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2008-11-2917:03:21閱讀150評t0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，絲生里、特別是汽油機(jī)節(jié)能的問題變得比過去年麗候都更為突出。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(shí)候都更為突出，并可能成為未來市場競爭中決定勝負(fù)的祛碼。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)動機(jī)有關(guān)的節(jié)能途徑可

2、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(shí)或柴油機(jī)噴油定時(shí)（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 BMWBMW 公司 20012001 年產(chǎn) 320d320d 手動變速轎車 4 4 缸 2.0

3、2.0 升 TDITDI 柴油機(jī)的萬有特性曲線可見：* 在整個工況靶圍內(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(shí)的泵氣損失較小。負(fù)苞婆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%;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/min2500r/min 上下的中速靶圍，在汽油機(jī)中則在較低的轉(zhuǎn)速靶圍，即

4、 2000r/min2000r/min 左右；* 一般來說，提高發(fā)動機(jī)負(fù)荷率可以提高燃油經(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 30kW30kW 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/h220km/h,所以彳愛者裝備的發(fā)動機(jī)功率可達(dá)前者的十倍，某些豪華型轎車裝備了 1212 缸 V V 型或 W W 型發(fā)動機(jī)，功率超過 300kW300kW。但是，在城市行駛工況中，汽車怠速時(shí)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，在都市中行駛時(shí)的功率需求也只有 7.5kW7.5kW 左右。此時(shí)，豪華型轎車只利用了

5、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)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(shí)，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

6、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 2 至 3 3 倍，在汽油車中達(dá)到整車節(jié)油 815%815%的效果，排放也可以相應(yīng)地減少。如果在斷油時(shí)能夠解除氣門跟凸輪之間的聯(lián)系，那麼就能實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)。此時(shí)，盡管凸輪還在轉(zhuǎn)動，氣門卻不為其所動。可切換液壓挺桿就是為此而開發(fā)。圖 1 1 為德國 INAINA（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(shí)內(nèi)挺桿和

7、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(shí)盡管凸輪軸在轉(zhuǎn)動，氣門卻不能啟閉。圖 1 1 可切換液壓挺桿（資料來源：INAINA）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 2 左部所示，此時(shí)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

8、樣的。此時(shí)，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。內(nèi)外挺桿分離如圖 1 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(shí)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

9、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。活塞的壓縮沖程和排氣沖程中，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。理論上，如果沒有波漏損失和熱損失，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 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(shí)，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

10、開啟氣門。這一過程中，會有小量機(jī)油從高壓腔通過波漏間隙流出。由於部分氣缸斷油以彳麥會影響發(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 19961996 年首次采用了分缸斷油的 V-8V-8 發(fā)動機(jī)。 現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)在該公司的 V-V-8 8和 V-12V-12 發(fā)動機(jī)上都有應(yīng)用。美國的汽車生產(chǎn)商將向市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%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 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 8 815%15%。途徑二：汽油

11、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“downsizingdownsizing: :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)性和動力性可以兼得。舉例來說，某自然吸氣的 1212缸發(fā)動機(jī)排量為 6 6 升，標(biāo)定功率為 300kW300kW。可是，如果采用增壓，也許將它改成 6 6 缸 3 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(shí)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

12、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(shí)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?yàn)槠蜋C(jī)即使不采用增壓也很容易達(dá)到和超過 50kW/L50kW/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

13、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)今國際市場上客戶的愿望，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。19941994 年歐洲生產(chǎn)的汽油機(jī)中只有 1%1%是增壓的。19971997 年歐洲生產(chǎn)的 1,1001,100 萬臺汽油機(jī)中這個比例上升到了 4.1%4.1%o o 現(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?？勺儔嚎s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

14、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C在采用了增壓技術(shù)的汽油機(jī)中，全負(fù)荷時(shí)希望適當(dāng)降低壓縮比以抑制爆振；而部分負(fù)荷時(shí)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(shí)卻不會影響發(fā)動機(jī)的動力性。德國 SAABSAAB 公司在這方面居於領(lǐng)先地位。 該公司 SVCSVC （SAABSAAB 可變壓縮比） 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)是一臺排量為 1.591.598 8升的五缸汽油機(jī)，缸徑行程比為 68:88mm68:88mm; ;壓縮比可在 1

15、4:114:1（部分負(fù)荷）到 8:18:1（全負(fù)荷）的靶圍內(nèi)變動（見圖 2 2）。橫置式發(fā)動機(jī)的整體氣缸蓋可以用液壓裝置往彳麥傾側(cè)，最大可達(dá) 4 4 度。發(fā)動機(jī)上部相對於下部的傾側(cè)擴(kuò)大了活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)燃燒室的容積大小，減少了壓縮程度，降低了壓縮比。如果要提高壓縮程度，只要重新減少整體氣缸蓋的傾斜度就可以了。此時(shí)，燃燒室容積會重新減少，壓縮比就提高了。SAABSAAB 公司的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng) TrionicTrionic 會根據(jù)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和燃油質(zhì)量計(jì)算出最佳壓縮比，這個最佳壓縮比是在不斷地變化。圖 2 2 通過液壓調(diào)節(jié)裝置使整體氣缸蓋相對於曲軸箱發(fā)生傾斜而實(shí)現(xiàn)壓縮比的改該機(jī)的最大增壓壓力可

16、達(dá) 2.8bar2.8bar, ,最大扭矩 165kW165kW 和 305Nm305Nm，小小的 SVC1.6SVC1.6 升增壓汽油機(jī)大致達(dá)到了3.03.0 升自然吸氣發(fā)動機(jī)的水平，然而油耗比彳麥者降低了三分之一左右。可變壓縮比在傳統(tǒng)的自然吸氣汽油機(jī)中只能減少油耗 4 4 到 5 5 個百分點(diǎn)。它的全部潛力只有在帶有高增壓的較小排量汽油機(jī)中才能顯現(xiàn)出來，從而達(dá)到令人驚異的功率水平。同樣引人注目的還有廢氣排放方面的優(yōu)點(diǎn)：二氧化碳（CO2CO2）排放跟油耗成正比下降，而一氧化碳（COCO） 、碳?xì)浠衔铮℉CHC）和氮氧化物（NOXNOX）都滿足當(dāng)今世界上有效的以及正在擬議中的一切法律條文的規(guī)定。如果采用 SVCSVC 概念，就可以縮短在催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到工作溫度之前所經(jīng)歷的冷起動階段。汽油機(jī)起動時(shí)可以采用比較低的壓縮比，因?yàn)樵谳^低的壓縮比下，汽油機(jī)的熱效率較低，廢氣溫度較高，當(dāng)廢氣抵達(dá)催化轉(zhuǎn)化器時(shí)能夠更快地使它們加熱，因而縮短起燃時(shí)間。 如果催化轉(zhuǎn)化過程已經(jīng)開始， 系統(tǒng)就根據(jù)當(dāng)時(shí)的行駛條件將壓縮比調(diào)節(jié)到最優(yōu)化的數(shù)值?？勺儔嚎s比使汽油機(jī)在所用燃料種類方面非常機(jī)動靈活， 因?yàn)?SVCSVC 能夠使汽油機(jī)跟當(dāng)時(shí)使用的燃料辛烷值實(shí)現(xiàn)最佳的匹配。SVCSVC 汽油機(jī)總是以最適合於燃料的壓縮比工作。結(jié)語* 提高發(fā)動機(jī)負(fù)荷率可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性；* 分缸斷油可以提高負(fù)荷率，且成本較低。INAINA