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一文读懂发动机的节能减排技术

电子设计 2018-01-02 11:32 次阅读

随着石油资源紧缺及环境污染的日益加重,各国开始不断收紧汽车燃油消耗及排放标准,于是,更为节能环保的车辆开始受到人们的青睐。对于已有百年多历史的内燃机而言,想要继续保持其旺盛的生命力,就必须在节能减排技术上有所突破。

从整车厂和零部件供应商在发动机领域的技术创新来看,小型化发动机早已成为各家追逐的焦点。相对而言,更小的、功率密度更大的发动机能够降低摩擦损失,从而提升整车燃油经济性。此外,在中国1.6L及以下小排量发动机还能享受购置税减半的优惠政策。

 何为发动机小型化?

发动机小型化即通过减小发动机排量或减少气缸数量,在提高燃油效率的同时减少尾气和温室气体排放。全球排放法规和不断提高的燃油经济性标准同时推动着传统发动机向着小型化的路线发展。目前,这项技术被整车厂广泛应用于轻型汽油发动机中。有测试数据显示,发动机小型化可以提升20%到30%的燃油效率。

然而在降低油耗和排放量的情形下,小型化发动机如何在实际行驶过程中保证其动力性能不被削弱?此前,盖世汽车针对发动机小型化问题做过一期业界调查《发动机小型化趋势明显 动力性能表现成市场痛点》。结果表明,业界对发动机小型化最大的疑问在于其动力性能是否足够强劲,这也是影响小型化发动机在终端市场表现的根本原因。关于制约发动机小型化市场表现的因素,盖世汽车将在后期的专家访谈中深入讲解,本篇不做过多赘述。

发动机小型化相关技术

更少气缸数的更小型的发动机之所以成为可能,离不开涡轮增压技术、汽油直喷技术、可变气门正时等关键零部件技术作保障。下面将简要解析这些技术的工作原理,并分析各项技术的存在的优势和劣势。

涡轮增压技术

涡轮增压(Turbocharger)是利用发动机排放出的废气冲击涡轮来压缩进气,从而提高发动机的动力和燃油效率。

众所周知,燃油在发动机内点燃需要氧气,氧气越多燃烧越充分,发动机工作也就越好。涡轮增压作为汽车发动机的一种进气形式,其主要作用就是压缩空气,提高发动机进气量,从而提高发动机的功率和扭矩,让车子更有劲。同时,使燃油燃烧更加充分,提高燃油经济性和降低尾气排放。

一台发动机装上涡轮增压器后,其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说,经过增压之后,动力可以达到2.4L自然吸气发动机的水平,但是耗油量要比1.8L自然吸气发动机稍高。

优势:

1、拥有良好的加速持续性,后劲十足。最大扭矩输出的转速范围宽广,扭矩曲线平直。

2、提高燃油经济性,降低尾气排放。

3、利用废气的能量,不消耗发动机的动力。

劣势:

1、平顺性有待提升,低速时涡轮不能及时介入,有一定的滞后性。涡轮迟滞、动力输出不线性是涡轮增压最大的缺点。

2、使得整个系统温度提高,需要额外解决高热影响。为解决高热影响,需要使用耐高温抗氧化的冷却和润滑介质,加装冷却器等。

3、后期养护费用较高。

因此,在使用涡轮增压发动机时,需要着重考虑发动机油品的挑选和换油周期。涡轮增压器中的关键轴承需要用发动机油进行润滑,用发动机冷却液进行冷却。绝大多数设计都允许发动机冷却液泵在热停车后再持续工作几分钟,用来为涡轮护盖降温。由于涡轮是由发动机尾气所驱动的,因此涡轮护盖可能会变得红热。此外,由于机油都有其既成的流动路径,因此在发动机关闭时,机油就会经由这些流道排空。如果没有适当的冷却和排空,轴承上的发动机油就会燃烧(焦化),变成焦油,阻塞机油的流道,从而导致涡轮出现灾难性的故障。

 汽油缸内直喷技术

缸内直喷,顾名思义就是直接将燃油喷入气缸内与空气混合的技术。与传统歧管喷射的意义不同,缸内直喷将喷射压力更进一步提高,使燃油雾化更加细致,真正实现了精准地按比例控制喷油并与进气混合,同时消除了缸外喷射的缺点。在发动机低转速低载荷时,延迟喷射,在活塞进行压缩冲程最后阶段时喷射,利用空气涡流,使燃油聚集在火花塞附近,分层燃烧实现节油的目的,但当发动机转速上去,载荷上去时,还是要提前喷射,在吸气冲程就将燃油喷射进去,使油气均匀混合燃烧。

此外,喷嘴位置、喷雾形状、进气气流控制,以及活塞顶形状等特别的设计,使油气能够在整个气缸内充分、均匀的混合,从而使燃油充分燃烧,能量转化效率更高。相比于传统的PFI(port fuel injection歧管喷射)发动机,GDI发动机燃油消耗可减少20%到50%。

优势:

1、燃油燃烧更充分,能量转化效率更高。

2、更加精准地控制发动机进气量与喷油时机,促进节能环保。

3、缸内直喷的瞬态反应快,启动也比较快。

劣势:

