汽車節能、環保技術在發動機開發中的關鍵作用

　　伴隨汽車產銷量快速增長而來的是大氣污染和石油消耗。先進的發動機技術在汽車節能、環保技術開發中起著關鍵的決定性的作用。與美國上世紀90年代中實施的聯邦排放法規相比，於2007年全面實施的新聯邦排放法規將要求汽車氮氧化物排放降低幅度高達95%，碳氫排放物降低幅度高達84%。而於此同時，與排放相關的系統及零部件耐久性要求達到12萬英里。2007年美國聯邦排放標準中第五分組碳氫排放極限約為歐Ⅳ排放極限的一半(由於測試循環的不一致，真正的排放要求比歐Ⅳ排放的一半還低)。這越來越嚴格的排放法規和人們對節能認識的加深，使得高效率、低排放車用發動機技術的開發受到高度的重視，從而促使傳統的內燃機技術不斷創新。如汽油機直噴技術、可變氣門定時技術、可變進氣管、燃燒速率控制滑片、可變排量技術、高壓共軌直噴柴油機等等。由於各國國情的不同，在環境保護及節能方面所側重的技術也有所區別。日本出於國土資源的因素，微型車輛、經濟型車的比例較高，小排量發動機就既能滿足節能環保的要求，又能給這類車提供足夠的驅動力；而在歐洲，由於柴油便宜，熱效率遠高於汽油機，使消費者容易接受柴油機驅動的汽車要比汽油機驅動的同類汽車貴1000-2000美元的事實。另外，柴油機的低速扭矩遠勝於汽油機，這也使偏愛汽車運動感的歐洲人更將直噴柴油機視為高科技的代表。現在的西歐，超過35%的新車銷售是柴油機。在發動機節能環保新技術開發的同時，人們不能忽視燃油特性對發動機技術普及的巨大影響。汽車尾氣的凈化完全依賴於廢氣催化後處理裝置，而燃油中硫含量是催化後處理裝置的「剋星」。燃油中的硫在氣缸內燃燒後氧化成二氧化硫，二氧化硫與載體塗層中的催化物起反應，使催化器的轉換效率大幅度下降。根據燃油含硫量法規，歐洲柴油機的含硫量在50ppm以下，而美國聯邦目前限制300ppm，到2007年將降低到80ppm。歐洲低硫柴油為柴油機的普遍應用創造了條件。在美國，隨著含硫量的降低，直噴柴油機在輕型車上的應用的條件日趨成熟，所有的跨國汽車公司都在開發針對北美市場的高速直噴柴油機，以待近幾年後投入市場。

　　渦輪增壓發動機(Turbo)

　　在寶來1.8T、速騰1.8T、途安1.8T、帕薩特1.8T、奧迪A4、1.8T/2.0T、奧迪A62.0T等車型上，都裝有渦輪增壓發動機(Turbo)。增壓技術是一種提高發動機進氣能力的方法。它通過採用專門的壓氣機，預先對進入氣缸的氣體進行壓縮，提高進入氣缸的氣體密度，增大進氣量，更好地滿足燃料的燃燒需要，從而達到提高發動機功率的目的。在不增加發動機排量的基礎上，可大幅度提高功率和扭矩。但渦輪工作有遲滯現象，並且保養費用高。

　　機械增壓發動機(Su—percharger)

　　北京賓士E200K路虎攬勝運動版等車型上，都裝有機械增壓發動機。機械增壓的壓縮機直接被發動機的曲軸帶動，它的優點是響應性好。但是它本身需要消耗一部分能量，因此機械增壓不能產生特彆強大的動力，尤其是在高轉速時，從而影響到發動機轉速的提高。它響應性好完全沒有渦輪的遲滯現象，可以在任何時候都能輸出源源不斷的扭力。但高轉速時會產生大量的摩擦，從而影響到轉速的提高，並且噪音大。

　　汽油直噴技術(FSI)

