汽車發動機節能技術研究現狀與展望

陳 歡

汽車發動機節能技術研究現狀與展望

陳 歡

（西安航空學院 車輛工程學院，陜西 西安 710077）

在人類社會可持續發展的大背景下，汽車節能一直是人們關注的焦點，發動機作為汽車的心臟，其節能技術研究也至關重要。文章對汽車發動機節能的原理進行簡要介紹，對汽油機缸內直噴、稀薄燃燒、可變壓縮比、可變配氣系統等發動機節能關鍵技術及研究現狀進行總結分析，并提出對未來發動機節能技術發展的展望，期望為后續研究提供理論基礎與參考方向。

汽車發動機；節能技術；可變配氣系統

汽車產業在國民經濟和社會發展中發揮著至關重要的作用，為人們出行、運輸提供便利的同時，也帶來了能源與環境的雙重危機。據有關數據顯示，截至2022年底全國民用汽車保有量為3.19億輛，其中新能源汽車保有量1 310萬輛，僅占汽車總量的4.10%，絕大部分汽車仍然使用傳統的往復式發動機。雖然近年來新能源汽車發展勢頭迅猛，但是在相當長的一段時間內，傳統發動機依然是各類動力機械的主要動力來源。汽車占據石油能源消耗的重要方向，在石油危機的大背景下，汽車節能技術的發展尤為重要。

汽車節能是一個系統工程，途徑包含了車輛技術、道路輔助設施與維修、汽車運用等多個方面。發動機節能功能途徑就來源于車輛技術方面，發動機節能又包括了提高發動機性能和開發替代的發動機兩個技術路徑，本文主要著力于研究提高發動機性能技術。

汽車發動機節能技術的研究需要考慮的因素很多，從節能的角度來講，希望組織完善的燃燒過程從而獲得較高的熱效率，但是發動機的燃燒是很復雜的過程，往往會顧此失彼，完全的燃燒可能會造成NOx的排放增加；另外還希望發動機盡可能輕量化，同時具備更好的可靠性與耐久性。在各種參數或者性能相互矛盾的情況下，采取某種發動機節能技術時，必須要統籌考慮、全面分析，以真正達到節能的目的。

1 汽車發動機節能原理

發動機節能主要從兩個方面入手，一是提高發動機的熱效率，二是實現發動機輕量化。高速柴油機混合加熱循環熱效率計算公式為

式中，t為熱效率；為壓縮比；為絕熱指數；為壓力升高比；為預脹比。

由式（1）可知，發動機的熱效率主要與絕熱指數、壓縮比、壓力升高比、預脹比有關。另外就是各種損失導致了發動機熱效率比理想熱效率要小得多。目前研究較多的發動機節能技術也多是從這些角度入手，組織好進氣、噴油、燃燒過程、減少損失。例如：提高壓縮比、稀薄燃燒技術、增壓中冷技術、可變進氣技術、缸內直噴技術、改善混合氣在缸內的流動方式、改進點火配置提高點火能量、電控噴射技術、高壓共軌技術、減磨擦技術、低散熱技術等。發動機輕量化一方面節約了材料，一方面減少了無效載荷的油耗，其核心就是提高升功率L，也就是提高發動機工作容積的利用率，以獲得更加強化、緊湊、輕巧的發動機。涉及的技術措施包括降低過量空氣系數、提高充量系數、增加進氣密度、采用高強度輕質材料等。

