详解汽车发动机技术发展路径

自20世纪90年代以来，随着各国对汽车尾气排放控制的日益严格以及人们对汽车燃料经济性要求的提高，汽车的动力系统正在发生一场新的革命。预计未来混合动力驱动系统、现代小型直喷汽/柴油机、氢燃料电池、均质压燃(HCCI)发动机等新式动力源将陆续进入市场。而在内燃机领域，增压直喷汽油机和高压共轨柴油机是当前国内外汽车企业研究和发展的主要方向。

增压直喷汽油机及技术发展路径

1、增压直喷汽油机国内外发展现状

随着节能环保要求不断提高，直喷技术在国际上得到快速发展。三菱、丰田、日产、马自达、本田、五十铃、通用、福特、大众、奔驰、菲亚特、雷诺、Ricardo、AVL、FEV等许多国外汽车公司和研究机构都开发了比较成熟的直喷汽油机产品或样机。其中最具代表意义的应该是VW 1.4L TFSI发动机，该发动机采用涡轮增压+缸内直喷，功率可达到92kW/5000rpm、扭矩可在1500rpm~4000rpm的区间内保持200Nm的恒定值。此外，FORD 1.4L Ecoboost可达到110kw的最大功率，FORD 1.6TGDI的功率和扭矩也分别达到110kw、240Nm/1500rpm。GM公司预计搭载在1.4L Cruze上的TGDI发动机其最大功率也将达到89kw，同时GM 2.4L SIDI发动机其动力指标也达到137kw/6200rpm、240Nm/4800rpm。

由于直喷吸热使得缸内温度降低，充气系数提高 2～3%，爆震倾向的降低可以使压缩比提高1～2，从而获得了燃油经济性和排放的大幅度改善，在节能和降低排放方面表现出明显的优势，成为国内外各大主机厂应对未来排放法规及油耗的主要技术手段。

目前,引进的大众FSI 汽油机是国内最具代表意义的直喷汽油机产品，同时，搭载蒙迪欧-致胜的Ecoboost系列发动机也是国内直喷发动机产品的典型代表，此外还包括GM公司搭载君越的2.4L SIDI发动机、1.4L Ecotec等。国内一汽集团、华晨、奇瑞、长安和吉利等汽车企业联合高校也正在开发相应的直喷汽油机产品。奇瑞2.0TGDI在2010年北京车展期间成功搭载G5上市，是自主品牌中第一个量产的缸内直喷汽油机。

2、增压直喷汽油机国内外发展趋势

直喷发动机主要有以下几个发展趋势和特点：

1) 化学计量比燃烧方式已成为GDI发动机的主流趋势

第一代GDI发动机采用分层稀薄燃烧方式，通过压缩冲程中缸内喷入燃油，可以大幅度提高燃油经济性，但会出现高NOx排放甚至碳烟排放的问题。第二代采用化学计量比燃烧方式，通过进气冲程中缸内早喷燃料形成均质混合气后火花点火，保持在化学计量比下工作，因此可以使用三效催化转换器，能节省下大量NOx处理的成本。

2) 喷雾引导已成为GDI发动机混合气形成方式的发展趋势

GDI发动机混合气形成方式有两类。第一代为壁面引导或气流引导（wall guided or air guided），第二代为喷雾引导（sprayguided）。三菱和宝马等汽车公司的研究结果表明，喷雾引导工作模式的运行范围比壁面引导或气流引导工作模式更宽，HC和CO排放比传统进气道喷射汽油机更低，燃油消耗率按NEDC循环测试降低约20％。另外，莲花公司、西门子VDO和三所英国大学联合起动了一个三年的HOTFIRE研究项目，目标也是开发喷雾引导的GDI发动机。直喷喷油器也由以前的压电式和电磁多孔式并存发展成目前的电磁多孔式主导技术方案；

3) GDI与增压相结合

缸内直喷和增压相结合不仅在柴油机上被证实是成功的应用，对于汽油机来说具有更大的意义——改进汽油机性能效果显著，可以使燃油经济性和CO2排放达到柴油机水平，而且升功率可以达到100kW/l。由于发动机尺寸减小（Downsizing），重量减轻，整车燃油经济性也进一步提高。

