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1、提高内燃机的动力性和经济性的途径作者 任川 2010-5-19【摘 要】 即使在全球金融危机的大背景下，中国汽车产业仍然一枝独秀，而汽车的心脏则是发动机，一辆车的动力性和经济性主要在于发动机，在这里介绍了现在的顶尖技术以此来提高发动机的综合性能，比如涡轮增压燃油直喷共轨燃烧分层燃烧可变气门正时双离合变速器等尽管各种技术的出现，在未来20年内，内燃机将仍然是主导技术，因此新的燃烧过程和高精密喷射技术的优化、涡轮增压、发动机的小型化、怠速起停系统等技术将是日后重要的研发方向。其实衡量一辆车性能的好坏不能单一的看其动力性后者经济性，如果说只看动力性的话那么大家所熟知的悍马动力性绝对的好，但是为什么不
2、普及呢？对，就是因为它的经济性不够好，别说买的时候贵，就是耗油一般人都烧不起。如果说只看经济性的话你可以去买1.0一下的小车，比如QQ，但很多人又对其动力性不满足。所以说二者是相辅相成的，必须兼顾。那么就针对提高发动机的动力性和经济性的种种方法仔细谈谈。涡轮增压技术 其实简单的来说就是其利用发动机排放的尾气来驱动空气压缩机，以此增大气缸单位时间的进气流量，从而提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以
3、达到2.4L发动机的水平，但是耗油量却比1.8发动机并不高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。 不过也有它的缺点，其中最大的就是动力输出的滞后性，现在全世界很多国家的汽车制造商都热衷于这项技术，并在不断研发与改进，以前在中国几乎这就是一个盲区，随着近几年自主品牌的快速发展，像奇瑞和吉利等的这种技术也很快就会出现在量产的车型当中。燃油直喷技术 就像是从化油器到电喷一样，直喷技术又是发动机供油系统的一大改革，N多年后一样会像电喷代替化油器那样取代了电喷普及在所有的汽油发动机上。 在构造上，传统多点喷射系统的喷油嘴是位于进气歧管前方，在引擎需要供油时，由计算机计算出最佳的供油
4、量并与进入引擎的空气混合后，经由进气阀门到达汽缸内部，并进行压缩、爆炸等动作。至于缸内直喷系统，则是将喷油嘴置于汽缸内部，其特色在于引擎燃油的取得不需要经过气门的开启，而能够藉由计算机主动控制喷油时间、压力与喷射量。与传统喷射系统相较，缸内直喷不受限于传统机械构造的进气方式，而且能够依照引擎所需随时调整空燃比例等特点，均使其表现拥有无限的想象空间。 图为燃油直喷系统众所皆知，内燃机在一般工作状态中所需的理想油气比例为1：14.7，这种调配是传统化油器的专长，不论天候、温度，永远进行着一成不变的工作。然而在少数状态下如冷车启动、怠速运转、急加速或低气压环境等，这样固定的供油方式实际上并无法全面满
5、足引擎的运转需求，甚至可能因而产生黑烟、燃烧不全与马力不足等状况。至于喷射供油系统，则相对显得智能许多，其中枢系统会随时侦测引擎温度、进气流量、转速变化、震动状况，并依照实际需求调整供油量与点火时间，因此在动力输出、燃油经济与排污表现上可以取得相当不错的平衡。但是由于引擎构造的先天限制，喷射引擎所吸进油气的时间只有在气门开启状态下才能进行，故行车计算机所能控制的因子其实也相当有限。直到缸内直喷系统问世后将喷油嘴内移到汽缸内部后，才开启了全新的视野，其能直接由计算机主动决定喷油时机与份量，至于气门则仅看管“纯空气”的进入时程，两者则是在进入到汽缸内才进行混合的动作。也由于油、气的混合空间、时间都
6、相当短暂，故缸内直喷系统的喷油嘴必须辅以高增压系统，以大幅提高燃油的喷射压力与效率，并达到高度雾化的效果，期有更佳的混合表现。此外，缸内直喷系统的燃烧室、活塞也大多具有特殊的导流槽，以供油气在进入燃烧室后能够产生气旋涡流，藉以提高混合油气的雾化效果与燃烧效率。在构造改变之后，供油动作已完全独立于进门与活塞系统之外，中央计算机也因而拥有更多的主导权。于是乎，超乎传统喷射理论的稀薄燃烧与更多元的混合比便得以发生。在稳定行进或低负载状态下，采用缸内直喷设计的引擎得以进入Ultra lean(精实)模式。在此设定下，引擎于进气行程时只能吸进空气，至于喷油嘴则在压缩行程才供给燃料，以达到节约效果。根据实
