汽车发动机技术的现状与未来发展文档

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1、汽车发动机技术的现状与未来发展（一）内燃机的发明，带动了汽车的发展，给世人在“行”上带来极大的便利，使得窨距离缩小，人们的工作速 度得以提高。近年来随着电子技术的发展，又使汽车发动机如虎添翼，成为高新技术的集成。汽车用内燃机作动力并发展成为支柱产业，在历史上有几次革命性的进步，第一次是石油作为内内燃 机的燃料，这使发动机摆脱了最初建立在煤气为燃料基础上的固定式发动机，从而迈向移动式的车用动力 第二次革命是汽车生产的工业化。第三次是电子技术与发动机技术相结合。电子技术最初在汽油机上的应 用是实现电子点火，然后到电控燃油喷射，至今天点火和喷射的集成管理。短短几十年，发动机成为高新技术的集成。无论是

2、燃油经济性、动力性、废气排放水平等等，是任何 一种其他动力机械所无法比拟的。这一切都来源于电子技术发挥的作用。电子技术是发动机现代化的灵魂汽油机的燃油电子喷射 相比于过去采用的化油器，燃油电子喷射系统可以的燃油计量精确度上有较大 幅度的提高。因此，采用电子控制燃油喷射的汽油机，其经济性和动力性有很大的提高，使对混合气浓度 要求的三效催化转化器降低排放成为可能。电子控制燃油喷射从单点式发展到多点式。这使汽油机不仅在动力性上仍旧能保持其密度的特点，而 且其燃油性几乎可以和柴油机相媲美。有人甚至称汽油直接喷射是汽油机的一次革命。汽油直接喷射技术 已经在日本三菱、丰田和日产的一些发动机上应用。欧洲的一

3、些汽车公司如德国大众、法国雷诺等也在发 展之中。汽油机点火和管理系统 汽油机是电火花点燃混合气的点燃式发动机。火花的发生过去是依靠点火系统 内的机械式白金断电器来完成的。断电器在高速运转下很容易磨损并烧蚀，从而使发动机出现失火，造成 动力性下降和有害排放物激增的后果。采用电磁式或霍尔式无触点的断电器便彻底解决汽油机运转过程中动力下降的排放增加的难题，也大 大地减少了发动机的维修和保养工作。现代的高性能汽油机已经毫无例外地采用了电子控制的无触点点火系统。汽油机的可变气门定时和升程系统 发动机的气门是控制进气与换气过程的基本机构，主要的控制参数 是气门定时和升程。对应于一定的运行工况，要求的定时和

4、升程各不相同。但一般发动机一经制造出后， 气门机构的定时和升程便不能改变，这势必造成部分工况不能在最优的状态下，动力性、经济性和排放品 质达到最优。以日本本田思域车用发动机为例，1.5升排量、非增压的直列4缸汽油机，采用VTEC系统后，功率由 70kW提高至100kW。目前正在发展的完全电子控制的气门机构，可以取消汽油机的节气门，进气量大小完 全由气门定时和升程决定。这样可以使汽油机燃料经济性再提高一步。柴油机的高压共轨喷射和可预喷的泵喷嘴技术柴油机的高压喷射是实现高动力性、经济性和低排放的 关键。但柴油机的工作噪声比较大一直是限制其发展的主要障碍。燃油预喷是解决柴油机燃烧噪声的关键 电子控制

5、的高压共轨喷射和预喷的泵喷嘴技术已经可以成功解决这一难题。目前国际上已经发展了可以将 少部分燃油预先喷进气缸，这样便大幅度降低了燃烧噪声，甚至可以与汽油机相媲美。这一技术使柴油机从大量应用于固定动力装置和载重车，进到汽油机传统的轿车领域。在欧洲，截止 到 2000 年，已经有近 30%的轿车采用柴油机作动力。其中应有相当数量采用上述燃油喷射系统。在此基础 上发展的100公里仅耗油3升的轿车，就是采用带预喷的电控泵喷嘴燃油喷射系统。喷嘴截面可调的增压器 废气涡轮增压技术是上世纪60年代后得到大量应用的技术，不仅可以大幅度 提高发动机的功率输出，而且可以相应地减少燃油消耗。目前这一技术在柴油机上得

