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發(fā)動(dòng)機小型化相關(guān)節能減排技術(shù)解析

發(fā)布時(shí)間:2016-06-28 責任編輯:susan

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

從整車(chē)廠(chǎng)和零部件供應商在發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng )新來(lái)看,小型化發(fā)動(dòng)機早已成為各家追逐的焦點(diǎn)。相對而言,更小的、功率密度更大的發(fā)動(dòng)機能夠降低摩擦損失,從而提升整車(chē)燃油經(jīng)濟性。此外,在中國1.6L及以下小排量發(fā)動(dòng)機還能享受購置稅減半的優(yōu)惠政策。
  
何為發(fā)動(dòng)機小型化?
  
發(fā)動(dòng)機小型化即通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機排量或減少氣缸數量,在提高燃油效率的同時(shí)減少尾氣和溫室氣體排放。全球排放法規和不斷提高的燃油經(jīng)濟性標準同時(shí)推動(dòng)著(zhù)傳統發(fā)動(dòng)機向著(zhù)小型化的路線(xiàn)發(fā)展。目前,這項技術(shù)被整車(chē)廠(chǎng)廣泛應用于輕型汽油發(fā)動(dòng)機中。有測試數據顯示,發(fā)動(dòng)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(dòng)機如何在實(shí)際行駛過(guò)程中保證其動(dòng)力性能不被削弱?此前,蓋世汽車(chē)針對發(fā)動(dòng)機小型化問(wèn)題做過(guò)一期業(yè)界調查《發(fā)動(dòng)機小型化趨勢明顯動(dòng)力性能表現成市場(chǎng)痛點(diǎn)》。結果表明,業(yè)界對發(fā)動(dòng)機小型化最大的疑問(wèn)在于其動(dòng)力性能是否足夠強勁,這也是影響小型化發(fā)動(dòng)機在終端市場(chǎng)表現的根本原因。關(guān)于制約發(fā)動(dòng)機小型化市場(chǎng)表現的因素,蓋世汽車(chē)將在后期的專(zhuān)家訪(fǎng)談中深入講解,本篇不做過(guò)多贅述。
  
發(fā)動(dòng)機小型化相關(guān)技術(shù)
  
更少氣缸數的更小型的發(fā)動(dòng)機之所以成為可能,離不開(kāi)渦輪增壓技術(shù)、汽油直噴技術(shù)、可變氣門(mén)正時(shí)等關(guān)鍵零部件技術(shù)作保障。下面將簡(jiǎn)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(dòng)機排放出的廢氣沖擊渦輪來(lái)壓縮進(jìn)氣,從而提高發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力和燃油效率。
  
 
眾所周知,燃油在發(fā)動(dòng)機內點(diǎn)燃需要氧氣,氧氣越多燃燒越充分,發(fā)動(dòng)機工作也就越好。渦輪增壓作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的一種進(jìn)氣形式,其主要作用就是壓縮空氣,提高發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量,從而提高發(fā)動(dòng)機的功率和扭矩,讓車(chē)子更有勁。同時(shí),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(dòng)機裝上渦輪增壓器后,其最大功率與未裝增壓器的時(shí)候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著(zhù)同樣一臺的發(fā)動(dòng)機在經(jīng)過(guò)增壓之后能夠產(chǎn)生更大的功率。拿我們最常見(jiàn)的1.8T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō),經(jīng)過(guò)增壓之后,動(dòng)力可以達到2.4L自然吸氣發(fā)動(dòng)機的水平,但是耗油量要比1.8L自然吸氣發(fā)動(dòng)機稍高。
  
優(yōu)勢:
  
1、擁有良好的加速持續性,后勁十足。最大扭矩輸出的轉速范圍寬廣,扭矩曲線(xiàn)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(dòng)機的動(dòng)力。
  
劣勢:
  
1、平順性有待提升,低速時(shí)渦輪不能及時(shí)介入,有一定的滯后性。渦輪遲滯、動(dòng)力輸出不線(xiàn)性是渦輪增壓最大的缺點(diǎn)。
2、使得整個(gè)系統溫度提高,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、后期養護費用較高。
  
