汽油机节能和排放

汽油机节能和排放1.

多气门技术

一般情况下，汽油机需要能充分进气和充分排气，并根据需要灵活调节。先进的充气技术通常一般主要指多气门技术、气门可变技术，而增压技术本质上也可以归纳为先进的充气技术。

多气门技术指发动机每缸进气门数在两个或两个以上。与二气门发动机相比，每缸四气门(二进二排)或五气门(三进二排)设计一方面可增大进气流通面积，提高充量系数，减小泵吸损失，提高发动机经济性和高速时的动力性；另一方面每缸多气门便于火花塞居中布置，缩短火焰传播距离，降低爆燃倾向，提高压缩比。多气门发动机的每个气门较小，因此，每个气门的惯性质量也较小，这为提高发动机的转速进而提高发动机的：升功率提供了可能。德国FEV汽车技术研究所对多台四气门和二气门发动机进行了性能试验，结果表明：采用四气门后，在额定转速时，发动机充量系数提高15％，平均有效压力提高25％，压缩比提高一个单位，升功率达到65kW／L，升扭矩达到105(N·m)／L，最低比油耗达245gkW·h，已达到了涡流室式柴油机的油耗水平。目前多数轿车发动机(如夏利2O0O轿车装载的丰田8A—FE16气门发动机)采用每缸4个气门的配置，使发动机的动力性和经济性得到最佳发挥。有的发动机还采用了每缸5气门的配置(如奥迪A6发动机)。汽油机多气门化已成为当代汽车发动机的基本配置。

可变气门技术

在普通的发动机上，进气I]和排气1]的开闭时间和升程是固定不变的，在发动机运转过程中是不能改变的，不能满足发动机各种转速下对气门开启的不同需要。可变气门技术则使进排气根据需要，灵活调整发动机的进气和排气，使得发动机效率更高。根据灵活调节的范围和程度的不同，又可以分为气门正时可变、气门正时连续可变、气门升程可变、气门正时和升程都可变等类型。3.

气门脚间隙取允许值的上限

由于气门重叠角的存在，发动机排气冲程后期、进气冲程初期必然有部分新鲜混合气直接从尾气中排出，形成排气污染。气门重叠角越大，尾气中的HC含量越多，因此在调整气门脚间隙时取允许值的上限，可减小气门重叠角，从而降低HC的排放。

4.增压技术

增压可以提高发动机的升功率，减少发动机的体积和重量，改善整车的燃油经济性。涡轮增压在柴油机上应用很早，现如今在汽油机上也算不上新技术。但是，近年来涡轮增压技术在汽油机上的应用却有了质的突破，新一代的涡轮增压发动机功率更大，可靠性和易维护性都大有提高。此外可变螺距、双涡轮等新技术的出现，使得涡轮增压发动机的滞后问题也基本得以解决。特别值得一提的是，不少国外厂家纷纷将新一代涡轮增压技术与缸内直喷技术相结合，成为了小排量高性能汽油发动机的全新典范。装备此类发动机的普通家用轿车拥有相当可观的升功率，其加速性能甚至可以媲美那些大排量的高性能跑车。5.底盘维护

底盘维护对汽车排放性能有间接影响。如维护中摩擦阻力增大，轮胎气压不足，滚动阻力增大，汽车的加速时间延长，从而使发动机在浓混合气状态下工作时间过长，排污量增加。在底盘维护中，凡是影响汽车加速性能、动力传递和变速器换挡灵活性的项目都可能间接影响汽车的排放性能。因此，为了减轻汽车排气污染，必须加强底盘维护。6.废气再循环(EGR)技术

废气再循环(EGR)(23增大了发动机的充量系数，提高了发动机的热效率，减少了发动机的泵吸损失，降低了燃油消耗；同时由于废气中的CO、N、H2O等惰性气体具有较高的比热容，多变指数低，使得最高燃烧温度降低，抑制了NO(x)的生成，改善了发动机的排放废气再循环(EGR)技术必须严格控制发动机在各工况下的废气再循环量，即废气再循环率。废气再循环率过小或过大都不能使发动机的性能得到最佳发挥。一般发动机在各工况下的废气再循环率大小通常由发动机电子控制系统来完成。废气再循环(EGR)技术有缸内和缸外废气再循环两种缸内废气再循环主要通过可变配气相位实现；缸外废气再循环有冷却和不冷却再循环之分。Ricardo公司最新研制开发的具有可变滚流结构的CCVS系统，使缸内混合气实现良好的排气分层燃烧(EGS)，EGR率最大达到空气量的70％，其可变气门正时系统可在发动机不同负荷条件下实现不同的气门升程，使缸内实现不同的滚流比，实现高的EGR容受度，低的NO(x)排放。7.电子控制技术

