市场能源和环境发动机技术开发三要素

1 市场、能源和环境：发动机技术开发的三要素市场、能源和环境：发动机技术开发的三要素 辛辛 军军 杨杨 德德 胜胜 许许 敏敏 （奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院，安徽（奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院，安徽 芜湖芜湖 241009） 1 前言前言 对于以盈利为目的的汽车企业来说，市场需求是决定其产品生产和开发的主要因 素。而对汽车市场来说，政府的法规政策具有重要的约束和引导作用。迫于石油资源枯 竭和汽车排放对大气环境造成严重危害两方面压力， 世界各国政府都先后通过各种法律 法规的形式对汽车市场进行规范， 积极鼓励清洁、 高效产品的使用， 并禁止那些高排放、 高能耗产品的继续生产和销售。现在这已经成为影响汽车企业行为的另一重要因素。因 此，市场以及政府法律法规背后的能源、环境问题成了汽车企业一切生产和技术开发工 作的三个主要决定因素，这其中自然也包括发动机技术的开发。 先以日本汽车企业为例，日本的汽车产品一直以小型节能为主。特别是上世纪 70 年代石油危机之后，日本汽车厂家更加重视节能、环保型发动机技术的研究，并相继推 出采用了缸内汽油直喷 GDI、双火花塞、分层稀薄燃烧和全可变气门驱动等先进技术的 发动机产品。 近几年日本丰田和本田汽车公司更是在世界范围内最早地推出了实用的混 合动力汽车产品，并在市场上取得初步成功。而且随着近几年国际石油价格暴涨，大部 分消费者纷纷改换省油、对环境破坏小的环保型车辆。于是日本厂商生产的节能型汽车 受到了世界各地消费者的青睐。据日本汽车行业最近公布的数据，丰田、日产、本田、 铃木等主要汽车生产商 2005 年在全球的生产和销售数量均创历史最高纪录。另有业内 人士预测，丰田公司 2006 年有可能取代通用成为世界上最大的汽车生产商。而今天日 本汽车企业的兴盛也恰恰证明， 只有通过采用环保节能的发动机技术开发出符合市场需 求的汽车产品，企业才能够在市场上取得成功。 再来看欧洲，今天欧洲汽车企业的发动机产品技术开发情况与日本企业就有所不 同。他们除了积极开发先进的汽油机技术之外，如奔驰的三气门双火花塞、大众的五气 门设计、宝马的镁合金缸体设计等，还加强了包括高压共轨燃油喷射、可变喷嘴涡轮增 压、 微粒捕集器和稀燃型 NOx催化器等专门用于柴油机的先进技术开发，并相继推出多 种高效清洁的柴油机产品投放市场。 而他们的这种行为也正是受包括政府政策法规引导 和柴油机产品在欧洲市场上占有率逐步上升这两种因素影响而做出的。在欧洲，温室效 应气体的排放一直被认为是全球气候变暖一个重要的影响因素。欧盟做出承诺在 2008 2012 年期间，要将温室效应气体的排放比 1990 年降低 8。为了实现这一目标，欧 盟环境官员计划到 2008 年将汽车 CO2的平均排放量降到 140g/km。而由于柴油机的热 效率比汽油机平均高出 30左右，其二氧化碳排放量能比汽油机的低 3035，因此 欧洲各国政府通过采取包括调节燃油和车辆的税率等措施， 鼓励人们使用节省燃油的柴 2 油车。例如，不少欧洲国家为了减轻对进口石油的依赖征收较高的燃油税，使得每加仑 汽油的价格超过了 5 美元，其中的燃油税相当于油价的 75。如此高的油价，使得欧洲 人更倾向于使用象柴油车这样能节省燃油的汽车产品。 而且现在一些欧洲国家政府在车 辆燃油选择的问题上态度已经非常明确， 通过调整燃油税率的办法使柴油的价格比汽油 低 828。另外有些欧洲国家还根据汽车的燃油经济性来征收车辆的销售税，这样节 省燃油的柴油车销售税与汽油车相比将大大降低。 图图 1 柴油机汽车的市场份额柴油机汽车的市场份额 欧洲汽车市场对政府的一系列措施做出了积极响应，如图 1 所示，近几年柴油车在 欧洲的市场份额在逐步增加， 现在已经突破了 50。 正是基于这样的市场现状和对能源、 环境问题的考虑，才促使欧洲汽车企业，也包括在欧洲销售产品的其他汽车企业，加大 了柴油机环保、节能技术的研究，并且在具体技术的选择上更倾向于那些能满足欧洲市 场对节能要求较高的新技术。再以奔驰公司为例，为了同时大幅度降低柴油机的 NOx 和 PM 排放以满足未来更加严格的排放法规，并且尽量不影响发动机的燃油经济性，奔 驰公司开发出了专门用于减少柴油机 NOx排放的 BlueTec 后处理系统。 