当汽车动力装置的节能新动向

汽车动力装置的节能新动向

摘要：提高发动机负荷率可以提高燃油经济性。因此，在同样满足汽车功率要求的情况下提高发动机的负荷率，成了汽车动力装置节能的新动向。顺着这条思路，除了采用混合动力装置和自动变速器以外，还可以采取利用可切换液压挺杆实现分缸断油和通过增压缩小排量的策略。

关键词：燃油经济性 负荷率 可切换挺杆 缩小排量

1 发动机燃油经济性与工况的关系

发动机燃油经济性以发动机输出每千瓦小时的功所消耗的燃油量克数，即g/kW·h 来表征。这个指标称为燃油消耗率，或比油耗，主要取决于发动机工况。所谓发动机工况，主要由发动机的转速和转矩确定。图1 和图2 所示分别为BMW公司2001 年320d 手动变速箱轿车的4 缸2.0L TDI 柴油机和1997 年318i轿车的4 缸1.9L2 气门汽油机的万有特性曲线。图中的横坐标是发动机转速，纵坐标是发动机比功，单位为kJ/dm3，其数值跟以MPa 为单位表示的平均有效压力相同。在发动机排量确定之后，平均有效压力跟转矩成比例关系，所以代表发动机的负荷。由图可见：

·在整个工况范围内，只有一个极小的区域能够达到最小燃油消耗率。

·在同一台发动机中，最高燃油消耗率可以达到最低燃油消耗率的一倍，甚至更多。

·最佳燃油经济性出现在柴油机和汽油机的较高负荷率区域。负荷率定义为在一个确定的发动机转速下实际负荷跟该转速下的最大负荷的比值。最佳燃油经济性出现在一个很小的发动机转速区域内，而在此区域中的最佳负荷率大致为80%～90%。

·燃油经济性最佳的转速区域，在現代轿车柴油机中是略高于2000r/min 的中速范围，在汽油机中则在更低的转速范围即2000r/min 左右。

图1 320d 轿车的2.0L TDI 柴油机万有特性曲线（资料来源：BMW）

图2 318i 轿车的1.9L 2 气门汽油机万有特性曲线（资料来源：BMW）

2 优化发动机工况以节能的新动向

发动机的万有特性曲线指出了通过优化发动机工况来提高汽车燃油经济性的巨大潜力。由于对温室气体排放的限制，这种节能潜力目前已经越来越受到世界汽车工业的瞩目。挖掘这种潜力的策略有如下几种：

（1）混合动力装置

混合动力装置就是既有内燃机又有电动机的动力装置。无论是串联式、并联式还是混联式混合动力装置，其中的内燃机都可以工作在比油耗最低的工况区域。当然，三种形式的混合动力装置节能效果不同，而且节能效果也不能完全归功于发动机工况的优化。但是它们都有明显的节能效果，最高可达30%左右，而且节能效果都跟发动机工况的优化有关。自从日本丰田汽车公司率先于1997 年推出第一代、2001 年推出第二代Prius 混联式混合动力轿车以来，其卓越的燃油经济性和低排放已经引起公众的注意。现在世界上各大汽车公司都在争相开发混合动力装置。其缺点是成本较高。本文对此不做进一步的讨论。

（2）节能优先的自动变速器

当汽车在恒定的车速下行驶时，如果采用不同的档位，发动机就工作在不同的转速，当然还有不同的发动机转矩，带来不同的燃油消耗率。在计算机的控制下，自动变速器可以选择在最合适的时刻切换到最合适的档位，得到最佳的转矩和转速组合，从而缩短汽车的加速时间，提高动力性；但是，自动变速器也可以选择最经济的档位，使发动机工作在最低油耗的工况区域，借此提高燃油经济性。所以现代自动变速的轿车的电子控制单元软件包含着一套动力优先的控制方案和一套节能优先的控制方案，可供驾车人选择。这种技术已经相当普及，本文也不做进一步的讨论。