2 發動機節能關鍵技術

2.1 汽油機缸內直噴技術

汽油機缸內直噴技術（Gasoline Direct Injec- tion, GDI）是一種由柴油發動機衍生而來的技術，如圖1所示。燃油由噴嘴直接噴入缸內與空氣進行混合形成可燃混合氣，該技術與傳統噴射方式相比，可以進一步提高汽油機熱效率、降低汽油機排放。根據燃油噴入時期的不同形成均質燃燒燒和分層燃燒兩種模式，均質燃燒模式是指在進氣行程后期向燃燒室內噴入燃油，在進氣行程與壓縮行程中完成與空氣的充分混合，并在點火時刻使缸內形成較為均勻的混合氣，確保穩定點火。分層燃燒模式是指在壓縮行程噴入燃油，隨著壓縮行程的進行，燃油與空氣混合，直至點火時刻，從火花塞處至缸壁，燃油濃度由濃到稀，保證有效點火，火焰傳播也正常，從而提高燃油經濟性。采用缸內直噴技術可以降低燃油消耗率的原因在于其燃燒方式與負荷調節方式接近于柴油機，但保持外源點火。該技術目前已經大量使用在包含VAG、BMW、Mercedes-Benz、GM以及Toyota （Lexus）車系上。

圖1 缸內直噴技術簡單示意圖

2.2 稀薄燃燒技術

稀薄燃燒技術是指空燃比大于17，但仍然能保證發動機動力性能的一種燃燒技術，實現的途徑有均質稀燃和分層稀燃。與常規汽油機相比，稀燃汽油機能夠兼顧低排放性能與燃油經濟性。稀薄燃燒之所以經濟性好，是因為稀混合氣當中的汽油分子與空氣中氧分子的接觸機會更多。因此，燃燒會更加充分和完全，若輔以相應的排放控制措施，能夠顯著減少汽油機的有害排放物，且隨著吸入氣缸內的空氣量增多，泵氣損失減少。同時因為是稀混合氣，氣缸內整體溫度和壓力較低，因此，不容易出現爆燃，進而將有效提升熱效率。稀薄燃燒再結合最新的電子控制技術，將進一步提高車用汽油機熱效率、降低排放。

2.3 可變壓縮比技術

可變壓縮比是一種動態調整內燃機壓縮比的技術。傳統的發動機壓縮比是固定的，雖然燃燒室容積及氣缸工作容積都是固定的參數，但是固定的壓縮比無法充分發揮發動機性能。比如在發動機低轉速、小負荷運轉時，熱效率低、綜合性能較差，這時可以采用較大的壓縮比；而在高轉速、大負荷運轉時，較大的壓縮比則會使發動機產生爆燃，這時無法采用較大的壓縮比。因此，壓縮比若能夠隨工況變化最大限度地發揮出發動機的潛能，實現不同工況下發動機動力性和燃油經濟性之間的平衡。特別是為防止增壓發動機產生爆震，其壓縮比較正常吸氣的發動機小，這就導致了在增壓壓力較小的情況下，熱效率很低。與此同時，渦輪增壓的發動機在低壓縮比時還存在增壓遲滯現象，只有發動機達到一定轉速才有增壓作用。可變壓縮比技術則可以解決這個問題，即在低增壓低負荷工況下，提高壓縮比；在高增壓高速工況下，適當降低壓縮比，使其在整個工況范圍內均有較高的熱效率。

2.4 可變配氣系統技術

可變配氣系統技術的核心在于通過提高充氣效率來提高發動機的熱效率。傳統的發動機配氣系統安裝好后，配氣相位是固定的，僅對于比較小的轉速范圍內具有最佳的充氣效率，但理想的配氣相位應該隨著發動機轉速、負荷及其他工況而改變。可變配氣系統技術應運而生，以達到各個工況都能優化的目的，在高轉速時希望發動機提供較大的功率，在低轉速時又能提供足夠的轉矩。目前應用較多的是可變氣門正時技術和可變凸輪機構技術，根據發動機轉速與負荷的改變，控制氣門正時和氣門升程曲線保持最佳選擇。與之相似的可變進氣管長度技術，雖然利用進氣管的動態效應，但其核心是通過提高充氣效率以達到提高發動機熱效率的目的。

