汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高效節(jié)能先進(jìn)技術(shù)

孫萬(wàn)臣 王喬

（吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：乘用車發(fā)動(dòng)機(jī) 混合動(dòng)力系統(tǒng) 節(jié)能技術(shù)

1 前言

根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的相關(guān)信息，至2017年6月，我國(guó)汽車保有量已猛增到2.05億輛，成為僅次于美國(guó)的全球第二大汽車保有量國(guó)家。與此同時(shí)，全球能源與環(huán)境問題日益突出，交通行業(yè)的能源需求仍在持續(xù)增長(zhǎng)，汽車是能源消耗和環(huán)境污染的主要來源。為此，各國(guó)政府正在加緊制定更為嚴(yán)格的法規(guī)來控制汽車排放和燃油消耗。圖1所示為中國(guó)與歐洲汽車CO2排放與油耗法規(guī)對(duì)比（1995-2025），到2020年，歐盟針對(duì)乘用車的CO2排放控制在95 g/km(折合油耗約為4.1 L/100km)，日本針對(duì)乘用車的CO2排放控制在105 g/km(約為4.5 L/100km)，美國(guó)針對(duì)乘用車的整車油耗將控制在5.5 L/100km。中國(guó)正在實(shí)施的第四階段油耗法規(guī)規(guī)定，到2020年乘用車平均油耗限值為5 L/100km，屆時(shí)中國(guó)的油耗限值將比肩歐美日。到2025年，中國(guó)將會(huì)進(jìn)一步加嚴(yán)油耗限值，乘用車油耗限制為4 L/100km。

面對(duì)日益嚴(yán)峻的形勢(shì)，汽車動(dòng)力系統(tǒng)也正在發(fā)生深度變革，電氣化程度不斷提高。有關(guān)部門預(yù)測(cè)到21世紀(jì)中葉，基于各種液體燃料及其基礎(chǔ)設(shè)施的先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)與混合動(dòng)力車、基于各種氣體燃料及其基礎(chǔ)設(shè)施的燃?xì)馀c燃料電池車、基于電力及其基礎(chǔ)設(shè)施的純電動(dòng)車將會(huì)長(zhǎng)期共存。其中，先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)與混合動(dòng)力車將占主導(dǎo)地位。國(guó)際能源署(International Energy Agency，IEA)預(yù)測(cè)，到2030年仍將有90%的乘用車使用發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力來源[1]。因此，繼續(xù)研發(fā)和采用更多內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能環(huán)保新技術(shù)，并適度采用混合動(dòng)力技術(shù)來不斷優(yōu)化傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)是汽車滿足現(xiàn)階段及中期油耗法規(guī)限值的主要技術(shù)方向。

圖1 中國(guó)與歐洲汽車CO2排放與油耗法規(guī)對(duì)比（1995-2025）

圖2 所示為內(nèi)燃機(jī)能量平衡圖，可見內(nèi)燃機(jī)通過燃燒產(chǎn)生的大部分熱能作為排氣損失、冷卻損失、泵氣損失以及機(jī)械阻力損失而被消耗，作為驅(qū)動(dòng)汽車行駛做功并能夠有效運(yùn)用的能量最大僅為30%左右。因此，從內(nèi)燃機(jī)節(jié)能技術(shù)原理的角度出發(fā)，內(nèi)燃機(jī)熱效率的提高主要是通過降低上述能量損失以提高有效功的比例。同時(shí)，作為降低這些損失的可控因素可以歸納為膨脹比（壓縮比）、比熱比、燃燒持續(xù)期、燃燒相位、氣缸壁面熱傳遞、泵氣損失、摩擦阻力等。發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的目標(biāo)是使這些可控因素接近理論值（發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到理想狀態(tài)），最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高熱效率。

本文從內(nèi)燃機(jī)節(jié)能原理的角度對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力乘用車以及混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行綜述。由于汽油機(jī)、柴油機(jī)統(tǒng)一化是未來的發(fā)展趨勢(shì)[2-3]，在節(jié)能技術(shù)方面兩者也呈現(xiàn)出一些相似之處，因此本文未對(duì)汽油機(jī)和柴油機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分。

