;當(dāng)急加速或爬坡需要加大動力時,可變排量技術(shù)又會啟動所有汽缸,快速提升發(fā)動機的動力輸出能量。
  
 
要讓氣缸休眠(不工作),眾多廠商主流的方式是斷油+斷氣。對于現(xiàn)在的電噴發(fā)動機來說,“斷油”相對簡單,因為燃油噴嘴其實是電磁閥。電磁閥通電則噴油,不通電就不噴油。“斷氣”相對復(fù)雜。因為發(fā)動機的進、排氣門是氣體進入、排出氣缸的必經(jīng)之路。所以,只要讓進、排氣門不打開,就可以實現(xiàn)“斷氣”。
  
目前各廠商有著各自的辦法,如本田的方法是通過塞柱的移動,斷開搖臂與凸輪軸之間的聯(lián)動關(guān)系,讓搖臂不再頂開進、排氣門,實現(xiàn)“斷氣”。
  
優(yōu)勢:
  
低油耗,省油錢,對于小排量經(jīng)濟型轎車效果明顯
  
劣勢:
  
1、消費者購車、用車成本增加,氣缸休眠技術(shù)使用了更為復(fù)雜的發(fā)動機機械構(gòu)造以及與之匹配的控制策略,必定會帶來整車成本的提升,而這些必然會轉(zhuǎn)嫁到消費者身上。
2、復(fù)雜的技術(shù)帶來了發(fā)生故障的可能性,也會提高維修保養(yǎng)成本。
  
自動啟停技術(shù)
  
發(fā)動機自動啟停技術(shù),是指在車輛行駛過程中臨時停車(例如等紅燈)的時候,自動熄火。當(dāng)需要繼續(xù)前進的時候,系統(tǒng)自動重啟發(fā)動機的一套系統(tǒng)。它的核心技術(shù)在于自動控制熄火和啟動,這項技術(shù)可以有效降低發(fā)動機怠速空轉(zhuǎn)的時間,這在城市走走停停的交通狀況下可以一定程度降低排放提高燃油經(jīng)濟性。
 
 
智能起停“stop—start”系統(tǒng)的起停功能在鑰匙通電時默認(rèn)自動開啟,當(dāng)車速降低至限值以下、處于空擋狀態(tài)和離合器踏板完全松開時,將開啟自動停機系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)動機成功啟動后,在一定的時間內(nèi),駕駛員沒有任何踏板和擋位操作,則系統(tǒng)會認(rèn)為駕駛員暫無起步出發(fā)的意圖,發(fā)動機會自動停機。這個時候壓縮機同時也停止工作,當(dāng)松開剎車踏板繼續(xù)前進的時候,發(fā)動機又自動啟動。
  
優(yōu)勢:
  
節(jié)油、省錢。
  
劣勢:
  
1、若堵車時間較長,長時間的走走停停勢必會給起動機增加負擔(dān)。
2、一些車型的啟停邏輯不是很好,介入時間拿捏不準(zhǔn)。
3、啟動時噪音和震動較大。
  
發(fā)動機自動啟停技術(shù)設(shè)計的初衷是為了環(huán)保節(jié)能,在理論環(huán)境下它也確實可以達到這個目標(biāo)。但如果結(jié)合我國的路況——堵車時間較長,長時間的走走停停勢必會給起動機增加負擔(dān)。所以,在長時間擁堵時,最好將自動啟停功能關(guān)閉,這樣更有利于延長起動機和蓄電池的壽命。

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