3 發動機節能技術研究現狀

近年來，相關的學者和專家對發動機的節能技術進行了仿真研究、效果驗證、綜述總結，為發動機節能技術的進一步發展貢獻了力量。

3.1 在缸內直噴技術

王茂美等[1]從燃油系統結構組成和燃油噴射控制兩方面對缸內直噴汽油機和高壓共軌柴油機的燃油系統進行對比分析，為兩種技術后續的研究提供了參考。李家琛等[2]選取了5輛滿足國六排放標準的缸內直噴汽油車進行了尾氣顆粒物碳質成分、水溶性離子和多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs）組分分析。結果發現，1）各類碳質為測試車輛尾氣顆粒物中的主要成分，平均占比約70%；2）通過測量顆粒物中多種水溶性離子的含量，結果表明Ca2+和SO42-為尾氣顆粒物中的主要水溶性離子，主要來源均為機油添加劑；3）GDI車輛尾氣顆粒物中高環PAHs排放占比較高，對人體健康危害大，需要重點關注。

3.2 稀薄燃燒技術

晁岳棟等[3]研究了一臺渦輪增壓發動機上不同因素對高效超稀薄燃燒的影響。試驗結果表明，通過點火方式、增壓器匹配、壓縮比、燃油類型的優化，可以將油耗降低約6 g/kW·h，實現最高44.2%的有效熱效率。

朱登豪等[4]針對由于泵氣損失較大產生汽油機小負荷工況、燃油經濟性較差的問題，基于一臺壓縮比為16的直噴汽油機，結合自主研制的高能點火系統將稀燃極限從1.5拓寬到1.65，最大相對熱效率提升22%，其中稀薄燃燒貢獻了17%，高能點火貢獻了5%。模擬結果表明，稀薄燃燒可以提高比熱比，降低泵氣損失和傳熱損失。高能點火的作用在于加快燃燒初期的湍流火焰速度，增大火焰面積以及生成更多促進燃燒的中間產物，從而縮短滯燃期和燃燒持續期，拓寬稀燃極限。

3.3 可變壓縮比技術

徐凱等[5]設計了一種可變壓縮比發動機多連桿機構，通過運動學建模計算與仿真結果對比分析，驗證了機構設計的正確性。驗證結果表明，多連桿機構可通過實現壓縮比實時可變來滿足實際工況的需要，在動力放大特性及抑制活塞與缸壁間摩擦等方面存在力學優勢，并能在發動機振動方面帶來額外的動態效益。

吳家杰[6]提出了通過提高發動機的幾何壓縮比，提高中小負荷下的熱效率。在大負荷時，為避免最高爆發壓力超出限定值，借鑒米勒循環的思想，通過延長進氣門開啟時間，迫使進氣回流，從而降低最高爆發壓力，保證全工況下發動機的穩定可靠運行的設想。研究充分論證了通過晚關進氣門降低最高爆發壓力的可行性，探究了提高幾何壓縮比對中小負荷指示熱效率提升的潛力，為柴油機幾何壓縮比的確定以及可變壓縮比的策略提供了新的思路。

3.4 可變配氣系統技術

焦賀彬等[7]針對可變氣門正時機構動態響應和速度控制效率低、能耗高等問題，提出發動機可變氣門正時機構的動態響應與速度自動化控制研究。研究結果顯示，采用所提方法后可變氣門正時結構的動態響應速度約為0.2 s，證實了所提方法的速度控制效果較好，且提高了發動機的能量利用率。

鄒鵬[8]提出了一種新型具有自調節氣門正時功能的機械式連續可變氣門升程系統，該系統通過調節凸輪軸樞軸中心來改變氣門的動作，利用一個調節電機同時控制氣門升程和正時，代替了進氣液壓可變氣門正時技術（Variable Valve Timing, VVT），具有簡單小巧、穩定可靠、成本低廉和響應迅速等優點。對該系統進行了相關的研究，結果證實了該系統對汽油機經濟性的改善效果，明確了該系統原理樣機的優化方向，為該系統的工程開發提供了理論指導。

