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[其它] 汽车发动机技术研究分析

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发表于 11-6-2010 20:24:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  发动机是汽车所有动力的源泉,是汽车当之无愧的“心脏”。作为汽车的重要部件,发动机直接影响汽车的油耗、排放和动力性能。中国要进行汽车的自主开发,必需具备发动机开发能力。


  近年来,中国汽车企业开始重视汽车的自主开发,因此也随之开始重视发动机的开发,特别是发动机产品的设计开发。此前,国内的主要汽车公司大都是依靠合资方式从国外引进产品图纸和生产技术来生产发动机和汽车,其他的小型汽车公司则多依靠仿制,基本上都不具备发动机的开发能力。

  发动机的开发

  与汽车的其他主要部件,如车身和底盘的开发不同,发动机的开发相对比较复杂,这是由于车身和底盘是机构或机械部件,其技术相对比较简单,因此在国外的汽车公司中,对车身、底盘技术的开发通常是由车身、底盘的设计部门在设计过程中加以考虑的。而发动机是把燃料的化学能转化为机械能用于驱动汽车的机器,因此技术相对复杂。同时,由于现行法律、法规对汽车的排放和油耗的要求在不断增加,汽车公司需要不断地开发发动机的新技术才能满足环境对排放和油耗不断增加的要求。

  但是,发动机的技术开发和发动机产品的设计开发是两种不同的开发过程,这两种开发对人员技能、开发设备、工作流程、任务类型、时间等方面的要求都有很大不同。发动机的技术开发是一种前瞻性的开发,具有很大的不确定性;而发动机产品的设计开发是一种应用性开发,实用性更强。

  随着环保政策、能源政策限制力度的加大,加快发动机的技术开发是未来汽车领域的一个必然选择。为保证发动机的技术开发能够顺利进行,国外的汽车公司往往根据发动机技术的成熟程度进行分工:短期内能在产品中应用的技术由发动机设计部门负责;预计中期内能够应用的技术由前瞻性发动机开发部门负责;对于那些不成熟、预计多年后(例如5年后)才能应用的发动机技术则由发动机技术研发部门负责。这种分工使得需要有计划、按时完成的发动机产品设计工作和具有很大不确定性、需要进行长期细致研究的发动机技术开发工作都能顺利进行。

目前国内的汽车公司已经开始重视发动机产品的设计开发,但是重视程度还不够。虽然很多汽车公司都成立了汽车研究院,但这些研究院基本上都是在做汽车产品的设计开发工作,只相当于国外汽车公司的产品设计部门,而对发动机技术的研发投入不够,大多只是作为附带的工作在做。从某种角度来说,目前国内尚不存在名符其实的专门从事技术研发的汽车研究院。

  主导性研究

  其实,进行发动机技术开发是应对未来竞争挑战的迫切需要。由于地球上有限的石油资源被加速消耗,能源紧缺和油价上涨的趋势不可避免,而至今地球上尚未发现任何能大量使用的“清洁能源”,因此在今后数十年里,人们不得不继续主要依靠石油产品来驱动汽车,降低汽车的油耗将越来越重要,这也必然成为国内汽车公司之间以及国内和国外汽车公司之间竞争的焦点,成为汽车公司生存和持续发展的关键。只有开发发动机技术,特别是开发新的发动机燃烧系统,才能大幅度降低油耗。

  在自身能力不足的情况下,利用咨询公司协助开发是一种很好的方式,但若将发动机技术开发完全外包给咨询公司来主导会带来许多问题。从国外汽车企业的发展经验来看,在开发发动机技术时,只有自己主导开发发动机技术,才能建立和掌握核心技术的开发能力,才能在世界范围内进行有成效的竞争。

  由于不能依靠国外汽车公司为自主产品提供技术,目前国内的汽车公司往往依靠几个国外的发动机咨询公司来提供发动机技术,而这样下去的结果将是中国汽车公司在发动机技术方面长期依靠外国公司,需要不断耗费资金从国外引进。更为不利的是,这些国外咨询公司的主要业务并不是研究发动机燃烧系统,难以提供最先进的发动机技术,因此,中国汽车公司所购买的发动机技术将是二手货,难以领先。自1996年以来,已有数种类型的缸内直喷汽油机在汽车上应用,但这些新型直喷发动机技术大都是由汽车公司所主导开发出来的,很少听说某一种是由发动机咨询公司主导开发的。

  降低发动机的油耗

  从技术角度看,在油耗方面,汽油发动机还有很大的改进余地,常规汽油机的热效率相当低,是由于缸内燃烧需要通过点火和火焰传播,使空燃比受到了限制;同时为了避免爆震又使压缩比受到了限制。

  目前国内的汽车企业已经开始关注缸内直喷汽油机技术的发展。汽油机缸内直喷作为新技术有着美好的前景,缸内直喷是通过均匀燃烧和分层燃烧,实现高负荷下的燃油消耗降低。利用汽油机缸内直喷,燃烧仅发生在较浓的混合气内,点火和火焰传播不受空燃比提高的影响,并可在缸内形成分层混合气,使总的空燃比得以提高,从而提高了发动机部分负荷热效率,车辆平均燃油效率可提高10%左右。


  而世界各大汽车公司已经把目光锁定在了直喷,如博世公司开发了MotronicMED7汽油直喷系统,奥迪公司开发了FSI系统,奔驰开发了CGI系统,菲亚特则开发了JTS系统,虽然名字不同,但它们都代表了汽油机缸内直喷。奥迪FSI发动机如图1所示。

  要更大限度地提高汽油机热效率,还需要采用均质压燃技术。这种技术是近年来国外发动机研发的热点。均质压燃是预先混合的混合气在压缩上止点附近通过压缩达到自燃温度后在整个缸内发生的自燃燃烧。均质压燃不需要点火,燃烧也不通过火焰传播来实现,因此空燃比和压缩比都不受燃烧的限制。这使得均质压燃汽油机的部分负荷指示热效率甚至可以和柴油机相比。由于均质压燃汽油机的最高爆发压力低于柴油机,结构轻,不需要高压柴油泵,机械摩擦损失小,因此其部分负荷有效热效率可显著高于柴油机。而对于车用发动机来说,部分负荷热效率对车辆平均油耗来讲非常重要。如果采用优化的方案,车辆平均燃油效率可提高20%~30%。同时由于使用均匀的稀混合气,NOX的排放仅为常规汽油机的1%~2%,这与分层燃烧汽油机相比是个非常大的优点,但均质压燃技术实现起来相对困难一些,成本也较高,与分层燃烧直喷汽油机相近。

  虽然有些人对于均质压燃汽油机通过调节混合气温度来控制燃烧时间很不放心,但大量台架实验证明,在不同情况下发动机都能对燃烧时间进行良好地控制,至今并未发现有根本的技术障碍使均质压燃不能在车辆上应用。因此,均质压燃汽油机应当是汽车发动机的发展方向。均质压燃发动机对燃烧时间的控制如图2所示。

  使用混合动力也能大幅降低车辆油耗,但其成本最高,所需要的动力蓄电池技术也存在容量的问题,而且其对于车辆燃油效率的影响取决于系统的复杂程度和成本,可在很大范围内变化,所以预计混合动力将来也难以取代大部分的车用燃油发动机。

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