该技术的基本做 法是随发动机额外配备一个专门用于存储 Adblue 还原剂的容器，发动机运行过程中将 Adblue 喷射入高温废气中，并在高温作用下转化成氨气，与废气一起进入选择性催化还 原装置 SCR 内，在催化剂作用下将废气中的 NOx转化成无害的氮气。奔驰公司认为， 当通过采用废气再循环 EGR 和微粒捕集器 DPF 来同时降低 NOx和 PM 排放时，由于 EGR 减少了进入缸内的新鲜空气量，会导致燃烧过程中碳烟生成量和燃油油耗的增加。 虽然在排气系统可以进一步通过 DPF 将废气中的微粒过滤掉，但是燃油经济性损害却 无法补救。而在开发了 BlueTec 技术后，由于可以通过采用高压燃油喷射、中冷涡轮增 压等技术大幅度降低燃烧过程中碳烟的生成量和油耗， 并且能在排气过程中通过 Bluetec 技术进一步减少燃烧过程中伴生的大量 NOx， 因此可以在满足未来欧排放法规的同时 实现较高的燃油经济性。 最后看一下美国汽车企业情况。由于二战后美国经济空前繁荣，上世纪 50 年代以 3 后美国的汽车设计就追求超级大型和豪华气派，并匹配以大功率、大排量发动机。另外 基于某些原因在过去很长的一段时间里，美国市场上燃油的价格要远低于欧洲、日本等 市场， 因此美国汽车企业在发动机节能方面的技术研究动力和水平远不如日本和欧洲的 汽车企业。但随着近些年燃油价格的不断攀升和美国消费者兴趣的转移，以日本汽车为 代表的小型节能汽车等产品开始在美国市场热销。 迫于市场压力和节能环保需要美国汽 车企业不得不加大新型发动机技术的研发。如克莱斯勒汽车公司在其发布的全新 HEMI V-8 发动机上， 采用了多排量系统 MDS。 使发动机在汽车减速、 低转速低负荷等情况下， 关闭部分气缸的配气机构和喷油点火系统，使这些气缸停止工作。这样工作气缸将承担 更高的负荷，从而减少节气门损失，达到更经济的油耗水平。由于停缸技术能相当经济 地降低燃油消耗，满足美国政府强制性的油耗法规，因此在汽油价格持续飙升的今天， 这种技术已经在美国 3.5 升排量和六缸以上发动机中被大量使用。 此外作为现代环保运动的发源地，美国是世界上最早执行排放法规的国家，也是排 放控制指标种类最多、排放法规最严格的国家。各汽车厂商在进行技术开发时首先要考 虑是否能够满足美国环境保护局 EPA 严格的排放法规。以汽油机缸内直喷技术为例， 该技术通过在中小负荷组织分层稀薄燃烧能有效地减少节气损失，降低油耗。但是这种 稀燃一方面增加了 NOx生成，另一方面需要将传统的三元催化器升级为 NOx存储还原 催化器。后者为了防止催化剂被燃油中的硫毒化，需要燃油中硫含量低于 10ppm。而现 阶段美国联邦汽油硫含量标准为 30ppm，容易使催化剂因硫中毒而效率降低。因此为了 满足 EPA 的排放法规，现在美国的缸内直喷汽油机在所有工况下均组织的是当量均质 燃烧（会损失一部分燃油经济性） 。 正是由于燃油品质限制了汽油机先进节能技术的应用， 且由于美国加州及东北部各 州对汽车制造公司提出了比联邦法规更严格的苛刻的排放标准， 以及消费者环保意识的 加强等原因，导致高效清洁柴油机技术在美国普及缓慢，加上最近两年油价的飙升又使 消费者对节能环保汽车产生了更为迫切的需求， 所有这些因素促成了近几年汽油电力 混合动力车在美国的快速发展。 现在美国市场上销售的混合动力汽车产品主要是日本丰 田公司的 Prius（2000 年在北美上市）和本田公司的 Civic（1999 年在北美上市） ，据统 计 2004 年两者分别占据了美国同类车市场 64和 31的市场份额。 正是由于日本混合 动力汽车的热卖，使得原本只专注于燃料电池和氢动力内燃机研究，而对混合动力不屑 一顾的美国汽车厂商纷纷开始混合动力发动机技术的研究。福特公司 2004 年已在两款 SUV（多功能运动车） “福特 Escape”和“水星水手(Mercury Mariner)”中推出了混合动 力车， 并正在研发其他三款混合动力产品。 而另一家美国汽车企业通用汽车已经在 2004 年 9 月推出了混合动力版的雪佛兰(Chevrolet)silverado 和 GMC Sierra 皮卡。 2 国内情况国内情况 4 随着近些年中国经济持续多年的快速增长，汽车行业也得到了长足发展。据最新统 计数字表明，2005 年中国汽车产量为 570.8 万辆，位居世界第四，并与排在第三的德国 （575.7 万辆）相差无几。同时 2005 年汽车销量达到 592 万辆，超越日本仅位居美国之 后，成为世界第二大的汽车市场。另外，由于多年以来我国汽车行业存在很高的利润， 不仅吸引更多的国外汽车厂商通过独资或者合资的方式进入中国市场， 而且也不断吸引 新的资本力量进入汽车行业，我国汽车行业出现了一百多家企业并存的局面。