　　汽油機直噴技術，就是將汽油通過高壓(約100大氣壓)供油系統將汽油直接噴到燃燒室內與空氣混合、燃燒。GDI在電子噴射和控制技術取得長足發展後，於上世紀90年代後期開始進入市場。與傳統的多點氣道噴射的汽油機相比，GDI有四大顯著的優點：能有效降低發動機的未燃碳氫化合物的排放，因為GDI技術避免了氣道噴射汽油機在冷起動時燃油在氣道壁面沉積的問題，而且極大地提高了燃油與空氣的混合程度，更為精確地控制了每個燃燒循環的空氣與燃油的比例，從而達到缸內完全燃燒的目的；使汽油在燃燒室內霧化、蒸發，降低了燃燒室內空氣的溫度，從而增加了燃燒室內空氣的質量；因汽油蒸發降低了充氣的溫度，使發動機設計師有可能提高發動機的壓縮比，提高發動機的熱效率；GDI使發動機能很容易實現分層燃燒。奧迪A4 2.0T、奧迪A6 2.0T等車型上，都裝有汽5由直噴技術。燃油分層噴射技術是發動機稀燃技術的一種。什麼叫稀燃?顧名思義就是發動機混合氣中的汽油含量低，汽油與空氣之比可達1：25以上。它的特點是在進氣道中已經產生可變渦流，使進氣流形成最佳的渦流形態進入燃燒室內，以分層填充的方式推動，使混合氣體集中在位於燃燒室中央的火花塞周圍。在大幅提高了燃油的經濟效率的同時增加發動機的功率。但對油品的要求十分苛刻。

　　共軌柴油噴射系統

　　共軌柴油噴射是近年來工程師們開發的使柴油燃油在極高的壓力下噴入氣缸內的一種新技術，由於採用了這種新技術和先進的渦輪增壓技術以及效率更高的燃燒室設計使稀燃柴油機運行得更加平穩、安靜，而柴油機也更加乾淨。由於採用了共軌燃油噴射技術，某些在歐洲銷售的緊湊型轎車，如：大眾的Lupo和奧迪的A2，在高速公路上行駛時，顯示了較好的燃油經濟性，其耗油僅為90mpg。還有一種燃油直接噴射技術，柴油燃油在很高的壓力下直接猛然噴入氣缸內的特定目標區使燃油燃燒得更加充分。通用汽車公司雪佛蘭分部的Du-ranmax V-8柴油機是美國第一台用在載貨車上的共軌直噴柴油發動機，這項技術使該柴油機運行得比以前的柴油機更為平穩和安靜。美國於2004年實行新排放標準，新標準規定了極為苛刻的氮氧化合物及碳煙微粒排放要求。即使採用歐洲目前最先進的柴油機技術也很難滿足這種要求，因此，柴油車在美國市場上不會出現像歐洲市場那樣快速增長的銷售勢頭，除非美國調整其將於2004年開始實行的新排放標準。為了解決排放問題，現在許多零部件供應商正在積極研究一種後處理系統，如裝在排氣系統里的可燒掉有害排放物的電氣點火觸媒裝置。為了滿足新的排放標準，2006年美國還使用一種更為潔凈的低含硫柴油燃油。減少汽車的排氣污染是一項綜合性工作，在這項工作中完善柴油機技術才是至關重要的。寶來1.9TDI、奧迪A6 2.5TDI、華泰、現代、特拉卡2.9CRD等車型上，都裝有共軌柴油噴射系統。共軌式柴油噴射系統將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開。電磁閥控制的噴油器替代了傳統的機械式噴油器，燃油軌中的燃油壓力由一個徑向柱塞式高壓泵產生，壓力大小與發動機的轉速無關，可在一定範圍內自由設定。它的特點是很好經濟效率，並且低速扭矩可以獲得很好的動力。但發動機產生的噪音和震動大。

　　可變氣門定時技術(VVT)

　　可變氣門定時技術是汽油發動機技術發展的另一個里程碑。VVT指的是發動機氣門升程和配氣相位定時可以根據發動機工況作實時的調節。這一技術使發動機設計師無需再在低速扭矩與高速功率之間作抉擇，實時的氣門定時調整使得同時顧及低速扭矩與高速功率成為可能。連續可變氣門定時技術加上先進的發動機控制策略，可以巧妙地實現可變壓縮比。如在大負荷時，發動機容易發生自然引起的爆震，通過推遲進氣門關閉的時間來達到降低有效壓縮比的目的，從而避免爆震。而在中小負荷時，爆震不再是個問題，可以通過調整氣門關閉時間達到提高有效壓縮比的目的，從而使發動機在中小負荷時有優異的熱效率。可變氣門技術也可使汽油機排放品質達到更好的水平。本田雅閣、本田CR-V、豐田花冠、馬自達6、新歐藍德、寶馬325等車型上，都裝有可變正時氣門技術(VVT-iVECT)。發動機可變氣門正時技術是近些年來被逐漸應用子現代轎車上的新技術中的一種，發動機採用可變氣門正時技術可以提高進氣充量，使充量係數增加，發動機的扭矩和功率可以得到進一步的提高。它的特點是在大幅提高了燃油的經濟效率的同時增加發動機的功率。但對油品的要求十分苛刻。