通过自动变速器节能的效果是有限的。普及型轿车对最高车速要求较低，所以哪怕是装备一台标定功率只有30kW左右的发动机也可以勉强过得去了。可是豪华型轿车对最高车速要求很高，甚至超过220km/h，所以门架机构立柱为Z轴后者装备的发动机功率可达前者的十倍。某些豪华型轿车装备了12 缸V 型或W 型发动机，功率达到或超过300kW。但是，在城市行驶工况中，汽车怠速时间长，平均车速低，不可能达到最高车速。这种状况不会因为轿车豪华程度不同而有所不同。所以，即使是大功率豪华型轿车，在都市中行驶时的功率需求也只有7.5kW 左右，这个数据不会跟普及型轿车有太大的差别。此时，豪华型轿车只利用了发动机标定功率的很小一部分，甚至只有四十分之一。发动机实际功率和标定功率之间如此巨大的落差带来的燃油经济性问题不可能完全借助于自动变速器得到补偿。

要解决豪华型轿车在低工况下的燃油经济性问题，最有效的办法是，缩小低工况下发动机实际功率和标定功率之间的差别，从而提高发动机的负荷率。下面介绍的另两种策略就是按照这条思路提出的。

（3）分缸断油

这种策略就是在低工况下切断发动机一部分气缸的燃油供应，其余各缸就会大幅度提高其负荷率，工作在经济性和排放都大为改善的工况区域。一旦这几个工作气缸已不能满足功率要求时，断油的气缸便恢复供油并点火工作。这种工作方式称为分缸断油。

（4）缩小排量（downsizing）

分缸断油策略的思路是，发动机总排量按照要求的标定功率设计，低负荷条件下关闭一部分气缸以提高负荷率；而缩小排量策略的思路是，在保持发动机标定功率不降低的前提下，缩小发动机总排量，使得在较低负荷条件下的负荷率得以提高，而在较高负荷的条件下就通过增压来达到标定功率。举例来说，如果说标定功率为300kW 的自然吸气汽油机需要12 缸6L 排量的话，那么采用增压以后也许只要6 缸3L 排量就可以了。

如果将分缸断油和缩小排量这两种策略结合起来使用，则节能效果更佳。

3 分缸断油的实施

断油缸的进、排气门可以封闭，也可以不封闭。所谓封闭，就是进、排气门在断油过程中始终关闭。所谓不封闭，就是在断油过程中进、排气门照常启闭。以下分别介绍。

最简单的模式是，断油缸只是切断了燃油供应，可是它的进、排气门照常启闭，断油缸吸入和排出的都是新鲜空气。

一种类似的模式是，令工作缸排出的废气部分地进入断油缸，见图3。全负荷时一切如常；部分负荷时，只有左面三个气缸得到燃油供应并点火工作。这三个工作气缸排出的一部分废气被送回已经断油的三个气缸，再经过专门为这一组气缸设置的排气管排出。

图3 断油缸进、排气门照常启闭的汽油机断缸控制（资料来源：BOSCH）

但是这样做会白白增加泵气损失。所以，另一种更好的模式是，使断油缸进、排气门暂停启闭。如果在断油时能够解除气门跟凸轮之间的联系，那么就能实现这个目标。此时，尽管凸轮还在转动，气门却不为其所动。可切换液压挺杆就是为此而开发的。

跟断油缸进、排气门照常启闭的模式相比，断油缸进、排气门暂停启闭模式的节油潜力可以提高两至三倍，达到整车节油8%～15%的效果，排放也可以相应地减少，但是增加了开发和制造费用，成本比较高。

这里介绍一种由德国INA（依纳）公司开发的可切换液压挺杆，见图4。它由内挺杆和外挺杆两部分组成。内、外挺杆可以互相分离，也可以锁定为一个整体。分离时，内挺杆可在外挺杆的孔内上下滑动。外挺杆只是一个壳体；真正的液压补偿元件在内挺杆里面，最终通过液压补偿元件操纵气门杆。内凸轮接触内挺杆；外凸轮接触外挺杆。内凸轮只是一个圆柱体，所以不可能依靠它将内挺杆压下，它的作用只是管住内挺杆不让它超越应有的位置；外凸轮才是真正的凸轮，可以将外挺杆压着朝下运动。内挺杆的构造跟普通的液压挺杆相仿，但是尺寸较小。在外挺杆的顶部，直径方向上的两端，分别各有一个锁定柱塞和一个柱塞弹簧。外挺杆中的锁定柱塞可以在柱塞弹簧的压力下插入内挺杆的孔内，此时内挺杆和外挺杆连成一体。内挺杆中有两个操纵柱塞，用于在机油压力下克服柱塞弹簧的压力，将锁定柱塞朝外顶回到外挺杆中。如果发生这种情况，则外挺杆和内挺杆互相分离。外挺杆的下面是一个支承弹簧，支承弹簧下面有一块支承板。

