汽油发动机的节能降耗

将才

随着能源紧缺愈来愈严重，国际市场上的原油价格已突破100美元/桶。燃油价格上涨的大趋势在今后几十年内是不可避免的，因此节油型汽车的需求将主导市场。未来汽车公司之间竞争的焦点必然是在汽车的燃油经济性方面。汽车企业要想生存和持续发展，必须及早做好准备。

目前国内99%以上的乘用车是汽油车。可以预计，将来的汽油车仍将是国内汽车的主力。这不仅因为柴油供应紧张的局面预计仍将持续，而且在过去十几年汽油机技术有了突破性的进展，能够大幅度提高热效率。有实验数据显示，按照欧美汽车测试规定，应用高效汽油机技术的汽车平均油耗有可能比常规电喷汽油车提高25%～30%。同时，应用高效汽油机技术的单机成本要小于其他技术，例如混合动力、柴油机等。因此，开发高效汽油机技术对汽车节能是极其必要的。各种燃油动力技术的节能效果和单机成本的增加见图1。


图1 各类汽车动力相对于常规电喷汽油车的平均燃油效率提高和单机成本增加

国内外高效汽油机技术发展的现状

高效汽油机技术一直是欧、美、日各国政府和汽车公司降低油耗的重点，已耗费了大量人力物力。最近十几年来，在高效汽油机技术方面，特别是在汽油机燃烧系统方面有了一系列重要进展，已逐步应用或将要应用于产品中。

现代缸内直喷汽油机的研制是从1990年前后开始的，在1996年首次应用。世界上主要的汽车公司都开发出多种缸内直喷汽油机产品。从2006年初至今，已有两种“喷雾导向”型分层燃烧缸内直喷汽油机上市，其他上市的缸内直喷汽油机都是均匀混合缸内直喷汽油机，分别与可变气门定时技术或增压技术相结合。

在高效汽油机技术上更为重要的突破是均质压燃燃烧的应用。从21世纪初开始，均质压燃汽油机成为国外内燃机研究的热点，受到世界主要汽车公司的关注。在2007年，通用和戴姆勒分别展示了装备均质压燃汽油机的样车。这一里程碑式的成果证实了均质压燃汽油机驱动汽车的可行性。

图2 OKP型缸内直喷、两台电喷和一台分层燃烧缸内直喷汽油机的比油耗

与国外努力开发高效汽油机技术的情况相反，国内对实用的高效汽油机技术的研发应当说是相当忽视。长期以来，国内不仅有重视“高科技”、不重视“传统发动机”的倾向，在发动机领域也存在着重视柴油机、轻视汽油机的传统。进入20世纪80年代后，中国突然发现在轿车和汽油机技术方面远远落后于国外。其后，通过合资引进国外汽油机电喷技术，使中国汽车动力技术迅速上了一个台阶。但国内基本上没有对高效汽油机技术进行研发，投入很少。近年来，一些汽车企业开始对汽油机技术的研发有所重视，但力度和投入远远落后于国外。国内某大学也曾在国家支持下做过一些均质压燃的研究，但偏重于理论方面，距汽车实际应用还很遥远。

在世界上竞争激烈的高效汽油机技术方面，中国正面临着两种选择：一是积极参加高效汽油机技术的竞争，在汽车节油方面取得实际成绩；另外是基本上放弃在汽油发动机技术领域的努力，而把注意力放在50年后，放在当真正的新能源被开发成功后有可能有用的动力技术上。

高效汽油机技术发展的可行性分析

1．常规汽油机燃烧系统的改进

常规汽油机在部分负荷工况的热效率较低是由于点燃燃烧方式的限制所造成的。要能点燃混合气并通过火焰传播完成燃烧，需要把空燃比限制在一定范围内。为此，部分负荷工况需要进气节流，造成泵气损失。同时，空燃比受限制后，气体比热比较低，也影响了汽油机的热效率。在火焰传播时，为避免火焰前锋面而后面未燃，混合气突然大面积自燃引发爆震，压缩比受到限制。因此，汽油机的机械摩擦损失低于柴油机，其热效率比柴油机低12%～13%左右。


图3 单缸实验发动机试验台

降低部分负荷工况的泵气损失可通过对电喷汽油机的改进来实现。采用可变气门定时机构、在进气道节流等，都能降低泵气损失。但降低泵气损失后，进气阀开启时缸内气体向进气道回流减少，对油气混合不利，碳氢排放增加。另一减少泵气损失的方法是在低负荷工况使多缸机的部分气缸停缸，增加工作气缸的负荷，减少泵气损失。

汽油机燃烧系统的改进可允许在部分负荷采用高空燃比，因此能降低泵气损失并提高气体比热比。通过汽油缸内直喷可形成分层混合气。由于燃烧可在较浓的含油混合气内进行，虽然整机的空燃比增加，但仍能点燃混合气。最好的分层燃烧系统为软喷射或称为“喷雾导向”缸内直喷汽油机，可大幅度减少碳烟生成，扩大分层燃烧工作范围。汽车平均燃油效率可提高近15%，已达到或略优于柴油车的水平。在国内采用分层燃烧技术需要提高油品质量，减少汽油的含硫量。

