国内外汽车发动机发展现状与趋势(2)

2020-04-03 11:41

6)国内引进的已投产机型中已有不少机型采用涡轮增压技术:如PASSAT 1.8T、宝来1.8T等;华晨金杯在德国FEV公司帮助下开发的1.8T汽油机,也是增压机型(配装中华轿车)。

7)停缸技术、智能气门、可变压缩比等技术尚未在国内生产的汽油机中采用。 8)发动机电喷管理系统(EMS)国内主要有联合电子有限公司、北京万源德尔福发动机管理系统公司,分别是中方与德国BOSCH公司和中方与美国德尔福公司的合资企业。同时,还有马瑞利、电装和摩托罗拉等企业生产。

9)汽油机电喷系统中传感器、电控喷油泵等国内己批量生产;汽油机排气系统中三效催化转化器及陶瓷芯等,国内己批量生产,如:大连华克吉来特、天津卡达克高新技术公司等生产三效催化转化器;在苏州的日本独资企业NGK(苏州)环保陶瓷有限公司生产国Ⅲ、国Ⅳ汽油机用三效催化转化器陶瓷芯等。 2.3汽油机技术的发展趋势

汽车未来的发展趋势可概括为高功率,大转矩,低油耗,低排放。

由于汽油机的燃油经济性比柴油机差,所以降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的一个问题。具有理论空燃比的均质混合气的燃烧理论在火花点火发动机上被广泛使用,它的最大优点是可以实用三效催化器来降低CO、HC和NOx等废气的排放。不足之处是不能获得较高的燃油经济性,为了提高发动机的热效率和降低废气排放,燃烧技术在不断地发展。汽油机经历了由完全机械控制的化油器供油为主到采用电控喷射、缸内直喷、电辅助增压和电动气门、可变压缩比、停缸等技术的变化,汽油机发展的最终方案将采用综合汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。

目前最有代表性的三大汽油机技术是: a.汽油直喷技术。开发车用具有汽油机优点同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究目标。汽油缸内直喷是提高汽油机燃油经济性的重要手段,近些年来,以缸内直喷汽油机(Gasoliine Direct Injection, GDI)为代表的新型混合气形成模式的研究和应用,极大地提高了汽油机的燃油经济性。以日本为代表的非均质直喷技术面临燃烧稳定性和后处理等问题,同时以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。

b.电动气门与无凸轮发动机。发动机可变气门正时技术(Variable Valve Timing, VVT)是针对在常规车用发动机中,因气门定时固定不变而导致发动机某些重要性能在整个运行范围内不能很好的满足需要而提出的。VVT技术在发动机运行工况范围内提供最佳的配气正时,较好地解决了高转速与低转速,大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾,同时在一定程度在一定程度上改善了排放性能。随着环境保护和人类可持续发展的要求,低能耗和低污染已成为汽车发动机的发展目标。VVT技术由于自身的优点,日益受到人们重视,尤其是当今电子技术的飞速发展,促进了VVT技术从研究阶段向实用阶段发展。电动气门具有与电控喷射同等重要的意义,它将给发动机空气系统控制和循环过程管理带来一系列技术变革,如取消节气门、可变压缩比、部分停缸等。

c.燃烧方式的混合。传统的火花点火发动机的燃烧过程在火焰传播中,火焰前锋的温度比未燃混合气高很多。所以这种燃烧过程虽然混合气时均匀的,但是温度分布仍是不均匀,局部的高温会导致在火焰经过的区域形成NOx。柴油机的燃烧过程是扩散型的,燃烧过程中燃烧速率由混合速率决定,点火在许多点发生,这种类型的燃烧过程混合和燃烧都是不均匀的,NOx在燃烧较稀的高温区产生,固体微粒在燃料较浓的高温区产生。在均质充量压缩点燃(Homogeneous

Charge Compression Ignition, HCCI)过程中,理论上是均匀的混合气和残余气体,在整个混合气体中由压缩点燃,燃烧是自发的、均匀的并且没有火焰传播,这样可以阻止NOx和微粒的形成。这种汽油机均质与柴油机压燃混合的燃烧方式,以燃料技术和控制技术为基础,综合汽油机和柴油机两种燃烧方式优点的均质压燃HCCI内燃机技术正在兴起。 三、燃气发动机

