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发动机负荷率与节能 |
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轿车个人消费的突起及消费者对轿车动力性的要求愈来愈高等因素的影响，发动机、特别是汽油机节能的问题变得比过去任何时候都更为突出。本文探讨发动机通过提高负荷率降低比油耗的节能途径。
由於石油资源有限，国际上对限制温室气体排放的压力日益增加，轿车个人消费的突起，以及消费者对轿车动力性的要求愈来愈高等因素的影响，发动机、特别是汽油机节能的问题变得比过去任何时候都更为突出，并可能成为未来巿场竞争中决定胜负的砝码。
提高汽车燃油经济性可以从发动机、变速器、车身、底盘、轮胎和制动等多方面来着手。与发动机有关的节能途径可以归纳为以下两大类：
第一，提高发动机本身的燃油经济性。这是指降低发动机在各种工况下的比油耗。从热力学角度来看，有几条途径可循：提高过量空气系数（提高热效率）；提高压缩比（提高热效率）；提高进气管压力（减少泵气损失）；优化燃油喷射（使燃烧更加完全）；优化汽油机点火定时或柴油机喷油定时（提高热效率）；减少热损失（提高热效率）；降低摩擦损失（提高机械效率）。
第二，优化和转移发动机的工况点。这是指尽可能地使发动机运行在最低比油耗的工况区域。此举的节能潜力不可小看。混合动力车之所以节能效果明显，也与此有关。从BMW公司2001年产320d手动变速轿车4缸2.0升TDI柴油机的万有特性曲线可见：
* 在整个工况範围内，只有一个极小的区域能够达到最低燃油消耗率；
* 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，因为此时的泵气损失较小。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，而在此区域内燃油经济性最佳的负荷率大致为80~90%；
* 燃油经济性最佳的转速区域，在现代轿车柴油机中是2500r/min上下的中速範围，在汽油机中则在较低的转速範围，即2000r/min左右；
* 一般来说，提高发动机负荷率可以提高燃油经济性。
普及型轿车对最高车速的要求较低，那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，可是豪华型轿车对最高车速要求很高，甚至超过220km/h，所以後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，功率超过300kW。但是，在城巿行驶工况中，汽车怠速时间长，平均车速低，不可能达到最高车速。即使是大功率豪华型轿车，在都巿中行驶时的功率需求也只有7.5kW左右。此时，豪华型轿车只利用了发动机标定功率的很小部分，甚至只有四十分之一。
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。本文讨论发动机通过提高负荷率降低比油耗的节能途径。
途径一：分缸断油和可切换液压挺杆
分缸断油策略，就是在低工况下切断发动机一部分气缸的燃油供应，其馀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。
最简单的模式是，断油缸切断燃油供应，进、排气门照常启闭。这种模式不能消除断油缸的泵气损失。所以，另一种更好的模式是，使断油缸进、排气门暂停启闭，其节油潜力可以提高2至3倍，在汽油车中达到整车节油8~15%的效果，排放也可以相应地减少。如果在断油时能够解除气门跟凸轮之间的联系，那麽就能实现这个目标。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。
图1为德国INA（依纳）公司开发的可切换液压挺杆。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。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。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，气门可以正常启闭。内挺杆中有两个操纵柱塞，可以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，使外挺杆和内挺杆互相分离，此时尽管凸轮轴在转动，气门却不能启闭。
图1 可切换液压挺杆（资料来源：INA）
左部：凸轮基圆阶段，补偿；中部：凸轮压下阶段，内外挺杆分离；右部：凸轮压下阶段，内外挺杆锁定
可切换液压挺杆的工作过程分为以下两个阶段。
凸轮基圆阶段
如图2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。由於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。
凸轮压下阶段
这个阶段可分成两种状态来讨论。
内外挺杆分离
如图1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。如果发动机机油压力足够高，以致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，那麽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，那麽这个气缸就被关闭了。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。理论上，如果没有洩漏损失和热损失，那麽压缩功和膨胀功正好相抵，发动机真正损失的只有摩擦功。
内外挺杆锁定
如图2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，那麽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，会有小量机油从高压腔通过洩漏间隙流出。