但随着近 些年来各汽车厂家的不断扩能生产，我国汽车市场的整体供给能力已远远大于需求，导 致各生产厂家不得不通过降价来占领市场。因此汽车行业的平均利润水平下滑，竞争变 得空前激烈。而且竞争不再只是技术和产品的竞争，更关键的还要看成本的竞争能力。 成本加既定利润的定价方式已经不能适应市场经济环境中竞争的需要， 汽车的价格已完 全由市场来决定。哪家企业能够有效地控制、降低成本，那家企业的竞争能力就强，就 能在竞争中胜出并取得市场成功。另外由于我国普通消费者的收入水平仍然不高，汽车 还只是一般家庭的奢侈消费品，因此汽车价格以及后期的使用、维护费用往往成为他们 购买汽车时的决定因素。 这在一定程度上也助长了汽车产品成本成为市场竞争能力的重 要决定因素。 同时汽车工业的持续发展和汽车社会保有量的不断增加，也给具有 13 亿人口的发 展中国家中国带来了严重的能源和环境问题。能源方面，最新统计数字表明中国现在已 经是世界石油资源消耗第二大国。目前我国原油的纯进口量为每年 8000 多万吨，但据 估计到 2020 年石油进口要超过 60，能源问题将成为制约我国经济社会持续健康发展 的重要因素。其中我国的机动车辆在整个石油消费总量中现在只占 30%，但到 2020 年 将会占到 60左右。 因此降低机动车燃油消耗成为我国能源战略的重要目标， 我国政府 也已积极地采取了若干对应措施。 1，鼓励高效清洁柴油机的使用。2003 年 3 月 20 日，国家环保总局、国家经贸委和 科技部在北京向新闻界正式公布了关于“柴油车排放污染防治”的技术政策。 根据这项 政策，全国各地对于已经达到排放标准的柴油车，必须取消过去的歧视性政策，给与汽 油车一样的待遇； 2，制定强制性油耗法规。2004 年10 月 28 日，国家质量监督检验检疫总局和国家 标准化管理委员会联合发布了中国汽车行业首个油耗强制性国家标准 乘用车燃料消 耗量限值 。该标准从 2005 年 7 月 1 日开始实施，希望在十一五期间能够将乘用车的燃 油消耗比现在降低 15； 3，鼓励小排量汽车发展。2005 年 12 月 25 日国务院办公厅向发展改革委等部门转 发了关于鼓励发展节能环保型小排量汽车意见的通知。 通知要求在 2006 年 3 月以前 “取 消一切针对节能环保型小排量汽车在行驶线路和出租汽车运营等方面的限制” 。并要求 “有关部门要加快制定有关政策措施，引导、鼓励消费者购买和使用低能耗、低污染、 5 小排量、 新能源、 新动力汽车。 制定和完善鼓励节能环保型小排量汽车消费的税费政策” ； 4，准备实施燃油税。在近期公布的中共中央关于制定国民经济和社会发展第十 一个五年规划的建议中明确提出：中国未来五年要实行有利于增长方式转变、科技进 步和能源资源节约的财税制度，实施燃油税。 环境方面，随着城市机动车辆数目的骤增，其排放废气中所包含的 NOx、CO、臭 氧和颗粒物等有害物质已对城市空气造成一定程度污染，特别是在象北京、上海这样人 口和机动车辆都比较密集的特大城市情况尤为严重。针对这种情况，我国政府根据我国 实际情况先后颁布了一系列排放法规，基本目标就是要在 2004 年前后达到相当于欧洲 第二阶段排放控制水平，到 2008 年力争达到相当于欧洲第三阶段排放控制水平，2010 年之后争取与国际排放控制水平接轨。在此基础之上，一些污染比较严重的城市根据实 际需要采取了更加严格的措施。例如，从 2005 年 12 月 30 日起，北京已经开始对轻型 汽油车和轻型燃气汽车以及重型柴油发动机和重型燃气发动机(重型汽车)实施国家第三 阶段排放标准(相当于欧标准)。 综合上述分析，奇瑞公司在进行发动机研发时，应该首选那些节能、环保技术，并 应采取措施降努力低产品成本， 只有这样开发出的产品才能够在市场上具有更强的竞争 力。 3 奇瑞技术开发奇瑞技术开发 3.1 480DSI 发动机开发 图 2 奔驰三气门双火花塞汽油机 图 3 本田两气门双火花塞汽油机 图 2 奔驰三气门双火花塞汽油机 图 3 本田两气门双火花塞汽油机 对于汽油机每缸对角布置两个火花塞的 DSI（Dual spark ignition）技术，不仅提供 了更高的点火能量，而且也缩短了火焰面在燃烧室内的传播距离，从而有利于实现混合 气的稳定着火以及燃烧过程中火焰面在混合气中的稳定传播， 提高燃烧过程的循环稳定 性。该技术的采用使汽油机能够燃用更稀薄的混合气，以及通过采用大量的 EGR 来降 低油耗和排放。