在内、外挺杆分离的状态下，内挺杆保持不动；外挺杆可以由外凸轮压着朝下运动，并依靠支承弹簧的力朝上返回。

图4 可切换液压挺杆（资料来源：INA）

左部：凸轮基圆阶段，补偿；中部：凸轮可用塑料薄膜套装压下阶段，内外挺杆分离；右部：凸轮压下阶段，内外挺杆锁定

在内、外挺杆锁定的状态下，内挺杆可以由外挺杆通过锁定柱塞带着朝下运动，并通过气门弹簧的力和惯性力朝上运动，并进一步带动外挺杆朝上运动。

可切换液压挺杆的工作过程分为两个阶段：

（1）凸轮基圆阶段

如图4 左部所示，此时支承弹簧将外挺杆朝上压靠到内挺杆的挡铁上。由于是凸轮基圆跟挺杆接触，所以液压补偿元件处在补偿阶段。在补偿阶段，气门间隙的补偿通过内挺杆中的液压补偿元件实现，这跟在液压挺杆内发生的情况是一样的。此时，原本外凸轮应当跟外挺杆接触，但是在外挺杆和外凸轮之间存在着微小的间隙，所以实际上没有接触。在这一阶段中，外挺杆内的锁定柱塞是否将内、外挺杆锁定成一体无关紧要。

（2）凸轮压下阶段

这个阶段可分成两种状态来讨论：

1）内外挺杆分离

如图4 中部所示，随着凸轮的转动，同一个气门所对应的左右两个外凸轮克服支承弹簧的力，将外挺杆压下。但是内凸轮不会将内挺杆压下，因为内凸轮只是一个圆柱体。所以，如果发动机机油压力足够高，以至能够克服柱塞弹簧的压力，通过操纵柱塞将锁定柱塞压回到外挺杆中，使得内外挺杆分离，那么此时虽然外凸轮能够将外挺杆往下压，可是外挺杆却不能带动内挺杆往下运动，所以内挺杆里面的液压补偿元件也不会被压下，气门将保持静止。如果同一个气缸的所有气门都保持不随着凸轮的旋转而开启和关闭，那么这个气缸就被封闭了。活塞的压缩冲程和排气冲程中，缸内气体被压缩，消耗功；吸气冲程和膨胀冲程中，已经压缩的气体发生膨胀，对外做功。两者相抵，发动机真正损失的只有摩擦功。

2）内外挺杆锁定

如图4 右部所示，在凸轮压下阶段，如果机油压力不足以克服柱塞弹簧的压力将锁定柱塞压回到外挺杆中去，那么柱塞弹簧就会将锁定柱塞压入内挺杆，并令其跨越内、外挺杆，使内、外挺杆锁定成一个整体。此时，外凸轮就会通过外挺杆和锁定柱塞将内挺杆压下，内挺杆进一步将液压补偿元件压下，并开启气门。这一过程中，会有少量机油从高压腔通过泄漏间隙流出。

由于部分气缸断油以后会影响发动机的运行平稳性，所以通常只在四缸以上的发动机中才采用这项节油技术。

梅塞德斯早在1996 年就已经首次采用了分缸断油的V-8 发动机。现在这项技术在该公司的V-8 和V-12发动机上都有应用。

美国的汽车生产商将向市场推出采用分缸断油技术的新型发动机。有人估计，从总体当对试样施加实验力时应当注意操作上看，将来美国生产的汽车将有20%左右采用分缸断油技术。但是这些发动机主要是带有推杆的发动机。

