车用汽油机节能减排先进技术研究

李旭 张立庆 于镒隆 吴春玲 刘双喜

摘 要：随着环保要求的提高、能耗法规的加严，对发动机先进技术进行研究应用显得至关重要。文章主要阐述了车用汽油机节能减排先进技术，包含燃烧技术、电控技术、换气技术和热管理技术等。根据研发机型需求采用最优先进技术配置，是实现当前和未来一段时间内节能与环保的有效措施。

关键词：汽油机;先进技术;油耗;排放

中图分类号：U464.17  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）12-70-03

Abstract： With the improvement of environmental protection requirements and the tightening of energy consumption regulations， it is essential to research and apply advanced engine technology. This paper mainly describes the advanced technology of energy conservation & emission reduction for vehicle gasoline engine， including combustion technology， electronic control technology， intake and exhaust technology， heat management technology， etc. According to the needs of the research and development models， the most advanced technology configuration is an effective measure to achieve energy saving and environmental protection in the present and future period.

Keywords： gasoline engine; advanced technology; fuel consumption; emission

前言

汽车行业的快速发展和大量汽车的持续应用，已经引发了全球严重的环境污染和能源短缺问题，各国政府及汽车企业对此非常重视，美国、欧洲、日本等分别用法规强制限制了汽车的排放和油耗。我国已于2016年12月23日，由环境保护部和国家质检总局联合发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，简称“国六”，要求自2020年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型车应符合该标准的要求[1];工信部于2017年9月27日公布了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》[2]，自2018年4月1日起实施。这一系列政策的出台和实施，进一步对汽车行业的节能减排技术进步提出了更高的要求，解决当前能源与环境问题，对其先进技术进行研究和应用显得至关重要。

为了适应节能、环保等的总体需求，汽油机广泛应用各种先进技术，包括燃烧技术、电控技术、换气技术、热管理技术等，以满足市场需求。

1 先进燃烧技术

由于燃烧过程占整个循环过程的时间非常短，故我们要求发动机工质的燃烧一定要及时和完全，使得发动机具有较好的经济性和排放性[2]。目前，先进燃烧控制技术主要应用高压缩比、阿特金森循环/米勒循环等。

1.1 高压缩比

发动机压缩比对其性能有多方面的影响。压缩比越高，发动机可以更好地利用活塞式发动机的作功特点、在做功行程用同样数量的燃油可以爆发出更大的功率，相应热效率越高，但发动机压缩比过高容易产生爆震。因此，如何在预防爆震的情况下，最大限度地提高发动机的压缩比，进而提高热效率成为现在很多厂商研究的重点。

如，大众EA211 1.5TSI发动机通过可变截面增压器的调节，提高增压压力，从而保持进排气压差大于0，以降低残余废气量，抑制爆震，让发动机工作在12.5：1的高压缩比下，使其热效率达37.5%;而日产2.0T发动机在传统发动机的内部，增加了一套复杂的连杆机构，通过改变发动机活塞行程，实现压缩比在8：1至14：1之間调节，使其最高热效率能够到达39%，有效提高了发动机的热效率。

1.2 阿特金森循环/米勒循环

目前市场上超过90%汽油机都使用的是奥托循环发动机。奥托循环发动机的特点是发动机燃烧包括四个冲程（进气-压缩-做功-排气）。为了提高奥托循环发动机的效率，最直接的方法就是提高发动机的压缩比，但压缩比并不能无限提升，会受到爆震、结构强度等因素限制。而阿特金森循环/米勒循环最明显的特征就是压缩行程短，膨胀行程长。目前发动机普遍具备可变气门正时技术VVT，通过控制进气门早关或晚关，使实际压缩比小于几何压缩比，气缸内没有那么多混合气体，从而降低实际的压缩比，膨胀比大于压缩比，延长作功行程，充分利用燃烧后的废气能量，提高热效率。

2 先进电控技术

提高发动机燃效，降低排放，除了先进的燃烧技术，还应精确控制和优化发动机的电控技术，当前，除高压喷射外，多次喷射和组合喷射等在先进机型中已逐渐受到大部分厂商的青睐。

2.1 高压喷射

高压喷射使得燃油雾化效果更佳，气体颗粒体积更小，使得喷射等量的燃油与空气接触的表面积更大。大部分主流的直喷发动机燃油喷射压力都在200-250bar左右，也有比较先进的机型高达350bar，如此高的燃油喷射压力可以很好的提升燃油雾化效果，使得燃油和空气混合得更好，燃烧反应更充分[3]。最终，发动机的动力和燃油经济性都得到提升，同时降低了颗粒物的排放量。