汽車發動機技術發展趨勢分析

鄭俊麗

摘 要：全世界都對汽車的排放作出了嚴格規定，同時隨著新能源汽車的不斷發展，傳統的內燃機汽車面臨著越來越大的壓力。發動機是汽車的心臟，必須向著輕量化、高利用率、低排放的方向發展，這樣才能使傳統汽車行業更好的應對新能源汽車帶來的發展壓力?；诖?，本文對汽車發動機技術發展趨勢作了分析，希望能夠幫助汽車行業找到明確的發展方向。

關鍵詞：汽車發動機;變速箱;發展趨勢

1 引言

我國的石油消耗和石油進口上都名列世界前茅，同時在二氧化碳排放以及霧霾等方面也最為嚴重。我國從2009年開始，在世界汽車產銷排行榜上常年居于首位，這也是導致我國成為消耗石油及排放二氧化碳、造成霧霾天氣的關鍵因素，因此節能減排是汽車產業必然和必須的發展方向。我國的汽車數量逐漸增多，二氧化碳的排放以及霧霾天的頻率也在逐漸增加，為了減輕這一問題，我國在2016年頒布了非常嚴格的排放法規，對汽車燃料消耗以及汽車尾氣排放做出了嚴格規定。除我國之外，很多西方發達國家也對汽車消耗和排放作出了規定，由此在全世界范圍內形成了節能減排的大環境。在這樣的環境下，汽車發動機必須考慮自身在未來的發展路徑，以此才能為汽車行業在未來的發展創造良好條件。

2 汽車發動機的發展

汽車發動機發展共有蒸汽機、外燃機、內燃機三個階段，首先是蒸汽機階段，該階段為19世紀初到19世紀70年代。其次外燃機階段，由于其和蒸汽機的差別并不是非常明顯，因此不過多對其進行論述。最后是內燃機階段，內燃機的出現可以追溯到1814年第一臺蒸汽機車的發明，優點是工作效率高、機動性強、便于維護，因此內燃機一經出現就迅速取代了外燃機和蒸汽機。法國工程師羅杰斯在1862年提出了等容燃燒四沖程循環的理論，但是該理論并沒有得到實踐的驗證，后來德國工程師奧姆勒在1883年以該理論為基礎研制出了汽車發動機，實現了汽車發動機歷史性的飛躍。1886年，臥式單缸二沖程汽油發動機被應用在了一輛三輪奔馳上，至此，汽車行業正式進入內燃機時代[1]。

3 提升發動機的燃料利用率降低排放

當前全世界都對發動機的消耗和排放提出了非常嚴格的要求，因此提升發動機的燃料利用率和降低排放成為了發動機未來最主要的發展方向，為此各汽車企業也從以下幾方面作出了努力：第一，對發動機的燃燒和排放進行改善，主要使用的技術有350bar缸內直噴、低壓冷卻EGR、GPF等，另外有的小排量發動機上仍然會使用PFI技術，有的企業為了提升發動機的工作效率還會使用雙PFI或者結合應用PFI技術和GDI技術。壓縮比控制技術當前也已經基本成熟，不久就會在發動機上廣泛應用。第二是改善充氣，目前各企業在改善空氣中所使用的主要技術有雙VVT、分段式VVL等，另外CVVL、可變進氣歧管等技術也在一些發動機上得到了應用，而且在電子增壓器方面還是用了48V技術，未來發動機的充氣性能必將得到進一步提升。第三是改善能量管理，這一點主要依靠強化控制發動機附件和強化能量利用率來實現，具體依靠的設備有變排量機油泵、智能發電機、變排量水泵等。第四是降低發動機的摩擦損耗，這一點需要從低張力活塞環，低粘度機油、活塞表面涂層等方向出發來實現。第五是降低發動機的重量，實現這一點需要將發動機的某些部位替換為重量更低的材料，比如塑料進氣管、缸蓋罩、鋁合金缸體等，通過設計將這些材料合理組合在一起，便可有效降低發動機的重量。另外當前有些發動機也在向著小型化發展，這也是降低重量的一種有效方式，例如大眾的1.5TSI發動機、本田思域的l15B發動機等在輕量發動機中都具有明顯的代表性。

為了令發動機對燃料的利用率進一步得到提升，從而實現廢氣排放的降低，當前很多企業都在研究氬氣循環內燃機。氬氣循環內燃機所使用的氧化劑為純氧，以純氧催動氬氣做功，氬氣在做功過程中不會發生燃燒，因此不會產生氧化氮的代謝產物。氬氣的結構為單原子，絕熱指數要高于空氣，因此相較于常規內燃機在熱效率上要更高，如果壓縮比相同，氬氣循環內燃機相比常規內燃機高出30%以上的熱效率。當前發動機在物理極限上的熱效率為65%，但受技術限制只能達到49%，氬氣循環內燃機在物理極限上的熱效率高達80%，已經遠遠超過了燃料電池空載和帶負載的熱效率水平[2]。而且如果將氫氣作為氬氣循環內燃機的燃料，那么內燃機在做功過程中則完全可以做到零排放，而且氬氣還具有可回收利用的優勢，極大提升了內燃機的經濟性。如果將甲烷作為氬氣循環內燃機的燃料，可通過蘭金循環分離二氧化碳和氬氣，也可以做到零排放和提升經濟性。