4 缩小排量的实施

其实，缩小排量的核心技术就是增压。之所以要另起一个新名称，是因为增压技术用于豪华型轿车的大排量汽油机，可以达到缩小排量、提高发动机负荷率的目的。增压技术在柴油机上早已司空见惯，其主要目的是提高升功率，降低碳烟、碳氢化合物与一氧化碳排放。但是在汽油机上却不多见。这是因为汽油机即使不增压也很容易达到50kW/L 的升功率，超过一般增压柴油机；此外，汽油机采用增压技术会增大爆震倾向，必须调整一下压缩比；电子控制策略方面也有一些特殊要求。但是近年来国外对于汽车动力性的要求有增无减，汽车的最高车速越来越大，发动机的标定功率也随之提高。而且当今豪华型轿车的大排量发动机多数是自然吸气的汽油机。这就给通过增压技术缩小豪华型轿车发动机的排量以达到节能的目的留下了发展的空间。根据当今国际市场上客户的愿望，为了满足轿车在动力性、经济性、比重量、灵活性和停车方便等方面的要求，宁愿采取增压也不愿采取增加缸数和排量的策略来提高汽油机的功率。1994 年欧洲生产的汽油机中只有1%是增压的。1997 年欧洲生产的1100 万台汽油机中这个比例上升到了4.1%。现在这个发展趋势还在继续。这一动向值得我国汽车企业注意。

目前常用的增压技术是涡轮增压，但是机械增压正在悄然兴起。两者对比如下：

1）涡轮增压器的瞬时响应特性比机械增压器差。

2）涡轮增压发动机的低速转矩受到限制，必须采取谐波增压或变截面喷嘴技术应对；机械增压器的低速转矩好，汽车加速性能好。

3）涡轮增压器必须采用放空阀或者采用可变截面喷嘴进行调节；机械增压器则不需要。

4）涡轮增压器会延长催化转化器起燃时间；机械增压器不会。

5）机械增压器可以兼作二次空气泵。

6）涡轮增压器需要发动机提供机油以便润滑，还要解决散热问题。机械增压器不需要跟发动机润滑系统连接，不需要冷却，免维护，工作丰富他们的经验可靠，寿命长。

7）涡轮增压器如果装配不当，会将润滑油带入进气管，引起结焦问题；机械增压器不会。

8）涡轮增压器不需要机械传动；机械增压器需要通过皮带传动，增加设计和制造工作量。

9）涡轮增压器对发动机排气噪声的降低有一定贡献。但是在进气噪声方面，则是机械增压器见优。

10）涡轮增压器的高工况增压效果优于机械增压器，这对于大排量发动机尤为重要。

11）涡轮增压器成本和价格比较昂贵。机械增压器对于中小排量的发动机具有价格上的优势，所以它用于小型轿车，在经济相对落后、城市交通比较拥堵的发展中国家尤其受欢迎。

12）机械增压的燃油经济性不及涡轮增压。但是，如果在保持原型车动力性不变的前提下，在采用机械增压器的同时减少发动机排量，那么跟原型车相比，肯定能够提高燃油经济性。

13）涡轮增压器的涡轮机及其调节机构都承受很高的温度，相关零部件的材料要求较高；机械增压器没有这方面的问题。

对于汽油机来说，机械增压跟涡轮增压相比更有其独到之处。涡轮增压的根本特点是，它所能处理的质量流量跨度范围比较小。一旦质量流量增幅达到一定程度，就必须让一部分流量通过放空阀旁通。这给发动机的工作过程带来不利因素。

恰恰在质量流量的跨度范围这一点上，汽油机跟柴油机有很大的区别。柴油机因为依靠质调节的方式调节转矩，没有节气门，每个循环吸入的空气量相差不大，其质量流量的差异主要由于转速变动而造成，所以柴油机的质量流量跨度范围只有6.5:1 左右。相比之下，传统的汽油机（指缸内直喷式汽油机GDI 以外的汽油机）依靠量调节的方式调节转矩，通过节气门调节空气流量，随着负荷的变动，每个循环吸入的空气量相差很大，加上汽油机转速的变动范围也比柴油机大得多，所以汽油机的质量流量跨度范围可达75:1，接近于柴油机这个指标的12 倍。这导致涡轮增压汽油机的瞬时工况比较差。而采用机械增压就没有这个问题。

综上所述可见，汽油机采用增压以缩小排量正在成为汽车动力装置的一个节能新动向。其间究竟选择涡轮增压还是机械增压，要根据原型发动机排量确定。(end)