6、到广泛应用。欧美的 柴油机约 95%都采用废气涡轮增压。但是增压器自身的质量使加速响应和低速性能受到影响，造成低速扭矩下降、排烟增加。要想弥补这 一缺陷，简单的方法是牺牲高速性能或牺牲一定的经济性，变截面喷嘴技术便解决了这个难题。采用这项 技术，低速时减少喷嘴截面减小排气阻力，从而使发动机的扭矩特性得到大幅度提高，废气排放品质也相 应得到改善。废气再循环技术 发动机燃烧过程中以空气为助燃剂，空气中的氮气会在燃烧中与氧气反应产生对环境 有害的氮氧化物（NOx），限制发动机的废气排放物NOx就是其中之一。为了降低NOx排放，最有效的措施 之一就是将一部分废气再次返回进气中参加燃烧以降低燃烧温度，同

7、时也减少了NOx的排放。问题是废气 怎样加入才会既不影响发动机的正常工作，而又达到降低NOx排放的目的。比如汽油机，部分负荷时本来就有大量废气留在缸内，增加废气将会使发动机工作不正常，有害排放 物增加，因此，废气再循环只有在一部分工况时工作才能实现其降低NOx排放，同时不影响发动机工作的 目的。电子控制技术提供了这种可能。目前先进工业国的汽车为了满足欧洲III号以上的排放法规，无论是 汽油机还是柴油机都采用电子控制的废气再循环技术。如此等等可以见到，现代发动机的几乎所有最新技术都与电子技术紧密结合，电子技术是使发动机成 为当今集高新技术于一身的高技术产品的灵魂。目前已有电动风扇取代机械风扇，将

8、来会以电动水泵取代 机械水泵，将会把起动机、发电机和飞轮合成一体，气门也采用电动，汽油机不再需要节气门。这样汽车的冷车加热时间更短，运行中的刹车能量、下坡能量都能得以回收，将会使发动机更加经济 未来的发动机除还继续需要燃料燃烧，还需要曲柄连杆机构输出动力之外，其余的部件均可以由电子、液 压来控制，成为真正的机、电、液一体化的产品（姚春德）.汽车发动机技术的现状与未来发展（二）车用发动机的燃料最初采用的是煤气。随着石油的发现和应用，才使汽车发动机真正成为人类的得力工具 目前主要的汽车发动机燃料仍然是汽油和柴油。由于石油是化工燃料，总有被采尽的一天，那么未来的发 动机供求矛盾随着石油燃料的枯竭而退

9、出历史舞台吗？这是人们普遍关心的大问题。应该说，这种担心是 合理的。但根据目前的资料显示，全球的石油资源至少在未来的4050年内还不会出现完全枯竭的情况。随着 人类对全球资源的进一步调查，还会发现一些过去没有勘探到的资源。另外，采油技术的进步也会提高石 油的储采比，会把一些过去认为不能采或采不到的资源采出来。但是无论怎样，石油资源会有枯竭的一天 因此人们已经在探索石油后的发动机燃料并已取得很大的进展。醇类燃料 醇类作为燃料主要有乙醇和甲醇。乙醇来自生物质，如粮食、木材等，这是最理想的燃料， 因为乙醇可以实现二氧化碳的全球循环平衡，只要有太阳照射，植物就可以实行光合作用，便可实现可持续发展。一些

