汽车发动机节能技术研究现状与展望

陈 欢

汽车发动机节能技术研究现状与展望

陈 欢

（西安航空学院 车辆工程学院，陕西 西安 710077）

在人类社会可持续发展的大背景下，汽车节能一直是人们关注的焦点，发动机作为汽车的心脏，其节能技术研究也至关重要。文章对汽车发动机节能的原理进行简要介绍，对汽油机缸内直喷、稀薄燃烧、可变压缩比、可变配气系统等发动机节能关键技术及研究现状进行总结分析，并提出对未来发动机节能技术发展的展望，期望为后续研究提供理论基础与参考方向。

汽车发动机；节能技术；可变配气系统

汽车产业在国民经济和社会发展中发挥着至关重要的作用，为人们出行、运输提供便利的同时，也带来了能源与环境的双重危机。据有关数据显示，截至2022年底全国民用汽车保有量为3.19亿辆，其中新能源汽车保有量1 310万辆，仅占汽车总量的4.10%，绝大部分汽车仍然使用传统的往复式发动机。虽然近年来新能源汽车发展势头迅猛，但是在相当长的一段时间内，传统发动机依然是各类动力机械的主要动力来源。汽车占据石油能源消耗的重要方向，在石油危机的大背景下，汽车节能技术的发展尤为重要。

汽车节能是一个系统工程，途径包含了车辆技术、道路辅助设施与维修、汽车运用等多个方面。发动机节能功能途径就来源于车辆技术方面，发动机节能又包括了提高发动机性能和开发替代的发动机两个技术路径，本文主要着力于研究提高发动机性能技术。

汽车发动机节能技术的研究需要考虑的因素很多，从节能的角度来讲，希望组织完善的燃烧过程从而获得较高的热效率，但是发动机的燃烧是很复杂的过程，往往会顾此失彼，完全的燃烧可能会造成NOx的排放增加；另外还希望发动机尽可能轻量化，同时具备更好的可靠性与耐久性。在各种参数或者性能相互矛盾的情况下，采取某种发动机节能技术时，必须要统筹考虑、全面分析，以真正达到节能的目的。

1 汽车发动机节能原理

发动机节能主要从两个方面入手，一是提高发动机的热效率，二是实现发动机轻量化。高速柴油机混合加热循环热效率计算公式为

式中，t为热效率；为压缩比；为绝热指数；为压力升高比；为预胀比。

由式（1）可知，发动机的热效率主要与绝热指数、压缩比、压力升高比、预胀比有关。另外就是各种损失导致了发动机热效率比理想热效率要小得多。目前研究较多的发动机节能技术也多是从这些角度入手，组织好进气、喷油、燃烧过程、减少损失。例如：提高压缩比、稀薄燃烧技术、增压中冷技术、可变进气技术、缸内直喷技术、改善混合气在缸内的流动方式、改进点火配置提高点火能量、电控喷射技术、高压共轨技术、减磨擦技术、低散热技术等。发动机轻量化一方面节约了材料，一方面减少了无效载荷的油耗，其核心就是提高升功率L，也就是提高发动机工作容积的利用率，以获得更加强化、紧凑、轻巧的发动机。涉及的技术措施包括降低过量空气系数、提高充量系数、增加进气密度、采用高强度轻质材料等。