　　可變排量技術

　　另一項最近兩年開始投入市場的汽油機技術就是切缸工作循環，或稱為可變排量。可變排量技術就是根據汽車動力的需求來實時決定發動機的有效排量，使做功的汽缸總是處於大負荷狀態，從而達到節能環保的目的。這一技術適用於中大排量、V型布置的發動機，如本田的V6、通用的V8及戴—克的們2汽油機。美國福特汽車公司利用最先進的電腦控制技術，開發出可變排量發動機(VDE)，並準備將這種發動機安裝在福特汽車公司以後生產的轎車和卡車上，以改善汽車的燃油經濟性。這種發動機技術最適合多汽缸的發動機使用。對子12缸發動機來說，採用這種技術，及D相當於安裝了兩個獨立的6缸發動機，可以根據駕駛的需要讓一台發動機運行，而讓另一台處於怠速狀態。這樣，就可以隨時調整發動機的排氣量，從而減少能源的消耗。據介紹，可變排量發動機並不是一項新的汽車技術。通用汽車公司早在80年代就在凱迪拉克上配備過可變排量發動機，但當時的機型未能達到它應該達到的性能標準。因為發動機經常產生較大的雜訊，且從8缸轉換成4缸的過程也非常不穩定，偶爾還會被卡死在一種狀態下無法調節。造成這種問題的原因並不是可變排量發動機本身的技術有問題，而是當時的電腦晶元不能完成每秒200次的計算功能。

　　燃燒速率控制滑片

　　類似的設計思想在Toy-ota和Ford的發動機上有所體現。汽油機在怠速和小負荷時，燃燒室內殘餘廢氣所佔的比例很高，會導致點火困難、火焰傳播速度慢，這會負面影響發動機的排放及效率。而另一方面，在一般城市交通中，汽車發動機絕大部分時間是在中、小負荷及怠速狀況。優化汽油機在這些狀態下的排放和熱效率具有重大的意義。燃燒速率控制滑片就是通過促進燃燒室內在火花塞附近創造穩定的、容易點燃的空氣燃油混合比，通過增加燃燒室湍流的強度達到節能環保的目的。發動機在怠速或小負荷時，發動機電子控制器會實時調節滑片在發動機進氣道的位置，使滑片擋住進氣道部分截面積，從而使新鮮空氣—燃油混合氣在進入燃燒室時有一切向的速度，在燃燒室內形成有序的渦流。在著火及燃燒的早期，有序的渦流碎化成小尺度的渦流，從而大大提高火焰的傳播速度。

　　氣缸節能技術

　　80年代初期，凱迪拉克曾努力設計一種變排量氣缸發動機，但由於技術不成熟，這種嘗試最後還是失敗了。凱迪拉克在其V8、V6、V4發動機上的失敗使變排量發動機技術的前景蒙上了一層陰影。梅塞德斯一賓士卻不甘心失敗，該公司在其2001年新款V12S級高級轎車和CL單排座雙門廂式車身小轎車上裝備了節能氣缸。在默謝台斯的這種氣缸控制系統里，計算機控制的對開式搖臂可隨時在發動機不需要最大能量時使凸輪軸斷開氣閥，關閉某一側的氣缸。通用汽車公司在2004年採用伊頓公司開發的新氣缸節能技術。新的氣缸節能裝置首先在其現生產的V8載貨車發動機上應用。據稱，載貨車裝用該節能裝置後可使燃油經濟性提高6%—12%。

