傳統(tǒng)節(jié)能減排之發(fā)動機(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)動機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新來看，小型化發(fā)動機(jī)早已成為各家追逐的焦點(diǎn)。相對而言，更小的、功率密度更大的發(fā)動機(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1.6L及以下小排量發(fā)動機(jī)還能享受購置稅減半的優(yōu)惠政策。

何為發(fā)動機(jī)小型化？

發(fā)動機(jī)小型化即通過減小發(fā)動機(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)推動著傳統(tǒng)發(fā)動機(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)動機(jī)中。有測試數(shù)據(jù)顯示，發(fā)動機(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)動機(jī)如何在實(shí)際行駛過程中保證其動力性能不被削弱？此前，蓋世汽車針對發(fā)動機(jī)小型化問題做過一期業(yè)界調(diào)查《發(fā)動機(jī)小型化趨勢明顯 動力性能表現(xiàn)成市場痛點(diǎn)》。結(jié)果表明，業(yè)界對發(fā)動機(jī)小型化最大的疑問在于其動力性能是否足夠強(qiáng)勁，這也是影響小型化發(fā)動機(jī)在終端市場表現(xiàn)的根本原因。關(guān)于制約發(fā)動機(jī)小型化市場表現(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)勢和劣勢。

渦輪增壓技術(shù)

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

眾所周知，燃油在發(fā)動機(jī)內(nèi)點(diǎn)燃需要氧氣，氧氣越多燃燒越充分，發(fā)動機(jī)工作也就越好。渦輪增壓作為汽車發(fā)動機(jī)的一種進(jìn)氣形式，其主要作用就是壓縮空氣，提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，從而提高發(fā)動機(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。

一臺發(fā)動機(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的發(fā)動機(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)動機(jī)來說，經(jīng)過增壓之后，動力可以達(dá)到2.4L自然吸氣發(fā)動機(jī)的水平，但是耗油量要比1.8L自然吸氣發(fā)動機(jī)稍高。

優(yōu)勢：

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)動機(jī)的動力。

劣勢：

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)動機(jī)時(shí)，需要著重考慮發(fā)動機(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)動機(jī)油進(jìn)行潤滑，用發(fā)動機(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)動機(jī)尾氣所驅(qū)動的，因此渦輪護(hù)蓋可能會變得紅熱。此外，由于機(jī)油都有其既成的流動路徑，因此在發(fā)動機(jī)關(guān)閉時(shí)，機(jī)油就會經(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)動機(jī)油就會燃燒（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)動機(jī)，GDI發(fā)動機(jī)燃油消耗可減少20％到50％。

優(yōu)勢：

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，啟動也比較快。

劣勢：

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，對有害介質(zhì)的轉(zhuǎn)化不完全。

3、對于油品適應(yīng)能力差，汽油中的硫會毒害氮氧化物催化裝置。

可變氣門正時(shí)技術(shù)

發(fā)動機(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)動機(jī)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速很高，四沖程發(fā)動機(jī)的一個(gè)工作行程僅需千分之幾秒，這么短促的時(shí)間往往會引起發(fā)動機(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。

既要兼顧引擎在低速區(qū)的扭矩特性，又想榨取高速區(qū)的功率特性的情形下，一種對氣門升程進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置即“可變氣門正時(shí)技術(shù)”應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)既能保證低速高扭矩，又能獲得高速高功率，對引擎而言是一個(gè)極大的突破。到今天幾乎每家企業(yè)都有了自己的可變氣門正時(shí)技術(shù)，如豐田開發(fā)的VVT-i，保時(shí)捷開發(fā)的Variocam，現(xiàn)代開發(fā)的DVVT……一系列可變氣門技術(shù)雖然商品名各異，但其設(shè)計(jì)思想?yún)s極為相似。

優(yōu)勢：

通過控制進(jìn)行配氣，改變進(jìn)氣門的打開與關(guān)閉時(shí)間，可以提高進(jìn)氣充量，使發(fā)動機(jī)的扭矩和功率可以得到進(jìn)一步的提高。

劣勢：

1、中段轉(zhuǎn)速扭矩不足。

2、由于多搖臂和凸輪組機(jī)構(gòu)的介入，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音大。

3、維修使用的成本也大幅增加。

可變排量技術(shù)