电子控制系统的基本功能是电子控制燃油喷射(EFI)和电控点火(ESA)，此外还有爆燃控制(KCS)、怠速控制(ISC)、节气门控制(ECT)、电控EGR、涡流控制(SCV)和在线诊断系统(OBDS)等等。电控燃油喷射(EFI)技术的发展经历了进气管单点喷射(SPI)、多点喷射(MPI)和缸内直接喷射(GDI)等阶段，电控燃油喷射(EFI)技术的应用使得发动机各缸的混合气在质和量上得到保证，同时也使发动机的空燃比A／F和点火提前角得到精确的控制，发动机的动态响应性提高。据统计，1990年美国装用汽油喷射的发动机轿车所占比例已达到90％以上且多为进气管多点喷射(MPI)系统。

在普遍采用电控燃油喷射(EFI)技术的同时，电子点火(ESA)、爆燃控制(KCS)系统等也得到普遍的应用。这是由于电子点火系统(ESA)可使发动机的点火正时准确，比机械式真空和离心点火提前效果好。防爆燃控制(KCS)系统可使发动机工作在爆燃的边界上，发动机的动力性、经济性最佳。同时，电控技术也使发动机的某些机构和参数的改变和优化成为可能。日本Honda公司1989年投入市场的VTEC—E可变气门升程系统，在发动机低速和高速时，采用两种不同的凸轮型线，使发动机的低速和高速性能得到最佳的发挥文献[5]中还列举了一些其它的发动机可变技术。如可变进气管长度、可变压缩比、可变发动机配气相位等等。所有这些可变技术的应用，都是由于发动机电控技术的出现才成为可能。发动机可变技术的应用使得发动机在任何工况下都能以最佳的状态参数运行，使得发动机性能最佳。8.缸内直接喷射技术

缸内直喷汽油机是在部分负荷时用混合气的分层化实现超稀薄燃烧，得到同柴油机一样低的燃油消耗率；在高负荷时用预混合汽油机的均匀混合，得到高功率特性的理想汽油机。目前，发动机缸内直接喷射(GDI)技术已有少量机型出现(如日本丰田汽车公司的D-4发动机），欧洲市场还有一些直喷发动机系统。虽然目前缸内直接喷射(GDI)发动机在技术、成本和排放等问题上还有一些技术难题未能克服，但由于缸内直接喷射(GDI)发动机的一些无可比拟的优点，如部分负荷可以实现无节流或小节流的变质调节；对于中、小负荷的车用发动机来讲，对燃油的经济性改善较大；缸内燃油雾化吸热，提高了充量系数并可采用高的压缩比，发动机的动态响应性好等。有人预计j，直喷汽油机将于2005～2010年克服上述技术、成本和排放等技术难题，成为轿车发动机的主导产品。

9.稀混合气燃烧技术

在保证发动机对外输出扭矩变动较小和NO(x)排放不超过上限的前提下，控制空燃比A／F在大于理论空燃比14.7的稀燃情况下燃烧运行，这种燃烧方式为稀薄燃烧j。稀燃具有许多优点，国内外学者都开展了相关的稀燃技术研究。目前较具代表性的稀燃系统大致可分为均质和非均质稀薄燃烧系统，按照燃油的喷射方式又进一步分为：进气道燃油喷射和缸内直接喷射稀燃系统。近代的稀薄燃烧系统多为进气道或缸内燃油喷射而形成的非均质稀薄燃烧系统。汽油机燃用稀薄混合气，可以大幅改善汽油机的燃油消耗率并改善汽油机的排放，但稀燃时汽油机的NO(x)降低较小，此可通过选择催化还原、吸附催化还原和EGR技术等来解决：目前，天津大学已分别在TJ376Q和丰田8A—FE16气门汽油机上通过采用特殊的进气道和排气可变技术，实现了汽油机进气道燃油喷射空燃比在24以下的准均质稀薄燃烧。采用选择催化还原、吸附催化还原和EGR+三元催化技术降低稀燃下汽油机的NO(x)有害气体排放，取得了一些很有学术价值的成果。

