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全球變暖問題使得各個(gè)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(chǎn)業(yè)帶來的壓力日益加劇，對于汽車行業(yè)來說，要想適應(yīng)社會(huì)發(fā)展趨勢，也需要加強(qiáng)環(huán)保型汽車的開發(fā)與研究，通過使用發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)來降低汽車的能量消耗與污染物排放量，是當(dāng)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(dòng)機(jī)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(jī)與能源危機(jī)在前些年就引起了國家重視，我國已經(jīng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放量方面做了相應(yīng)的努力，力求實(shí)現(xiàn)汽車的節(jié)能減排。但是就目前來看，我國當(dāng)前研發(fā)使用的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，其排放控制技術(shù)仍舊處于發(fā)展階段，應(yīng)用還不夠成熟，并不能大幅度降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)汽車，但是就整體汽車使用情況來看，使用燃油汽車的人數(shù)仍舊較多，因此，有必要加強(qiáng)對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步研究與改造，通過開發(fā)節(jié)能新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

2發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的原理

發(fā)動(dòng)機(jī)于汽車而言就是動(dòng)力工廠，離開發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車將無法啟動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作的主要原理就是通過將液態(tài)或者氣態(tài)的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行燃燒并轉(zhuǎn)化成熱能，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，從而給予汽車足夠的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)只有保證曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)了兩圈，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞往復(fù)了四次，才可以稱其為一個(gè)工作循環(huán)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)前我國市場最常見，應(yīng)用最廣泛的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。

3發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能的方法

3.1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀燃技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)進(jìn)行空燃，此時(shí)對應(yīng)一個(gè)理論空燃值，而稀燃技術(shù)就是通過增加空燃值，使其高于理論空燃值來實(shí)現(xiàn)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(shù)不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)效率，還可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量。稀薄燃燒可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性的主要原因是，由于稀混合氣中的汽油分子有更多的機(jī)會(huì)與空氣中氧分子接觸，燃燒完全。采用稀混合氣，由于氣缸內(nèi)壓力低、溫度低，不易發(fā)生爆燃，則可以提高熱效率。實(shí)現(xiàn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)歸納起來主要是高壓縮比、分層燃燒、高能點(diǎn)火三方面。稀燃技術(shù)已經(jīng)成為汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)45%以上熱效率關(guān)鍵技術(shù)路線。

3.2汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用增壓技術(shù)增壓技術(shù)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能效果的重要技術(shù)之一，它包括兩種增壓方法，一種是渦輪增壓，另一種是機(jī)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(jìn)行壓縮，以此來增加進(jìn)氣量。具體的運(yùn)行原理是：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的廢氣，利用這些廢氣的慣性來使渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)帶動(dòng)同軸的葉輪進(jìn)行空氣的壓送，以完成增壓，并將空氣送入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷提高時(shí)，送入氣缸的空氣量就會(huì)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(huì)產(chǎn)生更大的動(dòng)力，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。與普通發(fā)動(dòng)機(jī)相比，通過在發(fā)動(dòng)機(jī)上增加渦輪增壓器可使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率提高至少20%，并且與大排量的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其消耗的能源更少，但獲得的動(dòng)力卻相當(dāng)，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(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

3.3汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃油摻水節(jié)油技術(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃油摻水節(jié)油技術(shù)，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(zhì)的產(chǎn)生，并且可以減少煙霧的排放量，降低其對空氣的污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。水噴射技術(shù)有多種布置方式，進(jìn)氣系統(tǒng)噴水的系統(tǒng)復(fù)雜度低，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，但水噴射系統(tǒng)的結(jié)冰和銹蝕問題尚無徹底有效解決措施，加之控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本增加，目前只是在技術(shù)研究階段，未能普及應(yīng)用。

3.4汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變進(jìn)氣歧管技術(shù)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(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)速和負(fù)荷會(huì)發(fā)生一定的變化，該技術(shù)就是通過利用發(fā)動(dòng)機(jī)這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的，具體原理是：汽車轉(zhuǎn)速與負(fù)荷變化時(shí)會(huì)引起氣道長度的改變，轉(zhuǎn)速增大，或者負(fù)荷降低時(shí)，氣道長度會(huì)隨之增長，進(jìn)氣流動(dòng)的整體量就會(huì)相應(yīng)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(huì)使得輸出功率變大，轉(zhuǎn)矩也會(huì)有所增加。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變進(jìn)氣歧管技術(shù)主要包括兩種：其一為可變進(jìn)氣共振技術(shù)；其二為可變進(jìn)氣歧管長度[1]。該技術(shù)常應(yīng)用于自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.5汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變壓縮比技術(shù)可變壓縮比技術(shù)可直接滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高動(dòng)力輸出和低油耗的目標(biāo)，其在高負(fù)荷區(qū)域，采用低壓縮比，抑制爆震現(xiàn)象發(fā)生，提升發(fā)動(dòng)機(jī)外特性；在低負(fù)荷區(qū)域，采用高壓縮比，提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)導(dǎo)致爆震和過高的缸內(nèi)壓力，所以常規(guī)的定壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷工作條件下，缸內(nèi)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(shí)，提高壓縮比是可行的，熱效率可進(jìn)一步改善。

