發(fā)動機(jī)負(fù)荷率與節(jié)能

1、發(fā)動機(jī)負(fù)荷率與節(jié)能汽車知識大家談 2008-11-29 17:03:21 閱讀150 評論0 字號：大中小 轎車個人消費(fèi)的突起及消費(fèi)者對轎車動力性的要求愈來愈高等因素的影響，發(fā)動機(jī)、特別是汽油機(jī)節(jié)能的問題變得比過去任何時候都更為突出。本文探討發(fā)動機(jī)通過提高負(fù)荷率降低比油耗的節(jié)能途徑。 由於石油資源有限，國際上對限制溫室氣體排放的壓力日益增加，轎車個人消費(fèi)的突起，以及消費(fèi)者對轎車動力性的要求愈來愈高等因素的影響，發(fā)動機(jī)、特別是汽油機(jī)節(jié)能的問題變得比過去任何時候都更為突出，并可能成為未來巿場競爭中決定勝負(fù)的砝碼。 提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性可以從發(fā)動機(jī)、變速器、車身、底盤、輪胎和制動等多方面來著手。與發(fā)動

2、機(jī)有關(guān)的節(jié)能途徑可以歸納為以下兩大類： 第一，提高發(fā)動機(jī)本身的燃油經(jīng)濟(jì)性。這是指降低發(fā)動機(jī)在各種工況下的比油耗。從熱力學(xué)角度來看，有幾條途徑可循：提高過量空氣系數(shù)（提高熱效率）；提高壓縮比（提高熱效率）；提高進(jìn)氣管壓力（減少泵氣損失）；優(yōu)化燃油噴射（使燃燒更加完全）；優(yōu)化汽油機(jī)點(diǎn)火定時或柴油機(jī)噴油定時（提高熱效率）；減少熱損失（提高熱效率）；降低摩擦損失（提高機(jī)械效率）。 第二，優(yōu)化和轉(zhuǎn)移發(fā)動機(jī)的工況點(diǎn)。這是指盡可能地使發(fā)動機(jī)運(yùn)行在最低比油耗的工況區(qū)域。此舉的節(jié)能潛力不可小看?；旌蟿恿囍怨?jié)能效果明顯，也與此有關(guān)。從BMW公司2001年產(chǎn)320d手動變速轎車4缸2.0升TDI柴油機(jī)的萬有特

3、性曲線可見： * 在整個工況範(fàn)圍內(nèi)，只有一個極小的區(qū)域能夠達(dá)到最低燃油消耗率； * 在同一臺發(fā)動機(jī)中，最高燃油消耗率可以達(dá)到最低燃油消耗率的一倍，甚至更多； * 最佳燃油經(jīng)濟(jì)性出現(xiàn)在柴油機(jī)和汽油機(jī)的較高負(fù)荷率區(qū)域，因?yàn)榇藭r的泵氣損失較小。負(fù)荷率定義為在一個確定的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下實(shí)際負(fù)荷跟該轉(zhuǎn)速下的最大負(fù)荷的比值； * 最佳燃油經(jīng)濟(jì)性出現(xiàn)在一個很小的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，而在此區(qū)域內(nèi)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的負(fù)荷率大致為8090%； * 燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的轉(zhuǎn)速區(qū)域，在現(xiàn)代轎車柴油機(jī)中是2500r/min上下的中速範(fàn)圍，在汽油機(jī)中則在較低的轉(zhuǎn)速範(fàn)圍，即2000r/min左右； * 一般來說，提高發(fā)動機(jī)負(fù)荷率可以提高燃