10.代用燃料、电动汽车技术

众所周知，汽油和柴油一直是汽车发动机的传统燃料，但随着汽车保有量的增加，汽油和柴油的消耗量迅速增加，石油的危机和环境的污染使得代用燃料和代用动力--电动汽车的研究成为热点。代用动力发动机如斯特林发动机、燃气涡轮发动机、改进的二冲程发动机、电动汽车和混合动力发动机等都被认为将是在21世纪比较有前途的发展方向。但这些代用动力到目前为止都存在各式各样的尚未解决的关键技术问题。代用燃料包括压缩天然气、液化石油气、醇类、氢气，其中天然气和液化石油气在地球上的储备量很大，且排放较低，预计将在本世纪发挥较大的作用目前国家十五科技攻关中，压缩天然气、液化石油气、醇类燃料等已成为汽车节约能源和改善排放的重要课题。多数示范城市已使用了CNG，LPG汽车，而氢能、混合动力、太阳能、电动汽车等，世界上也有城市在应用。11.可控自燃燃烧过程技术

四行程汽油可控自燃燃烧过程CAI发动机就是将汽油机的混合气形成均质的稀薄混合气，实现汽油机的均质压燃着火燃烧过程(CAI)。目前欧共体参加这一研究开发的单位较多且研究成果处于较领先的地位。这些研究单位有：英国的Bmnel大学、德国的Ruprecht--Karls大学、德国的戴姆勒--奔驰汽车公司、法国的标志雪铁龙公司以及英国的福特公司等。它们的目标是经过联合开发这种新型燃烧发动机，取代当前广泛采用的以化学当量比混合气工作、带三效催化器尾气处理的轿车用四行程火花点火发动机¨。英国Bmnel大学的赵华博士等·成功地在汽油机基础上实现了均质压燃着火燃烧过程(CAI)。通过在一个气口喷射的普通汽油机上取消节气门，把排出废气的一部分重新送人燃烧室，以改变进气的氧浓度、惰性气体浓度以及比热等混合气的燃烧特性。此外，在进气口处设置了一个电加热器，在不同工况下把进气温度加热到390～450最后经过大量实验找到了适合轿车道路运行工况下实现均质压燃着火燃烧过程的控制条件，NO(x)排放只有几个ppm，比原机减少100倍(原机为1000ppm以上)，油耗降低了20％。这类燃烧方法目前只能在低负荷下运转，中等负荷以上时易出现爆震燃烧，以至于出现发动机的燃烧过程不能控制及爆发压力高等严重问题，离实际应用还有较大的距离。12.汽油机柴油化技术

由于柴油机的燃烧效率远远高于汽油机，因此，柴油机的燃油消耗率要比汽油机低30％左右，而且柴油机的有害排放物较低(柴油机的主要排放物是NO(x)和PM)。近年来，由于柴油机技术的进步，如柴油机采用高压喷射、二次及多次喷油技术等使得柴油机的燃油消耗率更低，柴油机的NVH(噪声、振动和不平顺性)获得较大的改善，加上柴油机后处理器(碳烟微粒过滤器DPF和脱除氮氧化物催化器De—NO(x))的广泛使用，使得柴油机的NO(x)和PM排放更低。目前，在轻型卡车及载重汽车中，基本上使用的都是柴油机，而在欧洲市场，在轿车领域已有近50％左右的轿车发动机使用柴油机。发动机节能和排放的发展，使得车用汽油机越来越柴油机化¨。如德国大众汽车公司最近推向市场的1．2L，1．9LTDI柴油机，就是采用了上述一些先进技术，使轿车的耗油量达到3升／百公里的指标，成为真正的经济性轿车DiesOto汽柴联姻技术