另外通过分别控制两个火花塞不同工况下的点火相位，还能够有效地控 制均质混合气燃烧过程的放热速率，从而降低燃烧噪声，提高发动机的热效率和降低燃 6 烧过程中污染物的生成。 现在双火花塞技术已经在本田和奔驰公司的进气道喷射汽油机 产品上得到了应用，如图 2、图 3 所示，并起到了很好的节油效果。 奇瑞公司开发汽油机 DSI 技术，主要是由于装配 SQR480 发动机的 A216 车（整车 质量范围 1090kgCM1205kg）的整车油耗，不能满足国家新颁布的乘用车燃油消 耗限值法规中规定的第一阶段限值。经分析认为主要是由于该发动机的火花塞偏置在 燃烧室一侧，因此燃烧过程中火焰传播路径长，燃烧速度较慢，油耗较高。为了继续发 挥其价格低可靠性高的市场竞争优势，以及为了节省成本，充分利用原来的生产线，尽 可能减少对新增设备的投入，通过多种技术方案比较后决定在 SQR480 发动机上研发双 火花塞技术。 3.1.1 火花塞布置 为了保证新增双火花塞能在气缸盖上合理布置，考虑了从气缸盖罩上面及进气管安 装法兰侧安装两种方案。由于从气门室罩盖上安装时新增火花塞与进气道互不干涉，试 制时缸盖所需更改范围小，同时燃烧室也能在此位置很好布置。另外每缸只需采用一个 套筒，就能密封住气门室内的油气混合气。因此在第一阶段试验中选择了从气门室盖上 方装入新增火花塞的方案，相应地对气门室盖罩做出适当改动。图 4、图 5 所示分别为 新增火花塞和双火花塞整体的布置示意图。 图图 4 气缸盖罩上装入火花塞示意图气缸盖罩上装入火花塞示意图 图图 5 双火花塞结构示意图双火花塞结构示意图 3.1.2 燃烧室设计 当在原燃烧室的火花塞对面布置另一火花塞后，燃烧室体积有所增加增加，这样压 缩比就要降低到 9 左右。由于采用双火花塞后，火焰的传播距离缩短，不易发生由末端 混合气自燃引起的爆震，因此可以通过适当增加压缩比来实现较高的燃烧速度和热效 率。这里为了将压缩比提高至 10.511 之间，将气缸盖底平面加工去一部分，缩小活塞 顶面到缸盖底面的距离，以减小燃烧室容积。另外为避免活塞顶面碰到气门，在活塞顶 上加工出相应的气门凹坑。 笔式点火线圈 火花塞套 密封圈 火花塞套筒 密封圈 新增火花塞套筒 原火花塞位置 7 3.1.3 试验研究 在发动机台架上对双火花塞 DSI 发动机与原 SQR480 发动机进行了试验比较研究， 为了减小试验误差，两者相比只更改了缸盖，并将发动机压缩比由原机的 9.5 提高到 10.7。此外 DSI 发动机电喷系统采用了临时制作的双 ECU 控制系统，可以分别控制安 装在发动机进排气侧的两组火花塞的点火提前角。 图图 6 480DSI 发动机与原机全负荷性能比较发动机与原机全负荷性能比较 图 6 所示为 480DSI 发动机与原机全负荷性能对比试验结果。由该图可以看出，采 用双火花塞技术后，发动机最大功率和扭矩都有很大的提高，最大扭矩在发动机转速 3000r/min 时提高约 6.5Nm，而最大功率在发动机转速 5500r/min 时提高约 3.2kW。另外 在发动机中高转速工况范围，有效油耗能比原机降低 10g/kw.h 以上。另外发动机转速 2000r/min 和 3000r/min 部分负荷对比试验结果还表明， 与原机相比 DSI 发动机的最低油 耗分别减少了 10.6g/kw.h 和 8.6g/kw.h，节油效果比较明显。 此外有研究表明， 适当的废气再循环能够提高进气终点缸内的温度， 降低充气效率， 因此部分负荷可以减小进气节流，降低油耗。为此在 480DGI 发动机上还试验研究了外 部 EGR 对燃油经济性能的影响。试验中利用排气管与进气管之间的压差将部分废气引 入进气管，并且利用一个开度控制阀手动控制 EGR 量。1500rpm 和 3000rpm 转速下部 分负荷的对比试验结果见图 7、图 8。 图 7 转速 1500rpm 下油耗比较 图图 7 转速 1500rpm 下油耗比较 图 8 转速转速 3000rpm 下油耗比较下油耗比较 8 从上述试验结果可以看出，EGR 在降低双火花塞发动机燃油油耗方面是非常有效 的。到目前为止，A216 车整车工况模拟试验的结果表明，使用双火花塞发动机能比原 机节油 3.8%，而双火花塞带 EGR 比不带 EGR 又节油 3.0%，即在原 SQR480 的基础上 通过使用双火花塞（包括增大压缩比）技术和 EGR 能使整车油耗下降 6.8%。表 1 所示 为装载480DSI发动机的06款A216与装载原480发动机的05款A216的整车参数比较， 由该表可知 06 款 A216 整车油耗已经有了明显降低，基本上满足国家燃油油耗标准。 