圖2 內(nèi)燃機(jī)的能量平衡圖

2 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)

2.1 低摩擦技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)動(dòng)部件較多，各零部件的摩擦損失所占的比例大致如圖3所示，降低運(yùn)動(dòng)部件的摩擦損失對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗至關(guān)重要。影響發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的因素較多，總體來看，降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的技術(shù)路線主要包括運(yùn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、摩擦副表面減摩處理技術(shù)以及降低潤(rùn)滑系統(tǒng)阻力。

活塞及活塞環(huán)組、曲軸軸承以及凸輪氣門組等部件均是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方面。活塞及活塞環(huán)組占發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的30%左右，對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響較大?；钊幕瑒?dòng)部分包括活塞裙部與活塞環(huán)(組)，其對(duì)摩擦損失的貢獻(xiàn)率大約各占50%?；钊共啃途€是關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)之一，會(huì)對(duì)水平位移、傾斜運(yùn)動(dòng)、機(jī)油輸送以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生重要影響。T.Pasquale提出了一種旨在減少活塞與氣缸套之間摩擦損失的新型活塞裙部型線，通過增大活塞裙部上產(chǎn)生的總流體動(dòng)壓力以平衡外部側(cè)向作用力，防止活塞裙部?jī)啥送瑫r(shí)與缸套相互作用，從而減小接觸摩擦。利用活塞二階運(yùn)動(dòng)模型對(duì)新型裙部型線進(jìn)行了研究和優(yōu)化，并在浮式缸套試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)其原始型線進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，新型裙部型線使總活塞摩擦平均有效壓力（FMEP）平均下降了12%，其優(yōu)化前后的FMEP對(duì)比結(jié)果如圖4所示[4]。馬自達(dá)公司開發(fā)的SKYACTIV技術(shù)（圖5）中通過摩擦學(xué)分析對(duì)活塞及活塞環(huán)滑動(dòng)部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，減少活塞裙部產(chǎn)生的強(qiáng)烈接觸能夠防止邊界潤(rùn)滑狀態(tài)或固體接觸，在防止磨損與熱膠著的同時(shí)，成功地降低了摩擦阻力。

圖3 各零件的摩擦損失所占比例

研究開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件表面減摩涂層技術(shù)及工藝，提高耐磨損性及抗膠著性，作為降低摩擦損失的有效手段日益受到業(yè)界關(guān)注。近年來普遍采用的類金剛石碳（DLC）覆膜是一種硬質(zhì)碳覆膜，具有優(yōu)異的耐磨損性和抗膠著性，能夠顯著降低零部件摩擦與磨損[5]。應(yīng)用具有自潤(rùn)滑性的DLC覆膜工藝后，不僅零件本身的磨損大幅減少，還可以通過控制DLC覆膜的硬度，抑制摩擦副配對(duì)材料的磨損量。等離子體氧化涂層工藝（PEO）作為未來極具潛力的減摩涂層工藝技術(shù)已經(jīng)開始在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域得到應(yīng)用[6]。該工藝能夠在材料表面形成均勻氧化膜層，從而提高基體耐腐蝕性、耐磨性、潤(rùn)滑性等性能。此外，通過改善潤(rùn)滑油路通道結(jié)構(gòu)，降低壓力損失以及應(yīng)用低粘度潤(rùn)滑油等措施有利于實(shí)現(xiàn)降低潤(rùn)滑系統(tǒng)阻力的目標(biāo)。

圖4 優(yōu)化活塞型線的FMEP比較(IMEP=0.2、0.4 MPa)

圖5 優(yōu)化活塞結(jié)構(gòu)對(duì)降低活塞摩擦阻力的影響效果

2.2 附件電動(dòng)化技術(shù)

