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新形勢下車用發動機發展技術探究


隨著內燃機發展技術逐步趨于成熟,新形勢下國家對于節能環保與限制車輛排放等規定日益嚴苛。傳統的內燃機在不能充分解決較低的熱效率、對石油燃料的過分依賴、廢氣的排放的情況下,必然要探索一種新的車用動力。
主要有三種方式,一是利用新的動力機械代替內燃機,以電動汽車為代表,但其關鍵環節———電池技術發展較為緩慢,成本昂貴,不能大規模使用;二是改善發動機自身性能,通過各種控制策略,主要以電子控制技術為主,提高發動機效率;三是優化使用性能,如發動機與傳動系統的最佳匹配,各種自動變速器與無級變速器的開發使用,以及將內燃機與電力驅動組合形成混合動力電動汽車(HEV),兼顧了兩種驅動方式的優點。
1、電控技術
1.1電控技術在汽油機上的應用
電控技術由機械控制演變而來,與其最大不同之處便是能在各種變工況下起到實時調控,從而實現對發動機壓縮比、空燃比、配氣相位、進氣渦流強度等性能參數的全面優化。在汽油機上面,首先是微控制器,即常說的單片機。它是發動機控制技術的核心所在,在實現實時控制的過程中起到大量的信息存儲、計算、輸出的作用。例如電控燃油噴射系統從單點噴射(TBI)與多點噴射(MFI)到分組噴射,最后演變成目前廣泛使用的多點順序噴射(SFI),都提體現了微控制技術數據處理能力的不斷進步。
其次是電子控制單元(ECU),從最初單一的控制功能,到后來集成電路的發展,ECU功能擴展為現在的集成控制。此外汽油機的電子管理系統,包含部件保護、系統檢測、信息處理、應急反應等主要功能。是一個集點火、噴油、排放、怠速以及故障診斷的控制系統。
1.2電控技術在汽油機上的應用
1.2.1柴油機三大電控噴油系統
由于柴油機的燃油噴射技術難度較高,相比于汽油機,需要更高的噴射壓力,更短、更準確的噴射時間與噴油率,因此本文主要將噴油系統的控制方式歸納為三種。①脈動式電控噴油系統,由電控直列噴油泵、P型泵以及電控分配泵組成。電控直列噴油泵在原直列泵的基礎上,增加了位移傳感器、轉角傳感器以及電磁鐵執行器與控制單元,從而達到對噴油量的實時調控。噴油系統電控化,但供油方式仍然保留了傳統的脈動供油。由此看來脈動式電控噴油系統只是對噴油系統進行了初級的改造,并不能滿足現代化柴油機對于優化性能參數的要求。②時間控制式柱塞泵脈動噴油系統,保持傳統柱塞式往復脈動供油,通過高壓油路中電磁溢流閥噴油始點以及噴油量,柱塞副此時不起油量調節的作用,因此可以去除調速器、提前器和出油閥偶件等裝置。③共軌噴油系統,放棄了柱塞式脈動供油方式,將高壓柴油存放在容器中,即稱為共軌,利用兩位三通電磁換向閥將高壓油按照預定的模式輸入到噴油器中實現噴油過程。其優點在于實時改變高壓油路中油壓或電磁閥升程達到噴油壓力與噴油率的控制,響應過程迅速。
1.2.2噴油率的控制策略
噴油率是評價柴油機性能的重要指標,柴油機燃燒過程中著火落后期要盡可能縮短,因此噴油量要“先緩后急”噴入,將噴射過程分為預噴射與主噴射里兩個階段。

圖1 預噴射對燃燒特性(氣缸壓力)影響
圖1中,適當降低混合氣的生成量,合理優化初期噴油速率,而預混合燃燒階段的放熱峰值較低,有效降低了燃燒溫度和氣缸壓力從而降低NOx排放以及噪聲污染。

圖2 預噴射對燃燒特性(針閥升程)影響
圖2中,在燃燒中期,為了提高發動機的動力性與經濟性,應加快燃燒速率;燃燒后期,則盡可能縮短擴散燃燒以便于降低顆粒與煙度的排放,因此,柴油機在燃燒周期以后便不適合預混合燃燒,而采用擴散燃燒方式。
2、柴油機的預混合燃燒技術
2.1HCCI燃燒技術
傳統的汽油機采用預混合燃燒,柴油機采用預混合燃燒+擴散燃燒,但從根本意義上,無論是汽油機或是柴油機均不能保證高效率、高動力性的同時兼顧低NOx和顆粒排放。而預混合壓燃(HCCI)技術的誕生被看作未來內燃機發展過程中解決高效率、低排放的愿望最佳途徑。
2.2HCCI技術實現
HCCI燃燒技術由兩個階段組成,第一階段為低溫化學反應產生藍色火焰,經過一段反應滯后時間進入到主燃燒階段。實現此技術的主要方法為采用噴霧范圍廣、霧化均勻的燃油噴霧加快實現均勻的稀混合氣,設法延長滯燃期,使混合氣充分混合從而抑制NOx與顆粒的生成。圖3、圖4為日產MK燃燒方式的技術路線,利用高達45%的循環廢氣(EGR)來抑制燃燒溫度與速率,從而延長滯燃期。結果使得NOx排放降低約91.7%同時HC排放也下降了約50%,而碳煙顆粒幾乎降到零。

圖3 MK燃燒過程的主要技術路線及HC、NOx排放降低效果
3、混合動力驅動技術
毫無疑問,未來的新能源汽車必將取代內燃機汽車。但就目前的發展前景來看,純電動汽車仍然需要克服續航里程、電池成本、充電時間與能量密度不足等缺點;燃料電池電動車礙于反應所需的催化劑造價成本高、加氫站設施不完善的問題。相對來說,混合驅動電動汽車(HEV)則充分兼顧到低排放與高比功率的優勢。

圖4 MK 燃燒過程的主要技術路線及煙度、NOx 排放降低效果
混聯式混合動力系統:
混合動力電動汽車由動力傳動系、車載能量源、動力裝置、傳動系以及輔助系統組成,根據組成混合動力的動力傳動系之間的位置與聯結方式的不同,有串聯、并聯與混聯三種類型。而混聯式混合動力結構不僅僅是簡單的串并聯的結合,而是將串聯式與并聯式復合成一種綜合的式結構。按照功能的差異分為開關式與功率分流式。圖5為功率分流式混聯混合動力系統。

圖5 功率分流式混聯混合動力系統
此系統的特點是兼備串聯混合動力的車載能源的混合以及并聯式混合動力機械動能的混合,通過行星輪系對發動機輸出的動力進行指定分配,從而與動力電池組輸出的電能形成電電耦合方式,以及與電機系統輸出的動力構成機電耦合方式形成驅動力作用于車輪上。
4、結語
在節能環保與新能源汽車的壓力下,內燃機汽車通過電子控制技術對其壓縮比、空燃比、配氣相位、進氣渦流強度等性能參數進行不斷優化,同時大力降低排放以應對挑戰的同時,混聯混合驅動技術正逐步趨于高效率、低排放、高比能量、輕量化、集成化等優勢逐漸對其進行趕超。


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