国外汽车发动机的新技术扫描

国外汽车发动机的新技术扫描 国外汽车发动机的新技术扫描 国外汽车发动机的新技术扫描 　　汽车节能、环保技术在发动机开发中的关键作用 　　伴随汽车产销量快速增长而来的是大气污染和石油消耗。先进的发动机技术在汽车节能、环保技术开发中起着关键的决定性的作用。与美国上世纪90年代中实施的联邦排放法规相比，于2007年全面实施的新联邦排放法规将要求汽车氮氧化物排放降低幅度高达95%，碳氢排放物降低幅度高达84%。而于此同时，与排放相关的系统及零部件耐久性要求达到12万英里。2007年美国联邦排放标准中第五分组碳氢排放极限约为欧Ⅳ排放极限的一半(由于测试循环的不一致，真正的排放要求比欧Ⅳ排放的一半还低)。这越来越严格的排放法规和人们对节能认识的加深，使得高效率、低排放车用发动机技术的开发受到高度的重视，从而促使传统的内燃机技术不断创新。如汽油机直喷技术、可变气门定时技术、可变进气管、燃烧速率控制滑片、可变排量技术、高压共轨直喷柴油机等等。由于各国国情的不同，在环境保护及节能方面所侧重的技术也有所区别。日本出于国土资源的因素，微型车辆、经济型车的比例较高，小排量发动机就既能满足节能环保的要求，又能给这类车提供足够的驱动力； 而在欧洲，由于柴油便宜，热效率远高于汽油机，使消费者容易接受柴油机驱动的汽车要比汽油机驱动的同类汽车贵1000-2000美元的事实。另外，柴油机 的低速扭矩远胜于汽油机，这也使偏爱汽车运动感的欧洲人更将直喷柴油机视为高科技的代表。现在的西欧，超过35%的新车销售是柴油机。在发动机节能环保新 技术开发的同时，人们不能忽视燃油特 性对发动机技术普及的巨大影响。汽车尾气的净化完全依赖于废气催化后处理装置，而燃油中硫含量是催化后处理装置的“克星”。燃油中的硫在气缸内燃烧后氧化 成二氧化硫，二氧化硫与载体涂层中的催化物起反应，使催化器的转换效率大幅度下降。根据燃油含硫量法规，欧洲柴油机的含硫量在50ppm以下，而美国联邦 目前限制300ppm，到2007年将降低到80ppm。欧洲低硫柴油为柴油机的普遍应用创造了条件。在美国，随着含硫量的降低，直喷柴油机在轻型车上的应用的条件日趋成熟，所有的跨国汽车公司都在开发针对北美市场的高速直喷柴油机，以待近几年后投入市场。 　　涡轮增压发动机(Turbo) 　　在宝来1.8T、速腾1.8T、途安1.8T、帕萨特1.8T、奥迪A4、1.8T/2.0T、奥迪A62.0T等车型上，都装有涡轮增压发动机 (Turbo)。增压技术是一种提高发动机进气能力的方法。它通过采用专门的压气机，预先对进入气缸的气体进行压缩，提高进入气缸的气体密度，增大进气 量，更好地满足燃料的燃烧需要，从而达到提高发动机功率的目的。在不增加发动机排量的基础上，可大幅度提高功率和扭矩。但涡轮工作有迟滞现象，并且保养费用高。 　　机械增压发动机(Su—percharger) 　　北京奔驰E200K路虎揽胜运动版等车型上，都装有机械增压发动机。机械增压的压缩机直接被发动机的曲轴带动，它的优点是响应性好。但是它本身需要消耗一部分能量，因此机械增压不能产生特别强大的动力，尤其是在高转速时，从而影响到发动机转速的提高。它响应性好完全没有涡轮的迟滞现象，可以在任何时候都能输出源源不断的扭力。但高转速时会产生大量的摩擦，从而影响到转速的提高，并且噪音大。 　　汽油直喷技术(FSI) 　　汽油机直喷技术，就是将汽油通过高压(约100大气压)供油系统将汽油直接喷到燃烧室内与空气混合、燃烧。GDI在电子喷 射和控制技术取得长足发展后，于上世纪90年代后期开始进入市场。与传统的多点气道喷射的汽油机相比，GDI有四大显著的优点：能有效降低发动机的未燃碳 氢化合物的排放，因为GDI技术避免了气道喷射汽油机在冷起动时燃油在气道壁面沉积的问题，而且极大地提高了燃油与空气的混合程度，更为精确地控制了每个 燃烧循环的空气与燃油的比例，从而达到缸内完全燃烧的目的；使汽油在燃烧室内雾化、蒸发，降低了燃烧室内空气的温度，从而增加了燃烧室内空气的质量；因汽 油蒸发降低了充气的温度，使发动机设计师 有可能提高发动机的压缩比，提高发动机的热效率；GDI使发动机能很容易实现分层燃烧。