7、际测试，其最高能达到1：65的油、气比例，除了节能表现相当惊人，整体动力曲线也能够维持在相当高的平顺程度。然而本模式由于会产生相当大量的NOx(硫化物)与高温气体，所幸在近期由于技术与材料科学的突破，故也已得到相当程度的解决。 3.2升的奥迪A6L的百公里油耗仅为11升。这要归功于FSI发动机的缸内直喷技术。FSI发动机与传统发动机相比，最大的亮点在于发动机的经济性提高了15%。奥迪FSI增加了火花塞点燃式发动机的扭矩和输出，与常规的点燃式发动机相比，FSI可将燃油直接喷入燃烧室，从而增大了输出功率并降低了燃油消耗。分层燃烧技术 在这里举例大众的FSI发动机 大众FSI发动机利用一个高压泵，使
8、汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。 FSI特点是：能够降低泵吸损失，在低负荷时确保低油耗，但需要增加特殊催化转换器以有效净化处理排放气体。 现在集结了上述技术的发动机很少，但值得一提的就是大众的TSI发动机，不光
9、拥有上述技术还有机械增压，其实就是双增压了，使发动机动力更加强劲，可谓是非常先进的发动机了。 要想提高汽车的动力性和经济性不光只对发动机进行改进，也有其他途径，想想除了发动机外另一个主要部件就是变速器了。双离合变速器 最早这项技术应用在赛车上，知道上世纪90年代后期，大众公司和博格华纳才携手合作生产出了第一个适用于大批量生产和应用于主流车型的DualTronic(R)技术双离合变速器，称之为DSG。 双离合变速器有别于一般的自动变速器系统，它基于手动变速器而又不是自动变速器，除了拥有手动变速器的灵活性及自动变速器的舒适性DCT内含两台自动控制的离合器，由电子控制及液压推动，能同时控制两台离合器
10、的运作。当变速器运作时，一组齿轮被啮合，而接近换挡时，下一组挡段的齿轮已被预选，但离合器仍处于分离状态；当换挡时，一台离合器将使用中的齿轮分离，同时另一台离合器啮合已被预选，在整个换挡期间能确保最少有一组齿轮在输出动力，从而不会出现动力中断的状况。为配合以上运作，DCT的传动轴运动时被分为两部分，一为实心的传动轴，另一为空心的传动轴。实心的传动轴连接了1、3、5及倒挡，而空心的传动轴则连接2、4及6挡，两台离合器各自负责一根传动轴的啮合动作，引擎动力便会由其中一根传动轴做出无间断的传送。代表当今世界汽车发动机技术顶尖水平的TSI涡轮增压缸内直喷发动机与最具革命性的DSG双离合自动变速器的完美组
11、合不仅使车辆的油耗和排放都降低20%以上，更将动力总成发挥至效能之巅。 并不是所以厂家都热衷于涡轮增压和直喷技术，他们会在气门上下功夫，典型的就是日本的本田和丰田等连续可变气门正时机构 就拿已经相当成熟的本田的VTEC技术为例吧，VTEC是本田开发的先进发动机技术，也是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程两种不同情况的气门控制系统。VTEC（Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System）的意思“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”。与普通发动机相比，VTEC发动机所不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法，它有中
12、低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的调节进行自动转换。通过VTEC系统装置，发动机可以根据行驶工况自动改变气门的开启时间和提升程度，即改变进气量和排气量，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。 目前本田车型都使用i-VTEC(智能可变气门配气相位和气门升程电子控制系统)，i-VTEC技术作为本田公司VTEC技术的升级技术，其不仅完全保留了VTEC技术的优点，而且加入了当今世界流行的智能化控制理念。带有可变气门正时技术的车型除有动力输出较好的特点外，良好的燃油经济性也是它们的长项基于提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污的要求，许多国家和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力进行新技术的研究与开发。相信不久这些技术全部都会应用在我们日常用车上面，甚至更多的技术。