1、燃烧室处于富氧环境,易产生氮氧化物。

2、燃烧温度较低,三元催化器并不能达到很好的工作温度,对有害介质的转化不完全。

3、对于油品适应能力差,汽油中的硫会毒害氮氧化物催化装置。

可变气门正时技术

发动机可变气门正时技术“VVT”(Variable Valve Timing),通称是“可变气门正时”。其工作原理就是根据发动机的运行情况,调整进气、排气的量,控制气门开合的时间和角度,使进入的空气量达到最佳,从而提高燃烧效率。

通俗点来说,四冲程汽油机分为吸气、压缩、做功、排气这四步流程,由于发动机工作时的转速很高,四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒,这么短促的时间往往会引起发动机进气不足,排气不净,造成功率下降。因此,就需要利用气流的进气惯性,气门要早开晚关,以满足进气充足,排气干净的要求。

既要兼顾引擎在低速区的扭矩特性,又想榨取高速区的功率特性的情形下,一种对气门升程进行调节的装置即“可变气门正时技术”应运而生。该技术既能保证低速高扭矩,又能获得高速高功率,对引擎而言是一个极大的突破。到今天几乎每家企业都有了自己的可变气门正时技术,如丰田开发的VVT-i,保时捷开发的Variocam,现代开发的DVVT……一系列可变气门技术虽然商品名各异,但其设计思想却极为相似。

优势:

通过控制进行配气,改变进气门的打开与关闭时间,可以提高进气充量,使发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。

劣势:

1、中段转速扭矩不足。

2、由于多摇臂和凸轮组机构的介入,发动机运转噪音大。

3、维修使用的成本也大幅增加。

可变排量技术

可变排量技术又称气缸休眠技术,是指当发动机工作在小负荷状态时,通过一系列的“手段”让部分气缸停止工作(休眠),剩余的气缸正常工作,该技术能将发动机的6缸燃烧智能切换成3缸燃烧,达到节省燃油、降低排放的双重功效;当急加速或爬坡需要加大动力时,可变排量技术又会启动所有汽缸,快速提升发动机的动力输出能量。

要让气缸休眠(不工作),众多厂商主流的方式是断油+断气。对于现在的电喷发动机来说,“断油”相对简单,因为燃油喷嘴其实是电磁阀。电磁阀通电则喷油,不通电就不喷油。“断气”相对复杂。因为发动机的进、排气门是气体进入、排出气缸的必经之路。所以,只要让进、排气门不打开,就可以实现“断气”。

目前各厂商有着各自的办法,如本田的方法是通过塞柱的移动,断开摇臂与凸轮轴之间的联动关系,让摇臂不再顶开进、排气门,实现“断气”。

优势:

低油耗,省油钱,对于小排量经济型轿车效果明显

劣势:

1、消费者购车、用车成本增加,气缸休眠技术使用了更为复杂的发动机机械构造以及与之匹配的控制策略,必定会带来整车成本的提升,而这些必然会转嫁到消费者身上。

2、复杂的技术带来了发生故障的可能性,也会提高维修保养成本。

自动启停技术

发动机自动启停技术,是指在车辆行驶过程中临时停车(例如等红灯)的时候,自动熄火。当需要继续前进的时候,系统自动重启发动机的一套系统。它的核心技术在于自动控制熄火和启动,这项技术可以有效降低发动机怠速空转的时间,这在城市走走停停的交通状况下可以一定程度降低排放提高燃油经济性。

智能起停“stop—start”系统的起停功能在钥匙通电时默认自动开启,当车速降低至限值以下、处于空挡状态和离合器踏板完全松开时,将开启自动停机系统。当发动机成功启动后,在一定的时间内,驾驶员没有任何踏板和挡位操作,则系统会认为驾驶员暂无起步出发的意图,发动机会自动停机。这个时候压缩机同时也停止工作,当松开刹车踏板继续前进的时候,发动机又自动启动。

优势:

节油、省钱。

劣势:

1、若堵车时间较长,长时间的走走停停势必会给起动机增加负担。

2、一些车型的启停逻辑不是很好,介入时间拿捏不准。

3、启动时噪音和震动较大。

发动机自动启停技术设计的初衷是为了环保节能,在理论环境下它也确实可以达到这个目标。但如果结合我国的路况——堵车时间较长,长时间的走走停停势必会给起动机增加负担。所以,在长时间拥堵时,最好将自动启停功能关闭,这样更有利于延长起动机和蓄电池的寿命。

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传统内燃机车辆即使低速行驶也会发出发动机声音。通常,当车辆不在视线范围内时,行人和其他交通参与者通过视觉识别和对轮胎声音...
发表于 08-06 07:57 253次 阅读
怎么简化高级发动机声音模拟系统设计?

汽车发动机电子控制系统的发展现状如何?

如今,汽车发动机电子控制系统所用传感器的数量和种类正逐步增加,这给汽车发动机用传感器市场带来了巨大的发展空间。中国汽车产...
发表于 08-01 07:02 311次 阅读
汽车发动机电子控制系统的发展现状如何?

多功能发动机转速模拟器设计有什么优点

  信号发生器作为电控测量系统中应用最为普通的电控测量仪器之一,是工业控制、教学、科研常用的基本仪器。虽然市场上逐渐出现...
发表于 07-30 06:42 215次 阅读
多功能发动机转速模拟器设计有什么优点