奥迪A4 2.0T、奥迪A6 2.0T等车型上，都装有汽5由直喷技术。燃油分层喷射技术是发动机稀燃技术的一种。什么叫稀燃?顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空气之 比可达1：25以上。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧 室中央的火花塞周围。在大幅提高了燃油的经济效率的同时增加发动机的功率。但对油品的要求十分苛刻。 　　共轨柴油喷射系统 　　共轨柴油喷射是近年来工程师们开发的使柴油燃油在极高的压力下喷入气缸内的一种新技术，由于采用了这种新技术和先进的涡轮增压技术以及效率更高的燃烧室设计使稀燃柴油机运行得更加平稳、安静，而柴油机也更加干净。由于采用了共轨燃油喷射技术，某些在欧洲销售的紧凑型轿车， 如：大众的Lupo和奥迪的A2，在高速公路上行驶时，显示了较好的燃油经济性，其耗油仅为90mpg。还有一种燃油直接喷射技术，柴油燃油在很高的压力 下直接猛然喷入气缸内的特定目标区使燃油燃烧得更加充分。通用汽车公司雪佛兰分部的Du-ranmax V-8柴油机是美国第一台用在载货车上的共轨直喷柴油发动机，这项技术使该柴油机运行得比以前的柴油机更为平稳和安静。美国于2004年实行新排放标准， 新标准规定了极为苛刻的氮氧化合物及碳烟微粒排放要求。即使采用欧洲目前最先进的柴油机技术也很难满足这种要求，因此，柴油车在美国市场上不会出现像欧洲 市场那样快速增长的销售势头，除非美国调整其将于2004年开始实行的新排放标准。为了解决排放问题，现在许多零部件供应商正在积极研究一种后处理系统，如装在排气系 统里的可烧掉有害排放物的电气点火触媒装置。为了满足新的排放标准，2006年美国还使用一种更为洁净的低含硫柴油燃油。减少汽车的排气污染是一项综合性 工作，在这项工作中完善柴油机技术才是至关重要的。宝来1.9TDI、奥迪A6 2.5TDI、华泰、现代、特拉卡2.9CRD等车型上，都装有共轨柴油喷射系统。共轨式柴油喷射系统将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开。电磁阀控 制的喷油器替代了传统的机械式喷油器，燃油轨中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定。它的特点是 很好经济效率，并且低速扭矩可以获得很好的动力。但发动机产生的噪音和震动大。 　　可变气门定时技术(VVT) 　　可变气门定时技术是汽油发动机技术发展的另一个里程碑。VVT指的是发动机气门升程和配气相位定时可以根据发动机工况作实时的调节。这一技术使发动机 设计师无需再在低速扭矩与高速功率之间作抉择，实时的气门定时调整使得同时顾及低速扭矩与高速功率成为可能。连续可变气门定时技术加上先进的发动机控制策 略，可以巧妙地实现可变压缩比。如在大负荷时，发动机容易发生自然引起的爆震，通过推迟进气门关闭的时间来达到降低有效压缩比的目的，从而避免爆震。而在 中小负荷时，爆震不再是个问题，可以通过调整气门关闭时间达到提高有效压缩比的目的，从而使发动机在中小负荷时有优异的热效率。可变气门技术也可使汽油机 排放品质达到更好的水平。本田雅阁、本田CR-V、丰田花冠、马自达6、新欧蓝德、宝马325等车型上，都装有可变正时气门技术(VVT-iVECT)。 发动机可变气门正时技术是近些年来被逐渐应用子现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩 和功率可以得到进一步的提高。它的特点是在大幅提高了燃油的经济效率的同时增加发动机的功率。