4) GDI与可变气门正时相结合

将GDI系统与可变气门正时系统（VVT，Variablevalve Timing）结合，可以同时提高发动机低速和高速时的扭矩输出；可通过VVT控制进、排气门重叠角，最终控制内部EGR率，降低排放；并可采用启/灭缸循环的策略。它可以部分的解决超稀燃GDI本身固有的问题例如排放后处理的问题。

5) 直喷汽油机已向小排量发展

随着直喷技术的日趋成熟、成本的逐渐降低以及排放法规的日益严格，直喷汽油机由之前的中高排量逐渐向小排量转移，目前国内外都在进行小排量增压直喷汽油机的开发，走在前列的ＶＷ公司已经为紧凑型和小型车平台批量生产了1.2升增压直喷发动机。国内奇瑞公司正在研发1.6排量以下的新一代增压直喷汽油机，同时长安正在研发0.8和1.0升增压直喷汽油机，力帆正在研发1.2升增压直喷汽油机。

3、增压直喷汽油机关键技术

为实现增压直喷汽油机产业化，并进一步改善排放、降低油耗、提升动力性，还有以下几项关键技术和系统亟须开展技术攻关和产业化开发。

1) 汽油机缸内燃油喷射系统

缸内燃油喷射系统研发工作主要是研究系统的集成与匹配技术，建立系统匹配能力与评价体系，主要包括以下几个方面的研究：

Ø 高压燃油泵与发动机及驱动机构的匹配；

Ø 高压喷油器与高压油轨的匹配；

Ø 喷油器喷油嘴与高压燃油泵的匹配；

Ø 喷油嘴与燃烧室的匹配；

Ø 油轨喷油器强度模拟分析；

Ø 高压油泵强度模拟分析；

Ø 高压系统密封性能研究。

2) 汽油机增压系统

涡轮增压技术在提升发动机动力性和燃油经济性的同时，还可以降低尾气的排放，满足越来越严格的排放法规的要求。在欧洲，涡轮增压汽油机推广很快，涡轮增压汽车已占总量的近20% 。而在国内，涡轮增压技术目前主要应用于柴油机，在汽油机上的应用还比较有限，主要以进口高级轿车为主。

目前，汽油机增压系统研发主要是针对增压器响应性、可靠性、NVH性能已经整机匹配等方面开展工作，具体包括以下方面：

Ø 高效率压气机和涡轮机叶轮及流道设计开发；

Ø 耐磨损轴承系统设计开发；

Ø 增压器性能和可靠性CAE分析；

Ø 与发动机进行性能匹配与优化；

Ø 放气阀和泄压阀控制标定；

Ø 增压器系统振动和噪声优化；

Ø 增压系统响应性研究和优化。

3) 缸内直喷燃烧组织与控制策略的开发

发动机缸内的燃烧组织与控制策略是发动机最为核心的技术。而增压直喷发动机缸内混合气形成和燃烧过程与非增压、气道喷射发动机有很大区别，控制策略也不尽相同，对此还需开展以下研究工作：

Ø 开展GDI发动机冷启动分层燃烧策略的研究;

Ø 开展GDI发动机HC、PM排放控制策略的研究;

Ø 开展增压GDI发动机燃烧室形状优化，匹配缸内气流运动，加快火焰传播速度，提高经济性的研究；

Ø 开展引入外部EGR，减小部分负荷泵气损失的研究;

Ø 针对增压GDI发动机存在的爆震、机油稀释、排温过高等问题进行专项研究。

4) 汽油机热管理技术开发

发动机热管理技术就是整车根据运行工况，通过ECU控制电子节温器及电控水泵调节发动机的冷却液的流量达到调节发动机水温的目的，使发动机在不同工况下均工作在最佳的温度范围，达到降低燃油经济性和改善尾气排放的目的。热管理系统研发的关键是热管理系统与发动机运行的匹配技术以及系统优化控制策略的选择问题。主要研究工作包括：

