汽車發(fā)動機技術(shù)的現(xiàn)在與未來

1、汽車發(fā)動機技術(shù)的現(xiàn)在與未來(一)(02-3-20)     內(nèi)燃機的發(fā)明，帶動了汽車的發(fā)展，給世人在“行”上帶來極大的便利，使得窨距離縮小，人們的工作速度得以提高。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，又使汽車發(fā)動機如虎添翼，成為高新技術(shù)的集成。汽車用內(nèi)燃機作動力并發(fā)展成為支柱產(chǎn)業(yè)，在歷史上有幾次革命性的進步，第一次是石油作為內(nèi)內(nèi)燃機的燃料，這使發(fā)動機擺脫了最初建立在煤氣為燃料基礎(chǔ)上的固定式發(fā)動機，從而邁向移動式的車用動力。第二次革命是汽車生產(chǎn)的工業(yè)化。第三次是電子技術(shù)與發(fā)動機技術(shù)相結(jié)合。電子技術(shù)最初在汽油機上的應(yīng)用是實現(xiàn)電子點火，然后到電控燃油噴射，至今

2、天點火和噴射的集成管理。短短幾十年，發(fā)動機成為高新技術(shù)的集成。無論是燃油經(jīng)濟性、動力性、廢氣排放水平等等，是任何一種其他動力機械所無法比擬的。這一切都來源于電子技術(shù)發(fā)揮的作用。    電子技術(shù)是發(fā)動機現(xiàn)代化的靈魂    汽油機的燃油電子噴射  相比于過去采用的化油器，燃油電子噴射系統(tǒng)可以的燃油計量精確度上有較大幅度的提高。因此，采用電子控制燃油噴射的汽油機，其經(jīng)濟性和動力性有很大的提高，使對混合氣濃度要求的三效催化轉(zhuǎn)化器降低排放成為可能。電子控制燃油噴射從單點式發(fā)展到多點式。這使汽油機不僅在動力

3、性上仍舊能保持其密度的特點，而且其燃油性幾乎可以和柴油機相媲美。有人甚至稱汽油直接噴射是汽油機的一次革命。汽油直接噴射技術(shù)已經(jīng)在日本三菱、豐田和日產(chǎn)的一些發(fā)動機上應(yīng)用。歐洲的一些汽車公司如德國大眾、法國雷諾等也在發(fā)展之中。    汽油機點火和管理系統(tǒng)  汽油機是電火花點燃混合氣的點燃式發(fā)動機。火花的發(fā)生過去是依靠點火系統(tǒng)內(nèi)的機械式白金斷電器來完成的。斷電器在高速運轉(zhuǎn)下很容易磨損并燒蝕，從而使發(fā)動機出現(xiàn)失火，造成動力性下降和有害排放物激增的后果。采用電磁式或霍爾式無觸點的斷電器便徹底解決汽油機運轉(zhuǎn)過程中動力下降的排放增加的難題，也大大地

4、減少了發(fā)動機的維修和保養(yǎng)工作?，F(xiàn)代的高性能汽油機已經(jīng)毫無例外地采用了電子控制的無觸點點火系統(tǒng)。    汽油機的可變氣門定時和升程系統(tǒng)  發(fā)動機的氣門是控制進氣與換氣過程的基本機構(gòu)，主要的控制參數(shù)是氣門定時和升程。對應(yīng)于一定的運行工況，要求的定時和升程各不相同。但一般發(fā)動機一經(jīng)制造出后，氣門機構(gòu)的定時和升程便不能改變，這勢必造成部分工況不能在最優(yōu)的狀態(tài)下，動力性、經(jīng)濟性和排放品質(zhì)達到最優(yōu)。以日本本田思域車用發(fā)動機為例，1.5升排量、非增壓的直列4缸汽油機，采用VTEC系統(tǒng)后，功率由70kW提高至100kW。目前正在發(fā)展的完全電子控制的氣

5、門機構(gòu)，可以取消汽油機的節(jié)氣門，進氣量大小完全由氣門定時和升程決定。這樣可以使汽油機燃料經(jīng)濟性再提高一步。    柴油機的高壓共軌噴射和可預噴的泵噴嘴技術(shù)  柴油機的高壓噴射是實現(xiàn)高動力性、經(jīng)濟性和低排放的關(guān)鍵。但柴油機的工作噪聲比較大一直是限制其發(fā)展的主要障礙。燃油預噴是解決柴油機燃燒噪聲的關(guān)鍵電子控制的高壓共軌噴射和預噴的泵噴嘴技術(shù)已經(jīng)可以成功解決這一難題。目前國際上已經(jīng)發(fā)展了可以將少部分燃油預先噴進氣缸，這樣便大幅度降低了燃燒噪聲，甚至可以與汽油機相媲美。這一技術(shù)使柴油機從大量應(yīng)用于固定動力裝置和載重車，進到汽油機傳統(tǒng)的轎車領(lǐng)域

