知荐汽车动力变革中的内燃机发展趋势
来源：同济智能汽车研究所（混合动力研究组）
编者按：未来30年汽车动力将如何变革？此变革中内燃机又将何去何从？本文在总结了过去30年汽油机技术的进步和近20年汽车动力的变革后，或许能为我们部分廓清上述问题。文章结论性观点如下：（1）过去30年，轻型汽车汽油机技术取得长足进步——汽油机产品在动力性、燃油经济性和排放控制方面获得全方位提高。其中，动力性提高67%以上，热效率提高8个百分点，提高幅度为20%以上。中国轻型汽车排放标准从国1到国6，有害排放物降低80%以上。（2）未来30年内燃机仍将起到关键作用，至少60%以上轻型汽车需要一个内燃机。（3）内燃机在轻型汽车动力中的地位将逐渐发生变化。一方面，从内燃机单独驱动逐渐演变为内燃机和电机共同驱动，其作用变化类似于从“独唱”变为“二重唱”。另一方面，内燃机在整车性能上所起到的关键作用将下降，从一个“核心”部件变成“关键”部件，成为一个通用产品，商业模式可能发生变化。（4）结合混合动力系统应用可充分利用发动机的高效率区域。混动系统，特别是增程混合动力系统，要求内燃机运行范围变窄，有必要开发混合动力专用发动机，进一步提高其热效率、简化机构、降低成本。（5）未来汽油机热效率（特别是实际运行时的热效率）
将大幅度提高，通过多种技术手段的应用，商业化产品有望实现45%的热效率。（6）汽车燃用天然气可大幅度降低CO2排放。车用动力将根据地域形成“油、电、气”的多元格局。
本文摘自《汽车安全与节能学报》2019年第10卷第2期。作者为来自同济大学智能汽车研究所的韩志玉教授、吴振阔博士、高晓杰博士。
摘要：总结了过去30年轻型车用汽油机技术与产品的进步以及近20年汽车动力多元化（包括混合动力、纯电动、燃料电池等）的变革趋势，展望了内燃机在此变革中的发展趋势。在过去30年，汽油机技术取得了长足的进步；汽油机产品在动力性、燃油经济性、排放控制方面获得了全方位的大幅度提高。对动力技术多元化的分析指出内燃机在汽车动力中仍将起到关键作用，未来30年里至少60%以上的轻型汽车仍然需要使用内燃机。但是，内燃机的地位将逐步发生变化。汽车动力将从内燃机单独驱动的“独唱”逐渐演变为内燃机和电机共同驱动的“二重唱”。轻型车用汽油发动机未来发展的重点包括开发混合动力专用发动机、提高发动机热效率和应用低碳燃料（如天然气）等。最后，探讨了提高汽油机热效率至45%的技术手段。
关键词: 汽车动力；内燃机；汽油机；热效率；电动化
0
前言汽车测速器
汽油机是轻型汽车（包括乘用车和轻型商用车）的主要动力。在过去的30年里，世界发达国家和中国的汽车发动机技术和产品都取得了长足的进步。笔者结合亲身经历，讨论近30年国内外车用汽油机技术和产品的进步，总结近20年汽车动力多元化的发展趋势，并展望未来在轻型汽车动力变革中的内燃机发展。由于柴油机制造成本高，且需要复杂的后处理系统来满足日益严格的排放标准，因此柴油机在中国轻型车上应用较少，欧洲国家的应用也会逐步减少，所以本文集中在汽油机方面的讨论。
1
近30年车用汽油机技术和产品的进步
为了理清汽油机技术发展的基本线路，有必要对发动机的工作过程做一个简要概述。图1给出了发动机基本工作过程的示意图。
图1 发动机工作过程示意图进气系统及燃油供给系统将空气和燃料分别引入到发动机内并形成空气–燃料混合气，混合气在发动机燃烧室内被点燃并发生燃烧，带动曲轴旋转对外输出动力。随着燃烧产生的产物有H2O、CO2以及空气中没有参与反应的N2，同时也伴有少量CO、HC、NOx和颗粒物等有害排放物。因此，对发动机工作过程的改善一般应遵循如下原则：1） 最大程度地提高动力输出以及其与燃料输入的比值，即提高动力性及燃油经济性；
2） 依法合规降低有害排放物；3） 降低CO2排放（碳排放）。从图1可以看出，理论上要改善发动机就要改善燃料的供给、空气进气、燃烧、有害排放物的生成及其后处理。在过去的30年里，发动机技术正是在上述这几个方面取得了很大进步，从而带来了发动机性能的显著提高，即上述第1和2项取得了进步。需要指出的是，目前对于CO2的降低，即上述第3项，
主要是通过降低油耗来实现，基本没有出台专门降低CO2排放的措施和法规。本文在后面的讨论中将按燃料供给、空气进气、燃烧和有害排放物控制的线条展开讨论。为深刻理解发动机技术发展背后的原理支撑，先对发动机原理进行简要分析。以发动机平均有效压力和热效率为主线对影响发动机动力性及经济性的主要因素进行分析。发动机的缸内平均有效压力与其输出扭矩成正比，提高平均有效压力将提高发动机的扭矩输出。平均有效压力为[1,2]