表 1 05 款与 06 款 A216 整车参数比较 表 1 05 款与 06 款 A216 整车参数比较 05 款 A216 06 款 A216 整备质量（kg） 1100 1100 发动机型号 480EC 480SC 变速箱 AQ015 AQ015 NEDC 油耗(L/100km)9.2 8.1 3.2 2.0L 直喷增压汽油机开发 为了进一步降低汽油机的油耗，特别是城市交通中常用的低负荷下的油耗，世界各 大汽车厂家纷纷开展了汽油机缸内直喷技术的研发。比如雷诺公司的 IDE(Injection Direct Essence)直喷发动机，大众公司的 FSI 系统，奔驰的 CGI 系统，菲亚特的 JTS 系 统，以及三菱公司的 GDI 汽油机直喷发动机等，它们虽然名字不同，但都代表了汽油缸 内直喷技术。与以往汽油机化油器和进气道喷射两种供油方式不同，缸内直喷是指通过 高压燃油系统将汽油直接喷入缸内并使之燃烧。与传统的多点气道喷射的汽油机相比， GDI 有四大显著的优点：第一，GDI 技术能有效地降低发动机的未燃碳氢化合物的排放， 因为 GDI 技术避免了气道喷射汽油机在冷起动时燃油在气道壁面沉积的问题， 而且极大 地提高了燃油与空气的混合程度，更为精确地控制每个燃烧循环的空气与燃油的比例， 从而达到缸内完全燃烧的目的；第二，GDI 技术使汽油在燃烧室内雾化、蒸发，其蒸发 潜热降低了燃烧室内空气的温度，从而增加了燃烧室内空气的质量。同样排量的 GDI 发 动机能产生更大的功率；第三，因汽油蒸发降低了充气的温度，使发动机设计师有可能 提高发动机的压缩比，进而提高发动机的热效率；第四，GDI 使发动机能很容易实现分 层稀薄燃烧。分层稀薄燃烧的优点是降低发动机的吸气损失、提高发动机的燃烧效率， 从而使发动机有更高的循环效率。因此为了满足国家未来排放和油耗法规，并提高公司 产品相对市场上其他同类产品的竞争力， 奇瑞公司也已经开始了汽油机缸内直喷技术的 研发。 3.2.1 燃烧方式 目前世界上已实现批量生产的缸内直喷汽油机， 其混合气形成和燃烧方式控制都是 按照发动机不同负荷进行的。部分负荷时是在压缩冲程后期向气缸内喷射燃油，通过组 织合理的气流运动加速燃油喷雾气化， 同时利用燃烧室壁面导流等方式限制混合气空间 9 扩散，从而在火花塞附近形成浓混合气层，并达到总体上超过 25：1 的超稀薄混合气， 实现稳定稀薄燃烧。高负荷则是在进气冲程就向缸内喷射燃油，并利用喷雾和缸内气流 运动，在整个燃烧室内形成均匀的接近理论空燃比 14.7：1 或稍浓的混合气，实现均质 当量燃烧。这时混合气的形成和燃烧过程与常规的进气道喷射发动机都比较相似。对这 些缸内直喷汽油机产品来说，虽然在部分负荷通过实现稀薄燃烧能有效地降低油耗，但 由于发动机长期处于稀空燃比的工作条件下，排气中含氧较多而且排放温度也较低，致 使传统三元催化器的转化效率不高并且起燃困难。而在为稀薄燃烧准备的分层混合气 中， 必然有部分混合气的空燃比接近 14.7： 1， 这部分混合气的当量燃烧会产生大量 NOx。 因此对这些直喷汽油机来说，需要依靠 EGR 和稀燃 NOx 催化转化器来控制 NOx排放。 而已有稀燃 NOx催化剂要求燃油中硫含量较低，这是中国现阶段燃油品质远不能满足 的。基于此考虑并为了继续使用与传统气道喷射发动机通用的排放后处理技术，奇瑞公 司决定在 2.0L 直喷增压汽油机的开发中，在所有负荷下均组织均质当量燃烧。表 3 中 对均质当量燃烧和分层稀薄燃烧的异同点进行了比较。 由于目前国内市场还没有同类产 品，因此该项发动机技术的研发对于提高奇瑞公司产品的市场竞争力是非常有帮助的。 3.2.2 燃烧系统 图 9 是 2.0L 直喷增压汽油机所采用的燃烧系统剖切图。 该燃烧系统是综合考虑了燃 油油耗和排放等发动机性能后，从开发初期的一系列方案中选择的。高压喷油器采用多 孔喷油器，安装在进气道下方。另外根据进气道与气缸盖所形成的空间结构，喷油器的 喷束轴线相对于活塞顶倾斜一定角度，以适应与燃烧室的相对几何关系。活塞顶部燃烧 室为敞口浅盆型，如图 10 所示，从而与多孔喷油器相配合以形成均质混合气，并尽量 减少燃油湿壁，避免严重的机油稀释。 图 9 缸内直喷汽油机燃烧系统剖切图 图 10 活塞顶部燃烧室形状示意图 图 9 缸内直喷汽油机燃烧系统剖切图 图 10 活塞顶部燃烧室形状示意图 3.2.3 高压燃油系统 图 11 所示是奇瑞公司 2.0L 直喷增压汽油机采用的燃油系统示意图，包括低压系统 和高压系统两部分。