。13催化技术

汽车尾气催化技术已有近四十年历史，由最初的只采用氧化型二元催化剂，发展到目前广泛采用的三元催化转化系统TWC。电控燃油喷射EFI和三元催化转化器TWC技术的结合已大幅改善了汽油机的尾气排放，排放水平已达欧Ⅱ水平。由于汽油机节能的需要，稀燃技术得到迅速发展。目前，汽油机催化领域正在开展稀燃条件下降低NO(x)的研究。富氧条件下降低NO(x)技术已成为世界汽车和发动机研究机构的重大课题u。目前，稀燃催化转化器分为选择还原型(De—NO(x))、NO(x)捕集型和NO(x)分解型等。它们各有其相应的特点，都可在一定的范围内麻用。14.优化设计燃烧系统内燃机技术的发展在很大程度上与燃烧技术的发展密切相关。燃烧室结构是影响燃烧过程的主要因素，它涉及到活塞顶和缸盖的形状，火花塞的位置，进、排气门的尺寸和数量，以及进气口的设计等一系列问题。设计者对燃烧室形状、燃烧室布置以及喷射系统进行了优化设计，具体目标是：a)在全部工况下都能实现快速、稳定、连续的燃烧；b)在油门全开时有高的容积效率；c)由燃烧室壁传走的热量损失少；d)排放污染物低；e)抗爆燃性能好。15.优化供油系统现代内燃机向着提高比功率、改善燃油经济性和符合环境保护法规的方向发展，使供油系统有了以下几种发展趋势：a)采用增压技术。这样不仅能提高发动机升功率，还能降低燃油消耗和有害排放物。b)改善燃油经济性。为达到这一目的，车用柴油机越来越多地采用直喷燃烧系统，并要求较高的喷油压力和喷油率。c)精确控制喷油过程参数。随着电控技术在供油系统中的广泛应用，实现了内燃机在每个工况点上对喷油过程参数(喷油定时、喷油率、持续时间)的控制，从而达到了最低油耗，控制了排放污染和噪声污染，使供油系统达到最佳化16．降低机械损失汽车的机械损失主要包括运动部件摩擦损失和驱动功率损失，这两大类损失约占总机械损失的90％以上，为此，汽车设计者在降低运动副的摩擦系数和提高传动效率方面做了许多工作，即主要通过减少活塞组、曲轴与连杆、配气机构、传动系统、各驱动装置的机械损失来实现。另外，使用时在润滑油中添加各种减摩剂，也可使各运动副摩擦系数降低。目前使用的减摩剂主要有二硫化钼、石墨和有机钼、有机硼、GRT、YGC节能减摩剂等，还有一些摩擦改进剂，如磷酸脂、硫磷酸钼、油酸环氧脂等。17．采用新材料为适应汽车轻量化的要求，轻金属和非金属材料在汽车制造上的使用量逐年增长，特别是轿车发动机更甚，这样可有效地改善车厢布置，缩小汽车外形尺寸。目前，在汽车制造上主要使用了一些高强度低合金钢、铝合金、镁合金、塑料、陶瓷以及一些纤维强化材料。随着新材料、新工艺的不断发展，一些汽车已开始用铝和其它轻质材料制造保险杠、车厢、车架纵梁、飞轮壳、油箱等，从而使汽车的有效负载能力有了大幅度的提高。资料表明，车重减轻10％，油耗可减少8％-9％，在同样的加速性能下，单位燃油的行驶里程可延长10％左右。18．改善车厢的空气动力性能通常汽车速度越快，空气阻力也越大，从而消耗在克服空气阻力上的功率也就越多。在一般车速行驶时，发动机功率的20％—30％消耗于空气阻力。所以，无论是对轿车，还是对载货汽车来说，都应在车体设计上尽可能地减少空气阻力，主要采取的办法是：a)设计合理的车身外形。对发动机、前保险杠、水箱、翼子板、挡风玻璃、车门、车身、车尾形状进行空气动力学优化设计，使整车综合性能达到最佳。b)加装导流装置。通常在车身上加装导流板、导风罩等，目前还在一些小轿车上加装了防止因空气浮力而引起汽车牵引力不足的压风板，在大型货车上使用了装在牵引车项上的导风板及装在牵引车与半挂车之间的导风罩等。总结节能和排放是当前汽车工业的研究主题。先进的节能技术和控制排放措施的广泛用，可以使得汽油机在节能和排放领域更趋完美。参考文献【1】

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