其中：ηV为充气效率，ηC为燃烧效率，ηi为指示热效率，ηm为机械效率，αAF为空燃比，Pa、Ta、R分别为参考状态下的气体压力、温度及气体常数，QLHV为燃料低热值。为提高发动机的扭矩输出，要考虑式(1)中各影响因素。采用较大的空燃比（大于当量空燃比），即稀薄燃烧，有利于提高指示热效率（即降低燃料耗率），但将直接影响发动机的输出扭矩。考虑到这个因素和排放控制，汽油机基本工作在当量空燃比附近，其变化范围较小。因此提高汽油机的动力输出，可从提高充气效率、燃烧效率、指示热效率、机械效率入手。其中，提高充气效率的效果尤为显著。提高汽油机的热效率可以从理论热效率入手。汽油机理想循环为奥拓循环（Otto cycle），其热效率为[1,2]：
其中:ηi为指示热效率，ε为压缩比，n为过程指数。增大压缩比或过程指数均可以提高热效率。汽油机压缩比提高到一定程度将受到爆震燃烧的限制，采用可变压缩比技术是提高发动机热效率同时避免爆震的最佳技术方案之一。
1.1 汽油机技术的进步
由于汽油机功率密度较高、振动噪声小、成本较低且污染物控制比柴油机容易，因此广泛应用在轻型车上。汽油机一般采用火花塞点燃汽油与空气的预混合气，继而产生火焰传播，燃烧做功。汽油机混合气的制备对汽油机的性能影响很大，因此汽油机技术的发展离不开与混合气制备密切相关的进气和燃油喷射技术的发展。1.1.1 进气技术的发展从式(1)可知，为提高发动机动力性，可以通过提高发动机的充气效率来实现。提高汽油机充气效率的进气技术包括：采用4气门、可变进气管长度、可变进气正时（variable valve timing, VVT）、可变进气升程（variable valve lift, VVL）以及废气涡轮增压等技术，其中涡轮增压技术是当前提升汽油机动力性的主要手段。涡轮增压技术可以利用废气能量驱动涡轮带动压气机工作，提升进气压力，提高发动机的充气量，继而大幅提升汽油机的动力性[3-4]。由于动力性的提升，汽车可在保持与原有自然吸气发动机相同动力性的情况下，采用较小排量的涡轮增压发动机，
利于发动机小型化和轻量化。小型化可以有效降低燃油消耗量及有害物的排放量，做到节能、减排。因此，增压小型化也成为现今车用汽油机的主流趋势。但是，采用涡轮增压技术也存在一些问题[5]。由于进气压力和温度的增加，会导致压缩终了的缸内温度升高和压力增加，以及发动机热负荷增加，使发动机爆震倾向增大。一般可通过进气中冷、提高燃油辛烷值、降低压缩比、推迟点火角、加浓混合气、废气再循环（exhaust gas recirculation, EGR）等技术手段来抑制爆震。1.1.2 燃油喷射技术的发展早期汽油机通过化油器实现汽油供给, 到20世纪80年代初期随着电子控制技术的兴起，开始普遍采用汽油气道喷射技术（port fuel injection, PFI），从单点喷射到各缸多点喷射技术。到20世纪90年代中期，缸内直接喷射技术（gasoline direct injection,GDI）得到了商业化应用。尽管几十年前人们几次尝试推出汽油直喷技术的产品（例如福特汽车公司的PROCO），直到1996年日本三菱汽车公司率先在市场上推出直喷分层燃烧的汽油机汽车产品，才开启了现代汽油直喷喷射技术的时代，经过10多年的发展，废气涡轮增压当量均质混合气直喷汽油机技术在国内外基本普及。为满足日益严格的排放标准，人们一直在改善燃油雾化和喷射控制，缸内直喷技术经历了从伞喷到多孔喷油器，喷射压力从10 MPa到35 MPa，每循环单次喷射到多次喷射，喷雾油粒平均尺寸从25 μm到10 μm的进步。随着燃油喷射控制技术的进步，喷油离燃烧室越来
越近，使得喷油量、喷射时间和喷射策略的控制也越来越精确，有利于对空燃比精确控制，进而实现对燃烧的精确控制。而且，有利于对各缸空燃比的一致性控制，降低了各缸不均匀性。1.1.3 整机技术的发展随着进气和燃油喷射技术的发展，汽油机整机技术也相应地得到提高。以燃油喷射技术为特征的整机技术经历了从自然吸气PFI汽油机、废气涡轮增压PFI汽油机到自然吸气GDI汽油机，再到目前主流的废气涡轮增压GDI汽油机。以上市产品为例，表1总结对比了国内外整机技术的发展历程。1967年德国大众汽车公司已有PFI汽油机上市；宝马汽车在1973年推出了2.0 L增压PFI汽油机。1996年日本三菱公司首先推出了现代GDI汽油机，应用在Galant车型。该款发动机排量为1.8 L，采用分层稀薄燃烧技术。2000年德国大众汽车公司推出了增压直喷汽油机，应用在Lupo车型。该款发动机排量为1.4 L，采用当量燃烧技术。 表1 国内外整机技术发展历程
发布评论