4 提升發動機和變速箱匹配度

提升發動機和變速箱的匹配度可通過降低發動機轉速的方式來完成，將發動機限制在最經濟的工作狀態下，這樣可實現發動機燃料消耗的降低。但降低燃料消耗和保證發動機的動力互相矛盾，因此可通過多擋手動變速、自動變速等進行解決，比如6MT、7DCT、CVT變速箱都可以滿足這一要求，實現發動機轉速降低的同時提高平均有效壓力，進而提升發動機的工作經濟性。

5 發動機的電氣化發展

電氣化技術近年在不斷進步，推動了內燃機、純電動、混合動力、燃料電池等汽車技術的發展。配合應用常規內燃機和功率及拓撲不同的電機在當前的汽車界非常流行，目前主要的應用方式有12V起停、48V微混、插電式混合動力、增程式電動等。通過這種方式可以令車輛處于低速低負荷狀態時將動力來源更多的轉向電機，以此實現發動機的經濟做工，同時通過阿特金森循環可以令發動機的熱效率得到有效提升。這種技術也使電機和內燃機結合為了一個整體，通過共同做功、互相協調，實現了能耗的降低和經濟性的提升。

很多實際的應用數據都證明，12V起停技術可降低3%到5%的能耗，48V微混可能跌10%到20%的能耗，其他類型的能耗也在20%到50%之間，其中能耗降低的差別和電機拓撲結構有關[3]。另外使用高電壓混合動力可以將車輛每百公里的油耗4升左右，使用插電混合動力可以將車輛每百公里油耗控制在3升左右，使用增程式電動的車輛可將每百公里油耗控制在1.2升左右。未來社會對汽車排放的要求將更加嚴格，當前很多混合動力車輛的油耗及排放可以滿足當前汽車排放法規的要求，而且這種超低的排放也可以滿足未來10年內的法規要求，因此我們可以將其看做發動機在未來最主要的發展方向。

6 燃料的改革

新能源自從出現的那一刻起就受到了汽車行業的廣泛關注，而且近幾年關于新能源和傳統能源的討論一直沒有停止。很多人都認為以傳統能源為主的內燃機正在逐漸退出歷史舞臺，甚至無法堅持到21世紀中期，這一理論的基礎是世界石油能源的儲量越來越低。專家在研究石油的形成過程中發現，古生物遺體并不是石油的源頭，石油的真正源頭是地殼中的甲烷，而甲烷是地殼中的主要成分，因此只要滿足石油的形成條件，我們也可以將石油看成是一種可再生資源。但將石油轉變為可再生資源的目標以當前的技術還無法實現，同時石油在利用過程中還會排放大量的有害氣體，因此當前汽車行業對發動機燃料的改革非常重視。由此可知，傳統燃料雖然在未來可能會退出歷史舞臺，但內燃機可用的新型燃料應該不斷出現，因此內燃機在很長一段時間內依然會是汽車的主要動力源。

在燃料改革過程中出現了很多優秀的內燃機可用燃料，這些燃料同時具備經濟性和環保性，具體有以下幾種：第一種為乙醇，乙醇的來源是糧食，是一種可再生的清潔型燃料，并且在汽油機上得到了廣泛應用，世界范圍內應用乙醇最廣泛的地區為巴西，我國應用乙醇的方式主要是在燃油中按比例添加。第二種為甲醇，和傳統燃料相比，甲醇有著更高的辛烷值和更優秀的抗爆性。而且甲醇含有氧的成分，因此其熱效率更高，使用甲醇燃料的發動機只需要增加壓縮比就可以讓功率和轉矩得到明顯提升，在型號相同的條件下，使用甲醇燃料的發動機功率將提升10%。我國具有極其豐富的煤炭儲量，而煤炭又是甲醇的主要來源，因此以甲醇為燃料的發動機在我國將獲得非常好的發展。第三種為天然氣，在全世界范圍內天然氣的儲量要比石油更高，如果能夠實現全部天然氣資源的開發和利用，將為人類持續提供1000年以上能源，而且在應用過后不會對環境產生任何影響，在未來社會必定會替代石油成為主要能源，因此應用天然氣也將是發動機的發展方向之一[4]。第四種為氫氣，氫氣目前是公認的最為豐富的清潔能源，很多領域都在研究如何才能更好的用氫氣，汽車領域也同樣如此，在發動機的未來發展道路上，早已將氫氣發動機作為了重點研究對象，比如日本的本田和豐田汽車公司就在一直研究氫燃料電池，并希望以此占領未來汽車市場。

7 結語

綜上所述，汽車發動機技術和汽車的發展有著極其密切的聯系，本文首先介紹了汽車發動機的發展，隨后分別從節能、高效、低排放等角度分析了汽車發動機未來的發展趨勢，希望通過本次分析使汽車行業在節能環保方向的發展有所促進作用，并最終為社會的可持續發展提供充分保障。

參考文獻：

[1]楊婉婷.汽車發動機再制造技術與發展趨勢[J].內燃機與配件，2018，20（9）：32-33.

[2]顏偉，陳龍華，王錦艷.汽油機停缸技術發展現狀與趨勢分析[J].汽車實用技術，2017，12（18）：242-244.

[3]林思聰，吳堅，劉巨江.滿足未來法規的汽油機發展現狀及趨勢分析[J].汽車實用技術，2017，21（15）56-59.

[4]史礴.汽車柴油發動機制造工藝發展前景分析[J].科技展望，2017，19（11）：135-137.