汽车发动机节能技术途径分析

王凯

随着我国节能减排政策的不断推进，汽车行业的节能减排是一个大趋势，同时也是一个大的系统工程，它涵盖了汽车从设计、制造、使用到报废的整个过程。而发动机是汽车最重要的核心部件，所以在汽车的节能减排中占有举足轻重的地位。

一、发动机节能的原理

发动机节能的原理主要有以下四个方面：

1.提高充气效率

1.1减小进气系统的流动损失。

一方面，可以减小进气门座处的流动损失。

首先，可以增大进气门的直径，并选择合适的排气门直径。发动机充气效率的大小，与通过进气门座处的气流的平均马赫数密切相关。平均马赫数是进气门处气流平均速度与该处音速之比，超过0.5，充气效率便急剧下降。

其次，可以增加氣门数目，采用小气门，增加气门数是增大进气门流通面积、降低排气损失的有效措施。

另一方面，可以减小整个进气管道的流动阻力。

首先，进气道应该能够使新鲜气体充入气缸内形成涡流;其次，进气道应该有足够的流通截面积，表面光洁，避免急转弯和流通截面的突然变化;另外，空气滤清器的阻力应随着结构和使用时间的延长而不同。

1.2减少对新鲜充气量的加热。

凡是能降低活塞、气门等热区零件的温度和减小接触面积的措施都是有利于减小对新鲜充气量的加热，具有节能效果。

1.3减小排气系统的阻力。

减少排气系统中排气门座、排气道、排气管、排气消声器的阻力，对降低排气压力、减小排气损失均有利。

1.4合理选择配气相位。

选择配气相位需要考虑进气迟闭角、进排气门重叠角、排气提前角的影响。

2.减小机械损失，提高机械效率

减小机械损失可从几个方面着手：降低活塞、活塞环、连杆等往复运动机件的摩擦和质量;降低滑动部件的滑动速度;减少润滑油的搅拌阻力;改良润滑油，使其粘度降低;合理选择摩擦零件的材料。

3.提高发动机压缩比或采用可变压缩比

从提高发动机指示负荷的角度来看，压缩比越大越好。但压缩比过大，不但燃料超耗，还会引起不良后果，汽油机可能爆燃，柴油机可能加速零件磨损。汽油机压缩比的选择应以不发生爆燃为原则。柴油机压缩比的选择应以保证柴油机冷起动性能和最大负荷为原则，还要考虑排放气体对环境的污染。

爆燃一般发生在发动机全负荷时，部分负荷时一般不发生爆燃。为了满足大负荷的使用要求，不得不把压缩比降低。

4.提高循环热效率

发动机从燃料的化学能转换为有效输出功的过程，是决定发动机动力性和经济性最关键的环节。这当中主要有三个环节：燃烧负荷、机械效率和循环热效率。循环热效率是核心环节，热功转换是热能动力机械最本质的体现。

分析导致循环热效率下降的因素有：（1）工质向外传热的损失;（2）早燃损失及后燃损失;（3）换气损失;（4）不完全燃烧损失;（5）缸内流动损失;（6）工质泄露损失。可以根据以上这些因素采取有针对性的措施提高循环热效率。

二、发动机节能的着手点

从上个世纪七八十年代开始，世界各国就对汽车的节能非常重视，概括起来主要有三个方面：

第一，是汽车轻量化。特别是小轿车，尺寸小型化，采用代用材料，比如轻铝合金或者塑料化。同时，在结构设计上采用发动机前置、前轮驱动，不需要传动轴，可以保持座舱内有较大空间，不仅实现了轻量化，而且在高速行驶时也可以保持操纵的稳定性。

第二，是通过本身外形的改进来减少汽车的行驶阻力，达到节能的目的。

第三，是改善发动机性能。研究稀薄混合气分层燃烧技术，或者汽车发动机柴油化，提高发动机的压缩比。此外，还考虑安装电子控制燃料喷射装置和点火定时装置，从而可以保持发动机在最佳工作状态下运行，以降低燃油消耗和减少排放污染。