液化石油气(LPG),压缩天然气(CNC),液化天然气(LNC)等清洁汽车能源以其良好的经济性和较低的排放污染物,被认为是车用发动机较为理想的代用燃料,得到广泛应用。然而相对传统的汽油机,常见的缸外混合燃气发动机普遍存在充气效率低,动力性下降的问题,制约了燃气汽车的进一步发展。 3.1天然气发动机

天然气发动机分为单燃料发动机和双燃料天然气发动机。

1)单燃料天然气发动机。专用的天然气发动机通常都具有较高的压缩比,并且多采用燃料喷射系统和特制的天然气汽车用催化转化器。例如丰田公司开发的5S—FNE型天然气汽车发动机的工作原理:由压缩气瓶出来的CNG经过滤清器过滤后,流入压力调节装置;调节后的CNG经油气分离器进入喷射系统,有喷油器喷入各缸的进气道。

2)双燃料天然气发动机。主要是在现有的汽油机、柴油机的基础上加装CNG供给系统改装而成,以柴油机改装为例,供油系统仅喷入少量柴油,用于引燃天然气与空气的混合气。 3.2液化石油气发动机

液化石油气发动机分为单燃料、两用(可切换)燃料及双燃料(LPG和柴油)三类。单燃料指发动机的燃料供给系统专为燃用LPG燃料而设计,其结构保证气体燃料能有效利用。两用燃料是可在两种燃料中进行转换使用,设有两套燃料供给系统,无论使用LPG还是汽油,发动机都能正常工作,利用选择开关实现发动机从一种燃料到另一种燃料的转换,两种燃料不允许同时混合使用。双燃料是指汽车发动机工作时同时使用两种燃料,一般用压燃的少量柴油引燃LPG与空气的混合气而实现燃烧,这种发动机也可用纯柴油工作。该系统有同时供给汽车两种燃料的装备,配备两个供给系统及两个独立的燃料储存系统。依据发动机的运行工况、燃料品质和发动机参数,按一定的比例同时向发动机供给LPG和柴油。低负荷及怠速时自动转换到纯柴油工作方式。 四、燃料电池技术

燃料电池(Fuel Cell,FC)是一种将储存在燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转化成电能的发电装置。它不通过热机循环过程,不受热循环的限制,能量转化效率高。燃料可以是氢、甲醇、乙醇、天然气、煤制气等,电池排放废气少,对环境污染小。它不需要充电,只要外部不断地供给燃料,就能连续稳定的发电。

根据燃料电池的发电原理,氢气是最理想的燃料。这种氢燃料电池技术具有一种潜在的魅力,如果工程师和科学家们能够将这种洁净蓄能系统真正地应用于汽车,那么大多数汽车上使用的内燃发动机将成为历史。燃料电池通过化学反应将氢转化成电能,这种化学反应的唯一副产品是热量和水蒸气。电能供应给电机来驱动汽车。该项技术依靠氢和氧的化学反应释放能量,相对于内燃机驱动,燃料电池驱动的效率更高,污染更低,甚至是没有污染,它排出的仅有纯净的水蒸气。实际上从60年代起,航天工业就已经使用这种燃料电池了。该技术已应用

于部分试验车辆和为某些建筑物提供电能。但由于氢燃料电池动力汽车成本高,而且给电池补氢的“补给站”数量很少,目前商业化推广还为时过早。而美国通用汽车公司和戴姆勒—克莱斯勒公司不久前便与美国能源部签署合约,计划在将来5年内开发氢燃料电池动力汽车。其中,梅赛德斯—奔驰A级“F-Cell\便是采用了该技术的代表车型之一,该车将整个燃料电池系统置于夹层地板装置中,应用65千瓦异步电动机加以驱动,这使其输出范围可达到72千瓦(97马力)。其时速最高可至140公里,行程达162公里。汽车工业目前面临的挑战是如何向燃料电池供给大量的氢。通用汽车公司相信自己已经找到了一条捷径可将其燃料电池汽车推进。他们采取了从汽油中提取氢的方法,这样可使驾驶汽车的人利用国家现有的燃油供给基础设施。通用汽车公司正在研究设计一条实用的汽油改造线,估计,该项目将耗资数10亿美元。通用汽车公司希望自己能成为第一家卖出100万辆汽车的公司。其他一些汽车制造厂商,如:福特、戴姆勒-克莱斯勒、本田等公司也正在抓紧研制氢燃料汽车和甲醇燃料汽车。这两种燃料都需要新的供应基础设施。只有完善这两种燃料供应的基础设施,才能使人们广泛地接受使用氢燃料汽车和甲醇燃料汽车。 五、混合动力驱动技术