因此,在使用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機時(shí),需要著(zhù)重考慮發(fā)動(dòng)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(dòng)機油進(jìn)行潤滑,用發(fā)動(dòng)機冷卻液進(jìn)行冷卻。絕大多數設計都允許發(fā)動(dòng)機冷卻液泵在熱停車(chē)后再持續工作幾分鐘,用來(lái)為渦輪護蓋降溫。由于渦輪是由發(fā)動(dòng)機尾氣所驅動(dòng)的,因此渦輪護蓋可能會(huì )變得紅熱。此外,由于機油都有其既成的流動(dòng)路徑,因此在發(fā)動(dòng)機關(guān)閉時(shí),機油就會(huì )經(jīng)由這些流道排空。如果沒(méi)有適當的冷卻和排空,軸承上的發(fā)動(dòng)機油就會(huì )燃燒(焦化),變成焦油,阻塞機油的流道,從而導致渦輪出現災難性的故障。
  
汽油缸內直噴技術(shù)
  
缸內直噴,顧名思義就是直接將燃油噴入氣缸內與空氣混合的技術(shù)。與傳統歧管?chē)娚涞囊饬x不同,缸內直噴將噴射壓力更進(jìn)一步提高,使燃油霧化更加細致,真正實(shí)現了精準地按比例控制噴油并與進(jìn)氣混合,同時(shí)消除了缸外噴射的缺點(diǎn)。在發(fā)動(dòng)機低轉速低載荷時(shí),延遲噴射,在活塞進(jìn)行壓縮沖程最后階段時(shí)噴射,利用空氣渦流,使燃油聚集在火花塞附近,分層燃燒實(shí)現節油的目的,但當發(fā)動(dòng)機轉速上去,載荷上去時(shí),還是要提前噴射,在吸氣沖程就將燃油噴射進(jìn)去,使油氣均勻混合燃燒。
 
 
此外,噴嘴位置、噴霧形狀、進(jìn)氣氣流控制,以及活塞頂形狀等特別的設計,使油氣能夠在整個(gè)氣缸內充分、均勻的混合,從而使燃油充分燃燒,能量轉化效率更高。相比于傳統的PFI(port fuel injection歧管?chē)娚洌┌l(fā)動(dòng)機,GDI發(fā)動(dòng)機燃油消耗可減少20%到50%。
  
優(yōu)勢:
  
1、燃油燃燒更充分,能量轉化效率更高。
2、更加精準地控制發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量與噴油時(shí)機,促進(jìn)節能環(huán)保。
3、缸內直噴的瞬態(tài)反應快,啟動(dòng)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)的轉化不完全。
3、對于油品適應能力差,汽油中的硫會(huì )毒害氮氧化物催化裝置。
  
可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)
  
發(fā)動(dòng)機可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)“VVT”(Variable Valve Timing),通稱(chēng)是“可變氣門(mén)正時(shí)”。其工作原理就是根據發(fā)動(dòng)機的運行情況,調整進(jìn)氣、排氣的量,控制氣門(mén)開(kāi)合的時(shí)間和角度,使進(jìn)入的空氣量達到最佳,從而提高燃燒效率。
 
 
通俗點(diǎn)來(lái)說(shuō),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(dòng)機工作時(shí)的轉速很高,四沖程發(fā)動(dòng)機的一個(gè)工作行程僅需千分之幾秒,這么短促的時(shí)間往往會(huì )引起發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣不足,排氣不凈,造成功率下降。因此,就需要利用氣流的進(jìn)氣慣性,氣門(mén)要早開(kāi)晚關(guān),以滿(mǎn)足進(jìn)氣充足,排氣干凈的要求。
  
既要兼顧引擎在低速區的扭矩特性,又想榨取高速區的功率特性的情形下,一種對氣門(mén)升程進(jìn)行調節的裝置即“可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)”應運而生。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(gè)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(mén)正時(shí)技術(shù),如豐田開(kāi)發(fā)的VVT-i,保時(shí)捷開(kāi)發(fā)的Variocam,現代開(kāi)發(fā)的DVVT……一系列可變氣門(mén)技術(shù)雖然商品名各異,但其設計思想卻極為相似。
  
優(yōu)勢:
  
通過(guò)控制進(jìn)行配氣,改變進(jìn)氣門(mén)的打開(kāi)與關(guān)閉時(shí)間,可以提高進(jìn)氣充量,使發(fā)動(dòng)機的扭矩和功率可以得到進(jìn)一步的提高。
  
劣勢:
  