10、国家如巴西便把其蔗渣经发酵后生产乙醇，然后大量掺入汽油作燃料，醇汽油是该国的标准汽车 燃料。除巴西外，美国也将其汽油掺入部分乙醇燃料使用。我国去年也启动了燃料乙醇的项目，并在河南 山东、吉林等若干省份作试点。乙醇作燃料在现有汽油机上应用是完全可以的，几乎可以不要改动发动机 今后的问题是如何扩大产量。甲醇是可以由煤和天然气生产的产品。其燃烧速度快，燃烧时无烟、无焰,NOx排放低，热值约为汽油 的一半。全球的煤资源与石油相比要大的多，按目前的能源消耗水平，至少还可以用几百年，因此，甲醇 是最有发展前景的发动机燃料。目前在点燃式发动机上燃用甲醇是完全可以的，除燃油系统的个别密封件 需要更换外，基本不

11、需对原发动机进行改装。但压燃式发动机应用仍然需要采用一些特殊技术。无论怎样 甲醇作为燃料已经提供人们一个光明的前景。二甲基醚 这是一种由甲醇进一步脱水而成的产品，与甲醇一样也可以由煤或天然气生产，其资源与甲 醇一样。上世纪由丹麦人首先在大型压燃式发动机上试验。二甲基醚的特点是其性质非常接近于柴油，极 易被压燃。但与柴油不同，它本身非常容易汽化，因此燃烧时无烟，废气排放十分清洁。由于 其在常温下是气态， 所以用到发动机上时，燃料系统必须特别处理。国内有关单位对其进行了大量研究，并装车做了试验，发 现运转是很平稳的。天然气 天然气的主要成分是甲烷，作为车用燃料是完全可以的。我国北京的公交车发动机大

12、部分采用 天然气作燃料。世界上已有近千万辆车采用天然气作燃料。植物油 主要是菜子油。这也是生物质燃料，在一些有条件的国家和地区已经作为燃料。如比利时等国 采用菜子油在压燃式发动机上作燃料。人造汽油和柴油 由煤转化为汽油和柴油，在二次世界大战期间，德国人便开始这项研究。目前在南非 已经取得成功并商业化。我国也一直十分关心这方面的进展。国家已经投资启动这一项目并使之工业化。未来发动机在理论上的发展汽车内燃机是通过燃料的燃烧，把燃料的化学能转化为热能，再将热能转化为机械功的热动力机械。 热力学、燃烧学和机械学的理论分析表明，内燃机是热效率最高的热力机械，但仍存在着巨大的节能及降 低尾气污染的潜力。对

13、于量调节式的汽油机而言，在部分负荷时，供求矛盾因节气门开度小而造成发动机的泵气损失大， 从而降低发动机的机械效率，影响到经济性。取消节气门就是提高汽油枫经济性的最根本措施。但由于目 前的汽油机是用节气门来调节混合气量的，取消节气门，发动机的动力输出无法控制，因此必须探索新的 途径。汽油直接喷射技术就是基于这一思路。将汽油机的节气门调节动力输出，改为用喷油量控制动力输出。这样一来，采用汽油直接喷射的汽油 机与目前的电控喷射发动机相比，燃油消耗量可以减少15%左右。现有的三效催化系统难以发挥作用，使发 动机的废气排放品质下降，因此还需要探索新的途径。目前的混合气均质压燃理论为解决这一问题提供了 很好的思路。该理论是在汽油机上取消节气门，用喷油量调节输出，采用大量的高温废气混合到适当比例的燃料和 空气混合气中，用发动机的压缩行程用活塞压缩使混合气自己着火，从而解决汽油机无节气门下的动力输 出与同时采用三效催化转化器的矛盾。同样这一理论也可以应用到柴油机上，使柴油机在均质混合气时压 燃着火，而不是现在的边喷油、边着火的扩散燃烧模式，从而使柴油机的废气排放达到最低，特别是烟度 排放和 NOx 排放。目前均质混合气压燃着火的理论正在付诸实施之中。一旦这一新理论在实践得到应用，可以预见，今 后的发动机供求矛盾更加高效、更加清洁，汽车的使用将更加安全且有利环保。（姚春德）