汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的現(xiàn)在與未來

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的現(xiàn)在與未來(一)(02-3-20)     內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，帶動(dòng)了汽車的發(fā)展，給世人在“行”上帶來極大的便利，使得窨距離縮小，人們的工作速度得以提高。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，又使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)如虎添翼，成為高新技術(shù)的集成。汽車用內(nèi)燃機(jī)作動(dòng)力并發(fā)展成為支柱產(chǎn)業(yè)，在歷史上有幾次革命性的進(jìn)步，第一次是石油作為內(nèi)內(nèi)燃機(jī)的燃料，這使發(fā)動(dòng)機(jī)擺脫了最初建立在煤氣為燃料基礎(chǔ)上的固定式發(fā)動(dòng)機(jī)，從而邁向移動(dòng)式的車用動(dòng)力。第二次革命是汽車生產(chǎn)的工業(yè)化。第三次是電子技術(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相結(jié)合。電子技術(shù)最初在汽油機(jī)上的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)電子點(diǎn)火，然后到電控燃油噴射，至今

2、天點(diǎn)火和噴射的集成管理。短短幾十年，發(fā)動(dòng)機(jī)成為高新技術(shù)的集成。無論是燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、廢氣排放水平等等，是任何一種其他動(dòng)力機(jī)械所無法比擬的。這一切都來源于電子技術(shù)發(fā)揮的作用。    電子技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代化的靈魂    汽油機(jī)的燃油電子噴射  相比于過去采用的化油器，燃油電子噴射系統(tǒng)可以的燃油計(jì)量精確度上有較大幅度的提高。因此，采用電子控制燃油噴射的汽油機(jī)，其經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性有很大的提高，使對(duì)混合氣濃度要求的三效催化轉(zhuǎn)化器降低排放成為可能。電子控制燃油噴射從單點(diǎn)式發(fā)展到多點(diǎn)式。這使汽油機(jī)不僅在動(dòng)力

3、性上仍舊能保持其密度的特點(diǎn)，而且其燃油性幾乎可以和柴油機(jī)相媲美。有人甚至稱汽油直接噴射是汽油機(jī)的一次革命。汽油直接噴射技術(shù)已經(jīng)在日本三菱、豐田和日產(chǎn)的一些發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。歐洲的一些汽車公司如德國(guó)大眾、法國(guó)雷諾等也在發(fā)展之中。    汽油機(jī)點(diǎn)火和管理系統(tǒng)  汽油機(jī)是電火花點(diǎn)燃混合氣的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。火花的發(fā)生過去是依靠點(diǎn)火系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械式白金斷電器來完成的。斷電器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下很容易磨損并燒蝕，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失火，造成動(dòng)力性下降和有害排放物激增的后果。采用電磁式或霍爾式無觸點(diǎn)的斷電器便徹底解決汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中動(dòng)力下降的排放增加的難題，也大大地

4、減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的維修和保養(yǎng)工作?，F(xiàn)代的高性能汽油機(jī)已經(jīng)毫無例外地采用了電子控制的無觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)。    汽油機(jī)的可變氣門定時(shí)和升程系統(tǒng)  發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門是控制進(jìn)氣與換氣過程的基本機(jī)構(gòu)，主要的控制參數(shù)是氣門定時(shí)和升程。對(duì)應(yīng)于一定的運(yùn)行工況，要求的定時(shí)和升程各不相同。但一般發(fā)動(dòng)機(jī)一經(jīng)制造出后，氣門機(jī)構(gòu)的定時(shí)和升程便不能改變，這勢(shì)必造成部分工況不能在最優(yōu)的狀態(tài)下，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放品質(zhì)達(dá)到最優(yōu)。以日本本田思域車用發(fā)動(dòng)機(jī)為例，1.5升排量、非增壓的直列4缸汽油機(jī)，采用VTEC系統(tǒng)后，功率由70kW提高至100kW。目前正在發(fā)展的完全電子控制的氣

5、門機(jī)構(gòu)，可以取消汽油機(jī)的節(jié)氣門，進(jìn)氣量大小完全由氣門定時(shí)和升程決定。這樣可以使汽油機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性再提高一步。    柴油機(jī)的高壓共軌噴射和可預(yù)噴的泵噴嘴技術(shù)  柴油機(jī)的高壓噴射是實(shí)現(xiàn)高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和低排放的關(guān)鍵。但柴油機(jī)的工作噪聲比較大一直是限制其發(fā)展的主要障礙。燃油預(yù)噴是解決柴油機(jī)燃燒噪聲的關(guān)鍵電子控制的高壓共軌噴射和預(yù)噴的泵噴嘴技術(shù)已經(jīng)可以成功解決這一難題。目前國(guó)際上已經(jīng)發(fā)展了可以將少部分燃油預(yù)先噴進(jìn)氣缸，這樣便大幅度降低了燃燒噪聲，甚至可以與汽油機(jī)相媲美。這一技術(shù)使柴油機(jī)從大量應(yīng)用于固定動(dòng)力裝置和載重車，進(jìn)到汽油機(jī)傳統(tǒng)的轎車領(lǐng)域