可變排量技術(shù)又稱氣缸休眠技術(shù)，是指當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在小負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，通過一系列的“手段”讓部分氣缸停止工作（休眠），剩余的氣缸正常工作，該技術(shù)能將發(fā)動機(jī)的6缸燃燒智能切換成3缸燃燒，達(dá)到節(jié)省燃油、降低排放的雙重功效；當(dāng)急加速或爬坡需要加大動力時(shí)，可變排量技術(shù)又會啟動所有汽缸，快速提升發(fā)動機(jī)的動力輸出能量。

要讓氣缸休眠（不工作），眾多廠商主流的方式是斷油+斷氣。對于現(xiàn)在的電噴發(fā)動機(jī)來說，“斷油”相對簡單，因?yàn)槿加蛧娮炱鋵?shí)是電磁閥。電磁閥通電則噴油，不通電就不噴油?！皵鄽狻毕鄬?fù)雜。因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣門是氣體進(jìn)入、排出氣缸的必經(jīng)之路。所以，只要讓進(jìn)、排氣門不打開，就可以實(shí)現(xiàn)“斷氣”。

目前各廠商有著各自的辦法，如本田的方法是通過塞柱的移動，斷開搖臂與凸輪軸之間的聯(lián)動關(guān)系，讓搖臂不再頂開進(jìn)、排氣門，實(shí)現(xiàn)“斷氣”。

優(yōu)勢：

低油耗，省油錢，對于小排量經(jīng)濟(jì)型轎車效果明顯

劣勢：

1、消費(fèi)者購車、用車成本增加，氣缸休眠技術(shù)使用了更為復(fù)雜的發(fā)動機(jī)機(jī)械構(gòu)造以及與之匹配的控制策略，必定會帶來整車成本的提升，而這些必然會轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者身上。

2、復(fù)雜的技術(shù)帶來了發(fā)生故障的可能性，也會提高維修保養(yǎng)成本。

自動啟停技術(shù)

發(fā)動機(jī)自動啟停技術(shù)，是指在車輛行駛過程中臨時(shí)停車(例如等紅燈)的時(shí)候，自動熄火。當(dāng)需要繼續(xù)前進(jìn)的時(shí)候，系統(tǒng)自動重啟發(fā)動機(jī)的一套系統(tǒng)。它的核心技術(shù)在于自動控制熄火和啟動，這項(xiàng)技術(shù)可以有效降低發(fā)動機(jī)怠速空轉(zhuǎn)的時(shí)間，這在城市走走停停的交通狀況下可以一定程度降低排放提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

智能起停“stop—start”系統(tǒng)的起停功能在鑰匙通電時(shí)默認(rèn)自動開啟，當(dāng)車速降低至限值以下、處于空擋狀態(tài)和離合器踏板完全松開時(shí)，將開啟自動停機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)動機(jī)成功啟動后，在一定的時(shí)間內(nèi)，駕駛員沒有任何踏板和擋位操作，則系統(tǒng)會認(rèn)為駕駛員暫無起步出發(fā)的意圖，發(fā)動機(jī)會自動停機(jī)。這個(gè)時(shí)候壓縮機(jī)同時(shí)也停止工作，當(dāng)松開剎車踏板繼續(xù)前進(jìn)的時(shí)候，發(fā)動機(jī)又自動啟動。

優(yōu)勢：

節(jié)油、省錢。

劣勢：

1、若堵車時(shí)間較長，長時(shí)間的走走停停勢必會給起動機(jī)增加負(fù)擔(dān)。

2、一些車型的啟停邏輯不是很好，介入時(shí)間拿捏不準(zhǔn)。

3、啟動時(shí)噪音和震動較大。

發(fā)動機(jī)自動啟停技術(shù)設(shè)計(jì)的初衷是為了環(huán)保節(jié)能，在理論環(huán)境下它也確實(shí)可以達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。但如果結(jié)合我國的路況——堵車時(shí)間較長，長時(shí)間的走走停停勢必會給起動機(jī)增加負(fù)擔(dān)。所以，在長時(shí)間擁堵時(shí)，最好將自動啟停功能關(guān)閉，這樣更有利于延長起動機(jī)和蓄電池的壽命。

（文章來源：蓋世汽車）