Ø 电子节温器的在热管理系统的应用与标定；

Ø 综合应用电子节温器和电控水泵；

Ø 变排量机油泵在发动机上的匹配和应用。


5) 汽油机用模块集成的新型节能附件系统的开发

新型节能附件系统的研发，通过优化附件系统的能耗损失来降低发动机的油耗和排放，进一步提高燃油经济性。此系统主要通过匹配发电机智能管理系统来实现。主要研发工作有：

Ø 智能发电机EBS，ECU等硬件开发和验证；

Ø 电源系统和发电机电压控制策略；

Ø 匹配整车的标定与燃油经济性测试。

6) 汽油机智能起停技术的开发

智能起停技术主要是通过系统开发，实现发动机怠速智能停机和快速启动。研究和试验表明，该项技术在综合工况下，可降低4%的油耗；在城市工况下，能降低8%的油耗。该项技术的主要研发工作有：

Ø 智能起停技术的方案设计和控制逻辑研究；

Ø 耐久性起动电机的开发；

Ø 快速充放电性能及耐久性的蓄电池的开发；

Ø 系统安全性开发 。

综上所述，增压直喷技术是汽油机当前的发展方向；均质当量比GDI汽油机可以采用成熟的三效催化转化器技术，可以满足不断严格的排放法规，燃烧系统设计难度相对较小，因而产业化的可行性较高。增压直喷技术通过与其它先进技术相结合，能获得显著的节油效果，因而成为目前国际上汽油机领域的主流。此外，在增压直喷技术的基础上，进行均质压燃（HCCI）等新型燃烧技术的开发，是汽油机满足更为严格的欧VI以上排放法规的重要技术路径。

高压共轨柴油机及技术发展路径

1、国内外研究现状

国外研究现状

在汽车工业十分发达的欧洲，柴油轿车已经被广泛接受和认同。上世纪90年代初，轿车中大约有20%为柴油车；1998年至2002年，柴油轿车在欧洲的销售所占份额以每年4个百分点的速度增长，从24.8%跃升至40.3%；2006年柴油轿车在新车销售中的比例已超过50%。法国、西班牙、奥地利、比利时及卢森堡，柴油轿车的销售量更是远远超过了汽油车。2000年美国注册的新柴油轿车为30.1万辆，而到2004年这一数字增加到了47万，增长势头迅猛。

国外发动机主要通过以下几个方面来提高发动机性能和降低排放：

1) 高品质柴油普遍供应；

2) 先进机内净化技术的应用：包括进气涡流控制、电控高压共轨技术、增压中冷技术、废气再循环（EGR）技术的应用、先进的燃烧技术；

3) 先进后处理技术：包括DPF、SCR等技术。

各种先进柴油机技术的应用，使柴油轿车在保持低油耗优势的基础上，噪声和排放水平都可以达到或接近汽油机的水平，所以柴油轿车在欧洲市场取得了巨大成功，从整个欧洲来看，柴油轿车的市场份额在2006年已经超过50%，而且目前仍呈上涨趋势。

国内研究现状

我国柴油机技术基础薄弱，整体技术水平落后于国际先进水平，也落后于国内车用汽油机的发展，柴油机产品正向开发和关键零部件开发能力较弱。许多国外已经普遍应用的技术在我国仍处于研究阶段，有些甚至仍是空白。同时，我国柴油机技术落后、产品质量差以及车辆使用中维修保养措施不力，导致低性能、高排放柴油车在使用中对城市环境和大气质量造成不良影响，使社会产生强烈的"厌柴"心理。

近年来，国内对各种柴油机先进技术和燃烧理论等进行了深入的研究，少数国产柴油机也开始采用一些先进技术。但与欧美日先进水平相比，还有较大差距，主要是没有掌握柴油机的核心技术，如电控高压共轨燃油喷射技术仍被国外公司垄断。自主研发和创新能力不强，产品研发主要依靠与国外设计公司合作开发。另外，乘用车柴油机尽管已开发出产品，但基本没有投放市场，只在一些低端轻型客车和SUV 上使用。我国柴油机发展存在以下制约因素：

（1）体积大、噪音高、发出难闻气味的柴油机仍然留在很多人的记忆中，柴油轿车的认同感较差；

（2）掌握的核心技术较少，高压共轨系统、喷油器等核心技术被国外所垄断；

（3）柴油机的NOX和PM排放污染物高；

（4）我国柴油品质差以及柴油标准的制、修订严重滞后于汽车工业发展的需要。

2、国内外柴油机技术发展趋势

从世界范围来看，柴油机正朝着更清洁、低噪声的方向发展。柴油轿车低油耗、低CO2排放、低速高扭矩性以及高可靠性等优势使其在近些年得到了快速发展。一直推宠混合动力技术的日本厂商，目前也在积极研发柴油轿车产品，并准备将其柴油轿车推向欧美市场。