6、。在歐洲，截止到2000年，已經(jīng)有近30%的轎車采用柴油機作動力。其中應(yīng)有相當數(shù)量采用上述燃油噴射系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的100公里僅耗油3升的轎車，就是采用帶預噴的電控泵噴嘴燃油噴射系統(tǒng)。    噴嘴截面可調(diào)的增壓器  廢氣渦輪增壓技術(shù)是上世紀60年代后得到大量應(yīng)用的技術(shù)，不僅可以大幅度提高發(fā)動機的功率輸出，而且可以相應(yīng)地減少燃油消耗。目前這一技術(shù)在柴油機上得到廣泛應(yīng)用。歐美的柴油機約95%都采用廢氣渦輪增壓。但是增壓器自身的質(zhì)量使加速響應(yīng)和低速性能受到影響，造成低速扭矩下降、排煙增加。要想彌補這一缺陷，簡單的方法是犧牲高速性能或犧牲

7、一定的經(jīng)濟性，變截面噴嘴技術(shù)便解決了這個難題。采用這項技術(shù)，低速時減少噴嘴截面減小排氣阻力，從而使發(fā)動機的扭矩特性得到大幅度提高，廢氣排放品質(zhì)也相應(yīng)得到改善。    廢氣再循環(huán)技術(shù)  發(fā)動機燃燒過程中以空氣為助燃劑，空氣中的氮氣會在燃燒中與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生對環(huán)境有害的氮氧化物（NOx），限制發(fā)動機的廢氣排放物NOx就是其中之一。為了降低NOx排放，最有效的措施之一就是將一部分廢氣再次返回進氣中參加燃燒以降低燃燒溫度，同時也減少了NOx的排放。問題是廢氣怎樣加入才會既不影響發(fā)動機的正常工作，而又達到降低NOx排放的目的。比如汽油機，部分負荷

8、時本來就有大量廢氣留在缸內(nèi)，增加廢氣將會使發(fā)動機工作不正常，有害排放物增加，因此，廢氣再循環(huán)只有在一部分工況時工作才能實現(xiàn)其降低NOx排放，同時不影響發(fā)動機工作的目的。電子控制技術(shù)提供了這種可能。目前先進工業(yè)國的汽車為了滿足歐洲號以上的排放法規(guī)，無論是汽油機還是柴油機都采用電子控制的廢氣再循環(huán)技術(shù)。    如此等等可以見到，現(xiàn)代發(fā)動機的幾乎所有最新技術(shù)都與電子技術(shù)緊密結(jié)合，電子技術(shù)是使發(fā)動機成為當今集高新技術(shù)于一身的高技術(shù)產(chǎn)品的靈魂。目前已有電動風扇取代機械風扇，將來會以電動水泵取代機械水泵，將會把起動機、發(fā)電機和飛輪合成一體，氣門也采用電動，汽油機不再

9、需要節(jié)氣門。這樣汽車的冷車加熱時間更短，運行中的剎車能量、下坡能量都能得以回收，將會使發(fā)動機更加經(jīng)濟。未來的發(fā)動機除還繼續(xù)需要燃料燃燒，還需要曲柄連桿機構(gòu)輸出動力之外，其余的部件均可以由電子、液壓來控制，成為真正的機、電、液一體化的產(chǎn)品(姚春德)(摘自中國機電日報)  汽車發(fā)動機技術(shù)的現(xiàn)在與未來(二)(02-3-27)     發(fā)動機燃料正向多樣化過渡    車用發(fā)動機的燃料最初采用的是煤氣。隨著石油的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，才使汽車發(fā)動機真正成為人類的得力工具。目前主要的汽車發(fā)動機燃料仍然是汽油和柴油。由

10、于石油是化工燃料，總有被采盡的一天，那么未來的發(fā)動機供求矛盾隨著石油燃料的枯竭而退出歷史舞臺嗎？這是人們普遍關(guān)心的大問題。應(yīng)該說，這種擔心是合理的。但根據(jù)目前的資料顯示，全球的石油資源至少在未來的4050年內(nèi)還不會出現(xiàn)完全枯竭的情況。隨著人類對全球資源的進一步調(diào)查，還會發(fā)現(xiàn)一些過去沒有勘探到的資源。另外，采油技術(shù)的進步也會提高石油的儲采比，會把一些過去認為不能采或采不到的資源采出來。但是無論怎樣，石油資源會有枯竭的一天，因此人們已經(jīng)在探索石油后的發(fā)動機燃料并已取得很大的進展。    醇類燃料  醇類作為燃料主要有乙醇和甲醇。乙醇來自生