1、中段轉速扭矩不足。
2、由于多搖臂和凸輪組機構的介入,發(fā)動(dòng)機運轉噪音大。
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(chēng)氣缸休眠技術(shù),是指當發(fā)動(dòng)機工作在小負荷狀態(tài)時(shí),通過(guò)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(dòng)機的6缸燃燒智能切換成3缸燃燒,達到節省燃油、降低排放的雙重功效;當急加速或爬坡需要加大動(dòng)力時(shí),可變排量技術(shù)又會(huì )啟動(dòng)所有汽缸,快速提升發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力輸出能量。
  
 
要讓氣缸休眠(不工作),眾多廠(chǎng)商主流的方式是斷油+斷氣。對于現在的電噴發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō),“斷油”相對簡(jiǎn)單,因為燃油噴嘴其實(shí)是電磁閥。電磁閥通電則噴油,不通電就不噴油。“斷氣”相對復雜。因為發(fā)動(dòng)機的進(jìn)、排氣門(mén)是氣體進(jìn)入、排出氣缸的必經(jīng)之路。所以,只要讓進(jìn)、排氣門(mén)不打開(kāi),就可以實(shí)現“斷氣”。
  
目前各廠(chǎng)商有著(zhù)各自的辦法,如本田的方法是通過(guò)塞柱的移動(dòng),斷開(kāi)搖臂與凸輪軸之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系,讓搖臂不再頂開(kāi)進(jìn)、排氣門(mén),實(shí)現“斷氣”。
  
優(yōu)勢:
  
低油耗,省油錢(qián),對于小排量經(jīng)濟型轎車(chē)效果明顯
  
劣勢:
  
1、消費者購車(chē)、用車(chē)成本增加,氣缸休眠技術(shù)使用了更為復雜的發(fā)動(dòng)機機械構造以及與之匹配的控制策略,必定會(huì )帶來(lái)整車(chē)成本的提升,而這些必然會(huì )轉嫁到消費者身上。
2、復雜的技術(shù)帶來(lái)了發(fā)生故障的可能性,也會(huì )提高維修保養成本。
  
自動(dòng)啟停技術(shù)
  
發(fā)動(dòng)機自動(dòng)啟停技術(shù),是指在車(chē)輛行駛過(guò)程中臨時(shí)停車(chē)(例如等紅燈)的時(shí)候,自動(dòng)熄火。當需要繼續前進(jìn)的時(shí)候,系統自動(dòng)重啟發(fā)動(dòng)機的一套系統。它的核心技術(shù)在于自動(dòng)控制熄火和啟動(dòng),這項技術(shù)可以有效降低發(fā)動(dòng)機怠速空轉的時(shí)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”系統的起停功能在鑰匙通電時(shí)默認自動(dòng)開(kāi)啟,當車(chē)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(kāi)時(shí),將開(kāi)啟自動(dòng)停機系統。當發(fā)動(dòng)機成功啟動(dòng)后,在一定的時(shí)間內,駕駛員沒(méi)有任何踏板和擋位操作,則系統會(huì )認為駕駛員暫無(wú)起步出發(fā)的意圖,發(fā)動(dòng)機會(huì )自動(dòng)停機。這個(gè)時(shí)候壓縮機同時(shí)也停止工作,當松開(kāi)剎車(chē)踏板繼續前進(jìn)的時(shí)候,發(fā)動(dòng)機又自動(dòng)啟動(dòng)。
  
優(yōu)勢:
  
節油、省錢(qián)。
  
劣勢:
  
1、若堵車(chē)時(shí)間較長(cháng),長(cháng)時(shí)間的走走停停勢必會(huì )給起動(dòng)機增加負擔。
2、一些車(chē)型的啟停邏輯不是很好,介入時(shí)間拿捏不準。
3、啟動(dòng)時(shí)噪音和震動(dòng)較大。
  
發(fā)動(dòng)機自動(dòng)啟停技術(shù)設計的初衷是為了環(huán)保節能,在理論環(huán)境下它也確實(shí)可以達到這個(gè)目標。但如果結合我國的路況——堵車(chē)時(shí)間較長(cháng),長(cháng)時(shí)間的走走停停勢必會(huì )給起動(dòng)機增加負擔。所以,在長(cháng)時(shí)間擁堵時(shí),最好將自動(dòng)啟停功能關(guān)閉,這樣更有利于延長(cháng)起動(dòng)機和蓄電池的壽命。

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