浅谈汽车发动机的节能减排技术

韦邦暄　张世宇

摘 要：随着世界各国汽车数量的不断增加，环境污染的问题亟待解决。节能减排和提高发动机的能量利用率已经成为这个时代对现代汽车的新要求。而可变压缩比技术（VCR）、可变气缸技术（VCM）、燃油分层喷射（FSI）这些技术可以在一定程度上提高燃油经济性，减少尾气排放。本文主要对发动机的三大节能减排技术进行了介绍和分析，并在探讨了未来发动机节能技术可能的发展趋势。

关键词：汽车;发动机;节能减排;技术分析;发展趋势

1 汽车发动机节能减排技术的研究背景及发展现状

近年来我国的空气污染问题日趋严重。根据中国社会科学院和中国气象局发布的数据来看，近几十年来我国部分地区雾霾天气总体呈上升趋势，持续性的雾霾天气现象显著增加。而引发这些问题的源头都与汽车的燃油经济利用率和尾气排放有着密不可分的联系。而且这些问题对于我国这样一个汽车大国来说已经成为了不得不面对的严峻挑战。所以如何采取一些有效的措施去处理好汽车与能源、环保、安全等问题之间的关系，成为了这个时代的一个挑战。故而，有关汽车发动机节能减排技术的研究与应用对于缓解当下形势显得尤为重要起来。

就现阶段来看，在市场上应用比较广泛的发动机节能减排技术主要有可变气缸技术（VCM）、可变压缩比技术（VCR）、燃油分层喷射技术（FSI）、可变配气技术（VVT）等。这些技术基本上都是利用发动机的参数变化控制技术来使汽车发动机在不同工况下尽可能地达到其最佳的工作性能，提高燃油的经济性，减少尾气排量。本文，将主要对可变压缩比、可变气缸、燃油分层喷射这三种节能减排的发动机技术进行重点分析。

2 汽车发动机常见的节能减排技术

2.1 可变压缩比技术（VCR）

可变压缩比（VCR）技术就是汽车发动机在运行过程中，能根据负荷的变化，实现对发动机压缩比进行动态调整的技术。在发动机高负载时候提供较低的压缩比，而在发动机低负载的时候提供较高的压缩比。目前应用这种技术比较成熟的是日产汽车公司的VC-TURBO发动机。下面，将以这款发动机为例，对其进行工作原理和优缺点分析。

日产VC-TURBO可变压缩比发动机的工作原理就是靠固定在发动机侧面的电机执行器控制一套连杆机构来改变发动机压缩比。这套连杆机构采用的是在曲柄销转动部位摆动的杠杆的一端与连杆连接，而其另一端则是采用与控制轴延伸出来连杆相连接的构造。在需要调整压缩比的时候，由于连杆是与控制轴的偏心部分连接的，所以当控制轴在转动的时侯，控制轴的连杆就会通过带动曲柄销回转而使杠杆摆动。如此一来，活塞的上止点的位置就会向上或者向下移动一段距离，进而造成燃烧室容积改变，但是此时气缸的工作容积没有改变（因为活塞的行程并没有发生变化）。在这种情况下，由于气缸工作容积没变，而燃烧室的容积却变大或者变小，所以这时候就实现了对发动机压缩比大小的一个调整。简单的来说，就是利用一套多连杆机构，通过调整活塞上止点位置来实现可变压缩比的。

日产VC-TURBO可变压缩比发动机的优点主要有：（1）提高了发动机的动力性，减少了油耗，同时在一定程度上也改善尾气排放性能。（2）该多连杆机构中，活塞的往复运动接近正弦曲线，几乎没有二次振荡的情况。

日产VC-TURBO可变压缩比发动机的缺点主要有：（1）多连杆机构比较复杂，增加了制造成本。（2）由于添加了一些可活动的零部件，所以给后期维修增加了困难，同时也增加了发动机的总质量。

综合来看，日产的这款VC-TURBO可变压缩比发动机虽然在提高燃油经济效率和节能减排方面是有着显著效果的作用。但是其在结构上仍有需要进一步改善的地方。相信未来，随着智能化应用的加入，可变压缩比技术将会变得更简约，更完善，为进一步提高发动机的能量利用率及尾气排放性能做贡献。

2.2 可变气缸技术（VCM）

可变气缸技术也称可变排量技术。因为在日常的开车驾驶中，有时候并不需要发动机大功率的输出，特别是在一些大城市遭遇堵车的时候，大排量多气缸的组合就有点浪费了。而可变气缸技术就是在发动机工作在小负荷状态时，通过一系列的方法让一部分气缸停止工作，而另一部分气缸继续正常工作。具体的方法主要有两种（对发动机停止供油和停止供气），这两种方法也是目前众多汽车厂家用的比较多的方法。

