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如何降低内燃机排放？

作者：John Kendall 来源：Ringer

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在制造商计划使量产发动机能够实现比下一时期全球排放规则更严格的排放标准时，需要想办法降低发动机内废物和温室气体排放量。以长远眼光看，以后可能会出现有效替代内燃（IC）发动机的解决方案，但是中短期内，只能通过提高汽油和柴油发动机效能实现这一目标。辅助系统电气化，有助于降低动力传动系统的附加损失和混合性能，降低排放，但是发动机设计师要如何应对提高性能的挑战，从而降低内燃机排放？

当前，全球汽车排放标准越来越严格。进一步降低氧化氮排放以及颗粒排放，可能使后处理成本增加很多。有些发动机设计师相信：未来汽油技术提高，有助于开发较便宜的解决方案，找到替代轻量型柴油发动机的更切实可行的方案。加大排放限制，可能使发动机设计师不再选择二冲程循环发动机。

但是，发动机尺寸小型化的发展趋势，使许多设计师重新考虑二冲程设计，尽管他们对四冲程发动机小型化的优势和技术挑战更为熟悉。

设计师们希望通过涡轮增压或超级增压实现较大型发动机的性能，这样也能降低燃料消耗、提高排放效率。减少发动机尺寸，会导致汽缸压力和温度的提高，需要增大曲轴和轴瓦，这样就会导致摩擦增大—这又抵消了发动机尺寸减小的好处。

此外，Prodrive公司工程总监David Hemming还指出了高负载条件下过量给油的麻烦。由于采用了涡轮增压，所以带动了进气压力增加，需要降低压缩比。在此之前，发动机设计师对效率日益低下的问题束手无策，二冲程发动机以及动力冲程是其两倍的四冲程发动机，将有助于解决此低速扭力问题。

可变压缩冲程和燃料

在去年三月日内瓦汽车展上，莲花工程公司展示了其Omnivore二冲程模型，特有可变压缩比系统（VCR）、涡轮增压和湿式油底壳。没有汽门机构，通过安装在气缸盖的一个球形器（包括火花塞和注油器）、偏心凸轮和步进马达一上一下操作VCR系统，使压缩比实现40：1。此项目是由英国环境、食品和农业事务部（DEFRA）设立的，旨在设计一款能够以可再生能源（比如生物乙醇）和汽油为燃料的发动机。

莲花工程公司动力传动系统研发总工程师Jamie Turner，在接受《国际汽车工程》采访时说：现在这家公司已经完成了以汽油和E85乙醇为燃料的Omnivore系列的初步开发，有些结果令人吃惊。“比如均质充量压燃（HCCI）四冲程发动机的碳氢和一氧化碳排放增加了。基本上，燃料里的碳氢化合物不会一直氧化到一氧化碳和二氧化碳，这不是内燃过程中气缸内的能量转化进程。

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莲花Omnivore可变压缩二冲程测试的早期结果令工程师们很惊讶

“但是我们发现，如果有机会进一步挤压，就可以产生一个反作用力，可以极大地降低碳氢、一氧化碳和氧化氮排放。现在人们普遍认为：我们没法选——要么是单数氧化氮，要么就是较低的双数氧化氮，而且乙醇的比汽油的低得多。至于碳氢，可以实现采用简单氧化催化剂的四冲程发动机那样低的排放量。”

“现在，人们发现：针对均质充量压燃发动机，发动机空转是需要解决的最困难的问题。我们需要处理转速为450rpm时的发动机空转。有趣的是：如果将废气温度作为衡量内燃效率的一个标准，这个条件下的废气温度会达到94°C—甚至不能煮沸一壶水。但是讽刺的是：在此条件下，我们还得关闭发动机，因为要冷却催化剂。我们可以结束空转，不是为了节省燃料（就是节省也非常有限），而是为了避免废气后处理，防止发动机熄火。”

不同的冲程

Ricardo还设立了一个2/4SIGHT项目，研究了二冲程循环的性能。电装公司也参与了此项目，它开发了一款直接燃油喷射系统、高级发动机控制系统以及M A 2 T4，对汽门机构转换技术很有帮助。两个英国大学参与了这个项目—Brunel大学负责单气缸发动机测试和开发，而Brighton大学负责多气缸发动机测试和内燃/冷却系统分析。