　　轉子發動機

　　馬自達RX-8等車型上，都裝有轉子發動機。殼體的內部空間(或旋輪線室)總是被分成三個工作室。在轉子的運動過程中，這三個工作室的容積不停地變動，在擺線形缸體內相繼完成進氣、壓縮、燃燒和排氣四個過程。每個過程都是在擺線形缸體中的不同位置進行，這明顯區別於往複式發動機。它的特點是燃油經濟效率高、發動機結構簡單、振動小率。用在RX-8上的新一代轉子發動機命名為RENESIS，比馬自達公司以前的產品結構緊湊、重量減輕、動力更強，排放達到了歐IV標準。裝於RX-8上的水冷、雙轉子發動機，每個型腔的排量為0.654L。新系列發動機可以提供兩種動力輸出級，一個是最大功率為141kW(7000r/min)、最大扭矩為220Nm的發動機，它的0-l00km/h加速時間僅為7.2s，最高車速可達223km/h。而另一款高性能版本的RX-8動力輸出數據則更加驚人，170kW(8200r/min)的最大功率、211Nm(5500r/min)的最大扭矩，使它的0-100km/h加速時間僅為6.4s，最高車速則升至228km/h，無愧於跑車的稱號。

　　全鋁發動機

　　我們日常所說的全鋁發動機是指缸蓋和缸體都是鋁合金製造的發動機。而缸蓋是鋁合金，缸體是鑄鐵的發動機，一般我們還是稱作鑄鐵發動機。現在，全鋁發動機已經在大量的車型上被採用，在國外，羅孚的k系列發動機，寶馬的M52直列六缸發動機，日產的VQ發動機，捷豹的-AJ-V8發動機、賓士的V6和V8發動機、通用的LSl和北極星V8發動機、標緻的2升四缸發動機和通用的新型直列四缸發動機等等都是採用鋁合金製造。國內的許多小排量發動機也逐步採用全鋁發動機，如國產鈴木系列的發動機G13、K14等。甚至包括一些國產發動機也採用鋁合金材質了，最著名的就是東安動力開發的468發動機，這款發動機被配備在哈飛路寶和昌河愛迪爾上，獲得了很大的成功。很早以前的汽車發動機就開始大規模採用全鋁缸蓋了。缸蓋的重量並不大，所以汽車製造商喜歡它並不是因為它重量輕，而是因為它有更好的散熱性能。隨著發動機技術的發展，四氣閥結構成為發動機的主流設計趨勢。與一起的兩氣閥發動機相比，每缸四氣閥的氣缸蓋比每缸兩氣閥的氣缸蓋在工作時要產生更多的熱量，採用全鋁缸蓋是最好的解決辦法。出於成本的考慮，氣缸體採用全鋁設計比氣缸蓋要晚得多。氣缸體是發動機上最重的部分，因而使用鋁合金材料可以減輕發動機的重量，從而達到減輕整車重量的目的。這一點對於前置前驅車型來說，顯得尤為可貴，當然在另一方面，由於材料價格和加工工藝的區別，採用鋁合金缸體的發動機會增加一些成本。發動機的響應性與發動機部件的運動慣性是分不開的，發動機的運動部件包括曲軸、活塞、連桿等。由於曲軸要求瞬間強度非常高，所以只能採用高強度鋼來製造。活塞就沒有曲軸這樣的局限了，在高轉速發動機上，通常都是用鋁合金來製造活塞。更輕的活塞重量能產生更高的發動機轉速，從而能獲得更大的動力輸出。使用鋁合金來製造活塞，成本並不是非常昂貴，主要問題是出在摩擦阻力上。在發動機運轉的時候，活塞與氣缸壁之間肯定會產生摩擦。而鋁和鋁直接的摩擦係數是很高的，它比鋁和鑄鐵之間的摩擦係數要高得多。這樣一來，如果全鋁缸體配合全鋁活塞，發動機運轉的時候摩擦阻力就會非常大，這顯然是不可取的，這也就是為何許多發動機使用鋁合金活塞，但必須使用鑄鐵缸體的原因。但如果為了採用全鋁缸體而採用鑄鐵活塞，那顯然是更得不償失的。目前最主流的解決辦法，就是在鋁製的氣缸體內鑲一個鋼製的氣缸套，讓鋁合金活塞不會與鋁製的氣缸壁相接觸。這種設計可以解決這一矛盾，當然也會增加一些成本。這種方法在70年代中期首先被雪佛蘭Vega所採用。它的發動機採用全鋁設計，在鋁合金的氣缸體內鑲上了一個鑄鐵的缸套，當然活塞同樣也是用鋁合金製造的。它的摩擦阻力比全鑄鐵的發動機要小得多，因此它的動力得到了很大程度的提高。不僅如此，這台發動機還能獲得更輕的重量和更小的運勁慣性，改善了車子的加速性、操控性和經濟性。後來，這種方法被許多配備了高轉速發動機的汽車所採用。還有一個解決辦法，就是採用增強型金屬纖維氣缸套(FRM)。本田在它的NSX3.2升發動機上採用了這個技術。它的成本和升功率在鑄鐵缸體和鑲缸套之間。這種解決辦法，是在全鋁的缸體上直接把金屬纖維加熱融化以後，通過特殊工藝把金屬粒子滲透到氣缸壁上，就彷彿在氣缸壁上電鍍了一層厚度只有0.5毫米的金屬纖維。與鑄鐵缸體相比，它能產生更低的摩擦阻力，因而改善了轉速和功率。同時，金屬纖維是直接滲透到氣缸缸體里的，所以它的強度非常大(相當於整個缸體的強度)。鈦是一種重量很輕，強度很大的材料，而且價格非常昂貴，一般只在航空領域採用。但是，這種航空材料最終還是被應用在了汽車上，不過僅限於高性能的運動轎車，因為只有這些汽車才會為了提高性能而不計成本的採用儘可能適合的材料。蘭博基尼的Diablo、法拉力的F355/360M/550M、還有保時捷的911GT3等都採用鈦合金來製造連桿，以提高發動機的轉速。騏達SWIFT、雨燕、奧迪A8等車型上，都裝有全鋁發動機。有兩種材質發動機最大的不同就是重量，全鋁合金髮動機比鑄鐵發動機可以輕一半的重量。本來轎車的總重量就不高，發動機所佔的比例可是不能忽略，重量減輕的最直接效果便是油耗方便表現的增強。而發動機的重量也直接影響車輛的行駛性能，由於一般轎車多為前輪驅動，如前艙重量過重，車輛拐彎時會引起過多轉向，並且制動距離也會加長。它的特點是可以輕一半的發動機重量，能有效降低燃油消耗和提高操控表現。但鋁製材料價格昂貴。