低压系统燃油压力约为 6bar，油泵单元集成了燃油泵、压力调节器 10 和油滤。高压系统的高压油泵最大可建立起 120bar 的燃油压力，燃油在油泵作用下，通 过进油管到油轨和喷油器，未喷燃油则沿回油管流回油箱。 图 11 高压燃油系统示意图 图 11 高压燃油系统示意图 3.2.4 可变气门正时 VVT 奇瑞 2.0L 直喷汽油机没有使用外部废气再循环，而是利用 VVT 改变进排气相位， 从而控制进、排气门重叠角，达到控制内部 EGR 率的目的。 3.2.5 中冷涡轮增压系统 这款直喷汽油机还装备有中冷涡轮增压系统，从而在不增加发动机排量的基础上， 大幅度提高功率和扭矩。这里希望通过结合缸内直喷技术与废气涡轮增压技术，同时提 高发动机功率密度和降低油耗， 从而使发动机向轻量化、 小型化方向发展。 有研究表明， 直喷技术与涡轮增压技术具有一定的互补性。当采用缸内直喷时，缸内燃油的蒸发将使 缸内混合气温度降低，从而抑制爆燃的发生，因此能够适当的提高进气压力；此外，与 进气道喷射发动机相比，直喷发动机的排气温度较低，通过涡轮的废气量增加，也有利 于提高废气涡轮增压器的快速响应性。 图图 12 2.0L 直喷增压发动机与竞争发动机功率密度比较直喷增压发动机与竞争发动机功率密度比较 奇瑞公司 2.0L 直喷增压发动机的性能指标示于表 2。该款发动机不仅油耗较低，而 且其功率和扭矩输出也相当优异，其升功率和升扭矩分别达到了 71.5kW/L 和 11 143.5Nm/L。从图 12 所示与竞争发动机功率密度比较可以看出，该发动机以较小的排量 实现了较高的功率输出，有利于实现发动机的小型化（downsizing）和轻量化。 表表 2 2.0L GDI 发动机性能指标发动机性能指标 3.3 ISG 混合动力专用汽油机开发混合动力专用汽油机开发 从目前国内外汽车业发展现状看，发展混合动力车已成为汽车未来发展的方向，专 家预测，未来十年内将有 40%的汽车采用混合动力技术。此外对于以奇瑞为代表的中国 自主品牌民族汽车工业来说，抓住当前国际发展混合动力汽车、电动汽车的契机，研发 出相应汽车产品，也是掌握未来汽车工业发展的主动权，缩小与国际汽车公司差距的一 次机遇。在此背景下，奇瑞公司于 1999 年起就开始进行清洁能源汽车的混合动力轿车、 纯电动轿车以及替代燃料轿车的研究与探索， 进行了相关的样车开发与试验， 并于 2001 年底成立了奇瑞的清洁能源项目组进行清洁能源汽车的研发。在混合动力轿车方面， 2002 年初由奇瑞汽车公司牵头联合了合肥工业大学、 华中科技大学等 8 家单位， 申请并 承担“十五”863 计划的“奇瑞混合动力轿车”课题，2003 年 2 月完成了第二轮样车的 研制并通过了科技部的最终项目验收；2003 年 10 月进入了 863 计划的第二轮滚动，承 担了 “QR 混合动力轿车研发” 课题。 2004 年 12 月又以奇瑞公司为主体， 结合国内 “863” 计划资源的高校、科研机构和企业，共同承担了“ISG 混合动力轿车用汽油发动机研发” 课题和“BSG 轿车关键技术与核心零部件研发”课题，并于 2006 年 1 月顺利通过了科 技部 863 计划能源技术领域办公室和 863 计划电动汽车总体专家组的联合验收。 图图 13 ISG 混合动力系统示意图混合动力系统示意图 3.3.1 ISG 混合动力系统 奇瑞公司的 ISG（Integrate Starter Generator）混合动力系统，如图 13 所示，由“1.3L 低速扭矩（1500rpm） 250Nm 最大扭矩（1800rpm） 287Nm 额定功率（5500rpm） 143kW 全负荷最低油耗 290g/kWh 1500-3500rpm 车车 轮轮 车车 轮轮 变速器变速器 ISG系ISG系统统 离合器离合器 发动机发动机 电机电机 (10kw) 驱 动 器 驱 动 器 能量蓄存单元能量蓄存单元 （144V电池电池） 12 汽油机5 速手动变速器10kW 电机144V 镍氢电池”组成，电机采用永磁同步电机 并带有电机控制系统、逆变器以及 DC/DC 转换器。采用发动机和电机扭矩叠加方式进 行动力混合，发动机与电机和变速器相并联，按照不同的行驶工况要求，发动机的扭矩 与电机的扭矩在变速器前进行多种形式的复合以实现最优的驱动效率。 以发动机为整车 主动力源，电机系统起“补峰平谷”作用。在加速时，电机助力弥补发动机低速扭矩低的 不足，在减速和制动时实施刹车能量回收，使电机发电并储存于动力电池中。