11、物質(zhì)，如糧食、木材等，這是最理想的燃料，因為乙醇可以實現(xiàn)二氧化碳的全球循環(huán)平衡，只要有太陽照射，植物就可以實行光合作用，便可實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。一些國家如巴西便把其蔗渣經(jīng)發(fā)酵后生產(chǎn)乙醇，然后大量摻入汽油作燃料，醇汽油是該國的標準汽車燃料。除巴西外，美國也將其汽油摻入部分乙醇燃料使用。我國去年也啟動了燃料乙醇的項目，并在河南、山東、吉林等若干省份作試點。乙醇作燃料在現(xiàn)有汽油機上應(yīng)用是完全可以的，幾乎可以不要改動發(fā)動機。今后的問題是如何擴大產(chǎn)量。    甲醇是可以由煤和天然氣生產(chǎn)的產(chǎn)品。其燃燒速度快，燃燒時無煙、無焰，NOx排放低，熱值約為汽油的一半。全球的煤資

12、源與石油相比要大的多，按目前的能源消耗水平，至少還可以用幾百年，因此，甲醇是最有發(fā)展前景的發(fā)動機燃料。目前在點燃式發(fā)動機上燃用甲醇是完全可以的，除燃油系統(tǒng)的個別密封件需要更換外，基本不需對原發(fā)動機進行改裝。但壓燃式發(fā)動機應(yīng)用仍然需要采用一些特殊技術(shù)。無論怎樣甲醇作為燃料已經(jīng)提供人們一個光明的前景。    二甲基醚  這是一種由甲醇進一步脫水而成的產(chǎn)品，與甲醇一樣也可以由煤或天然氣生產(chǎn)，其資源與甲醇一樣。上世紀由丹麥人首先在大型壓燃式發(fā)動機上試驗。二甲基醚的特點是其性質(zhì)非常接近于柴油，極易被壓燃。但與柴油不同，它本身非常容易汽化，因此燃

13、燒時無煙，廢氣排放十分清潔。由于 其在常溫下是氣態(tài)，所以用到發(fā)動機上時，燃料系統(tǒng)必須特別處理。國內(nèi)有關(guān)單位對其進行了大量研究，并裝車做了試驗，發(fā)現(xiàn)運轉(zhuǎn)是很平穩(wěn)的。    天然氣  天然氣的主要成分是甲烷，作為車用燃料是完全可以的。我國北京的公交車發(fā)動機大部分采用天然氣作燃料。世界上已有近千萬輛車采用天然氣作燃料。    植物油  主要是菜子油。這也是生物質(zhì)燃料，在一些有條件的國家和地區(qū)已經(jīng)作為燃料。如比利時等國采用菜子油在壓燃式發(fā)動機上作燃料。  

14、0; 人造汽油和柴油  由煤轉(zhuǎn)化為汽油和柴油，在二次世界大戰(zhàn)期間，德國人便開始這項研究。目前在南非已經(jīng)取得成功并商業(yè)化。我國也一直十分關(guān)心這方面的進展。國家已經(jīng)投資啟動這一項目并使之工業(yè)化。    未來發(fā)動機在理論上的發(fā)展    汽車內(nèi)燃機是通過燃料的燃燒，把燃料的化學能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為機械功的熱動力機械。熱力學、燃燒學和機械學的理論分析表明，內(nèi)燃機是熱效率最高的熱力機械，但仍存在著巨大的節(jié)能及降低尾氣污染的潛力。對于量調(diào)節(jié)式的汽油機而言，在部分負荷時，供求矛盾因節(jié)氣門開度小

15、而造成發(fā)動機的泵氣損失大，從而降低發(fā)動機的機械效率，影響到經(jīng)濟性。取消節(jié)氣門就是提高汽油楓經(jīng)濟性的最根本措施。但由于目前的汽油機是用節(jié)氣門來調(diào)節(jié)混合氣量的，取消節(jié)氣門，發(fā)動機的動力輸出無法控制，因此必須探索新的途徑。汽油直接噴射技術(shù)就是基于這一思路。將汽油機的節(jié)氣門調(diào)節(jié)動力輸出，改為用噴油量控制動力輸出。這樣一來，采用汽油直接噴射的汽油機與目前的電控噴射發(fā)動機相比，燃油消耗量可以減少15%左右?，F(xiàn)有的三效催化系統(tǒng)難以發(fā)揮作用，使發(fā)動機的廢氣排放品質(zhì)下降，因此還需要探索新的途徑。目前的混合氣均質(zhì)壓燃理論為解決這一問題提供了很好的思路。該理論是在汽油機上取消節(jié)氣門，用噴油量調(diào)節(jié)輸出，采用大量的高溫廢氣混合到適當比例的燃料和空氣混合氣中，用發(fā)動