现代的混合动力汽车是从上世纪90年代末才开始逐渐发展起来的。按照其工作方式,大体上可以分为串联、并联和混联三种。

1)串联式混合驱动系统由电动机驱动汽车行驶,发动机与发电机集成为辅助动力单元(APU),发动机在最佳工况点附近驱动发电机以相对稳定的工况运行。当发电机发出的功率无法满足汽车行驶时对功率的需求时(如起动、高速行驶、爬坡等),电池组可以向发动机提供额外的电能;当发电机发出的功率超过汽车行驶对功率的需求时(如低速、滑行、停车等),发电机向电池组充电。三菱公司开发的串联混合动力轻型货车Canter就是一种串联式的混合动力电动汽车,排量为1.8L的液化石油气发动机在2000r/min的转速下功率为20kW,发电效率为27%。不过该方式能量转换次数多,效率不高,续驶里程也有限,因此已基本被淘汰。

2)并联式混合动力系统是指发动机与电动机可以分别独立地驱动车轮,该系统适合于城市间公路行驶的车辆。当汽车进入市区行驶时,关闭发动机,进入电动状态;当汽车在市郊公路行驶时,关闭电动机,由发动机直接驱动。但是与混联式相比,控制不够灵活。

3)混联式混合动力系统是发动机和电动机既可以分别驱动汽车也可以同时驱动汽车。该系统适合各种行驶条件,续驶里程与内燃机汽车相当,是最理想的混合电动方案,其技术含量高,控制复杂,丰田公司把Prius使用的混合动力系统(THS,toyota hybird system)定义为一种并—串联系统。THS的控制核心是一个行星轮系构成的动力分配装置,发动机和发电机分别与行星轮和中心轮相联。该装置通过协调发动机、发电机和电动机的转速,能起到电控无级变速器的作用,无需离合器。它可以通过调节发电机的转速来改变发动机的转速,保证发动机工作在高效率区内。THS中的1,5L汽油机采用了高膨胀比的Atinson循环,并且始终高效率运转,所以与传统的汽油轿车相比可节油50%,CO和NOx等只有日本排气法规限值的1/10,且加速性能很好。Prius的混合动力驱动系统通过行星轮系的结构实现了控制策略的可操作性,是混合动力电动汽车(HEV)产品的一个成功的典范,值得深入研究和借鉴。

此外,日本马自达汽车公司在第39届东京国际汽车展上展现了普力马混合

动力车,该车是采用氢燃料和汽油双重燃料系统,横向前置转子式发动机。该车的开发目标是同时实现富有动感的行驶性能、优良的环保性能与宽敞舒适的车内空间。

六、纯电力驱动技术

使用了该项技术的车型将以纯电力作为其动力源,这类车型具备极高的环保性能,但其存在维护费用极高,在短期内难以普及。其中,最具代表性的便是由法国Venturi公司开发设计的Fetish跑车,而且该车目前已经投入量产。Fetish跑车采用了动力系统中置的形式,虽然电动马达的电压还不到60千瓦,但是它却能达到14000转/分的高转速,并能输出241匹的最大马力。一次充电能够行驶350公里,电池充电时间也非常快,充10分钟电就能跑上16公里。 七、总结

目前,无论是哪个什么样的发动机,都是围绕着高环保,高性能,低油耗和高舒适度等等方面来展开设计的,再加上现今购车者的不断理性化,我们有理由相信,发动机的最终进化方向会趋于一致,品牌区别带来的影响力在日后可能会慢慢的被淡化,取而代之的是发动机本身真正的功效和实际的表现。 参考文献

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