2 发动机节能关键技术

2.1 汽油机缸内直喷技术

汽油机缸内直喷技术（Gasoline Direct Injec- tion, GDI）是一种由柴油发动机衍生而来的技术，如图1所示。燃油由喷嘴直接喷入缸内与空气进行混合形成可燃混合气，该技术与传统喷射方式相比，可以进一步提高汽油机热效率、降低汽油机排放。根据燃油喷入时期的不同形成均质燃烧烧和分层燃烧两种模式，均质燃烧模式是指在进气行程后期向燃烧室内喷入燃油，在进气行程与压缩行程中完成与空气的充分混合，并在点火时刻使缸内形成较为均匀的混合气，确保稳定点火。分层燃烧模式是指在压缩行程喷入燃油，随着压缩行程的进行，燃油与空气混合，直至点火时刻，从火花塞处至缸壁，燃油浓度由浓到稀，保证有效点火，火焰传播也正常，从而提高燃油经济性。采用缸内直喷技术可以降低燃油消耗率的原因在于其燃烧方式与负荷调节方式接近于柴油机，但保持外源点火。该技术目前已经大量使用在包含VAG、BMW、Mercedes-Benz、GM以及Toyota （Lexus）车系上。

图1 缸内直喷技术简单示意图

2.2 稀薄燃烧技术

稀薄燃烧技术是指空燃比大于17，但仍然能保证发动机动力性能的一种燃烧技术，实现的途径有均质稀燃和分层稀燃。与常规汽油机相比，稀燃汽油机能够兼顾低排放性能与燃油经济性。稀薄燃烧之所以经济性好，是因为稀混合气当中的汽油分子与空气中氧分子的接触机会更多。因此，燃烧会更加充分和完全，若辅以相应的排放控制措施，能够显著减少汽油机的有害排放物，且随着吸入气缸内的空气量增多，泵气损失减少。同时因为是稀混合气，气缸内整体温度和压力较低，因此，不容易出现爆燃，进而将有效提升热效率。稀薄燃烧再结合最新的电子控制技术，将进一步提高车用汽油机热效率、降低排放。

2.3 可变压缩比技术

可变压缩比是一种动态调整内燃机压缩比的技术。传统的发动机压缩比是固定的，虽然燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，但是固定的压缩比无法充分发挥发动机性能。比如在发动机低转速、小负荷运转时，热效率低、综合性能较差，这时可以采用较大的压缩比；而在高转速、大负荷运转时，较大的压缩比则会使发动机产生爆燃，这时无法采用较大的压缩比。因此，压缩比若能够随工况变化最大限度地发挥出发动机的潜能，实现不同工况下发动机动力性和燃油经济性之间的平衡。特别是为防止增压发动机产生爆震，其压缩比较正常吸气的发动机小，这就导致了在增压压力较小的情况下，热效率很低。与此同时，涡轮增压的发动机在低压缩比时还存在增压迟滞现象，只有发动机达到一定转速才有增压作用。可变压缩比技术则可以解决这个问题，即在低增压低负荷工况下，提高压缩比；在高增压高速工况下，适当降低压缩比，使其在整个工况范围内均有较高的热效率。

2.4 可变配气系统技术

可变配气系统技术的核心在于通过提高充气效率来提高发动机的热效率。传统的发动机配气系统安装好后，配气相位是固定的，仅对于比较小的转速范围内具有最佳的充气效率，但理想的配气相位应该随着发动机转速、负荷及其他工况而改变。可变配气系统技术应运而生，以达到各个工况都能优化的目的，在高转速时希望发动机提供较大的功率，在低转速时又能提供足够的转矩。目前应用较多的是可变气门正时技术和可变凸轮机构技术，根据发动机转速与负荷的改变，控制气门正时和气门升程曲线保持最佳选择。与之相似的可变进气管长度技术，虽然利用进气管的动态效应，但其核心是通过提高充气效率以达到提高发动机热效率的目的。

3 发动机节能技术研究现状

近年来，相关的学者和专家对发动机的节能技术进行了仿真研究、效果验证、综述总结，为发动机节能技术的进一步发展贡献了力量。

3.1 在缸内直喷技术

王茂美等[1]从燃油系统结构组成和燃油喷射控制两方面对缸内直喷汽油机和高压共轨柴油机的燃油系统进行对比分析，为两种技术后续的研究提供了参考。李家琛等[2]选取了5辆满足国六排放标准的缸内直喷汽油车进行了尾气颗粒物碳质成分、水溶性离子和多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs）组分分析。结果发现，1）各类碳质为测试车辆尾气颗粒物中的主要成分，平均占比约70%；2）通过测量颗粒物中多种水溶性离子的含量，结果表明Ca2+和SO42-为尾气颗粒物中的主要水溶性离子，主要来源均为机油添加剂；3）GDI车辆尾气颗粒物中高环PAHs排放占比较高，对人体健康危害大，需要重点关注。