6、。在歐洲，截止到2000年，已經(jīng)有近30%的轎車采用柴油機(jī)作動(dòng)力。其中應(yīng)有相當(dāng)數(shù)量采用上述燃油噴射系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的100公里僅耗油3升的轎車，就是采用帶預(yù)噴的電控泵噴嘴燃油噴射系統(tǒng)。    噴嘴截面可調(diào)的增壓器  廢氣渦輪增壓技術(shù)是上世紀(jì)60年代后得到大量應(yīng)用的技術(shù)，不僅可以大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，而且可以相應(yīng)地減少燃油消耗。目前這一技術(shù)在柴油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。歐美的柴油機(jī)約95%都采用廢氣渦輪增壓。但是增壓器自身的質(zhì)量使加速響應(yīng)和低速性能受到影響，造成低速扭矩下降、排煙增加。要想彌補(bǔ)這一缺陷，簡(jiǎn)單的方法是犧牲高速性能或犧牲

7、一定的經(jīng)濟(jì)性，變截面噴嘴技術(shù)便解決了這個(gè)難題。采用這項(xiàng)技術(shù)，低速時(shí)減少噴嘴截面減小排氣阻力，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性得到大幅度提高，廢氣排放品質(zhì)也相應(yīng)得到改善。    廢氣再循環(huán)技術(shù)  發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中以空氣為助燃劑，空氣中的氮?dú)鈺?huì)在燃燒中與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的氮氧化物（NOx），限制發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放物NOx就是其中之一。為了降低NOx排放，最有效的措施之一就是將一部分廢氣再次返回進(jìn)氣中參加燃燒以降低燃燒溫度，同時(shí)也減少了NOx的排放。問題是廢氣怎樣加入才會(huì)既不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，而又達(dá)到降低NOx排放的目的。比如汽油機(jī)，部分負(fù)荷

8、時(shí)本來就有大量廢氣留在缸內(nèi)，增加廢氣將會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作不正常，有害排放物增加，因此，廢氣再循環(huán)只有在一部分工況時(shí)工作才能實(shí)現(xiàn)其降低NOx排放，同時(shí)不影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的目的。電子控制技術(shù)提供了這種可能。目前先進(jìn)工業(yè)國(guó)的汽車為了滿足歐洲號(hào)以上的排放法規(guī)，無論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)都采用電子控制的廢氣再循環(huán)技術(shù)。    如此等等可以見到，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的幾乎所有最新技術(shù)都與電子技術(shù)緊密結(jié)合，電子技術(shù)是使發(fā)動(dòng)機(jī)成為當(dāng)今集高新技術(shù)于一身的高技術(shù)產(chǎn)品的靈魂。目前已有電動(dòng)風(fēng)扇取代機(jī)械風(fēng)扇，將來會(huì)以電動(dòng)水泵取代機(jī)械水泵，將會(huì)把起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和飛輪合成一體，氣門也采用電動(dòng)，汽油機(jī)不再

9、需要節(jié)氣門。這樣汽車的冷車加熱時(shí)間更短，運(yùn)行中的剎車能量、下坡能量都能得以回收，將會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)更加經(jīng)濟(jì)。未來的發(fā)動(dòng)機(jī)除還繼續(xù)需要燃料燃燒，還需要曲柄連桿機(jī)構(gòu)輸出動(dòng)力之外，其余的部件均可以由電子、液壓來控制，成為真正的機(jī)、電、液一體化的產(chǎn)品(姚春德)(摘自中國(guó)機(jī)電日?qǐng)?bào))  汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的現(xiàn)在與未來(二)(02-3-27)     發(fā)動(dòng)機(jī)燃料正向多樣化過渡    車用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料最初采用的是煤氣。隨著石油的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，才使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)真正成為人類的得力工具。目前主要的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料仍然是汽油和柴油。由

10、于石油是化工燃料，總有被采盡的一天，那么未來的發(fā)動(dòng)機(jī)供求矛盾隨著石油燃料的枯竭而退出歷史舞臺(tái)嗎？這是人們普遍關(guān)心的大問題。應(yīng)該說，這種擔(dān)心是合理的。但根據(jù)目前的資料顯示，全球的石油資源至少在未來的4050年內(nèi)還不會(huì)出現(xiàn)完全枯竭的情況。隨著人類對(duì)全球資源的進(jìn)一步調(diào)查，還會(huì)發(fā)現(xiàn)一些過去沒有勘探到的資源。另外，采油技術(shù)的進(jìn)步也會(huì)提高石油的儲(chǔ)采比，會(huì)把一些過去認(rèn)為不能采或采不到的資源采出來。但是無論怎樣，石油資源會(huì)有枯竭的一天，因此人們已經(jīng)在探索石油后的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料并已取得很大的進(jìn)展。    醇類燃料  醇類作為燃料主要有乙醇和甲醇。乙醇來自生