由於部分气缸断油以後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。梅赛德斯在1996年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巿场推出采用分缸断油技术的新型发动机。有人估计，从总体上看，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。
国产轿车中的6缸汽油机如采用可切换液压挺杆的分缸断油技术，有望节能8~15%。
途径二：汽油机增压
近年来，国外轿车行业愈来愈频繁地使用一个名词，叫做“downsizing”，笔者暂且将它翻译成“缩小排量”。它的基本思路是，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，达到节能的目的；而在较高负荷条件下就通过增压来达到标定功率。如此，则经济性和动力性可以兼得。举例来说，某自然吸气的12缸发动机排量为6升，标定功率为300kW。可是，如果采用增压，也许将它改成6缸3升排量就可以达到同样的标定功率了。但是，低负荷时的负荷率却提高了一倍左右。
汽油机缩小排量策略的理论基础是显而易见的。排量较小的发动机更多地在较高负荷率下运行，所以它的节气门开度较大，吸气冲程中气缸内的真空度较低，它的泵气损失自然就比排量较大的发动机小得多。此外，在排量较小的发动机中，由於摩擦和冷却而造成的损失也比较小。
汽油机缩小排量的核心技术其实就是增压。增压技术用於柴油机首先是为了提高升功率，同时也为了解决碳烟和碳氢化合物排放的问题。汽油机增压至今尚属罕见。这是因为汽油机即使不采用增压也很容易达到和超过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振倾向，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。但是近年来客户对於汽车动力性的要求有增无减，汽车的最高车速愈来愈大，发动机的标定功率也随之提高，而且当今的大排量轿车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轿车汽油机的排量以达到节能的目的留下了发展的空间。根据当今国际巿场上客户的愿望，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1,100万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。这一动向值得中国轿车行业注意。
可变压缩比在增压汽油机的应用
发动机的压缩比愈高，效率愈高。但问题是，汽油机中提高增压压力会增大汽油机爆振倾向。在采用了增压技术的汽油机中，全负荷时希望适当降低压缩比以抑制爆振；而部分负荷时又希望提高压缩比以提高燃油经济性。这种情况很自然地把人们的思路带到了可变压缩比电子控制。这是国外目前汽油机的发展方向之一。国外一些汽车制造商正在努力开发可变压缩比的汽油机。这种技术使得油耗可以大大地下降，同时却不会影响发动机的动力性。
德国SAAB公司在这方面居於领先地位。该公司SVC（SAAB可变压缩比）试验发动机是一台排量为1.598升的五缸汽油机，缸径行程比为68:88mm；压缩比可在14:1（部分负荷）到8:1（全负荷）的範围内变动（见图2）。横置式发动机的整体气缸盖可以用液压装置往後倾侧，最大可达4度。发动机上部相对於下部的倾侧扩大了活塞到达上止点时燃烧室的容积大小，减少了压缩程度，降低了压缩比。如果要提高压缩程度，只要重新减少整体气缸盖的倾斜度就可以了。此时，燃烧室容积会重新减少，压缩比就提高了。SAAB公司的发动机管理系统Trionic会根据汽油机转速、负荷和燃油质量计算出最佳压缩比，这个最佳压缩比是在不断地变化。
图2 通过液压调节装置使整体气缸盖相对於曲轴箱发生倾斜而实现压缩比的改变
该机的最大增压压力可达2.8bar，最大扭矩165kW和305Nm，小小的SVC1.6升增压汽油机大致达到了3.0升自然吸气发动机的水平，然而油耗比後者降低了三分之一左右。可变压缩比在传统的自然吸气汽油机中只能减少油耗4到5个百分点。它的全部潜力只有在带有高增压的较小排量汽油机中才能显现出来，从而达到令人惊异的功率水平。
同样引人注目的还有废气排放方面的优点：二氧化碳（CO2）排放跟油耗成正比下降，而一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）都满足当今世界上有效的以及正在拟议中的一切法律条文的规定。如果采用SVC概念，就可以缩短在催化转化器达到工作温度之前所经历的冷起动阶段。汽油机起动时可以采用比较低的压缩比，因为在较低的压缩比下，汽油机的热效率较低，废气温度较高，当废气抵达催化转化器时能够更快地使它们加热，因而缩短起燃时间。如果催化转化过程已经开始，系统就根据当时的行驶条件将压缩比调节到最优化的数值。
可变压缩比使汽油机在所用燃料种类方面非常机动灵活，因为SVC能够使汽油机跟当时使用的燃料辛烷值实现最佳的匹配。SVC汽油机总是以最适合於燃料的压缩比工作。
结语
* 提高发动机负荷率可以提高燃油经济性；
* 分缸断油可以提高负荷率，且成本较低。INA（依纳）公司开发和生产的可切换液压挺杆可以解决断油缸气门暂停启闭的问题，使分缸断油的节能效果更佳；
* 通过增压缩小排量，可以在不影响发动机动力性的前提下提高部分负荷时的负荷率；
* 汽油机增压结合可变压缩比可以最大限度地兼顾汽车的动力性和燃油经济性；
* 根据SAAB公司的经验，中国生产的某3升排量自然吸气汽油机高级轿车如果采用增压和可变压缩比技术，可望将排量降低到1.6升，油耗降低三分之一，动力性却不下降；
* 在老发动机改型的场合，分缸断油的方案比增压缩小排量的方案容易实现，且成本较低。(end)
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(4/16/2008) |
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