2．均匀混合燃烧系统

对汽油缸内直喷技术进行利用的另一途径是均匀混合燃烧系统。喷雾油滴从空气中吸热蒸发，降低混合气的温度，提高了发动机的充量效率并降低了爆震倾向。通过压缩比的提高，燃气温度和传热损失的降低等，热效率可提高3%～4%。均匀混合直喷可与可变气门定时技术或增压技术相结合，利用彼此的优点弥补对方的缺点。应用可变气门定时技术是为了降低泵气损失。应用增压是为了减小发动机排量，在同样扭矩时平均有效压力增加，减少泵气损失。汽车平均燃油效率可提高7%～10%。但过高的增压度也会带来一些技术问题。

3．均质压燃技术

汽油机技术更为重要的突破是均质压燃燃烧。由于燃烧不再依靠点燃和火焰传播，传统的点燃燃烧方式对空燃比和压缩比的限制被消除，因此，汽油机的热效率有可能大幅度提高。

均质压燃汽油机可以有不同的技术方案，因此，其热效率和均质压燃工作范围会有很大不同，对汽车平均油耗的影响也不同。目前最流行的CAI型汽油机利用负的进排气门重叠来大幅度增加残余废气，使混合气能在上止点达到自燃温度。另一种CSI型汽油机的排气阀在进气过程中重新打开，使排出的废气重新回到气缸，增加混合气温度来实现均质压燃。还有一种VCR型汽油机，大幅度增加发动机的压缩比来使混合气能在上止点发生自燃。稍后的改进型增加了热交换器，用排气的热量加热进气。

在1999年提出的一种OKP型汽油机，利用快速热管理来控制进气温度。其压缩比提高到15%左右，并利用热交换器从排气和冷却水中取得热量来加热进气。通过气门控制能适度增加残余废气，进一步提供自燃所需要的热量。进气温度和燃烧时间是通过气阀改变加热和未加热气流的比例来控制的。在高负荷工况采用点燃燃烧。为此，需改变气门定时，降低有效压缩比来避免爆震，并采用增压中冷来弥补充量效率的下降。

从理论分析角度，恰当设计的均质压燃汽油机可以大幅度降低部分负荷工况的油耗。影响活塞式发动机热效率主要有7个因素，如表所示。根据这7个因素对不同的发动机进行评价（A优于B）。OKP型汽油机在每个方面都属于较好的A组，已接近活塞式发动机部分负荷热效率在技术上的上限。

发动机台架实验也证明，适当设计的均质压燃汽油机确实能够大幅度降低发动机部分负荷的油耗。图2所示为一台OKP型均质压燃汽油机、两台常规电喷汽油机及一台分层燃烧缸内直喷汽油机样机在1500r/min转速下不同负荷的指示比油耗。测试方法和数据处理方法相同。可以看到，OKP型均质压燃汽油机大幅度降低了部分负荷油耗。

均质压燃的工作范围是决定汽车平均油耗的另一重要因素。根据对均质压燃工作范围的限制和扩展工作范围方法，分析比较不同的均质压燃燃烧系统，可以得出结论，OKP汽油机均质压燃的工作范围和VCR汽油机一样，比其他均质压燃汽油机宽。


图4 单缸实验发动机活塞

图3所示为单缸实验发动机安装在试验台上的情况。OKP型均质压燃汽油机的实验数据在此实验发动机上取得。发动机活塞见图4，喷油油束的位置见图中标注。按照美国EPA规定，根据实验数据估算的测试的OKP型汽油机汽车平均燃油效率可比电喷汽油车提高25%～30%。与之相比，根据理论分析和最新的实验结果，CAI型汽油机仅能提高汽车平均油耗10%左右（见图1）。

燃烧时间控制是一些发动机专家对均质压燃技术在车辆上应用的可行性持怀疑态度的原因。很多均质压燃汽油机的实验都表明，通过控制混合气达到自燃温度的时间可以可靠地控制燃烧时间。包括燃烧模式转换在内的燃烧时间可靠控制是也可以做到的。2007年通用和戴姆勒公司分别展示了采用均质压燃汽油机的样车，也证明了这一点。

OKP型均质压燃汽油机虽然比常规发动机复杂，但它仅采用已经有、或技术已比较成熟的发动机零部件。单机成本的增加将低于混合动力和柴油机，而节油效果高于柴油机，与混合动力相当（见图1）。均质压燃汽油机的开发至今尚未遇到任何根本性的、会导致难以在车辆上应用的技术障碍。因此，在汽车产品上应用均质压燃汽油机，尤其是OKP型汽油机，是完全可行的。