但对油品的要求十分苛刻。 　　可变排量技术 　　另一项最近两年开始投入市场的汽油机技术就是切缸工作循环，或称为可变排量。可变排量技术就是根据汽车动力的需求来实时决定发动机的有效排量，使做功 的汽缸总是处于大负荷状态，从而达到节能环保的目的。这一技术适用于中大排量、V型布置的发动机，如本田的V6、通用的V8及戴—克的们2汽油机。美国福 特汽车公司利用最先进的电脑控制技术，开发出可变排量发动机(VDE)，并准备将这种发动机安装在福特汽车公司以后生产的轿车和卡车上，以改善汽车的燃油 经济性。这种发动机技术最适合多汽缸的发动机使用。对子12缸发动机来说，采用这种技术，及D相当于安装了两个独立的6缸发动机，可以根据驾驶的需要让一 台发动机运行，而让另一台处于怠速状态。这样，就可以随时调整发动机的排气量，从而减少能源的消耗。据介绍，可变排量发动机并不是一项新的汽车技术。通用 汽车公司早在80年代就在凯迪拉克上配备过可变排量发动机，但当时的机型未能达到它应该达到的性能标准。因为发动机经常产生较大的噪声，且从8缸转换成4缸的过程也非常不稳定，偶尔还会被卡死在一种状态下无法调节。造成这种问题的原因并不是可变排量发动机本身的技术有问题，而是当时的电脑芯片不能完成每秒200次的计算功能。 　　燃烧速率控制滑片 　　类似的设计思想在Toy-ota和Ford的发动机上有所体现。汽油机在怠速和小负荷时，燃烧室内残余废气所占的比例很高，会导致点火困难、火焰传播 速度慢，这会负面影响发动机的排放及效率。而另一方面，在一般城市交通中，汽车发动机绝大部分时间是在中、小负荷及怠速状况。优化汽油机在这些状态下的排 放和热效率具有重大的意义。燃烧速率控制滑片就是通过促进燃烧室内在火花塞附近创造稳定的、容易点燃的空气燃油混合比，通过增加燃烧室湍流的强度达到节能 环保的目的。发动机在怠速或小负荷时，发动机电子控制器会实时调节滑片在发动机进气道的位置，使滑片挡住进气道部分截面积，从而使新鲜空气—燃油混合气在进入燃烧室时有一切向的速度，在燃烧室内形成有序的涡流。在着火及燃烧的早期，有序的涡流碎化成小尺度的涡流，从而大大提高火焰的传播速度。 　　气缸节能技术 　　80年代初期，凯迪拉克曾努力设计一种变排量气缸发动机，但由于技术不成熟，这种尝试最后还是失败了。凯迪拉克在其V8、V6、V4发动机上的失败使 变排量发动机技术的前景蒙上了一层阴影。梅塞德斯一奔驰却不甘心失败，该公司在其2001年新款V12S级高级轿车和CL单排座双门厢式车身小轿车上装备了节能气缸。在默谢台斯的这种气缸控制系统里， 计算机控制的对开式摇臂可随时在发动机不需要最大能量时使凸轮轴断开气阀，关闭某一侧的气缸。通用汽车公司在2004年采用伊顿公司开发的新气缸节能技 术。新的气缸节能装置首先在其现生产的V8载货车发动机上应用。据称，载货车装用该节能装置后可使燃油经济性提高6%—12%。 　　转子发动机 　　马自达RX-8等车型上，都装有转子发动机。壳体的内部空间(或旋轮线室)总是被分成三个工作室。在转子的运动过程中，这三个工作室的容积不停地变 动，在摆线形缸体内相继完成进气、压缩、燃烧和排气四个过程。每个过程都是在摆线形缸体中的不同位置进行，这明显区别于往复式发动机。它的特点是燃油经济 效率高、发动机结构简 单、振动小率。用在RX-8上的新一代转子发动机命名为RENESIS，比马自达公司以前的产品结构紧凑、重量减轻、动力更强，排放达到了欧IV标准。装 于RX-8上的水冷、双转子发动机，每个型腔的排量为0.654L。新系列发动机可以提供两种动力输出级，一个是最大功率为 141kW(7000r/min)、最大扭矩为220Nm的发动机，它的0-l00km/h加速时间仅为7.2s，最高车速可达223km/h。而另一款 高性能版本的RX-8动力输出数据则更加惊人，170kW(8200r/min)的最大功率、211Nm(5500r/min)的最大扭矩，使它的 0-100km/h加速时间仅为6.4s，最高车速则升至228km/h，无愧于跑车的称号。 　　