发动机小型化是节能减排的有效途径（三）

◆文/江苏　范明强

发动机小型化是节能减排的有效途径（三）

◆文/江苏范明强

以往人们的概念是汽车的排量越大，其功率就越大，而现在并非完全如此。比如，1.4L排量汽车完全可比2.0L排量汽车的功率大，而且还更省油。这就是汽车发动机小型化带来的效果。节能减排是当今汽车工业的重要任务，也是推动发动机技术进步和创新的重要动力，而为了达到未来更为严格的排放法规限值的要求，发动机小型化是节能减排的重要途径。本文详细分析通过汽油机和柴油机小型化，进一步降低燃油消耗和排放的潜力及其具体的技术措施，并通过实例分析阐述我国汽车发动机小型化的技术途径，以便使汽车维修行业和广大用户能了解汽车发动机的发展动向，有助于维修工作和更好地选择车型。

范明强

（本刊编委会委员）

教授级高级工程师，参加过陕西汽车制造总厂的筹建工作，主管柴油机的产品开发；1984年调往机械工业部无锡油泵油嘴研究所，曾任一汽无锡柴油机厂 、第一汽车集团公司无锡研究所高级技术顾问、湖南奔腾动力科技有限公司总工程师。

（接2015年第11期）

五、发动机小型化实例分析

探讨我国汽车发动机如何采用成本较低而又不太复杂的切实可行的技术措施实现小型化降低燃油耗和排放，对于我国汽车发动机行业的可持续发展，以及节约能源和环境保护具有深远的意义。欧洲菲亚特-通用（Fiat-GM）动力总成公司生产的欧宝（Opel）轿车用小型汽油机系列的更新换代称得上是汽车发动机小型化的典范，其开发过程中的分析思路和所采用的技术方案值得我们认真研究和借鉴。

Fiat-GM动力总成公司O系列小型汽油机系列的1.0L-Ecotec三缸和1.2L-Ecotec四缸汽油机自1997年投产以来，年产量已达到50万台，成为该公司的主导产品，由于其独特的燃油耗和功率特性，在众多的竞争机型中处于领先地位。为了适应市场和用户的需求，2004年该公司在第一代O-Ecote系列的基础上又开发了第二代O-Ecote系列发动机。其开发的主要目标是采用四气门-双进气道和可变进气充量运动调节技术，通过改进燃烧过程和降低机械损失的方法进一步降低小型汽油机系列的燃油耗。新开发的第二代O系列汽油机有1.0L、1.2L和1.4L三种排量机型，其中1.4L机型充分利用了该发动机系列的排量潜力，用来替代大一挡发动机系列（1系列）中的1.4L机型，达到发动机小型化的目的。第二代O-Ecote系列汽油机和1系列1.4L机型的技术数据对比见表1，其中天蓝色部分示出了小型化的主要特点。

表1 第二代O系列1.0L、1.2L和1.4L发动机和原1系列1.4L发动机主要技术参数的比较

汽油机降低燃油耗的技术措施有以下几种：

①采用高EGR率稀释汽缸充量，或在充量运动可调节的情况下采用稀薄运行方式；

②负荷控制，可变气门机构；

③均质或分层充气汽油直接喷射；

④切断部分汽缸；

⑤增压和缩小汽缸排量。

当时该公司内部对这些措施还存在着争议，曾进行过激烈的争论。即使各公司根据自身的特长和具体情况，所选用的方法和途径不同，但是只要采用节能技术降低燃油耗的方法所增加的成本与所期望取得的节油效益之间具有较好的性价比，都能得到用户的认可。因此，Fiat-GM动力总成公司根据发动机的汽缸数和排量制定了不同的节油降低CO2排放的策略，它跟发动机大小与汽车质量之间的比例关系，即汽车运行的负荷率有关。图15表示该公司各个汽油机系列所采用的技术措施与发动机排量和功率的关系。在1.6L及其以下排量的汽油机上都采用四气门技术—进气道可变充量运动调节和高EGR率相结合，在2L排量的汽油机上则采用减小排量与废气涡轮增压相结合的方案，而在排量超过2L的汽油机上才采用缸内汽油直接喷射。

图15 汽油机系列及其采用的技术措施与发动机排量和功率的关系

这种新的O系列汽油机无论是总体技术方案，还是基础发动机的结构设计都经过精心的策划，处处体现出小型化的特点，有好多值得参考之处，以下对此进行简要的介绍。

为了达到最大的节油效果，最小排量的机型仍保留了3缸机方案。把最小排量分成3个汽缸可明显地减少机械损失，并能获得较有利的发动机尺寸和燃烧室形状。由于三缸机的结构非常紧凑，汽缸体具有非常高的刚度和非常好的声学特性，因此允许不采用平衡轴，而有利于降低燃油耗。

发动机汽缸体用GG25灰铸铁铸造而成，汽缸中心距78mm，汽缸之间的“鼻梁”厚度只有4.6mm，结构非常紧凑，具有非常低的比重量。3缸发动机的汽缸体重量（包括铝制框架式主轴承盖座）为18.3kg，4缸发动机的汽缸体质量为22.3kg。由图16可看到，这样的质量处于灰铸铁汽缸体质量分布带的低端，且已进入铝汽缸体质量分布带范围。