在产品汽油机上应用均质压燃需要解决的一个问题是低成本的传感器，用于检测燃烧时间，以便进行反馈控制。现有的压力传感器成本太高。另一个要解决的问题是由于要增加热交换器等，发动机的体积增加，造成在汽车上布置的困难。

总而言之，高效汽油机技术的种类很多。其目标通常为提高汽车在最常用的部分负荷工况的燃油效率。不同的高效汽油机技术的成本、节油效果也不同（见图1）。高效汽油机技术的最终目标是接近活塞式发动机部分负荷热效率在技术上的上限。把汽车平均燃油效率从目前常规电喷汽油车的水平提高25%～30%。

高效汽油机技术发展和应用的条件

发展和应用高效汽油机技术要解决三个问题：一是汽车企业要建立专门开发高效发动机技术的团队和研发条件；二是要保障所需发动机关键零部件的供应；三是油品质量要能满足要求，达到欧洲水平。这三个问题已经开始解决，但尚需进一步努力。

首先，目前一些汽车公司已开始注意到发动机技术开发的问题，正在建立技术研发团队。要能真正发挥作用，应当加大投入，把节油汽油机技术的开发放到公司的重要位置上。其次，国内零部件供应商已有很大进步。但仍应加强零部件的生产配套，填补在采用高效汽油机技术时所需要的一些关键零部件生产供应方面的空缺。国外零部件供应商也正在打进中国市场，可以成为关键零部件的来源。最后，国内油品质量是个必须尽快解决的问题。提高油品质量在炼油技术方面并没有困难。要促使炼油工业投入资金，对炼油设备及工艺进行升级改造，还应当提高国家燃油标准。
表 不同因素时，发动机热效率的影响评价



采用高效汽油机技术的最大障碍是发动机成本的增加。虽然高效汽油机的成本增加与油耗改进之比与其他汽车节能技术相比非常低（见图1），但由于人们更喜欢追求“高科技”，不喜欢搞“传统发动机”，容易忽视那些能很快发挥节油作用的高效汽油机技术。

因此，国家在鼓励和支持汽车节能技术时，要强调实效，把降低汽车平均油耗作为一个重要目标和衡量标准。国家政策是要使汽车企业清楚，采用新技术并适当增加发动机成本来节油是值得的。为此，国家政策应对各种汽车节能技术公平对待，根据实际节能效果进行支持，或给予诸如减税等优惠。

另外，国家可以在财政上投入支持某项技术的开发，但不应当在政策上对某一项技术特别照顾，尤其是不应长期照顾，造成“汽车节能”的最终目标变成“应用某项技术”的目标。由于技术的复杂性，过早认定某项技术将成为未来的方向是一种冒险。如果由国家来具体规定通过某项技术来解决节能问题，汽车企业将更不愿意增加一定的发动机成本来降低发动机油耗，而是找到了一个借口，愿意等待国家特别支持的某项技术来解决节能问题。

Emilee

厉害，明天交节能的论文课题，谢谢。
长知识了

inspiron9300

其实国内在发动机上面所做的努力不少，但是我们都知道大部分改进都需要燃油质量的跟进才能出现显著效果，可惜这个燃油质量问题就触及了某些公司和某些人的利益，这个是禁区，所以。。。。。。

佩剑骑士

其实国内在发动机上面所做的努力不少，但是我们都知道大部分改进都需要燃油质量的跟进才能出现显著效果，可 ...
inspiron9300 发表于 21-10-2010 20:45

    呵呵！油品的问题是可以克服的。210g/kwh已经达到了，下月批产啦。别跟着老外瞎起哄。什么中国油不好，FSI,GDI的。还有什么高压共轨。正确的说：乘用车及较小的发动机，汽油机将彻底战胜柴油机。

inspiron9300

唉，不是起哄，只是对国内油价发点牢骚而已。
国人的消费只要涉及垄断型企业的都大谈同国际接轨，电信如此，石油如此，房价——额，这个应该要国际同我们接轨了。
就是不谈国人的实际收入水平，实际消费能力。
美国人收入3000美元，油价超过0.9美元美国人就跳脚了，中国人收入3000人民币，油价超过6人民币还要与世界接轨性涨价。

Dengdesigner

非常感谢，长见识了

佩剑骑士

佩剑骑士 发表于 25-10-2010 00:50
呵呵！油品的问题是可以克服的。210g/kwh已经达到了，下月批产啦。别跟着老外瞎起哄。什么中国油 ...

科学需要严谨，由于附件质量问题。这个项目拖了两年，现在终于过关了。这是台摩托车风冷发动机，排量125cc。从现在的结论推断：因为摩托车发动机附件损失过大，如果这项技术又在汽车发动机上比油耗还可以更低。还有一点，相等功率的小柴油机280g/kwh.

bailen

佩剑骑士 发表于 11-6-2012 07:34
科学需要严谨，由于附件质量问题。这个项目拖了两年，现在终于过关了。这是台摩托车风冷发动机，排量125c ...

你是个外行，不过是靠抄点铃木的垃圾技术的混球