11、物質(zhì)，如糧食、木材等，這是最理想的燃料，因?yàn)橐掖伎梢詫?shí)現(xiàn)二氧化碳的全球循環(huán)平衡，只要有太陽照射，植物就可以實(shí)行光合作用，便可實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。一些國(guó)家如巴西便把其蔗渣經(jīng)發(fā)酵后生產(chǎn)乙醇，然后大量摻入汽油作燃料，醇汽油是該國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)汽車燃料。除巴西外，美國(guó)也將其汽油摻入部分乙醇燃料使用。我國(guó)去年也啟動(dòng)了燃料乙醇的項(xiàng)目，并在河南、山東、吉林等若干省份作試點(diǎn)。乙醇作燃料在現(xiàn)有汽油機(jī)上應(yīng)用是完全可以的，幾乎可以不要改動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。今后的問題是如何擴(kuò)大產(chǎn)量。    甲醇是可以由煤和天然氣生產(chǎn)的產(chǎn)品。其燃燒速度快，燃燒時(shí)無煙、無焰，NOx排放低，熱值約為汽油的一半。全球的煤資

12、源與石油相比要大的多，按目前的能源消耗水平，至少還可以用幾百年，因此，甲醇是最有發(fā)展前景的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。目前在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用甲醇是完全可以的，除燃油系統(tǒng)的個(gè)別密封件需要更換外，基本不需對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝。但壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用仍然需要采用一些特殊技術(shù)。無論怎樣甲醇作為燃料已經(jīng)提供人們一個(gè)光明的前景。    二甲基醚  這是一種由甲醇進(jìn)一步脫水而成的產(chǎn)品，與甲醇一樣也可以由煤或天然氣生產(chǎn)，其資源與甲醇一樣。上世紀(jì)由丹麥人首先在大型壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)。二甲基醚的特點(diǎn)是其性質(zhì)非常接近于柴油，極易被壓燃。但與柴油不同，它本身非常容易汽化，因此燃

13、燒時(shí)無煙，廢氣排放十分清潔。由于 其在常溫下是氣態(tài)，所以用到發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，燃料系統(tǒng)必須特別處理。國(guó)內(nèi)有關(guān)單位對(duì)其進(jìn)行了大量研究，并裝車做了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)是很平穩(wěn)的。    天然氣  天然氣的主要成分是甲烷，作為車用燃料是完全可以的。我國(guó)北京的公交車發(fā)動(dòng)機(jī)大部分采用天然氣作燃料。世界上已有近千萬輛車采用天然氣作燃料。    植物油  主要是菜子油。這也是生物質(zhì)燃料，在一些有條件的國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)作為燃料。如比利時(shí)等國(guó)采用菜子油在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上作燃料。  

14、0; 人造汽油和柴油  由煤轉(zhuǎn)化為汽油和柴油，在二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)人便開始這項(xiàng)研究。目前在南非已經(jīng)取得成功并商業(yè)化。我國(guó)也一直十分關(guān)心這方面的進(jìn)展。國(guó)家已經(jīng)投資啟動(dòng)這一項(xiàng)目并使之工業(yè)化。    未來發(fā)動(dòng)機(jī)在理論上的發(fā)展    汽車內(nèi)燃機(jī)是通過燃料的燃燒，把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的熱動(dòng)力機(jī)械。熱力學(xué)、燃燒學(xué)和機(jī)械學(xué)的理論分析表明，內(nèi)燃機(jī)是熱效率最高的熱力機(jī)械，但仍存在著巨大的節(jié)能及降低尾氣污染的潛力。對(duì)于量調(diào)節(jié)式的汽油機(jī)而言，在部分負(fù)荷時(shí)，供求矛盾因節(jié)氣門開度小

15、而造成發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失大，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率，影響到經(jīng)濟(jì)性。取消節(jié)氣門就是提高汽油楓經(jīng)濟(jì)性的最根本措施。但由于目前的汽油機(jī)是用節(jié)氣門來調(diào)節(jié)混合氣量的，取消節(jié)氣門，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出無法控制，因此必須探索新的途徑。汽油直接噴射技術(shù)就是基于這一思路。將汽油機(jī)的節(jié)氣門調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出，改為用噴油量控制動(dòng)力輸出。這樣一來，采用汽油直接噴射的汽油機(jī)與目前的電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油消耗量可以減少15%左右。現(xiàn)有的三效催化系統(tǒng)難以發(fā)揮作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放品質(zhì)下降，因此還需要探索新的途徑。目前的混合氣均質(zhì)壓燃理論為解決這一問題提供了很好的思路。該理論是在汽油機(jī)上取消節(jié)氣門，用噴油量調(diào)節(jié)輸出，采用大量的高溫廢氣混合到適當(dāng)比例的燃料和空氣混合氣中，用發(fā)動(dòng)