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新形势下车用发动机发展技术探究


随着内燃机发展技术逐步趋于成熟,新形势下国家对于节能环保与限制车辆排放等规定日益严苛。传统的内燃机在不能充分解决较低的热效率、对石油燃料的过分依赖、废气的排放的情况下,必然要探索一种新的车用动力。
主要有三种方式,一是利用新的动力机械代替内燃机,以电动汽车为代表,但其关键环节———电池技术发展较为缓慢,成本昂贵,不能大规模使用;二是改善发动机自身性能,通过各种控制策略,主要以电子控制技术为主,提高发动机效率;三是优化使用性能,如发动机与传动系统的最佳匹配,各种自动变速器与无级变速器的开发使用,以及将内燃机与电力驱动组合形成混合动力电动汽车(HEV),兼顾了两种驱动方式的优点。
1、电控技术
1.1电控技术在汽油机上的应用
电控技术由机械控制演变而来,与其最大不同之处便是能在各种变工况下起到实时调控,从而实现对发动机压缩比、空燃比、配气相位、进气涡流强度等性能参数的全面优化。在汽油机上面,首先是微控制器,即常说的单片机。它是发动机控制技术的核心所在,在实现实时控制的过程中起到大量的信息存储、计算、输出的作用。例如电控燃油喷射系统从单点喷射(TBI)与多点喷射(MFI)到分组喷射,最后演变成目前广泛使用的多点顺序喷射(SFI),都提体现了微控制技术数据处理能力的不断进步。
其次是电子控制单元(ECU),从最初单一的控制功能,到后来集成电路的发展,ECU功能扩展为现在的集成控制。此外汽油机的电子管理系统,包含部件保护、系统检测、信息处理、应急反应等主要功能。是一个集点火、喷油、排放、怠速以及故障诊断的控制系统。
1.2电控技术在汽油机上的应用
1.2.1柴油机三大电控喷油系统
由于柴油机的燃油喷射技术难度较高,相比于汽油机,需要更高的喷射压力,更短、更准确的喷射时间与喷油率,因此本文主要将喷油系统的控制方式归纳为三种。①脉动式电控喷油系统,由电控直列喷油泵、P型泵以及电控分配泵组成。电控直列喷油泵在原直列泵的基础上,增加了位移传感器、转角传感器以及电磁铁执行器与控制单元,从而达到对喷油量的实时调控。喷油系统电控化,但供油方式仍然保留了传统的脉动供油。由此看来脉动式电控喷油系统只是对喷油系统进行了初级的改造,并不能满足现代化柴油机对于优化性能参数的要求。②时间控制式柱塞泵脉动喷油系统,保持传统柱塞式往复脉动供油,通过高压油路中电磁溢流阀喷油始点以及喷油量,柱塞副此时不起油量调节的作用,因此可以去除调速器、提前器和出油阀偶件等装置。③共轨喷油系统,放弃了柱塞式脉动供油方式,将高压柴油存放在容器中,即称为共轨,利用两位三通电磁换向阀将高压油按照预定的模式输入到喷油器中实现喷油过程。其优点在于实时改变高压油路中油压或电磁阀升程达到喷油压力与喷油率的控制,响应过程迅速。
1.2.2喷油率的控制策略
喷油率是评价柴油机性能的重要指标,柴油机燃烧过程中着火落后期要尽可能缩短,因此喷油量要“先缓后急”喷入,将喷射过程分为预喷射与主喷射里两个阶段。

图1 预喷射对燃烧特性(气缸压力)影响
图1中,适当降低混合气的生成量,合理优化初期喷油速率,而预混合燃烧阶段的放热峰值较低,有效降低了燃烧温度和气缸压力从而降低NOx排放以及噪声污染。

图2 预喷射对燃烧特性(针阀升程)影响
图2中,在燃烧中期,为了提高发动机的动力性与经济性,应加快燃烧速率;燃烧后期,则尽可能缩短扩散燃烧以便于降低颗粒与烟度的排放,因此,柴油机在燃烧周期以后便不适合预混合燃烧,而采用扩散燃烧方式。
2、柴油机的预混合燃烧技术
2.1HCCI燃烧技术
传统的汽油机采用预混合燃烧,柴油机采用预混合燃烧+扩散燃烧,但从根本意义上,无论是汽油机或是柴油机均不能保证高效率、高动力性的同时兼顾低NOx和颗粒排放。而预混合压燃(HCCI)技术的诞生被看作未来内燃机发展过程中解决高效率、低排放的愿望最佳途径。
2.2HCCI技术实现
HCCI燃烧技术由两个阶段组成,第一阶段为低温化学反应产生蓝色火焰,经过一段反应滞后时间进入到主燃烧阶段。实现此技术的主要方法为采用喷雾范围广、雾化均匀的燃油喷雾加快实现均匀的稀混合气,设法延长滞燃期,使混合气充分混合从而抑制NOx与颗粒的生成。图3、图4为日产MK燃烧方式的技术路线,利用高达45%的循环废气(EGR)来抑制燃烧温度与速率,从而延长滞燃期。结果使得NOx排放降低约91.7%同时HC排放也下降了约50%,而碳烟颗粒几乎降到零。

图3 MK燃烧过程的主要技术路线及HC、NOx排放降低效果
3、混合动力驱动技术
毫无疑问,未来的新能源汽车必将取代内燃机汽车。但就目前的发展前景来看,纯电动汽车仍然需要克服续航里程、电池成本、充电时间与能量密度不足等缺点;燃料电池电动车碍于反应所需的催化剂造价成本高、加氢站设施不完善的问题。相对来说,混合驱动电动汽车(HEV)则充分兼顾到低排放与高比功率的优势。

图4 MK 燃烧过程的主要技术路线及烟度、NOx 排放降低效果
混联式混合动力系统:
混合动力电动汽车由动力传动系、车载能量源、动力装置、传动系以及辅助系统组成,根据组成混合动力的动力传动系之间的位置与联结方式的不同,有串联、并联与混联三种类型。而混联式混合动力结构不仅仅是简单的串并联的结合,而是将串联式与并联式复合成一种综合的式结构。按照功能的差异分为开关式与功率分流式。图5为功率分流式混联混合动力系统。

图5 功率分流式混联混合动力系统
此系统的特点是兼备串联混合动力的车载能源的混合以及并联式混合动力机械动能的混合,通过行星轮系对发动机输出的动力进行指定分配,从而与动力电池组输出的电能形成电电耦合方式,以及与电机系统输出的动力构成机电耦合方式形成驱动力作用于车轮上。
4、结语
在节能环保与新能源汽车的压力下,内燃机汽车通过电子控制技术对其压缩比、空燃比、配气相位、进气涡流强度等性能参数进行不断优化,同时大力降低排放以应对挑战的同时,混联混合驱动技术正逐步趋于高效率、低排放、高比能量、轻量化、集成化等优势逐渐对其进行赶超。


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