低功耗電動(dòng)化附件技術(shù)不僅是降低發(fā)動(dòng)機(jī)能量損失的有效途徑，而且這些電動(dòng)化附件的工作狀態(tài)可以完全獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)的工況之外，能夠使目標(biāo)控制參數(shù)最大限度的接近最優(yōu)值，有助于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)的智能化控制，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作需求的前提下，最大限度的降低附件驅(qū)動(dòng)損失，提高機(jī)械效率，附件電動(dòng)化已成為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能的重要技術(shù)手段。隨著汽車電氣化的發(fā)展以及48V電氣系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，汽車附件電動(dòng)化也得到了進(jìn)一步發(fā)展。目前，電動(dòng)水泵、電動(dòng)油泵、電動(dòng)風(fēng)扇、電動(dòng)空調(diào)、電動(dòng)增壓器、電動(dòng)節(jié)溫器以及電驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)等汽車附件均已得到應(yīng)用。BorgWarner開發(fā)的電動(dòng)增壓器可以通過1 kW的電功率消耗使內(nèi)燃機(jī)功率提高7-10 kW[7]。

2.3 排氣余能回收技術(shù)

汽車燃料燃燒所發(fā)出的熱量有高達(dá)三分之一是通過汽車排氣損失掉的，汽車排氣的平均溫度在500-600°C，某些工況下可突破1 000°C。因此，排氣余能回收已成為汽車節(jié)能降耗的行之有效的技術(shù)途徑。目前汽車行業(yè)內(nèi)對(duì)于排氣余熱的利用主要有三種技術(shù)路線，即熱導(dǎo)熱、熱導(dǎo)電以及有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)。

熱導(dǎo)熱技術(shù)(EHRS)是指將排氣的余熱直接以熱能的形式，用冷卻液進(jìn)行回收或者加熱汽車乘員艙的采暖系統(tǒng)，進(jìn)而縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)時(shí)間并減少汽車采暖系統(tǒng)的功耗，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。熱導(dǎo)熱技術(shù)由于回收熱能直接利用，其回收效率高，同時(shí)熱交換器的技術(shù)比較成熟，應(yīng)用難度大大降低。目前，國(guó)外主流車企已有量產(chǎn)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)多家自主車企也對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了預(yù)研。

利用熱導(dǎo)電技術(shù)（TEG）回收汽車排氣余熱能量即利用塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電。在使用熱電材料的余熱回收系統(tǒng)中，沒有運(yùn)動(dòng)部件，使整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、工作可靠。圖6是本田制造的TEG余熱回收系統(tǒng)，它產(chǎn)生的能量用于給LED燈組發(fā)電[8]。該系統(tǒng)在兩側(cè)溫差30℃的時(shí)候可以達(dá)到20W的發(fā)電功率。然而TEG技術(shù)受制于其極低的熱電轉(zhuǎn)化效率和高昂的成本，目前大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

圖6 本田制造的TEG系統(tǒng)

有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)最早利用的領(lǐng)域是廢熱發(fā)電，近幾年在商用車及乘用車的節(jié)能技術(shù)中作為重要的效率提升手段而被廣泛應(yīng)用研究[9]。在美國(guó)能源部超級(jí)卡車項(xiàng)目中，康明斯、戴姆勒、沃爾沃、納威司達(dá)四家重卡公司，在使柴油機(jī)有效熱效率達(dá)到55%的項(xiàng)目目標(biāo)中，都不約而同地選擇了有機(jī)朗肯循環(huán)的余熱回收利用技術(shù)。圖7是康明斯的余熱回收利用系統(tǒng)布置圖，在開發(fā)中，通過余熱利用可以使發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升7.4%[10]。

圖7 康明斯的朗肯循環(huán)系統(tǒng)

2.4 汽油機(jī)高壓縮比技術(shù)

眾所周知，提高壓縮比可以顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。然而，爆震燃燒限制了傳統(tǒng)汽油機(jī)壓縮比的提高，在最容易產(chǎn)生爆震的大負(fù)荷工況，經(jīng)常采用加濃混合氣和推遲點(diǎn)火時(shí)間等措施抑制爆震，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)矩輸出的降低和油耗増加。因此，如何抑制發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震燃燒成為高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的首要問題。馬自達(dá)SKYACTIV技術(shù)中把高壓縮比作為提高效率的關(guān)鍵技術(shù)，第一代SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比提高到14:1，第二代SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)將壓縮比進(jìn)一步提高到18:1[11]。該技術(shù)通過可變配氣相位及米勒循環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高膨脹比和低有效壓縮比的折衷，同時(shí)從兩個(gè)方面來抑制發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震燃燒：1）加快燃燒速度，縮短燃燒持續(xù)期；2）減少缸內(nèi)殘余廢氣進(jìn)而降低缸內(nèi)溫度。馬自達(dá)SKYACTIV技術(shù)的成功應(yīng)用使得高壓縮比成為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能的一個(gè)重要技術(shù)途徑。