Ricardo采用了传统常用的上凸轮每气缸四阀的气门机构，但是将它改装成可在二冲程和四冲程之间转换的架构。在这个意义上，这款发动机能够在高负载、低速度情况下以二冲程模式运行，这种情况是尺寸缩小的发动机常遇到的。

“这个解决方案以我们大约15年前开发的基本的二冲程提升阀为基础，致力于将换气口通入发动机并降低残余物，”Ricardo（英国）公司技术和清洁能源总工程师Bob Gilchrist说。

现在，工程师们已经可以将一款2/4SIGHT2.1升V6汽油发动机装进汽车中，它可以作为3.4升V8发动机的小型替代品，采用了增程战略，内有双涡轮增压器以及一个由连续可变传动（CVT）驱动的增压器，以可变传动率进行增程。“采用这个解决方案可以在需要的时候获得一个二冲程扭矩，也可以在四冲程条件下运作，”Gilchrist解释说。

要实现这样的目标，必须能够在循环间转换。Richardo公司采用了一款电子液压气门机构，能够为配气相位、气门提起以及耐用性提供无限调整。所收集到的数据将用于定义一款机械性气门机构，将装载在应用2/4SIGHT的汽车上，与发动机相连。采用这种设计，就是希望实现可变气门正时、气门提起以及不侵犯本田VTEC专利的耐用性。

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Ricardo公司的2/4SIGHT研发项目，致力于在二冲程和四冲程之间自由转化，
同时克服因发动机尺寸减小而带来的一些弊端。

（本田是可变气门正时技术的鼻祖，VTEC技术就是世界第一个在正时可变气门领域获得专利的技术，经过数十年的发展变革，目前本田看家技术已升级为I-VTEC，“Ｉ”意为聪明的、智能的。—编者注释）

迄今为止所进行的模拟测试结果显示：与3.4升V8发动机相比，在2.1升V6发动机采用这样的设计，可降低燃料消耗和二氧化碳排放27%，同时仍能保持同样的动力和扭力输出。

“研发这门技术，目的是使汽油发动机成本比柴油机更便宜，不过在降低二氧化碳成本上，汽油机还是会比柴油机高，”Gilchrist总结说。

与摩擦作战

附加损失是福特工程师们的研发重心。从英国技术战略委员会筹集到资金后，福特就开始与BP公司、马勒动力传动公司一起致力于优化内燃发动机，以降低附加损失。目标是通过系列项目，降低燃料消耗和二氧化碳排放5%~10%。工程师们在润滑油、表面抛光及摩擦表面材料的效果、热的微观处理、为降低排放、提高效率而优化偏置曲轴。

“ 我们正在试着降低发动机内部摩擦力—活塞、气门机构以及轴承之间的摩擦，”福特项目领导人Andy Scarisbrick对《国际汽车工程》的记者说。福特公司和其他许多汽车制造商都曾对表面摩擦、表面材料、油及油添加剂进行了单独地研究开发，但是Scarisbrick认为：其他公司都没有认真研究过这些因素综合起来的效果。“仅从效果波向面上看，我们已经看到了一些指向性结果：有些波向面的基本理论不够正确。

这个工作是由伦敦帝国理工学院完成的，结果数据将用于润滑油和材料波面图研究，现在九个月的实验设计已经开始了。“希望我们能够发掘那些因素相互作用的方式，从而可以优化整个系统，”Scarisbrick说。他期望最终将最大效率提高4%。

只要说到热管理，“就必须关注发动机内部本身的热微处理。比如，在加热过程中，能够尝试加热活塞附近区域吗？这是我们希望油起到不同作用的地方。在油变热前是不会起作用的。只加热活塞部分非常重要，所以我们正在寻找解决之道。”

这个项目已经在偏心曲柄上取得了一些研发进展。“我们已作了一些早期的开发工作，希望能够发掘出之前没发现的其他收益，”Scarisbrick说。这些数据结果来自柴油发动机，已证明可能产生的益处将不仅限于燃料消耗。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/1/2010)


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