傳統節能減排之發(fā)動(dòng)機小型化相關(guān)技術(shù)解析

隨著(zhù)石油資源緊缺及環(huán)境污染的日益加重，各國開(kāi)始不斷收緊汽車(chē)燃油消耗及排放標準，于是，更為節能環(huán)保的車(chē)輛開(kāi)始受到人們的青睞。對于已有百年多歷史的內燃機而言，想要繼續保持其旺盛的生命力，就必須在節能減排技術(shù)上有所突破。

從整車(chē)廠(chǎng)和零部件供應商在發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng )新來(lái)看，小型化發(fā)動(dòng)機早已成為各家追逐的焦點(diǎn)。相對而言，更小的、功率密度更大的發(fā)動(dòng)機能夠降低摩擦損失，從而提升整車(chē)燃油經(jīng)濟性。此外，在中國1.6L及以下小排量發(fā)動(dòng)機還能享受購置稅減半的優(yōu)惠政策。

何為發(fā)動(dòng)機小型化?

發(fā)動(dòng)機小型化即通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機排量或減少氣缸數量，在提高燃油效率的同時(shí)減少尾氣和溫室氣體排放。全球排放法規和不斷提高的燃油經(jīng)濟性標準同時(shí)推動(dòng)著(zhù)傳統發(fā)動(dòng)機向著(zhù)小型化的路線(xiàn)發(fā)展。目前，這項技術(shù)被整車(chē)廠(chǎng)廣泛應用于輕型汽油發(fā)動(dòng)機中。有測試數據顯示，發(fā)動(dòng)機小型化可以提升20%到30%的燃油效率。

然而在降低油耗和排放量的情形下，小型化發(fā)動(dòng)機如何在實(shí)際行駛過(guò)程中保證其動(dòng)力性能不被削弱?業(yè)界對發(fā)動(dòng)機小型化最大的疑問(wèn)在于其動(dòng)力性能是否足夠強勁，這也是影響小型化發(fā)動(dòng)機在終端市場(chǎng)表現的根本原因。關(guān)于制約發(fā)動(dòng)機小型化市場(chǎng)表現的因素，蓋世汽車(chē)將在后期的專(zhuān)家訪(fǎng)談中深入講解，本篇不做過(guò)多贅述。

發(fā)動(dòng)機小型化相關(guān)技術(shù)

更少氣缸數的更小型的發(fā)動(dòng)機之所以成為可能，離不開(kāi)渦輪增壓技術(shù)、汽油直噴技術(shù)、可變氣門(mén)正時(shí)等關(guān)鍵零部件技術(shù)作保障。下面將簡(jiǎn)要解析這些技術(shù)的工作原理，并分析各項技術(shù)的存在的優(yōu)勢和劣勢。

渦輪增壓技術(shù)

渦輪增壓(Turbocharger)是利用發(fā)動(dòng)機排放出的廢氣沖擊渦輪來(lái)壓縮進(jìn)氣，從而提高發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力和燃油效率。

眾所周知，燃油在發(fā)動(dòng)機內點(diǎn)燃需要氧氣，氧氣越多燃燒越充分，發(fā)動(dòng)機工作也就越好。渦輪增壓作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的一種進(jìn)氣形式，其主要作用就是壓縮空氣，提高發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量，從而提高發(fā)動(dòng)機的功率和扭矩，讓車(chē)子更有勁。同時(shí)，使燃油燃燒更加充分，提高燃油經(jīng)濟性和降低尾氣排放。

一臺發(fā)動(dòng)機裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時(shí)候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著(zhù)同樣一臺的發(fā)動(dòng)機在經(jīng)過(guò)增壓之后能夠產(chǎn)生更大的功率。拿我們最常見(jiàn)的1.8T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)增壓之后，動(dòng)力可以達到2.4L自然吸氣發(fā)動(dòng)機的水平，但是耗油量要比1.8L自然吸氣發(fā)動(dòng)機稍高。

優(yōu)勢：

1、擁有良好的加速持續性，后勁十足。最大扭矩輸出的轉速范圍寬廣，扭矩曲線(xiàn)平直。

2、提高燃油經(jīng)濟性，降低尾氣排放。

3、利用廢氣的能量，不消耗發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力。

劣勢：

1、平順性有待提升，低速時(shí)渦輪不能及時(shí)介入，有一定的滯后性。渦輪遲滯、動(dòng)力輸出不線(xiàn)性是渦輪增壓最大的缺點(diǎn)。