2.5 高膨脹比循環(huán)技術(shù)

高膨脹比循環(huán)作為降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的技術(shù)方向之一，其提高熱效率主要通過以下途徑：1）降低摩擦以減少機(jī)械損失；2）利用高膨脹比循環(huán)減少排氣熱損失；3）引入冷卻EGR實(shí)現(xiàn)低溫燃燒減少冷卻熱損失；4）加快燃燒速度進(jìn)一步增加燃燒效率。高膨脹比汽油機(jī)的技術(shù)路徑如圖8所示，其實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：1）采用可變幾何行程（可變壓縮比）機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高膨脹比，即Atkinson（阿特金森）循環(huán)；2）采用可變氣門正時(shí)(variable valve timing，VVT)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門晚關(guān)或早關(guān)以保證有效膨脹比大于有效壓縮比，即Miller（米勒）循環(huán)?？勺儔嚎s比技術(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，盡管SAAB公司以及FEV公司等均提出了自己的可變壓縮比方案，但目前均未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣?；诳勺儦忾T正時(shí)的高膨脹比循環(huán)技術(shù)會(huì)造成充氣效率下降，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性不足的問題，因此該技術(shù)往往應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過電機(jī)來彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的不足，還可以通過提高幾何壓縮比、機(jī)械增壓、廢氣渦輪增壓、汽油直噴等技術(shù)來改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。此外，將高膨脹比循環(huán)與EGR稀釋燃燒技術(shù)相結(jié)合可以有效降低NOx排放，進(jìn)一步降低泵氣損失，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。通過引入大比例EGR有助于進(jìn)一步提高幾何壓縮比，進(jìn)而提升膨脹比，促進(jìn)高膨脹比發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的提升[12]。

2.6 增壓小型化技術(shù)路線

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化與高功率密度是現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)滿足排放法規(guī)和油耗法規(guī)的一種有效措施，尤其在乘用車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。發(fā)動(dòng)機(jī)小型化程度越高，產(chǎn)生的CO2也越少，CO2排放降低主要來源于小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的低摩擦、低泵氣損失和低轉(zhuǎn)速。在國(guó)際市場(chǎng)上，增壓、減缸、減排量是北美及歐洲市場(chǎng)的大趨勢(shì)，通常中型車以四缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)代替六缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，大型車以六缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)代替八缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。而在中國(guó)市場(chǎng)上，1.6 L以下小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)成為主流，2.0 L左右排量成為中型車主要?jiǎng)恿?，自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)越來越少。

圖8 高膨脹比發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)路徑

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化程度達(dá)到50%以上將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)及節(jié)能效果帶來前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。小型化發(fā)動(dòng)機(jī)需要更高的增壓水平來達(dá)到更高的扭矩性能及功率密度。因此，增壓技術(shù)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)小型化后的效果。目前多級(jí)增壓以及電動(dòng)-機(jī)械-廢氣渦輪復(fù)合增壓將會(huì)成為未來小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的主流增壓方式，有利于進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能和瞬態(tài)響應(yīng)性能。Borg Warner公司開發(fā)的三級(jí)渦輪增壓器（圖9）在低轉(zhuǎn)速和高穩(wěn)態(tài)增壓壓力下具有良好的瞬態(tài)性能，它由2個(gè)小的可變渦輪截面（VGT）高壓級(jí)渦輪增壓器和1個(gè)較大的水冷式低壓渦輪增壓器組成。Aeristech公司已經(jīng)開發(fā)出1款電動(dòng)機(jī)械增壓器，與傳統(tǒng)渦輪增壓器匹配后組成1種新型的兩級(jí)增壓系統(tǒng)，這使得相對(duì)簡(jiǎn)單的小型化汽油發(fā)動(dòng)機(jī)可以應(yīng)用到主流汽車上。該電動(dòng)機(jī)械增壓器已經(jīng)在MAHLE 3缸直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率高達(dá)161 kW，同時(shí)在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)均可獲得良好的扭矩特性[13]。