4、油經(jīng)濟(jì)性。 普及型轎車對最高車速的要求較低，那怕是裝備一臺標(biāo)定功率只有30kW左右的發(fā)動機(jī)也可以勉強(qiáng)過得去，可是豪華型轎車對最高車速要求很高，甚至超過220km/h，所以後者裝備的發(fā)動機(jī)功率可達(dá)前者的十倍，某些豪華型轎車裝備了12缸V型或W型發(fā)動機(jī)，功率超過300kW。但是，在城巿行駛工況中，汽車怠速時間長，平均車速低，不可能達(dá)到最高車速。即使是大功率豪華型轎車，在都巿中行駛時的功率需求也只有7.5kW左右。此時，豪華型轎車只利用了發(fā)動機(jī)標(biāo)定功率的很小部分，甚至只有四十分之一。 要解決豪華型轎車在低工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性問題，最有效的辦法是縮小低工況下發(fā)動機(jī)實(shí)際功率和標(biāo)定功率之間的差別，從而提高發(fā)

5、動機(jī)的負(fù)荷率。本文討論發(fā)動機(jī)通過提高負(fù)荷率降低比油耗的節(jié)能途徑。 途徑一：分缸斷油和可切換液壓挺桿 分缸斷油策略，就是在低工況下切斷發(fā)動機(jī)一部分氣缸的燃油供應(yīng)，其馀各缸就會大幅度提高其負(fù)荷率，工作在經(jīng)濟(jì)性和排放都大為改善的工況區(qū)域。一旦這幾個工作氣缸已不能滿足功率要求時，斷油的氣缸便恢復(fù)供油并點(diǎn)火工作。這種工作方式稱為分缸斷油。 最簡單的模式是，斷油缸切斷燃油供應(yīng)，進(jìn)、排氣門照常啟閉。這種模式不能消除斷油缸的泵氣損失。所以，另一種更好的模式是，使斷油缸進(jìn)、排氣門暫停啟閉，其節(jié)油潛力可以提高2至3倍，在汽油車中達(dá)到整車節(jié)油815%的效果，排放也可以相應(yīng)地減少。如果在斷油時能夠解除氣門跟凸輪之間的

6、聯(lián)系，那麼就能實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)。此時，盡管凸輪還在轉(zhuǎn)動，氣門卻不為其所動?？汕袚Q液壓挺桿就是為此而開發(fā)。 圖1為德國INA（依納）公司開發(fā)的可切換液壓挺桿。它由內(nèi)挺桿和外挺桿兩部分組成。內(nèi)、外挺桿可以互相分離，也可以鎖定為一個整體。真正的液壓補(bǔ)償元件在內(nèi)挺桿里面，最終通過液壓補(bǔ)償元件操縱氣門桿。內(nèi)凸輪接觸內(nèi)挺桿，外凸輪接觸外挺桿。外挺桿中的鎖定柱塞可以在柱塞彈簧的壓力下插入內(nèi)挺桿的孔內(nèi)，此時內(nèi)挺桿和外挺桿連成一體，氣門可以正常啟閉。內(nèi)挺桿中有兩個操縱柱塞，可以在機(jī)油壓力下克服柱塞彈簧的壓力，將鎖定柱塞朝外頂回到外挺桿中，使外挺桿和內(nèi)挺桿互相分離，此時盡管凸輪軸在轉(zhuǎn)動，氣門卻不能啟閉。 圖1 可切換

7、液壓挺桿（資料來源：INA）左部：凸輪基圓階段，補(bǔ)償；中部：凸輪壓下階段，內(nèi)外挺桿分離；右部：凸輪壓下階段，內(nèi)外挺桿鎖定 可切換液壓挺桿的工作過程分為以下兩個階段。 凸輪基圓階段 如圖2左部所示，此時支承彈簧將外挺桿朝上壓靠到內(nèi)挺桿的擋鐵上。由於是凸輪基圓跟挺桿接觸，所以液壓補(bǔ)償元件處在補(bǔ)償階段。在補(bǔ)償階段，氣門間隙的補(bǔ)償通過內(nèi)挺桿中的液壓補(bǔ)償元件實(shí)現(xiàn)，這跟在液壓挺桿內(nèi)發(fā)生的情況是一樣的。此時，原本外凸輪應(yīng)當(dāng)跟外挺桿接觸，但是在外挺桿和外凸輪之間存在著微小的間隙，所以實(shí)際上沒有接觸。在這一階段中，外挺桿內(nèi)的鎖定柱塞是否將內(nèi)、外挺桿鎖定成一體無關(guān)緊要。 凸輪壓下階段 這個階段可分成兩種狀態(tài)來討論