在停车时 发动机关闭，消除费油、高排放的怠速状态；启动时电机则瞬时启动发动机进入工作状 态。ISG 系统结构简单、紧凑、重量轻，可以大幅度改善燃油经济性、降低排放。此外， 奇瑞公司选择在本公司十分畅销的 SQR 系列轿车平台上开发混合动力轿车。而经过前 期的试制与研究，认为在该平台上批量生产混合动力轿车，其成本估计只比现在的汽油 发动机成本增加 1520。 考虑到奇瑞公司的汽油轿车具有良好的性能价格比， 相信混 合动力轿车产品将同样具有性能、价格上的优势，市场更加巨大。 3.3.2 Miller 循环发动机 对于传统的遵循 otto 循环的内燃机，其压缩比和膨胀比近似相等，且理论循环热效 率随压缩比的增加而升高。但压缩比的升高收到“爆震”的限制。所以在这款以降低燃 油油耗为主要目标的混合动力专用汽油机的研发中， 为了通过增加压缩比提高发动机热 效率，工作过程采用了 Miller 循环，其基本工作原理如图 14 所示。首先为了提高膨胀 循环的做功，排气门开启从 4推迟 4，以增加循环热效率；其次为了避免由于压缩比升 高引起的爆震，将进气门在压缩冲程的关闭时刻从 5 推迟到 1，这样一方面使发动机压 缩冲程实际压缩比降低，另一方面还将部分进入气缸的冲量推入进气道，实现部分负荷 时不减小节气门就减小进气量的效果，从而减小节流损失，提高热效率。 Miller 循环实用的时候并不是要求几何膨胀冲程的活塞行程大于几何压缩行程，因 为这在工程中难于实现。奇瑞公司开发的这款发动机是通过采用双可变正时气门技术 （Double VVT） ，也就是通过在进、排气凸轮轴上分别安装一个电控液压相位器来实现 的，如图 15 所示。 图图 14 Miller 循环工作原理图循环工作原理图 图图 15 独立的进排气相位调节器独立的进排气相位调节器 此外，由于 Miller 循环发动机可以对进、排气相位独立自由调节，因此可以根据负 13 荷的不同调整气门重叠角，最大程度的利用内部 EGR 来降低泵气损失和 NOx排放。 3.3.3 其他关键技术 除了通过 Double VVT 技术以实现 Miller 循环外，这款 ISG 混合动力专用汽油机上 还采用了其他几项主要技术： 1，发动机部件轻量化。发动机主要部件，如缸体，缸头，进气系统等，采用铝合 金铸件。 并且对曲柄连杆系统等进行优化， 以减轻发动机重量， 从而提高整车的经济性。 2，进排气道设计优化。采用 CAE 方法对进、排歧管和进排气道进行流场分析，利 用试验台架对进排气道进行试验验证开发。 3，降低摩擦技术。通过优化活塞型线，在活塞裙部进行表面处理，减小活塞与气缸 孔相配的滑动表面摩擦；通过计算，减小活塞环弹力，降低摩擦；通过改进凸轮型线、 进气门升程以及改变进排气门弹簧弹力，减小气门机构摩擦等。通过这些措施减少机械 损失，从而提高燃油经济性。 3.3.4 试验研究 图图 16 Miller 循环对发动机性能的影响循环对发动机性能的影响 在发动机台架上就 Miller 循环对发动机性能的影响进行了试验研究。从图 16 可以 看出，在低速和中高转速动力性能下降的同时，燃油经济性有一定改善，这表明运行 Miller 循环确实在全负荷区域发挥作用。另外，通过发动机按照由部分负荷优化试验得 出的 miller 循环 Map 图运行，初步达到了部分负荷节油 5%的目标。 3.4 高压共轨柴油机开发 柴油车轿在中国的发展已经成为无法回避的事实,适度发展和推广具有先进技术的 现代柴油轿车有利于国家社会资源的节约， 符合产业政策和中央政府提出的建设节约型 社会的倡导。因此奇瑞公司提前开始了轿车用 1.9L 高压共轨柴油机的开发。 3.4.1 高压共轨燃油系统 为了提供足够高的喷射压力以改善喷雾质量，并精确地控制喷油相位、喷油量和喷 14 油次数，该款柴油机采用先进的高压共轨燃油喷射系统。 3.4.2 中冷涡轮增压系统 为了提高发动机升功率，该款发动机装备了带中冷器的废气涡轮增压 TCI 系统，且 涡轮采用了先进的可变喷嘴(VNT Variable Nozzle Turbo)技术。该技术有几方面的特点： 1，具有较宽的流域可供柔性控制；2，.在最大扭矩点时通过提高增压压力，从而增加进 气量，有助于减少颗粒排放，并改善油耗；3，在最大功率输出点通过降低排气背压， 能减少扫气损失，改善油耗，另外还能降低增压器的最高转速，对其起到保护作用；4， 发动机低速时通过提高增压压力，可以在保证排放性能的情况下向缸内喷入更多的燃 油，从而提高低速时的扭矩输出，并降低油耗。 