圖9 Borg Warner公司三級(jí)渦輪增壓器

2.7 預(yù)混合低溫燃燒模式

以“均質(zhì)壓燃，低溫燃燒”為代表的內(nèi)燃機(jī)新型燃燒模式一直以來都受到各研究機(jī)構(gòu)和汽車制造商的廣泛關(guān)注。其核心就是改變以傳統(tǒng)柴油機(jī)為代表的擴(kuò)散燃燒方式和以傳統(tǒng)汽油機(jī)為代表的火花點(diǎn)燃的火焰?zhèn)鞑ト紵绞?，采用預(yù)混合、壓燃、低火焰溫度的燃燒方式，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的高效清潔燃燒。研究表明，通過燃燒路徑的控制，該燃燒模式的排放和熱效率均優(yōu)于傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)[14]。然而，這一燃燒模式的著火過程與燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有直接的關(guān)系，因此為燃燒過程的控制帶來很大挑戰(zhàn)。此外，“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”技術(shù)只能在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行，擴(kuò)展該燃燒模式的高效清潔運(yùn)行工況范圍仍是需要解決的一個(gè)難題。采用燃料設(shè)計(jì)技術(shù)，利用理化特性介于汽油和柴油之間的寬餾程燃料，有利于拓寬均質(zhì)壓燃的工況范圍[2-3]。美國(guó)威斯康星大學(xué)通過使用燃料反應(yīng)活性控制技術(shù)（RCCI），使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到了54%[15]。產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，馬自達(dá)提出的“第二代創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)”采用均質(zhì)充量壓燃技術(shù)（HCCI），并宣布將于2019年應(yīng)用于量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上。這項(xiàng)技術(shù)采用了18:1的壓縮比，能夠?qū)鹘y(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升達(dá)到50%，百公里油耗降到3升左右。

基于超高燃燒壓力、廢氣稀釋、低散熱低溫燃燒和可變熱力循環(huán)是未來“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”技術(shù)發(fā)展的重要方向，燃燒過程“精細(xì)化”控制是實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒目標(biāo)的關(guān)鍵。

2.8 汽油壓燃（GCI）技術(shù)

汽油壓燃技術(shù)利用汽油高辛烷值、揮發(fā)性好的燃料特性，在缸內(nèi)形成相對(duì)均勻的預(yù)混合氣，最大限度的使噴油和燃燒分離，可同時(shí)獲得低的NOx、soot排放和高的熱效率。為了實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，汽油壓燃方式必須能夠在全工況條件下運(yùn)行。然而，大負(fù)荷工況下的缸內(nèi)壓力和壓力升高率過高以及小負(fù)荷工況下的燃燒穩(wěn)定性問題仍然是其面臨的主要挑戰(zhàn)。目前這方面的研究取得了一定進(jìn)展，瑞典Lund大學(xué)在重型柴油機(jī)上采用辛烷值低于70的汽油，PPC燃燒能夠覆蓋從怠速到全負(fù)荷工況；汽油燃料PPC結(jié)合EGR率和空燃比控制，即使在2.5 MPa IMEP下，煙度都可以控制在0.5 FSN以內(nèi)[16]。目前汽油壓燃樣機(jī)開發(fā)研究最具代表性的是來自德爾福公司的研究成果—Gasoline Direct Injection Compression Ignition（GDCI）。在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究和模擬研究基礎(chǔ)上，該公司于2014年完成了一款4缸1.8 L的GDCI發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，并基于該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)[17]。樣機(jī)采用15:1的較高壓縮比與多次噴射策略，并對(duì)多個(gè)零部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。其發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。樣機(jī)最新試驗(yàn)結(jié)果表明[18]，平均有效壓力有了進(jìn)一步提高，在2 000 r/min下達(dá)到了2.03 MPa BMEP，最低的油耗點(diǎn)從2014年的214 g/（kW·h）降低到213 g/（kW·h）。但同樣還是面臨較汽油機(jī)更高燃燒噪聲和峰值壓力的挑戰(zhàn)。