8、。 內(nèi)外挺桿分離 如圖1中部所示，隨著凸輪的轉(zhuǎn)動，同一個氣門所對應(yīng)的左右兩個外凸輪克服支承彈簧的力，將外挺桿壓下。但是內(nèi)凸輪不會將內(nèi)挺桿壓下，因?yàn)閮?nèi)凸輪只是一個圓柱體。如果發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力足夠高，以致能夠克服柱塞彈簧的壓力，通過操縱柱塞將鎖定柱塞壓回到外挺桿中，使得內(nèi)外挺桿分離，那麼此時雖然外凸輪能夠?qū)⑼馔U往下壓，可是外挺桿卻不能帶動內(nèi)挺桿往下運(yùn)動，所以內(nèi)挺桿里面的液壓補(bǔ)償元件也不會被壓下，氣門將保持靜止。如果同一個氣缸的所有氣門都保持不隨著凸輪的旋轉(zhuǎn)而開啟和關(guān)閉，那麼這個氣缸就被關(guān)閉了?；钊膲嚎s沖程和排氣沖程中，缸內(nèi)氣體被壓縮，消耗功；吸氣沖程和膨脹沖程中，已經(jīng)壓縮的氣體發(fā)生膨脹，對外做功

9、。理論上，如果沒有洩漏損失和熱損失，那麼壓縮功和膨脹功正好相抵，發(fā)動機(jī)真正損失的只有摩擦功。 內(nèi)外挺桿鎖定 如圖2右部所示，在凸輪壓下階段，如果機(jī)油壓力不足以克服柱塞彈簧的壓力將鎖定柱塞壓回到外挺桿中去，那麼柱塞彈簧就會將鎖定柱塞壓入內(nèi)挺桿，并令其跨越內(nèi)、外挺桿，使內(nèi)、外挺桿鎖定成一個整體。此時，外凸輪就會通過外挺桿和鎖定柱塞將內(nèi)挺桿壓下，內(nèi)挺桿進(jìn)一步將液壓補(bǔ)償元件壓下，并開啟氣門。這一過程中，會有小量機(jī)油從高壓腔通過洩漏間隙流出。 由於部分氣缸斷油以後會影響發(fā)動機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性，所以通常只在四缸以上的發(fā)動機(jī)中才采用這項(xiàng)節(jié)油技術(shù)。梅賽德斯在1996年首次采用了分缸斷油的V-8發(fā)動機(jī)。現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)

10、在該公司的V-8和V-12發(fā)動機(jī)上都有應(yīng)用。美國的汽車生產(chǎn)商將向巿場推出采用分缸斷油技術(shù)的新型發(fā)動機(jī)。有人估計(jì)，從總體上看，將來美國生產(chǎn)的汽車將有20%左右采用分缸斷油技術(shù)。但是這些發(fā)動機(jī)主要是帶有推桿的發(fā)動機(jī)。 國產(chǎn)轎車中的6缸汽油機(jī)如采用可切換液壓挺桿的分缸斷油技術(shù)，有望節(jié)能815%。 途徑二：汽油機(jī)增壓 近年來，國外轎車行業(yè)愈來愈頻繁地使用一個名詞，叫做“downsizing”，筆者暫且將它翻譯成“縮小排量”。它的基本思路是，在保持發(fā)動機(jī)標(biāo)定功率不降低的前提下，縮小發(fā)動機(jī)總排量，使得在較低負(fù)荷條件下的負(fù)荷率得以提高，達(dá)到節(jié)能的目的；而在較高負(fù)荷條件下就通過增壓來達(dá)到標(biāo)定功率。如此，則經(jīng)濟(jì)