全铝发动机 　　我们日常所说的全铝发动机是指缸盖和缸体都是铝合金制造的发动机。而缸盖是铝合金，缸体是铸铁的发动机，一般我们还是称作铸铁发动机。现在，全铝发动 机已经在大量的车型上被采用，在国外，罗孚的k系列发动机，宝马的M52直列六缸发动机，日产的VQ发动机，捷豹的-AJ-V8发动机、奔驰的V6和V8 发动机、通用的LSl和北极星V8发动机、标致的2升四缸发动机和通用的新型直列四缸发动机等等都是采用铝合金制造。国内的许多小排量发动机也逐步采用全 铝发动机，如国产铃木系列的发动机G13、K14等。甚至包括一些国产发动机也采用铝合金材质了，最著名的就是东安动力开发的468发动机，这款发动机被 配备在哈飞路宝和昌河爱迪尔上，获得了很大的成功。很早以前的汽车发动机就开始大规模采用全铝缸盖了。缸盖的重量并不大，所以汽车制造商喜欢它并不是因为 它重量轻，而是因为它有更好的散热性能。随着发动机技术的发展，四气阀结构成为发动机的主流设计趋势。与一起的两气阀发动机相比，每缸四气阀的气缸盖比每 缸两气阀的气缸盖在工作时要产生更多的热量，采用全铝缸盖是最好的解决办法。出于成本的考虑，气缸体采用全铝设计比气缸盖要晚得多。气缸体是发动机上最重 的部分，因而使用铝合金材料可以减轻发动机的重量，从而达到减轻整车重量的目的。这一点对于前置前驱车型来说，显得尤为可贵，当然在另一方面，由于材料价 格和加工工艺的 区别，采用铝合金缸体的发动机会增加一些成本。发动机的响应性与发动机部件的运动惯性是分不开的，发动机的运动部件包括曲轴、活塞、连杆等。由于曲轴要求 瞬间强度非常高，所以只能采用高强度钢来制造。活塞就没有曲轴这样的局限了，在高转速发动机上，通常都是用铝合金来制造活塞。更轻的活塞重量能产生更高的 发动机转速，从而能获得更大的动力输出。使用铝合金来制造活塞，成本并不是非常昂贵，主要问题是出在摩擦阻力上。在发动机运转的时候，活塞与气缸壁之间肯 定会产生摩擦。而铝和铝直接的摩擦系数是很高的，它比铝和铸铁之间的摩擦系数要高得多。这样一来，如果全铝缸体配合全铝活塞，发动机运转的时候摩擦阻力就 会非常大，这显然是不可取的，这也就是为何许多发动机使用铝合金活塞，但必须使用铸铁缸体的原因。但如果为了采用全铝缸体而采用铸铁活塞，那显然是更得不 偿失的。目前最主流的解决办法，就是在铝制的气缸体内镶一个钢制的气缸套，让铝合金活塞不会与铝制的气缸壁相接触。这种设计可以解决这一矛盾，当然也会增 加一些成本。这种方法在70年代中期首先被雪佛兰Vega所采用。它的发动机采用全铝设计，在铝合金的气缸体内镶上了一个铸铁的缸套，当然活塞同样也是用 铝合金制造的。它的摩擦阻力比全铸铁的发动机要小得多，因此它的动力得到了很大程度的提高。不仅如此，这台发动机还能获得更轻的重量和更小的运劲惯性，改 善了车子的加速性、操控性和经济性。后来，这种方法被许多配备了高转速发动机的汽车所采用。还有一个解决办法，就是采用增强型金属纤维气缸套(FRM)。 本田在它的NSX3.2升发动机上采用了这个技术。它的成本和升功率在铸铁缸体和镶缸套之间。这种解决办法，是在全铝的缸体上直接把金属纤维加热融化以 后，通过特殊工艺把金属粒子渗透到气缸壁上，就仿佛在气缸壁上电镀了一层厚度只有0.5毫米的金属纤维。与铸铁缸体相比，它能产生更低的摩擦阻力，因而改 善了转速和功率。同时，金属纤维是直接渗透到气缸缸体里的，所以它的强度非常大(相当于整个缸体的强度)。钛是一种重量很轻，强度很大的材料，而且价格非 常昂贵，一般只在航空领域采用。但是，这种航空材料最终还是被应用在了汽车上，不过仅限于高性能的运动轿车，因为只有这些汽车才会为了提高性能而不计成本 的采用尽可能适合的材料。兰博基尼的Diablo、法拉力的F355/360M/550M、还有保时捷的911GT3等都采用钛合金来制造连杆，以提高发 动机的转速。