2、使得整個(gè)系統溫度提高，需要額外解決高熱影響。為解決高熱影響，需要使用耐高溫抗氧化的冷卻和潤滑介質(zhì)，加裝冷卻器等。

3、后期養護費用較高。

因此，在使用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機時(shí)，需要著(zhù)重考慮發(fā)動(dòng)機油品的挑選和換油周期。渦輪增壓器中的關(guān)鍵軸承需要用發(fā)動(dòng)機油進(jìn)行潤滑，用發(fā)動(dòng)機冷卻液進(jìn)行冷卻。絕大多數設計都允許發(fā)動(dòng)機冷卻液泵在熱停車(chē)后再持續工作幾分鐘，用來(lái)為渦輪護蓋降溫。由于渦輪是由發(fā)動(dòng)機尾氣所驅動(dòng)的，因此渦輪護蓋可能會(huì )變得紅熱。此外，由于機油都有其既成的流動(dòng)路徑，因此在發(fā)動(dòng)機關(guān)閉時(shí)，機油就會(huì )經(jīng)由這些流道排空。如果沒(méi)有適當的冷卻和排空，軸承上的發(fā)動(dòng)機油就會(huì )燃燒(焦化)，變成焦油，阻塞機油的流道，從而導致渦輪出現災難性的故障。

汽油缸內直噴技術(shù)

缸內直噴，顧名思義就是直接將燃油噴入氣缸內與空氣混合的技術(shù)。與傳統歧管?chē)娚涞囊饬x不同，缸內直噴將噴射壓力更進(jìn)一步提高，使燃油霧化更加細致，真正實(shí)現了精準地按比例控制噴油并與進(jìn)氣混合，同時(shí)消除了缸外噴射的缺點(diǎn)。在發(fā)動(dòng)機低轉速低載荷時(shí)，延遲噴射，在活塞進(jìn)行壓縮沖程最后階段時(shí)噴射，利用空氣渦流，使燃油聚集在火花塞附近，分層燃燒實(shí)現節油的目的，但當發(fā)動(dòng)機轉速上去，載荷上去時(shí)，還是要提前噴射，在吸氣沖程就將燃油噴射進(jìn)去，使油氣均勻混合燃燒。

此外，噴嘴位置、噴霧形狀、進(jìn)氣氣流控制，以及活塞頂形狀等特別的設計，使油氣能夠在整個(gè)氣缸內充分、均勻的混合，從而使燃油充分燃燒，能量轉化效率更高。相比于傳統的PFI(port fuel injection歧管?chē)娚?發(fā)動(dòng)機，GDI發(fā)動(dòng)機燃油消耗可減少20%到50%。

優(yōu)勢：

1、燃油燃燒更充分，能量轉化效率更高。

2、更加精準地控制發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量與噴油時(shí)機，促進(jìn)節能環(huán)保。

3、缸內直噴的瞬態(tài)反應快，啟動(dòng)也比較快。

劣勢：

1、燃燒室處于富氧環(huán)境，易產(chǎn)生氮氧化物。

2、燃燒溫度較低，三元催化器并不能達到很好的工作溫度，對有害介質(zhì)的轉化不完全。

3、對于油品適應能力差，汽油中的硫會(huì )毒害氮氧化物催化裝置。

可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)“VVT”(Variable Valve Timing)，通稱(chēng)是“可變氣門(mén)正時(shí)”。其工作原理就是根據發(fā)動(dòng)機的運行情況，調整進(jìn)氣、排氣的量，控制氣門(mén)開(kāi)合的時(shí)間和角度，使進(jìn)入的空氣量達到最佳，從而提高燃燒效率。

通俗點(diǎn)來(lái)說(shuō)，四沖程汽油機分為吸氣、壓縮、做功、排氣這四步流程，由于發(fā)動(dòng)機工作時(shí)的轉速很高，四沖程發(fā)動(dòng)機的一個(gè)工作行程僅需千分之幾秒，這么短促的時(shí)間往往會(huì )引起發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣不足，排氣不凈，造成功率下降。因此，就需要利用氣流的進(jìn)氣慣性，氣門(mén)要早開(kāi)晚關(guān)，以滿(mǎn)足進(jìn)氣充足，排氣干凈的要求。