3.2 稀薄燃烧技术

晁岳栋等[3]研究了一台涡轮增压发动机上不同因素对高效超稀薄燃烧的影响。试验结果表明，通过点火方式、增压器匹配、压缩比、燃油类型的优化，可以将油耗降低约6 g/kW·h，实现最高44.2%的有效热效率。

朱登豪等[4]针对由于泵气损失较大产生汽油机小负荷工况、燃油经济性较差的问题，基于一台压缩比为16的直喷汽油机，结合自主研制的高能点火系统将稀燃极限从1.5拓宽到1.65，最大相对热效率提升22%，其中稀薄燃烧贡献了17%，高能点火贡献了5%。模拟结果表明，稀薄燃烧可以提高比热比，降低泵气损失和传热损失。高能点火的作用在于加快燃烧初期的湍流火焰速度，增大火焰面积以及生成更多促进燃烧的中间产物，从而缩短滞燃期和燃烧持续期，拓宽稀燃极限。

3.3 可变压缩比技术

徐凯等[5]设计了一种可变压缩比发动机多连杆机构，通过运动学建模计算与仿真结果对比分析，验证了机构设计的正确性。验证结果表明，多连杆机构可通过实现压缩比实时可变来满足实际工况的需要，在动力放大特性及抑制活塞与缸壁间摩擦等方面存在力学优势，并能在发动机振动方面带来额外的动态效益。

吴家杰[6]提出了通过提高发动机的几何压缩比，提高中小负荷下的热效率。在大负荷时，为避免最高爆发压力超出限定值，借鉴米勒循环的思想，通过延长进气门开启时间，迫使进气回流，从而降低最高爆发压力，保证全工况下发动机的稳定可靠运行的设想。研究充分论证了通过晚关进气门降低最高爆发压力的可行性，探究了提高几何压缩比对中小负荷指示热效率提升的潜力，为柴油机几何压缩比的确定以及可变压缩比的策略提供了新的思路。

3.4 可变配气系统技术

焦贺彬等[7]针对可变气门正时机构动态响应和速度控制效率低、能耗高等问题，提出发动机可变气门正时机构的动态响应与速度自动化控制研究。研究结果显示，采用所提方法后可变气门正时结构的动态响应速度约为0.2 s，证实了所提方法的速度控制效果较好，且提高了发动机的能量利用率。

邹鹏[8]提出了一种新型具有自调节气门正时功能的机械式连续可变气门升程系统，该系统通过调节凸轮轴枢轴中心来改变气门的动作，利用一个调节电机同时控制气门升程和正时，代替了进气液压可变气门正时技术（Variable Valve Timing, VVT），具有简单小巧、稳定可靠、成本低廉和响应迅速等优点。对该系统进行了相关的研究，结果证实了该系统对汽油机经济性的改善效果，明确了该系统原理样机的优化方向，为该系统的工程开发提供了理论指导。

3.5 其他技术研究方面

张文杰等[9]为了改善混动汽车发动机节能控制效果，选取型号为X186的嵌入式单片机作为控制器的核心控制芯片，开发了一套节能控制器。该控制器引入比例-积分-微分（Proportion Integral Differential, PID）控制算法，对发动机作业期间产生的多余机械能进行转换处理，从而得到电能，以此减少发动机能耗。结果证明了该控制器作业期间产生的发动机总扭矩、转速数值明显减小，能够取得节能效果。