　　啟動機一發電機技術

　　首次在本田Insight和豐田Prius等混合動力車上使用的整體式啟動機一發電機是一種節油無污染裝置，在這個裝置里啟動機和發電機合為一體。當汽車停車燈亮時，發動機關閉，施加的制動力使裝置轉入發電機工作狀態，電流輸入蓄電池；當駕駛員踏下加速踏板時，該裝置在幾秒鐘之內重新啟動發動機。據有關方面預測，美國的所有汽油電力混合動力汽車最終都要裝上這種整體式啟動機一發電機裝置。據估計，通用2004年在其全尺寸的皮卡上裝備這種啟動機一發電機整體裝置使其燃油經濟性提高15%。

　　油、電、氫混合動力技術

　　混合動力車屬於電動汽車，採用傳統的內燃機和電動機作為動力能源，通過混合使用熱能和電能兩套系統開動汽車。混合動力系統的最大特點是油、電發動機的互補工作模式。在起步或低速行駛時，車子僅依靠電力驅動，此時汽油發動機關閉，車輛的燃油消耗量是零；當車輛行駛速度升高(一般達40km/h以上)或者需要緊急加速時，汽油發動機和電機同時啟動並開始輸出動力；在車輛制動時，混合動力系統能將動能轉化為電能，並儲存在蓄電池中以備下次低速行駛時使用。日本馬自達汽車公司於去年年底展出了一款全新的普力馬混合動力概念車，並向人們展示了其全新的油、電、氫共三種能源的混合動力技術。該款混合動力車本身就具備了混合動力車的特徵，它內部有一個內燃發動機，從電動機獲得助力，所需電力則是來自剎車等操作而產生並被儲存在一個大電池中的電能。同時，馬自達還嘗試著將這種電動引擎和一種本身就是混合動力引擎的內燃發動機結合在一起，後者既能使用汽油、也能使用氫氣作為燃料。公司花費了數年的時間開發出這種雙燃料內燃發動機，並表示已經可以進行批量生產。

