發(fā)動機負(fù)荷率與節(jié)能

1、發(fā)動機負(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的突起及消費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，轎車個人消費的突起，以及消費者對轎車動力性的要求愈來愈高等因素的影響，發(fā)動機、特別是汽油機節(jié)能的問題變得比過去任何時候都更為突出，并可能成為未來市場競爭中決定勝負(fù)的祛碼。提高汽車燃油經(jīng)濟性可以從發(fā)動機、變速器、車身、底盤、輪胎和制動等多方面來著手。與發(fā)動機有關(guān)的節(jié)能途徑可

2、以歸納為以下兩大類：第一，提高發(fā)動機本身的燃油經(jīng)濟性。這是指降低發(fā)動機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)化汽油機點火定時或柴油機噴油定時（提高熱效率）；減少熱損失（提高熱效率）；降低摩擦損失（提高機械效率）。第二，優(yōu)化和轉(zhuǎn)移發(fā)動機的工況點。這是指盡可能地使發(fā)動機運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)域能夠達到最低燃油消耗率；* 在同一臺發(fā)動機中，最高燃油消耗率可以達到最低燃油消耗率的一倍，甚至更多；* 最佳燃油經(jīng)濟性出現(xiàn)在柴油機和汽油機的較高負(fù)荷率區(qū)域，因為此時的泵氣損失較小。負(fù)苞婆定義為在一個確定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下實際負(fù)荷跟該轉(zhuǎn)速下的最大負(fù)荷的比值；* 最佳燃油經(jīng)濟性出現(xiàn)在一個很小的發(fā)動機轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，而在此區(qū)域內(nèi)燃油經(jīng)濟性最佳的負(fù)荷率大致為 8090%;8090%;* 燃油經(jīng)濟性最佳的轉(zhuǎn)速區(qū)域，在現(xiàn)代轎車柴油機中是 2500r/min2500r/min 上下的中速靶圍，在汽油機中則在較低的轉(zhuǎn)速靶圍，即

4、 2000r/min2000r/min 左右；* 一般來說，提高發(fā)動機負(fù)荷率可以提高燃油經(jīng)濟性。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)動機也可以勉強過得去，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)動機功率可達前者的十倍，某些豪華型轎車裝備了 1212 缸 V V 型或 W W 型發(fā)動機，功率超過 300kW300kW。但是，在城市行駛工況中，汽車怠速時間長，平均車速低，不可能達到最高車速。即使是大功率豪華型轎車，在都市中行駛時的功率需求也只有 7.5kW7.5kW 左右。此時，豪華型轎車只利用了

5、發(fā)動機標(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)濟性問題， 最有效的辦法是縮小低工況下發(fā)動機實際功率和標(biāo)定功率之間的差別，從而提高發(fā)動機的負(fù)荷率。本文討論發(fā)動機通過提高負(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、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、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。如果在斷油時能夠解除氣門跟凸輪之間的聯(lián)系，那麼就能實現(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 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。真正的液壓補償元件在內(nèi)挺桿里面，最終通過液壓補償元件操縱氣門桿。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

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 1 可切換液壓挺桿（資料來源：INAINA）左部：凸輪基圓階段，補償；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，所以液壓補償元件處在補償階段。在補償階段，氣門間隙的補償通過內(nèi)挺桿中的液壓補償元件實現(xiàn)，這跟在液壓挺桿內(nèi)發(fā)生的情況是一

8、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，因為內(nèi)凸輪只是一個圓柱體。如果發(fā)動機機油壓力足夠高， 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)挺桿往下運動，所以內(nèi)挺桿里面的液壓補償元件

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?；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。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)挺桿進一步將液壓補償元件壓下，并

10、開啟氣門。這一過程中，會有小量機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)動機的運行平穩(wěn)性，所以通常只在四缸以上的發(fā)動機中才采用這項節(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。 現(xiàn)在這項技術(shù)在該公司的 V-V-8 8和 V-12V-12 發(fā)動機上都有應(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。有人估計，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)動機主要是帶有推桿的發(fā)動機。國產(chǎn)轎車中的 6 6 缸汽油機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)動機標(biāo)定功率不降低的前提下，縮小發(fā)動機總排量，使得在較低負(fù)荷條件下的負(fù)荷率得以提高，達到節(jié)能的目的；而在較高負(fù)荷條件下就通過增壓來達到標(biāo)定功率。如此，則經(jīng)濟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)動機更多地在較高負(fù)荷率下運行，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)動機小得多。此外，在排量較小的發(fā)動機中，由於摩擦和冷卻而造成的損失也比較小。汽油機縮小排量的核心技術(shù)其實就是增壓。增壓技術(shù)用於柴油機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}。汽油機增壓至今尚屬罕見。這是因為汽油機即使不采用增壓也很容易達到和超過 50kW/L50kW/L 的升功率，超過一般增壓柴油機；此外，汽油機采用增壓技術(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)動機多數(shù)是自然吸氣的汽油機。 這就給通過增壓技術(shù)縮小轎車汽油機的排量以達到節(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的功率。19941994 年歐洲生產(chǎn)的汽油機中只有 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比在增壓汽油機的應(yīng)用發(fā)動機的壓縮比愈高，效率愈

14、高。但問題是，汽油機中提高增壓壓力會增大汽油機爆振傾向C在采用了增壓技術(shù)的汽油機中，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。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） 試驗發(fā)動機是一臺排量為 1.591.598 8升的五缸汽油機，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)動機的整體氣缸蓋可以用液壓裝置往彳麥傾側(cè)，最大可達 4 4 度。發(fā)動機上部相對於下部的傾側(cè)擴大了活塞到達上止點時燃燒室的容積大小，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，燃燒室容積會重新減少，壓縮比就提高了。SAABSAAB 公司的發(fā)動機管理系統(tǒng) TrionicTrionic 會根據(jù)汽油機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和燃油質(zhì)量計算出最佳壓縮比，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)生傾斜而實現(xiàn)壓縮比的改該機的最大增壓壓力可

16、達 2.8bar2.8bar, ,最大扭矩 165kW165kW 和 305Nm305Nm，小小的 SVC1.6SVC1.6 升增壓汽油機大致達到了3.03.0 升自然吸氣發(fā)動機的水平，然而油耗比彳麥者降低了三分之一左右?？勺儔嚎s比在傳統(tǒng)的自然吸氣汽油機中只能減少油耗 4 4 到 5 5 個百分點。它的全部潛力只有在帶有高增壓的較小排量汽油機中才能顯現(xiàn)出來，從而達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：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)化器達到工作溫度之前所經(jīng)歷的冷起動階段。汽油機起動時可以采用比較低的壓縮比，因為在較低的壓縮比下，汽油機的熱效率較低，廢氣溫度較高，當(dāng)廢氣抵達催化轉(zhuǎn)化器時能夠更快地使它們加熱，因而縮短起燃時間。 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比使汽油機在所用燃料種類方面非常機動靈活， 因為 SVCSVC 能夠使汽油機跟當(dāng)時使用的燃料辛烷值實現(xiàn)最佳的匹配。SVCSVC 汽油機總是以最適合於燃料的壓縮比工作。結(jié)語* 提高發(fā)動機負(fù)荷率可以提高燃油經(jīng)濟性；* 分缸斷油可以提高負(fù)荷率，且成本較低。INAINA