傳統(tǒng)節(jié)能減排之發(fā)動(dòng)機(jī)小型化相關(guān)技術(shù)解析

隨著石油資源緊缺及環(huán)境污染的日益加重，各國(guó)開始不斷收緊汽車燃油消耗及排放標(biāo)準(zhǔn)，于是，更為節(jié)能環(huán)保的車輛開始受到人們的青睞。對(duì)于已有百年多歷史的內(nèi)燃機(jī)而言，想要繼續(xù)保持其旺盛的生命力，就必須在節(jié)能減排技術(shù)上有所突破。

從整車廠和零部件供應(yīng)商在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新來看，小型化發(fā)動(dòng)機(jī)早已成為各家追逐的焦點(diǎn)。相對(duì)而言，更小的、功率密度更大的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠降低摩擦損失，從而提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，在中國(guó)1.6L及以下小排量發(fā)動(dòng)機(jī)還能享受購(gòu)置稅減半的優(yōu)惠政策。

何為發(fā)動(dòng)機(jī)小型化?

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化即通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量或減少氣缸數(shù)量，在提高燃油效率的同時(shí)減少尾氣和溫室氣體排放。全球排放法規(guī)和不斷提高的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)推動(dòng)著傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)向著小型化的路線發(fā)展。目前，這項(xiàng)技術(shù)被整車廠廣泛應(yīng)用于輕型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中。有測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化可以提升20%到30%的燃油效率。

然而在降低油耗和排放量的情形下，小型化發(fā)動(dòng)機(jī)如何在實(shí)際行駛過程中保證其動(dòng)力性能不被削弱?業(yè)界對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化最大的疑問在于其動(dòng)力性能是否足夠強(qiáng)勁，這也是影響小型化發(fā)動(dòng)機(jī)在終端市場(chǎng)表現(xiàn)的根本原因。關(guān)于制約發(fā)動(dòng)機(jī)小型化市場(chǎng)表現(xiàn)的因素，蓋世汽車將在后期的專家訪談中深入講解，本篇不做過多贅述。

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化相關(guān)技術(shù)

更少氣缸數(shù)的更小型的發(fā)動(dòng)機(jī)之所以成為可能，離不開渦輪增壓技術(shù)、汽油直噴技術(shù)、可變氣門正時(shí)等關(guān)鍵零部件技術(shù)作保障。下面將簡(jiǎn)要解析這些技術(shù)的工作原理，并分析各項(xiàng)技術(shù)的存在的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

渦輪增壓技術(shù)

渦輪增壓(Turbocharger)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排放出的廢氣沖擊渦輪來壓縮進(jìn)氣，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和燃油效率。

眾所周知，燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)點(diǎn)燃需要氧氣，氧氣越多燃燒越充分，發(fā)動(dòng)機(jī)工作也就越好。渦輪增壓作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的一種進(jìn)氣形式，其主要作用就是壓縮空氣，提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，讓車子更有勁。同時(shí)，使燃油燃燒更加充分，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放。

一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時(shí)候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)過增壓之后能夠產(chǎn)生更大的功率。拿我們最常見的1.8T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來說，經(jīng)過增壓之后，動(dòng)力可以達(dá)到2.4L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，但是耗油量要比1.8L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)稍高。