　　天然氣驅動技術

　　天然氣驅動技術，已經廣泛應用於許多車型中，具備了較高的經濟性能，例如歐寶汽車推出的賽飛利CNG，便是以天然氣作為主要燃料。以歐寶賽飛「CNG」為例，其燃效為18.9km/kg。目前的天然氣價格為每公斤0.76歐元，成本可比柴油發動機款減少大約30%，而比汽油發動機款則可減少大約50%。而且車上的天然氣罐由高強度鋼製成，其天然氣傳輸管線也由不鏽鋼製成；同時由於因衝撞導致天然氣泄漏的危險較低，而且天然氣比汽油易燃性低，所以與普通車輛相比，著火的危險性更低。

　　乙醇混合燃料技術

　　目前，以具備有可再生特性的乙醇燃料為代表的生物能源已成為近期汽車能源發展的趨勢之一。所謂車用乙醇汽油，就是把燃料變性乙醇和汽油以適當比例(我國目前實行10%的乙醇參混比例)調配而成的一種新型清潔車用燃料。採用該技術的車型，具備較高的燃油經濟性以及低排放的特性。其中美國通用薩博汽車更是推出了一款SaabBioPower混合動力概念車，該車較目前已量產的使用E85(85%生物乙醇/15%汽油)作為燃料的Saab9-5BioPower2.0T更進一步，它首次混合使用了電力與純生物乙醇燃料，在未來生物能源科技領域獲得了新的突破。

　　氫燃料電池驅動技術

　　這種技術具有一種潛在的魅力，如果工程師和科學家們能夠將這種潔凈蓄能系統真正地應用於汽車，那麼大多數汽車上使用的內燃發動機將成為歷史。燃料電池通過化學反應將氫轉化成電能，這種化學反應的唯一副產品是熱量和水蒸氣。電能供應給電機來驅動汽車。該項技術依靠氫和氧的化學反應釋放能量，相對於內燃機驅動，燃料電池驅動的效率更高，污染更低，甚至是沒有污染，它排出的僅有純凈的水蒸氣。實際上從60年代起，航天工業就已經使用這種燃料電池了。該技術已應用於部分試驗車輛和為某些建築物提供電能。但由於氫燃料電池動力汽車成本高，而且給電池補氫的「補給站」數量很少，目前商業化推廣還為時過早。而美國通用汽車公司和戴姆勒—克萊斯勒公司不久前便與美國能源部簽署合約，計劃在將來5年內開發氫燃料電池動力汽車。其中，梅賽德斯—賓士A級「F-Cell"便是採用了該技術的代表車型之一，該車將整個燃料電池系統置於夾層地板裝置中，應用65千瓦非同步電動機加以驅動，這使其輸出範圍可達到72千瓦(97馬力)。其時速最高可至140公里，行程達162公里。汽車工業目前面臨的挑戰是如何向燃料電池供給大量的氫。通用汽車公司相信自己已經找到了一條捷徑可將其燃料電池汽車推進。他們採取了從汽油中提取氫的方法，這樣可使駕駛汽車的人利用國家現有的燃油供給基礎設施。通用汽車公司正在研究設計一條實用的汽油改造線，估計，該項目將耗資數10億美元。通用汽車公司希望自己能成為第一家賣出100萬輛汽車的公司。其他一些汽車製造廠商，如：福特、戴姆勒-克萊斯勒、本田等公司也正在抓緊研製氫燃料汽車和甲醇燃料汽車。這兩種燃料都需要新的供應基礎設施。只有完善這兩種燃料供應的基礎設施，才能使人們廣泛地接受使用氫燃料汽車和甲醇燃料汽車。

　　純電力驅動技術

　　顧名思義，使用了該項技術的車型將以純電力作為其動力源，這類車型具備極高的環保性能，但其存在維護費用極高，在短期內難以普及。其中，最具代表性的便是由法國Venturi公司開發設計的Fetish跑車，而且該車目前已經投入量產。Fetish跑車採用了動力系統中置的形式，雖然電動馬達的電壓還不到60千瓦，但是它卻能達到14000轉/分的高轉速，並能輸出241匹的最大馬力。一次充電能夠行駛350公里，電池充電時間也非常快，充10分鐘電就能跑上16公里