表1 德爾福GDCI樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

3 混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)

混合動(dòng)力乘用車較常規(guī)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力乘用車可以降低整車燃油消耗和有害物排放30%以上，是滿足未來油耗和排放法規(guī)的主流技術(shù)路線。其節(jié)能的實(shí)質(zhì)是通過電氣電子技術(shù)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作工況，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量工作在低油耗區(qū)。其中發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)混合動(dòng)力整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性有重要影響，不同類型的混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出的要求存在明顯不同，需要開發(fā)適應(yīng)混合動(dòng)力系統(tǒng)需求的專用發(fā)動(dòng)機(jī)。

四沖程自然吸氣（NA）高膨脹比汽油機(jī)和增壓直噴汽油機(jī)（GDI）是并聯(lián)和混聯(lián)型式的混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的兩條主流技術(shù)路線，未來兩條路線將并行發(fā)展。自然吸氣高膨脹比汽油機(jī)成本低，多用于經(jīng)濟(jì)型、緊湊型混合動(dòng)力乘用車。豐田公司混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)均采用自然吸氣高膨脹比循環(huán)節(jié)能技術(shù)，該技術(shù)通常結(jié)合外部冷卻EGR實(shí)現(xiàn)低溫燃燒(Low Temperature Combustion，LTC)抑制爆震，并配合進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化來改善缸內(nèi)流動(dòng)，提升燃燒效率，進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性。未來，豐田公司計(jì)劃進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率超過40%[19]。增壓直噴汽油機(jī)具有油耗低、動(dòng)力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但成本較高，多用于中高端豪華型、并聯(lián)混合動(dòng)力乘用車。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)和FEV公司對(duì)兩種混合動(dòng)力平臺(tái)上搭載不同發(fā)動(dòng)機(jī)的情形進(jìn)行了仿真對(duì)比研究[20]。結(jié)果表明，采用高膨脹比汽油機(jī)的緊湊型混合動(dòng)力整車油耗比采用增壓直噴汽油機(jī)的稍低；采用高膨脹比汽油機(jī)的中級(jí)混合動(dòng)力整車油耗高于采用增壓直噴汽油機(jī)的整車油耗。

增程式發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)升功率、振動(dòng)噪聲、運(yùn)轉(zhuǎn)平順性、輕量化和低成本有較高要求，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢(shì)[21]。圖10為增程式混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線。目前的主流技術(shù)路線是采用小排量、四沖程、自然吸氣汽油機(jī)，未來將有可能引入增壓直噴技術(shù)。同時(shí)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)有可能在未來增程式電動(dòng)車上得到應(yīng)用。

混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)所具有的工作區(qū)域窄的特點(diǎn)使得在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用新型燃燒模式成為可能。未來HCCI、RCCI以及GCI等燃燒模式將會(huì)在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用，有望進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，改善其燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖10 增程式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線

5 結(jié)論及啟示

（1）先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)在未來很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍然是汽車主要的動(dòng)力來源，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)對(duì)于整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性有重要影響。進(jìn)一步研發(fā)和采用更多內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能環(huán)保新技術(shù)，并適度采用混合動(dòng)力技術(shù)來不斷優(yōu)化傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)是汽車滿足現(xiàn)階段及未來油耗法規(guī)要求的主要技術(shù)方向。

（2）傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能技術(shù)從原理角度來說是最大限度地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的能量損失，從而提高有效功的比例。內(nèi)燃機(jī)熱效率的提高往往需要多種手段的組合使用。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，滿足未來排放法規(guī)及油耗法規(guī)往往是多條技術(shù)路線并行發(fā)展的態(tài)勢(shì)，各主機(jī)廠需考慮實(shí)際情況并結(jié)合自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)合理選擇。

（3）四沖程自然吸氣（NA）高膨脹比汽油機(jī)和增壓直噴汽油機(jī)（GDI）是并聯(lián)和混聯(lián)型式的混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的兩條主流技術(shù)路線。增程式發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)振動(dòng)噪聲、運(yùn)轉(zhuǎn)平順性、輕量化和低成本有較高要求，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢(shì)。新型燃燒模式有望在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。