3.6汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用汽油壓燃技術(shù)汽油壓燃屬于先進(jìn)燃燒技術(shù)，融合汽/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，發(fā)揮各自特點(diǎn)，常用工況實(shí)現(xiàn)壓燃，熱效率提升，可明顯擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)油耗運(yùn)行區(qū)間。與傳統(tǒng)點(diǎn)燃式汽油機(jī)類似，汽油壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒開始前完成燃料與空氣的預(yù)混過程，接下來預(yù)混合氣被壓縮，在壓縮行程接近尾聲時(shí)，產(chǎn)生類似于傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的自燃著火及隨后的燃燒現(xiàn)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，部分負(fù)荷下，消除傳統(tǒng)汽油機(jī)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(zhì)比熱比，降低冷卻損失，并大幅降低NOx原始排放。常用工況實(shí)現(xiàn)壓燃，熱效率提升，可明顯擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)油耗運(yùn)行區(qū)間。

3.7汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用停缸技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)還僅僅采用化油器機(jī)械供油的時(shí)代，這項(xiàng)技術(shù)還較難實(shí)現(xiàn)，但隨著電噴技術(shù)的普及，斷缸相對來說就容易的多。工程師們首先將發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸分為常工作和間歇工作兩部分，低負(fù)荷時(shí)使簡寫工作的一組氣缸停止運(yùn)行，而加大常工作氣缸的負(fù)荷率，使之保持在中、大負(fù)荷經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到機(jī)油的目的。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的循環(huán)熱效率，這也是停缸節(jié)油的一個(gè)原因。目前該技術(shù)在V6、V8大排量發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用較多。

3.8加強(qiáng)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(shù)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(chǎn)業(yè)，因此，更應(yīng)當(dāng)積極研發(fā)新能源技術(shù)，提高汽車節(jié)能效果。可以開發(fā)使用烴類液體燃料，因?yàn)榇祟惾剂喜粌H含有的雜質(zhì)非常少，而且由于此類物質(zhì)中含硫成分非常少，所以燃燒后產(chǎn)生的有害物質(zhì)也很少，主要是水和二氧化碳，將其應(yīng)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(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢，在解決汽車尾氣排放的同時(shí)，還能夠解決能源需求問題。

4發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的未來發(fā)展方向

4.1發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)電氣化發(fā)展過去，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)自承擔(dān)驅(qū)動(dòng)任務(wù)，需要工作在較寬區(qū)間以滿足復(fù)雜工況，提升其熱效率則需增加各種可控技術(shù)以擴(kuò)大最佳工作區(qū)域，這同時(shí)也帶來了成本的大幅增加。發(fā)動(dòng)機(jī)完全可以借助電池、電機(jī)和電控技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)向動(dòng)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(dòng)機(jī)將與電池電機(jī)有效組合承擔(dān)驅(qū)動(dòng)任務(wù)。盡管整車對動(dòng)力總成的需求并未改變，但由于動(dòng)力系統(tǒng)中耦合了電池電機(jī)單元，可通過電池充放電來適應(yīng)不同工況。發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)最高值。而動(dòng)力輸出的可變調(diào)節(jié)則由電池與電機(jī)的有效組合來完成。這樣發(fā)動(dòng)機(jī)將大幅簡化，成本將顯著降低，從而補(bǔ)償引入電池電機(jī)所帶來的成本增加。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的全面電氣化將是一個(gè)漸進(jìn)的過程，隨著法規(guī)約束的不斷增強(qiáng)和電池、電機(jī)和電控技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，這一進(jìn)程將不斷加快。由此，各企業(yè)將逐漸放棄單獨(dú)以純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的技術(shù)路線，而是轉(zhuǎn)向根據(jù)混合動(dòng)力、插電式以及增程式等各種機(jī)電耦合動(dòng)力系統(tǒng)的需求來進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)化。

4.2智能網(wǎng)聯(lián)化方向發(fā)展當(dāng)前汽車正向低碳化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化方向不斷升級，而智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用并不局限于整車層面。對于汽車動(dòng)力系統(tǒng)而言，借助智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，可以面向節(jié)能、環(huán)保、低碳目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)更有效的優(yōu)化控制。顯然，這不僅有利于純電動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，搭載發(fā)動(dòng)機(jī)和電池電機(jī)單元的復(fù)雜機(jī)電耦合系統(tǒng)對此同樣有緊迫需求。未來動(dòng)力系統(tǒng)將通過網(wǎng)聯(lián)實(shí)時(shí)獲取車輛自身信息以及與車輛相關(guān)的交通環(huán)境信息，并基于對車輛內(nèi)外部狀態(tài)的感知和預(yù)測，實(shí)施高度智能化的精準(zhǔn)控制，以最大限度地降低汽車能耗和排放。

5結(jié)語

綜上所述，隨著人類節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和國家節(jié)能減排理念的提出，汽車行業(yè)要想滿足社會(huì)發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)自身的健康、長久發(fā)展，就必須使用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)，更應(yīng)當(dāng)加大研究，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，降低能源損耗，減少環(huán)境污染。

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作者:段景輝 單位:長城汽車股份有限公司技術(shù)中心