现阶段，具有代表性的可变气缸技术有VCM、MDS、DOD、ACT等。下面，笔者将针对VCM这种可变排量技术进行具体的分析。

VCM的工作原理是通过VTEC系统在特定情况下，关闭指定气缸的进、排气门，以此来中止这些气缸的工作。具体的工作过程就是利用电子控制技术，采用专用的一体式滑阀。在接收到来自于系统电控装置发出的调节指令后，滑阀会有选择地将油压导向特定气缸的摇臂。然后，同步活塞在上述油压的推动下，实现摇臂的连接和断开，从而达到关闭进、排气门的目的。在关闭气门的同时，这些气缸的燃油供给会被动力传动系控制的模块来切断，最终使这些气缸停止工作。这样一来，就实现了在特定情况下，部分气缸工作，而另一部分气缸不工作的目的。这里需要特别指出的是，在VCM系统中，非工作气缸的火花塞还是会继续点火。其目的是降低火花塞的温度损失，避免非工作气缸重新投入工作时因为不能完全燃烧而造成火花塞油污的现象发生。

VCM技術的主要优点是在特定情况下关闭部分气缸，有利于燃油效率提高，在一定程度上提高了燃油经济性，同时也降低尾气排放水平。当然，VCM技术也有它的不足之处，以本田的VCM为例。当汽车发动机在小负荷运行或者减速时，只有前排的3个气缸工作，而后排的3个气缸不工作，这时候由于发动机是处于一种不平衡的工作状态，会产生抖动和异响。由此可见，VCM系统虽然在节能减排方面有着巨大的作用，但是其系统在设计方面还需要考虑更全面一点，有待进一步的优化提高。

2.3 燃油分层喷射技术（FSI）

燃油分层喷射技术（FSI），是直喷式汽油发动机领域中的一项新技术。它在发动机同等排量的情况下，将发动机的动力性和燃油经济性几乎最大程度地结合起来。可以说是当代汽车发动机新技术中最为先进，也是最成熟的燃油直喷技术。这项技术最大的优势就是在提供大的输出功率和扭矩的同时，还能能够提高发动机的燃油经济性和降低尾气排放。

FSI发动机的工作原理就是根据发动在低负荷和全负荷两种状态时采用两种不同的注油方式来分别实现稀薄燃烧和均匀燃烧。下面，笔者将以大众迈腾的FSI发动机为例，对其具体的工作原理进行具体分析。

当发动机处于低负荷状态时，此时油门处于半开状态，在发动机压缩冲程喷注燃油。由于特特殊结构的活塞顶设计，会使空气和燃油形成滚流。这时候在火花塞周围形成的混合气是近似接近理论空燃比的可燃混合气。通过点燃火花塞周围的混合气来引燃整个燃烧室内的混合气。由于除火花塞周围外，在燃烧室其他地方的混合气则是高空燃比混合气，形成了稀薄燃烧。这种燃烧能够起到节约燃油，改善了发动机的经济性，降低尾气排放水平的作用。

当发动机处于全负荷状态时，系统会根据吸入的空气量来控制燃油的喷注量。这种情况下，燃油与空气同步注入汽缸，使符合理论空燃比的混合气均匀地充满燃烧室，形成均质燃烧。这种充分的燃烧一方面能使发动机的动力得到充分的发挥。而在另一方面，燃油的蒸发又对混合气起到了一定的降温作用，减少了爆震现象的发生。除此之外，在这种均匀燃烧下，发动机还可以获得更高的扭矩和动力输出。

FSI发动机的技术优势十分明显，其除了具有上文我们分析工作原理时提到的节省油耗，降低尾气排放，能够输出更高的扭矩和功率之外。它还具有操作轻便，舒适的优点。因为我们在日常行驶过程中，遇到不同的路况，需要不停的换挡。而FSI发动机的出现，可以让驾驶者明显地体会到换挡次数的降低，操作也更加方便舒适。不过尽管如此，FSI发动机也还是有一些小瑕疵的。例如：稀薄燃烧时，尾气中NOx的含量升高，而且还会对发动机燃油的品质有着更高的要求。不过，相信随着技术的不断进步，这些不足之处会被逐渐克服的。

3 汽车发动机节能减排技术的未来发展趋势

随着社会的不断发展，科学技术的不断进步，汽车发动机在节能减排方面可能朝着智能化和网联化的方向发展。未来的发动机节能减排技术的实现可能不再需要复杂的结构来满足，智能化的硬件设备将代替之前这些技术中的某些复杂结构。同时这些智能化的设备也会通过从发动机中采集的实时数据来进行更精确的决策和调控，使发动机的尾气排放量尽可能降到最低。而网联化则可以通过互联网大数据的分析，在实时地获取汽车所在的地理位置及这个位置的路况信息之后，及时地反馈给发动机的相关决策系统进行分析计算，最终根据计算结果及时地调整发动机的某些参数来实现减少排量。

4 结语

较好的燃油经济性能，较低的尾气排放水平，日趋成为这个时代对汽车发动机的新要求。目前市场上虽然已经出现许多较为成熟，应用也相对比较广泛的节能减排技术，但是它们仍然或多或少存在一些不足之处，需要我们不断改进。而在智能化，网联化这个发展趋势的推动下，将给汽车的节能减排技术开辟一个新的领域。而如何更好地将节能减排技术与智能化，网联化结合，还需要每一个技术人员和相关领域专家的探索与努力。

参考文献：

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