目前轿车柴油机技术发展主要是以后处理技术为主的机外净化技术和以优化燃烧过程为主的机内净化技术相结合。机内净化主要是优化燃烧室结构，提高喷油压力，EGR技术，增压中冷等技术手段或是研究新型的燃烧模式，如低温燃烧模式和均质压燃模式。欧洲的经验证实机内净化+DOC+DPF是轻型车达到欧V排放标准的有效途径。2006年年底，大众、奥迪和奔驰三家公司还联合推出了Bluetec技术，在世界引起了很大轰动。Bluetec系统是一整套使用了DOC+DPF+SCR的先进柴油机尾气后处理技术，据美国环保部门统计，柴油发动机使用Bluetec，降低微粒排放98%，能降低有害气体排放80%。目前该项技术已经应用在奔驰的GL320车型上。

3、高压共轨柴油机关键技术

高压共轨柴油机当前研究的主要关键技术有以下几项：

1) 进气涡流控制

在小负荷工况下采用大涡流比有利于降低排放，这是由于涡流比大，促进了燃油的混合，而在大负荷工况下，为了抑制爆震，需要减小涡流。采用可变进气涡流控制技术可使涡流比在不同工况下进行调节，使发动机性能及排放在整个工况范围内得到优化。

2) 电控高压共轨技术

电控高压共轨技术是目前国外降低柴油机排放和提高柴油机性能的重要措施之一，新型的高压共轨燃油喷射系统，可以达到更高的燃油喷射压力并实现喷油量和喷油时刻的精确控制，可以有效改善燃烧，从而达到提高发动机性能、降低油耗和排放的目的。

3) 增压中冷技术

增压中冷技术使增压空气在进入气缸前被充分冷却，在一定程度上可以抑制NOX的排放，同时可以大幅度地提高柴油机的功率。

4) 废气再循环（EGR）技术的应用

EGR 是先进内燃机中普遍采用的技术，其工作原理是将少量废气引入气缸内，这种含有不可燃烧的 CO2 及水蒸汽的废气的热容量较大，能使燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢， 缸内最高燃烧温度下降，从而减少有害成分NOx的生成。

5) 先进后处理技术

排气后处理技术是实现发动机降低排放的一项关键技术，在燃油品质提升和机内净化技术不断发展的基础上，采用先进的排气后处理装置使得汽车尾气排放能够满足未来更为严格的排放法规要求，在后处理方面欧洲主要采用了两条技术路线：其一SCR(选择性催化还原)技术路线，它是通过优化喷油和燃烧过程，尽量在机内控制微粒的产生，在机外后处理过程，采用尿素溶液对氮氧化物进行选择性催化还原；其二是EGR+CSF(废气再循环加微粒捕集器)技术路线，它以废气再循环为基础，在机内抑制氮氧化物的产生，在机外后处理过程中采用微粒捕集器对微粒进行微粒捕捉。

6) 先进的燃烧技术

为了减少排放污染物的生成，世界各国都在研究低温燃烧和均质压燃等新型的燃烧模式。如：美国西南研究院的清洁柴油机项目至今已经开展了16 年。继成功完成第四代清洁柴油机项目之后，西南研究院计划于2007年11月1日正式启动第五代清洁柴油机项目，重点研究和开发先进发动机燃烧技术，包括覆盖所有工况运行的稀薄燃烧技术、低温燃烧技术等。

综上所述，在乘用车柴油机领域里，高压共轨技术是当前最主要的发展方向。高压共轨技术、增压中冷技术和EGR技术相结合，不仅明显改善发动机排放，同时大幅度降低发动机油耗，提高动力性；再加上DPF等先进后处理技术的应用，可以使得柴油乘用车的排放水平满足欧V排放法规的要求。而稀薄燃烧和低温燃烧等先进燃烧技术的研究和开发，将为乘用车柴油机的发展提供技术储备，以满足未来更加严格的排放、油耗法规要求。