優(yōu)勢(shì)：

1、擁有良好的加速持續(xù)性，后勁十足。最大扭矩輸出的轉(zhuǎn)速范圍寬廣，扭矩曲線平直。

2、提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低尾氣排放。

3、利用廢氣的能量，不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。

劣勢(shì)：

1、平順性有待提升，低速時(shí)渦輪不能及時(shí)介入，有一定的滯后性。渦輪遲滯、動(dòng)力輸出不線性是渦輪增壓最大的缺點(diǎn)。

2、使得整個(gè)系統(tǒng)溫度提高，需要額外解決高熱影響。為解決高熱影響，需要使用耐高溫抗氧化的冷卻和潤(rùn)滑介質(zhì)，加裝冷卻器等。

3、后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高。

因此，在使用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要著重考慮發(fā)動(dòng)機(jī)油品的挑選和換油周期。渦輪增壓器中的關(guān)鍵軸承需要用發(fā)動(dòng)機(jī)油進(jìn)行潤(rùn)滑，用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)行冷卻。絕大多數(shù)設(shè)計(jì)都允許發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液泵在熱停車后再持續(xù)工作幾分鐘，用來為渦輪護(hù)蓋降溫。由于渦輪是由發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣所驅(qū)動(dòng)的，因此渦輪護(hù)蓋可能會(huì)變得紅熱。此外，由于機(jī)油都有其既成的流動(dòng)路徑，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，機(jī)油就會(huì)經(jīng)由這些流道排空。如果沒有適當(dāng)?shù)睦鋮s和排空，軸承上的發(fā)動(dòng)機(jī)油就會(huì)燃燒(焦化)，變成焦油，阻塞機(jī)油的流道，從而導(dǎo)致渦輪出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。

汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)

缸內(nèi)直噴，顧名思義就是直接將燃油噴入氣缸內(nèi)與空氣混合的技術(shù)。與傳統(tǒng)歧管噴射的意義不同，缸內(nèi)直噴將噴射壓力更進(jìn)一步提高，使燃油霧化更加細(xì)致，真正實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)地按比例控制噴油并與進(jìn)氣混合，同時(shí)消除了缸外噴射的缺點(diǎn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速低載荷時(shí)，延遲噴射，在活塞進(jìn)行壓縮沖程最后階段時(shí)噴射，利用空氣渦流，使燃油聚集在火花塞附近，分層燃燒實(shí)現(xiàn)節(jié)油的目的，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上去，載荷上去時(shí)，還是要提前噴射，在吸氣沖程就將燃油噴射進(jìn)去，使油氣均勻混合燃燒。

此外，噴嘴位置、噴霧形狀、進(jìn)氣氣流控制，以及活塞頂形狀等特別的設(shè)計(jì)，使油氣能夠在整個(gè)氣缸內(nèi)充分、均勻的混合，從而使燃油充分燃燒，能量轉(zhuǎn)化效率更高。相比于傳統(tǒng)的PFI(port fuel injection歧管噴射)發(fā)動(dòng)機(jī)，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗可減少20%到50%。

優(yōu)勢(shì)：

1、燃油燃燒更充分，能量轉(zhuǎn)化效率更高。

2、更加精準(zhǔn)地控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量與噴油時(shí)機(jī)，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保。

3、缸內(nèi)直噴的瞬態(tài)反應(yīng)快，啟動(dòng)也比較快。

劣勢(shì)：

1、燃燒室處于富氧環(huán)境，易產(chǎn)生氮氧化物。

2、燃燒溫度較低，三元催化器并不能達(dá)到很好的工作溫度，對(duì)有害介質(zhì)的轉(zhuǎn)化不完全。

3、對(duì)于油品適應(yīng)能力差，汽油中的硫會(huì)毒害氮氧化物催化裝置。

可變氣門正時(shí)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)“VVT”(Variable Valve Timing)，通稱是“可變氣門正時(shí)”。其工作原理就是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，調(diào)整進(jìn)氣、排氣的量，控制氣門開合的時(shí)間和角度，使進(jìn)入的空氣量達(dá)到最佳，從而提高燃燒效率。

通俗點(diǎn)來說，四沖程汽油機(jī)分為吸氣、壓縮、做功、排氣這四步流程，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速很高，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工作行程僅需千分之幾秒，這么短促的時(shí)間往往會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足，排氣不凈，造成功率下降。因此，就需要利用氣流的進(jìn)氣慣性，氣門要早開晚關(guān)，以滿足進(jìn)氣充足，排氣干凈的要求。