1、概述

近年来,随着我国汽车工业的飞速发展,汽车保有量不断攀升,已经成为全球最大汽车生产国和汽车销售国。由于机动车保有量的迅速增加,机动车能源消耗与日俱增和尾气排放对环境的影响,已经直接影响了城市的经济发展及人们的生活质量。节能减排已成为国家和社会及汽车发动机企业极为关注的热难点问题。因此,如何在尽可能保证发动机动力性能的前提下,改善发动机燃油经济性及降低污染物排放水平是各个厂商目前的当务之急。本文将目前行业普遍采用的发动机新技术及在发动机设计、试验中节能减排的问题相结合,从降低发动机本身的能量损失和改善发动机缸内燃烧两个方面来探讨改善汽油发动机动力性及燃油经济性的途径。

2、进气系统优化

2.1 进气管道优化

发动机进气过程的好坏,直接影响发动机的动力性、经济性和排放性能。同样大小的气缸容积,在相同的进气状态下若能吸入更多的新鲜工质(燃料与空气的混合气或空气),则在同样的燃烧条件下可以产生更多的有用功,而发动机的进气过程是一个复杂的脉动和谐振过程,该过程和进气系统的管道形状有着直接的关系。当进气系统管道形状适当时,在进气后期进气阀处的压力波为增压波(压缩波,幅值大于平均进气压力),新鲜工质(空气)将被压缩进入气缸,产生谐振增压的效果,改善发动机的动力性能和燃油经济性能。以往由于辅助设计的工具较少,大多都是采用经验与试验相结合的手段来寻找好的参数组合(管道的长度、直径等),无法在短时间内找出最优的参数组合。随着计算机辅助设计技术的不断发展,利用模拟优化以及试验的手段进行进气系统管道设计,使在短时间内找出最优的参数组合成为可能。

进气系统管道的优化改进一般不需对发动机的缸体、缸盖等主要部件进行改动,因此其改进设计周期短,花费的成本低,且改善效果比较明显。

2.2 可变气门技术

可变气门技术分为可变气门正时技术,即改变气门开启的时刻、可变气门升程技术,即改变气门在整个运行中的轨迹和可变气门正时及升程技术,及气门开启时刻、气门运行轨迹都改变三种。其工作原理都是依据发动机的运行工况来改变气门的开启时刻及开启时长来调节进入发动机气缸内的新鲜工质的量。传统的发动机主要是依据发动机节气门开度的大小来调节进入气缸内的新鲜工质的量,当发动机处于小负荷运转时,节气门的开度很少,使得进气系统中的气体流动受阻,从而增大泵气损失,降低了发动机有效功率的输出。采用可变气门技术后,可通过调节气门的开启、关闭的时间及改变气门升程的运动轨迹,来调节与发动机运行工况相匹配所需的新鲜工质的量。因此在相同工况下,采用可变气门技术后,节气门的开度比不采用可变气门技术时的开度要大,这就减少了气体在管道中的流通阻力,降低了发动机的泵气损失,增加了发动机实际输出的有效功率。大量研究显示采用可变气门技术后动力性能一般能提升3～5%,燃油经济性能改善程度可达到5%左右,且还能有效的控制污染物的排放水平。

虽然可变气门正时技术目前已广泛的应用于轿车发动机,但由于我国开展此项技术研究较晚,还未完全掌握其核心技术,其使用成本较高。

3、排气系统优化

排气系统跟进气系统一样,发动机在排气时也会因排气压力波的来回反射、叠加产生排气谐振。合理的排气系统结构有助于利用排气谐振效应来达到排气通畅、能耗小、降噪明显的效果。目前国内的大多数排气消声器厂家还缺乏专业系统的设计能力,往往都是在借鉴或仿造已成熟的排气消声器产品来设计新的排气消声器,这无法保证一种消声只匹配一种发动机型号,因而无法得到最优的匹配。

4、废气涡轮增压

废气涡轮增压技术最早应用于柴油发动机,近几年随着技术的不断发展,汽油发动机也逐渐采用废气涡轮增压技术。废气涡轮增压技术虽能大幅度提升发动机的动力性能,但对发动机结构改动很大,基本上算是重新来过。且由于废气涡轮等技术受制于国外生产企业,因而其研发成本和维护成本高。近段时间内还无法广泛推广。

5、缸内直喷技术

缸内直喷汽油机GDI是以传统电控喷射系统为基础,进行结构和控制技术的优化,使得混合气的形成与燃烧过程得到改善。与传统的进气道喷射发动机不同,GDI发动机是在适当的曲柄转角,通过喷油器将汽油直接喷人气缸中,其油滴的蒸发主要依靠从空气中吸热而不是从壁面吸热。混合气的温度和体积下降,使得充气效率提高,同时爆震倾向也大为降低。研究表明:GDI发动机通过合理组织缸内的气流运动,实现分层燃烧,可使发动机的压缩比提高到12-14,因此,GDI发动机同时兼有柴油机热效率高和汽油机升功率大的优点。同时,GDI发动机不再使用节气门来调节负荷,而是利用气缸内的空燃比的变化来达到发动机不同的工况要求,提高了发动机在部分负荷时的容积效率,燃油经济性也得到了改善。

汽油缸内直喷技术虽能极大的改善发动机的性能(据调查其油耗比传统发动机要低30%以上),但由于受排放、催化器、积碳、设计成本、维护成本等问题的制约,我国短时间内还无法全面推广。

6、结语

影响发动机性能的因素很多,不同的发动机可采用不同的策略来改善其性能,但可从两个方面入手:(1)降低发动机自身的能量消耗,增加有效功率输出,如进气系统优化、废气涡轮增压、排气系统优化、适度减少机油量等;(2)改善发动机缸内燃烧,单位燃料释放出更多的化学能,如汽油缸内直喷等。受技术、设计改进成本和周期等的制约,我国目前多采用性价高的进气系统优化、排气系统优化等手段来优化改进发动机性能,但随着技术的不断成熟,废气涡轮增压、汽油缸内喷射等新技术将成为将来汽油机技术发展的主要方向。而对于在用的汽油发动机而言,改善发动机性能的最好办法就是定期的对汽车及发动机进行保养,使其保持“健康”状态。

参考文献

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