骐达SWIFT、雨燕、奥迪A8等车型上，都装有全铝发动机。有两种材质发动机最大的不同就是重量，全铝合金发动机比铸铁发动机可以轻一半的 重量。本来轿车的总重量就不高，发动机所占的比例可是不能忽略，重量减轻的最直接效果便是油耗方便表现的增强。而发动机的重量也直接影响车辆的行驶性能， 由于一般轿车多为前轮驱动，如前舱重量过重，车辆拐弯时会引起过多转向，并且制动距离也会加长。它的特点是可以轻一半的发动机重量，能有效降低燃油消耗和提高操控表现。但铝制材料价格昂贵。 　　启动机一发电机技术 　　首次在本田Insight和丰田Prius等混合动力车上使用的整体式启动机一发电机是一种节油无污染装置，在这个装置里启动机和发电机合为一体。当汽车停车灯亮时，发动机关闭，施加的制动力使装置转入发电机工作状态，电流输入蓄电池；当驾驶员踏下加速踏板时，该装置在几秒钟之内重新启动发动机。据有关方面预测，美国的所有汽油电力混合动力汽车最终都要装上这种整体式启动机一发电机装置。据估计，通用2004年在其全尺寸的皮卡上装备这种启动机一发电机整体装置使其燃油经济性提高15%。 　　油、电、氢混合动力技术 　　混合动力车属于电动汽车，采用传统的内燃机和电动机作为动力能源，通过混合使用热能和电能两套系统开动汽车。混合动力系统的最大特点是油、电发动机的 互补工作模式。在起步或低速行驶时，车子仅依靠电力驱动，此时汽油发动机关闭，车辆的燃油消耗量是零；当车辆行驶速度升高(一般达40km/h以上)或者 需要紧急加速时，汽油发动机和电机同时启动并开始输出动力；在车辆制动时，混合动力系统能将动能转化为电能，并储存在蓄电池中以备下次低速行驶时使用。日 本马自达汽车公司于去年年底展出了一款全新的普力马混合动力概念车，并向人们展示了其全新的油、电、氢共三种能源的混合动力技术。该款混合动力车本身就具 备了混合动力车的特征，它内部有一个内燃发动机，从电动机获得助力，所需电力则是来自刹车等操作而产生并被储存在一个大电池中的电能。同时，马自达还尝试 着将这种电动引擎和一种本身就是混合动力引擎的内燃发动机结合在一起，后者既能使用汽油、也能使用氢气作为燃料。公司花费了数年的时间开发出这种双燃料内 燃发动机，并表示已经可以进行批量生产。 　　天然气驱动技术 　　天然气驱动技术，已经广泛应用于许多车型中，具备了较高的经济性能，例如欧宝汽车推出的赛飞利CNG，便是以天然气作为主要燃料。以欧宝赛飞 “CNG”为例，其燃效为18.9km/kg。目前的天然气价格为每公斤0.76欧元，成本可比柴油发动机款减少大约30%，而比汽油发动机款则可减少大 约50%。而且车上的天然气罐由高强度钢制成，其天然气传输管线也由不锈钢制成；同时由于因冲撞导致天然气泄漏的危险较低，而且天然气比汽油易燃性低，所 以与普通车辆相比，着火的危险性更低。 　　乙醇混合燃料技术 　　目前，以具备有可再生特性的乙醇燃料为代表的生物能源已成为近期汽车能源发展的趋势之一。所谓车用乙醇汽油，就是把燃料变性乙醇和汽油以适当比例(我 国目前实行10%的乙醇参混比例)调配而成的一种新型清洁车用燃料。采用该技术的车型，具备较高的燃油经济性以及低排放的特性。其中美国通用萨博汽车更是 推出了一款SaabBioPower混合动力概念车，该车较目前已量产的使用E85(85%生物乙醇/15%汽油)作为燃料的 Saab9-5BioPower2.0T更进一步，它首次混合使用了电力与纯生物乙醇燃料，在未来生物能源科技领域获得了新的突破。 　　氢燃料电池驱动技术 　　这种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，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。 　　纯电力驱动技术 　　顾名思义，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。