3.4.3 废气再循环系统 为了减少氮氧化物排放，1.9L 高压共轨柴油机还采用了大流量的 EGR 技术。由于 同时采用了增压系统，进气压力不再是负压，因此传统的靠排气背压引入废气的方法将 存在问题：一方面部分工况下排气背压小于进气歧管中的压力，易引发倒流，另一方面 也降低了 EGR 系统的工作效率。为了精确的控制 EGR 量，对 EGR 进气管进行了改进 设计，采用文丘管引流。 3.4.3 燃烧系统 图图 17 四气门结构示意图四气门结构示意图 图图 18 燃烧系统结构示意图燃烧系统结构示意图 为了增加系统进气量，1.9L 高压共轨柴油机采用了四气门技术，如图 17 所示，同 时采用双顶置凸轮轴。为了加强缸内气流运动以促进燃烧过程缸内油气混合，进气道采 用螺旋气道和切向气道相结合的方式。此外为了改善寒冷气候下发动机的冷启动性能， 该款柴油机还采用了加热塞技术。 图 18 所示为 1.9L 柴油机燃烧系统结构示意图。燃烧室采用典型的收口燃烧室， 喷油器垂直布置在缸盖上，采用多孔喷嘴。喷油器轴线与燃烧室轴线基本重合，燃油喷 雾能够径向均匀地分布在燃烧室内。此外由于该款柴油机采用了增压技术，因此活塞的 热负荷较大，这里采用特殊设计的活塞内冷却油腔，并结合冷却喷嘴对活塞进行冷却。 15 3.4.4 催化后处理技术 为了降低发动机的 HC,CO 排放，1.9L 高压共轨柴油机采用了氧化型催化转化器对 排气进行后处理。使得发动机完全可以满足欧洲四号排放标准，并且具有通过改进达到 欧 V 排放水平的潜力。 表表 3 1.9L 高压共轨柴油机性能指标高压共轨柴油机性能指标 标定转速 4000rpm 标定功率 93kw 最大扭矩 271Nm 最大扭矩转速 2000rpm 最低油耗 205g/kw.h 排放 欧 表 3 所示为奇瑞公司 1.9L 高压共轨柴油机的性能指标。该发动机不但能够满足欧 排放法规，而且最低油耗达到了 205g/kw.h，非常的高效清洁。另外在 2000rpm 的低 速下实现了 271Nm 的扭矩输出，能使装备该发动机的轿车具有良好的低速加速性能。 4 结束语结束语 本文从市场、能源及环境三方角度对发动机技术的研发与应用作了阐述，这三者在 发动机技术开发中起到至关重要的作用。更由于发动机产品的开发周期长达 5 年，使得 汽车制造公司在产品规划中必须对目标市场需求、 能源供需变化以及各国环保法规有前 瞻性的准确把握。 参考文献参考文献 1 Hiroshi Tatsuta, Motohiro Matsumura, Jyunichi Yajima, Hiroto Nishide. Mixture Formation and Combustion Performance in a New Direct-Injection SI V-6 Engine. SAE Paper 981435(1998):21-25. 2 Shoji Adachi, Kimihide Horio, Yoshikatsu Nakamura, Kazuo Nakano, Akihito Tanke. Development of Toyota 1ZZ-FE Engine. SAE Paper 981087(1998): 69-78. 3 Takasuke Shikida, Yoshikatsu Nakakubo, Tamio Nakakubo, Hiroyuki Kawase. Development of the High Speed 2ZZ-GE Engine. SAE Paper 2000-01-0671(2000). 4 Koichi Fukuo, Takeshi Iwata, Yasuhide Sakamoto, Yoshihiro Imai, Kazuhiro Nakahara. Honda 3.0 Liter, New V6 Engine. SAE Paper 970917(1997): 119-128. 5 Mutsumi Kanda, Toyokazu Baika, Senki Kato, Minoru Iwamuro, Makoto Koite, Akinori Saito. Application of a New Combustion Concept to Direct Injection Gasoline Engine. SAE Paper 2000-01-0513(2000): 133-141 6 Makoto Koike, Akinori Saito, Terutoshi Tomoda, Ya