原創  汽車發動機技術的現狀與未來發展(一)

　　內燃機的發明，帶動了汽車的發展，給世人在“行”上帶來極大的便利，使得窨距離縮小，人們的工作速度得以提高。近年來隨著電子技術的發展，又使汽車發動機如虎添翼，成為高新技術的集成。 　　汽車用內燃機作動力并發展成為支柱產業，在歷史上有幾次革命性的進步，第一次是石油作為內內燃機的燃料，這使發動機擺脫了最初建立在煤氣為燃料基礎上的固定式發動機，從而邁向移動式的車用動力。第二次革命是汽車生產的工業化。第三次是電子技術與發動機技術相結合。電子技術最初在汽油機上的應用是實現電子點火，然后到電控燃油噴射，至今天點火和噴射的集成管理。 　　短短幾十年，發動機成為高新技術的集成。無論是燃油經濟性、動力性、廢氣排放水平等等，是任何一種其他動力機械所無法比擬的。這一切都來源于電子技術發揮的作用。 　　電子技術是發動機現代化的靈魂 　　汽油機的燃油電子噴射 相比于過去采用的化油器，燃油電子噴射系統可以的燃油計量精確度上有較大幅度的提高。因此，采用電子控制燃油噴射的汽油機，其經濟性和動力性有很大的提高，使對混合氣濃度要求的三效催化轉化器降低排放成為可能。 　　電子控制燃油噴射從單點式發展到多點式。這使汽油機不僅在動力性上仍舊能保持其密度的特點，而且其燃油性幾乎可以和柴油機相媲美。有人甚至稱汽油直接噴射是汽油機的一次革命。汽油直接噴射技術已經在日本三菱、豐田和日產的一些發動機上應用。歐洲的一些汽車公司如德國大眾、法國雷諾等也在發展之中。 　　汽油機點火和管理系統 汽油機是電火花點燃混合氣的點燃式發動機。火花的發生過去是依靠點火系統內的機械式白金斷電器來完成的。斷電器在高速運轉下很容易磨損并燒蝕，從而使發動機出現失火，造成動力性下降和有害排放物激增的后果。 　　采用電磁式或霍爾式無觸點的斷電器便徹底解決汽油機運轉過程中動力下降的排放增加的難題，也大大地減少了發動機的維修和保養工作。現代的高性能汽油機已經毫無例外地采用了電子控制的無觸點點火系統。 　　汽油機的可變氣門定時和升程系統 發動機的氣門是控制進氣與換氣過程的基本機構，主要的控制參數是氣門定時和升程。對應于一定的運行工況，要求的定時和升程各不相同。但一般發動機一經制造出后，氣門機構的定時和升程便不能改變，這勢必造成部分工況不能在最優的狀態下，動力性、經濟性和排放品質達到最優。 　　以日本本田思域車用發動機為例，1.5升排量、非增壓的直列4缸汽油機，采用VTEC系統后，功率由70kW提高至100kW。目前正在發展的完全電子控制的氣門機構，可以取消汽油機的節氣門，進氣量大小完全由氣門定時和升程決定。這樣可以使汽油機燃料經濟性再提高一步。 　　柴油機的高壓共軌噴射和可預噴的泵噴嘴技術 柴油機的高壓噴射是實現高動力性、經濟性和低排放的關鍵。但柴油機的工作噪聲比較大一直是限制其發展的主要障礙。燃油預噴是解決柴油機燃燒噪聲的關鍵電子控制的高壓共軌噴射和預噴的泵噴嘴技術已經可以成功解決這一難題。目前國際上已經發展了可以將少部分燃油預先噴進氣缸，這樣便大幅度降低了燃燒噪聲，甚至可以與汽油機相媲美。 　　這一技術使柴油機從大量應用于固定動力裝置和載重車，進到汽油機傳統的轎車領域。在歐洲，截止到2000年，已經有近30%的轎車采用柴油機作動力。其中應有相當數量采用上述燃油噴射系統。在此基礎上發展的100公里僅耗油3升的轎車，就是采用帶預噴的電控泵噴嘴燃油噴射系統。 　　噴嘴截面可調的增壓器 廢氣渦輪增壓技術是上世紀60年代后得到大量應用的技術，不僅可以大幅度提高發動機的功率輸出，而且可以相應地減少燃油消耗。目前這一技術在柴油機上得到廣泛應用。歐美的柴油機約95%都采用廢氣渦輪增壓。 　　但是增壓器自身的質量使加速響應和低速性能受到影響，造成低速扭矩下降、排煙增加。要想彌補這一缺陷，簡單的方法是犧牲高速性能或犧牲一定的經濟性，變截面噴嘴技術便解決了這個難題。采用這項技術，低速時減少噴嘴截面減小排氣阻力，從而使發動機的扭矩特性得到大幅度提高，廢氣排放品質也相應得到改善。 　　廢氣再循環技術 發動機燃燒過程中以空氣為助燃劑，空氣中的氮氣會在燃燒中與氧氣反應產生對環境有害的氮氧化物（NOx），限制發動機的廢氣排放物NOx就是其中之一。為了降低NOx排放，最有效的措施之一就是將一部分廢氣再次返回進氣中參加燃燒以降低燃燒溫度，同時也減少了NOx的排放。問題是廢氣怎樣加入才會既不影響發動機的正常工作，而又達到降低NOx排放的目的。 　　比如汽油機，部分負荷時本來就有大量廢氣留在缸內，增加廢氣將會使發動機工作不正常，有害排放物增加，因此，廢氣再循環只有在一部分工況時工作才能實現其降低NOx排放，同時不影響發動機工作的目的。電子控制技術提供了這種可能。目前先進工業國的汽車為了滿足歐洲Ⅲ號以上的排放法規，無論是汽油機還是柴油機都采用電子控制的廢氣再循環技術。 　　如此等等可以見到，現代發動機的幾乎所有最新技術都與電子技術緊密結合，電子技術是使發動機成為當今集高新技術于一身的高技術產品的靈魂。目前已有電動風扇取代機械風扇，將來會以電動水泵取代機械水泵，將會把起動機、發電機和飛輪合成一體，氣門也采用電動，汽油機不再需要節氣門。 　　這樣汽車的冷車加熱時間更短，運行中的剎車能量、下坡能量都能得以回收，將會使發動機更加經濟。未來的發動機除還繼續需要燃料燃燒，還需要曲柄連桿機構輸出動力之外，其余的部件均可以由電子、液壓來控制，成為真正的機、電、液一體化的產品(姚春德).