以上几个方面仅仅是就汽车节能技术的发展动向而言，基于第三个方面，就发动机本身的节能技术来说，则可以考虑从以下几点着手：

（1）改进发动机的进气和燃料供应系统。比如采用复式化油器或者进气歧管的合理设计以及混合气体的加热加温，以保证燃料的雾化质量和混合气在各缸中的均匀分配。

（2）采用代用燃料和燃油掺水等技术。这样既可以提高燃料的抗爆性、减少结炭和降低污染，又能达到节能的目的。

（3）点火系统的改进。比如应用晶体管电容放电点火装置，可以加大点火能量或者高能点火，加快火焰核心的形成。此外，还可以采用短路保护器，以防止火花塞的结炭漏电，造成失火现象，影响发动机的稳定性与经济性。

三、发动机节能的措施

根据上述发动机节能的原理以及节能着手点，可以归纳出主要有以下一些发动机节能技术。

1.发动机稀薄燃烧技术

发动机稀薄燃烧技术，指采用发动机的实际空燃比远大于理论空燃比的情况下进行的具有良好动力性、经济性和排放性的燃烧技术。该技术综合了汽油机和柴油机两种燃烧方式的优点，可提高燃烧速度，使发动机混合气以较大的空燃比稳定燃烧。汽油机采用该技术可使热效率达到柴油机的水平，而且可使氮氧化合物的排放降到极低。

实现该技术的技术途径主要有：（1）实现稀燃混合气。实现稀燃混合气的措施有：使汽油充分雾化;采用结构紧凑的燃烧室;加快燃烧速度;提高点火能量;采用分层燃烧技术。（2）采用分层燃烧系统。主要有气道喷射稀燃系统和直接喷射稀燃系统。

2.发动机的增压技术

对进入气缸的空气提前进行压缩，使单位时间进入燃烧室的新鲜空气量增多，增加发动机的充气效率，提高发动机的功率。

为进一步改善发动机的燃油经济性，减少发动机尺寸和降低转速，通常是采用涡轮增压器。良好的低速扭矩，是用户普遍接受降尺寸和降速度技术措施的关键之一。采用双增压技术，即涡轮和机械增压相结合，可保证低速时的扭矩快速响应。

3.发动机可变气缸排量技术

发动机在中低负荷情况下，使部分气缸停止工作，增加工作气缸的负荷率，使其工作点落入低燃油消耗率区域和低排放工作区域内，从而改善车辆的经济性能和排放性能;当发动机需要大功率时，则让全部气缸工作，体现发动机的动力性。

4.可变压缩比技术

采用可变压缩比技术对于自然吸气发动机，在部分负荷情况下压缩比可以设计高一些;对于增压发动机在增压压力比较低的低负荷情况下，适当降低压缩比，使压缩比随发动机负荷的变化连续调节，这样可以避免爆燃，又提高了在高压缩比情况下中低负荷的工作效率，增加了动力性能，提高了经济性，保证了发动机工作效率的最大化。

改变发动机压缩比的方法主要有改变燃烧室容积和改变活塞行程。

5.发动机的燃油喷射系统和点火系统的电子控制技术

在汽油机的电子控制燃油喷射系统中，电控单元主要根据进气量确定基本的喷油量，再根据其他传感器信号对喷油量进行修正，使发动机在各种工况下均能获得最佳浓度的混合气，从而提高发动机的动力性、经济性和排放性。

汽油机的电子控制点火系统根据相关传感器信号，判断发动机的运行工况和运行条件，选择最佳的点火提前角点燃可燃混合气，从而改变发动机的燃烧过程，实现发动机动力性、经济性和排放性的提高。

6.电子节气门技术

汽车电子节气门技术淘汰了传统加速踏板采用拉索或杠杆机构，与发动机节气门之间进行直接的机械连接，通过增加相应的传感器和电控单元，实现精确控制节气门的开度。该技术可以实现发动机转矩和空燃比的精确控制，有助于提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性以及降低排放污染。

四、结语

从我国的能源政策和汽车工业发展情况来看，国家首先应大力发展柴油机技术，主要是研究电控柴油机;其次大力发展电动汽车，优先发展混合动力汽车，加大电池续航能力的研究;再次大力研发推广代用燃料车。发动机油耗的高低直接反应了我国发动机设计与制造水平，汽车发动机节能技术的推广应用，将大力推动我国汽车工业的发展。

（作者单位：东风悦达起亚汽车有限公司）