3.5 其他技術研究方面

張文杰等[9]為了改善混動汽車發動機節能控制效果，選取型號為X186的嵌入式單片機作為控制器的核心控制芯片，開發了一套節能控制器。該控制器引入比例-積分-微分（Proportion Integral Differential, PID）控制算法，對發動機作業期間產生的多余機械能進行轉換處理，從而得到電能，以此減少發動機能耗。結果證明了該控制器作業期間產生的發動機總扭矩、轉速數值明顯減小，能夠取得節能效果。

吳銘良[10]總結分析了發動機生產制造方面的一些節能實踐，涉及節能技術應用、能源管理體系、能源大數據管理，探究進一步挖掘節能潛力、提高能源績效、不斷降低產品能源單耗，從而實現清潔生產、低碳發展的有效模式。

呂良[11]針對現有的發動機電控系統主要關注動力-電力鏈的控制，未考慮熱力鏈的優化控制研究問題。在熱管理系統熱力學建模和實時優化控制兩方面進行了研究，并對所提及的發動機熱管理控制策略都進行了詳盡的推導及有效性驗證，實現了從理論到應用的系統研究。

4 總結與展望

汽車節能是一個系統工程，任重而道遠。汽油機缸內直噴技術、稀薄燃燒技術、可變壓縮比技術、可變配氣系統技術的發展研究已經比較成熟，均是從改善缸內燃燒，提高熱效率的角度達到節能目的。發動機輕量化也是節能的關鍵路徑，后期可對此方面進一步研究。

隨著替代燃料的應用、新型燃燒技術的發展以及電控技術的革新、新能源汽車的大面積普及，傳統的內燃機的節能技術還依然有廣闊的研究空間。因為在未來很長一段時間內，傳統的內燃機汽車依然會在市場占據最主要的位置，發動機的節能問題仍然是亟待解決的問題。高效率、低排放，尋求能耗更低的代用燃料是發動機節能技術追求的方向。

[1] 王茂美,孔曉林,牛雅麗,等.缸內直噴汽油機與高壓共軌柴油機燃油供給系統對比[J].汽車實用技術, 2022,47(20):192-198.

[2] 李家琛,葛蘊珊,王浩浩,等.缸內直噴汽油車顆粒物化學組分特征[J].環境科學,2022,43(12):5464-5469.

[3] 晁岳棟,王志望,胡軻,等.超稀薄燃燒汽油機試驗及測試循環研究[C]//2021中國汽車工程學會年會論文集(3).北京:中國汽車工程學會,2021:13-16.

[4] 朱登豪,鄧俊,李理光.稀薄燃燒結合高能點火對高壓縮比汽油機小負荷工況燃油經濟性的影響[J].燃燒科學與技術,2021,27(4):394-404.

[5] 徐凱,馮增銘,楊金興,等.可變壓縮比發動機多連桿機構設計及動力學分析[J].機械傳動,2022,46(12): 161-168.

[6] 吳家杰.基于米勒循環的壓縮比可變控制策略研究[D].長春:吉林大學,2022.

[7] 焦賀彬,李富強.發動機可變氣門正時機構的動態響應與速度自動化控制[J].制造業自動化,2021,43(5): 63-66,143.

[8] 鄒鵬.一種新型全可變氣門升程機構的正向開發及其應用研究[D].長沙:湖南大學,2020.

[9] 張文杰,姚翠萍.混合動力汽車發動機節能控制器設計研究[J].內燃機與配件,2022(18):63-65.

[10] 吳銘良.汽車發動機生產制造的節能實踐[J].節能與環保,2022(7):39-41.

[11] 呂良.面向節能的汽車發動機熱管理系統建模與優化控制[D].長春:吉林大學,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

陳歡（1995－），女，碩士，助理工程師，研究方向為動力工程及工程熱物理，E-mail:yeah950811@163.com。