图16 铝和灰铸铁汽缸体质量的比较

铸铝活塞采用封闭式结构，以1.4L发动机为例，其活塞压缩高度23mm，火力岸高度3.8mm，总质量只有175g，与原1系列1.4L发动机相比，质量减轻了38%。

曲轴由GGG60球墨铸铁铸造而成，1.0L的三缸机由于采用了新设计的空心铸造的连杆轴颈，重量减轻了1.4kg。由于曲轴具有高的刚度，降低了摩擦损失。

铝合金汽缸盖每缸都有两个不对称的进气道，用于产生强烈的缸内涡流运动。其中的充气气道用一个气动控制的涡流调节阀来开关，另一个螺旋气道总是打开的，用于在部分负荷运行工况时产生强烈的缸内充量运动。采用双顶置凸轮轴和滚柱式摇臂传动机构，进排气门呈52°夹角对称布置，从而获得了非常紧凑的结构。凸轮轴由冷激硬模用砂芯空心铸造而成，有利于减轻质量。

冷却水泵和机油泵的布置和结构设计很有特色，它们被一起集成在铝合金正时链条罩盖上，成为一个泵模块，预装配好后直接送至发动机装配线。冷却水泵由曲轴齿形皮带传动，而内齿轮机油泵则由曲轴前端的六角形轴颈驱动。机油的流动方向经过模拟优化，将机油油道中的液压流动损失降低到最低程度，而且由于机油压力波动幅度较小，改善了运行噪声。同时，在通往汽缸盖凸轮轴轴承的油道中加入了一个孔径标定过的节流阀，优化了汽缸盖和汽缸体之间机油油量的分配，减少了机油流量，与第一代O系列发动机相比，机油泵的尺寸减小了，进一步减少了功率损耗。

新的第二代O系列汽油机的工作过程也进行了精心的组织，确保达到降低燃油耗和排放的目标。部分负荷工况的废气再循环（EGR）率高达25%，充量被极其高度的稀释，EGR的适应性就是靠燃烧室内充量的强烈涡流运动来保证的。进气涡流调节阀同样也有助于汽车瞬态过渡工况运行，以及有利于降低燃油耗的推迟点火角的稀薄燃烧运行。再加上降低摩擦损失的措施以及压缩比提高0.5的共同效果，在欧宝Corsa轿车上，第二代1.0L发动机比第一代节油约5%。1.4L发动机在同样的5挡手动变速器轿车上，相对于被替代的尺寸较大的原1系列1.4 L发动机可节油17 %。O系列发动机优化燃烧过程和降低机械损耗使其在FEV燃油耗分布带中处于最低的位置（图17），而且并没有采用会使生产成本和运行成本大大提高的技术措施。如此低的稳态运行燃油耗只有采用分层充气的缸内直喷式汽油机才能达到，但是由于其热机运行中的问题和稀薄废气后处理装置需要周期性再生，分层充汽缸内直喷式汽油机的燃油耗优势最终并没有直接转化成整车的燃油耗性能。

图17 O系列汽油机比油耗在FEV燃油耗分布带中的位置

图18表示第一代1.0L发动机与第二代双进气道1.0L发动机相比，在MVEG（机动车排放组合）测试循环中各个不同阶段燃油耗的差异。从图中可以清楚地看到，进气涡流调节阀关闭的各个阶段的节油效果，所有等速和加速行驶阶段都是如此，仅仅在提速到120km/h的加速行驶和120km/h等速行驶时涡流调节阀才是打开的。怠速运转时的节油效果是由于怠速转速比第一代发动机低约100r/min，以及涡流调节阀关闭时发动机具有较高的燃烧稳定性，可采用较小的点火提前角。在减速倒拖行驶时，由于降低了重新恢复喷油的转速，因此比老机型节省了大约24%的燃油消耗。由于涡流调节阀关闭时发动机具有较高的燃烧稳定性，因此在热机运行期间能应用低达6%的稀燃混合气，这样也能够收到节油效果。

图18 欧宝Corsa-1.0L汽油轿车在MVEG-B行驶试验循环中各重要运行工况的节油效果

欧宝Corsa轿车由于搭载了这种新一代汽油机，整车MVEG循环的燃油耗明显降低。1.4L发动机由于换型成新系列机型，发动机质量减轻，振动质量等级降低，使整车燃油耗降低了17%。1.0L发动机由于发动机方面采取的措施， 使整车燃油耗降低了5%（图19），这种额定燃油耗的降低在用户实际使用中同样也明显地体现出来。因此，四气门-双进气道和可变充量运动调节相结合的技术方案是汽油机小型化综合效果最好的方法。

图19 欧宝Corsa轿车1.0L汽油机在MVEG-B行驶试验循环中的节油效果

六、结论

发动机小型化方案提供了大大降低燃油耗的可能性。汽油机根据燃烧方法和小型化程度的不同，可充分利用的降低燃油耗的潜力能够达到10%～30%。而对柴油机而言，由于其最大的挑战在于满足未来的排放限值，因此在压缩点火的情况下，近几年内燃油耗通过发动机小型化只能获得适度的降低。

为了能够实现降低CO2排放量的目标，必须增加有利于降低燃油耗车型的市场份额，因此增压发动机对未来将显得更为重要，其市场效果主要取决于是否能够成功地实现在获得令人满意的行驶功率的同时，具有低的燃油耗和可接受的额外成本。

我国汽车汽油机应采用成本较低而又不太复杂的技术措施来实现小型化，四气门技术和可变充量运动调节相结合的技术方案的性价比极具有吸引力，为我国汽车汽油机小型化提供了切实可行并且综合效果最佳的技术途径。为此，根据我国的具体情况，建议在批量生产中采用EGR和可变进气涡流调节，进一步降低燃油耗和排放，达到欧Ⅳ排放标准，然后在此基础上尽快通过增压实施发动机小型化，并采用可变凸轮轴相位调节技术，各制造厂商可根据各自机型的具体情况及其配套车型的需要而灵活使用。（全文完）