11、性和動力性可以兼得。舉例來說，某自然吸氣的12缸發(fā)動機(jī)排量為6升，標(biāo)定功率為300kW。可是，如果采用增壓，也許將它改成6缸3升排量就可以達(dá)到同樣的標(biāo)定功率了。但是，低負(fù)荷時的負(fù)荷率卻提高了一倍左右。 汽油機(jī)縮小排量策略的理論基礎(chǔ)是顯而易見的。排量較小的發(fā)動機(jī)更多地在較高負(fù)荷率下運(yùn)行，所以它的節(jié)氣門開度較大，吸氣沖程中氣缸內(nèi)的真空度較低，它的泵氣損失自然就比排量較大的發(fā)動機(jī)小得多。此外，在排量較小的發(fā)動機(jī)中，由於摩擦和冷卻而造成的損失也比較小。 汽油機(jī)縮小排量的核心技術(shù)其實(shí)就是增壓。增壓技術(shù)用於柴油機(jī)首先是為了提高升功率，同時也為了解決碳煙和碳?xì)浠衔锱欧诺膯栴}。汽油機(jī)增壓至今尚屬罕見。這是因

12、為汽油機(jī)即使不采用增壓也很容易達(dá)到和超過50kW/L的升功率，超過一般增壓柴油機(jī)；此外，汽油機(jī)采用增壓技術(shù)會增大爆振傾向，必須調(diào)整一下壓縮比；電子控制策略方面也有一些特殊要求。但是近年來客戶對於汽車動力性的要求有增無減，汽車的最高車速愈來愈大，發(fā)動機(jī)的標(biāo)定功率也隨之提高，而且當(dāng)今的大排量轎車發(fā)動機(jī)多數(shù)是自然吸氣的汽油機(jī)。這就給通過增壓技術(shù)縮小轎車汽油機(jī)的排量以達(dá)到節(jié)能的目的留下了發(fā)展的空間。根據(jù)當(dāng)今國際巿場上客戶的愿望，為了滿足轎車在動力性、經(jīng)濟(jì)性、比重量、靈活性和停車方便等方面的要求，寧愿采取增壓也不愿采取增加缸數(shù)和排量的策略來提高汽油機(jī)的功率。1994年歐洲生產(chǎn)的汽油機(jī)中只有1%是增壓的。

13、1997年歐洲生產(chǎn)的1,100萬臺汽油機(jī)中這個比例上升到了4.1%?，F(xiàn)在這個發(fā)展趨勢還在繼續(xù)。這一動向值得中國轎車行業(yè)注意。 可變壓縮比在增壓汽油機(jī)的應(yīng)用 發(fā)動機(jī)的壓縮比愈高，效率愈高。但問題是，汽油機(jī)中提高增壓壓力會增大汽油機(jī)爆振傾向。在采用了增壓技術(shù)的汽油機(jī)中，全負(fù)荷時希望適當(dāng)降低壓縮比以抑制爆振；而部分負(fù)荷時又希望提高壓縮比以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。這種情況很自然地把人們的思路帶到了可變壓縮比電子控制。這是國外目前汽油機(jī)的發(fā)展方向之一。國外一些汽車制造商正在努力開發(fā)可變壓縮比的汽油機(jī)。這種技術(shù)使得油耗可以大大地下降，同時卻不會影響發(fā)動機(jī)的動力性。 德國SAAB公司在這方面居於領(lǐng)先地位。該公司SVC（SAAB可變壓縮比）試驗(yàn)發(fā)動機(jī)是一臺排量為1.598升的五缸汽油機(jī)，缸徑行程比為68:88mm；壓縮比可在14:1（部分負(fù)荷）到8:1（全負(fù)荷）的範(fàn)圍內(nèi)變動（見圖2）。橫置式發(fā)動機(jī)的整體氣缸蓋可以用液壓裝