吴铭良[10]总结分析了发动机生产制造方面的一些节能实践，涉及节能技术应用、能源管理体系、能源大数据管理，探究进一步挖掘节能潜力、提高能源绩效、不断降低产品能源单耗，从而实现清洁生产、低碳发展的有效模式。

吕良[11]针对现有的发动机电控系统主要关注动力-电力链的控制，未考虑热力链的优化控制研究问题。在热管理系统热力学建模和实时优化控制两方面进行了研究，并对所提及的发动机热管理控制策略都进行了详尽的推导及有效性验证，实现了从理论到应用的系统研究。

4 总结与展望

汽车节能是一个系统工程，任重而道远。汽油机缸内直喷技术、稀薄燃烧技术、可变压缩比技术、可变配气系统技术的发展研究已经比较成熟，均是从改善缸内燃烧，提高热效率的角度达到节能目的。发动机轻量化也是节能的关键路径，后期可对此方面进一步研究。

随着替代燃料的应用、新型燃烧技术的发展以及电控技术的革新、新能源汽车的大面积普及，传统的内燃机的节能技术还依然有广阔的研究空间。因为在未来很长一段时间内，传统的内燃机汽车依然会在市场占据最主要的位置，发动机的节能问题仍然是亟待解决的问题。高效率、低排放，寻求能耗更低的代用燃料是发动机节能技术追求的方向。

[1] 王茂美,孔晓林,牛雅丽,等.缸内直喷汽油机与高压共轨柴油机燃油供给系统对比[J].汽车实用技术, 2022,47(20):192-198.

[2] 李家琛,葛蕴珊,王浩浩,等.缸内直喷汽油车颗粒物化学组分特征[J].环境科学,2022,43(12):5464-5469.

[3] 晁岳栋,王志望,胡轲,等.超稀薄燃烧汽油机试验及测试循环研究[C]//2021中国汽车工程学会年会论文集(3).北京:中国汽车工程学会,2021:13-16.

[4] 朱登豪,邓俊,李理光.稀薄燃烧结合高能点火对高压缩比汽油机小负荷工况燃油经济性的影响[J].燃烧科学与技术,2021,27(4):394-404.

[5] 徐凯,冯增铭,杨金兴,等.可变压缩比发动机多连杆机构设计及动力学分析[J].机械传动,2022,46(12): 161-168.

[6] 吴家杰.基于米勒循环的压缩比可变控制策略研究[D].长春:吉林大学,2022.

[7] 焦贺彬,李富强.发动机可变气门正时机构的动态响应与速度自动化控制[J].制造业自动化,2021,43(5): 63-66,143.

[8] 邹鹏.一种新型全可变气门升程机构的正向开发及其应用研究[D].长沙:湖南大学,2020.

[9] 张文杰,姚翠萍.混合动力汽车发动机节能控制器设计研究[J].内燃机与配件,2022(18):63-65.

[10] 吴铭良.汽车发动机生产制造的节能实践[J].节能与环保,2022(7):39-41.

[11] 吕良.面向节能的汽车发动机热管理系统建模与优化控制[D].长春:吉林大学,2020.

Research Status and Expectation of Automobile Engine Energy Conservation Technology

CHEN Huan

( College of Vehicle Engineering, Xi'an Aeronautical University, Xi'an 710077, China )

In the context of sustainable development of society, automobile energy conservation has been the focus of people's attention, the engine as the heart of the automobile, its energy saving technology research is also very important.This paper briefly introduces the principle of automobile engine energy saving, summarize and analyze the key technologies and research status of engine energy saving, such as gasoline direct injection, fuel stratified injection, variable compression ratio and variable valve system, and put forward the prospect of future development of engine energy saving technology, hoping to provide theoretical basis and reference direction for subsequent research.

Automobile engine;Energy conservation technology;Variable valve system

U464

A

1671-7988(2023)17-211-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.040

陈欢（1995－），女，硕士，助理工程师，研究方向为动力工程及工程热物理，E-mail:yeah950811@163.com。