未来汽车发动机 系统的技术展望PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 内燃机所面临的挑战和危机• 对油耗和排放越来越严格的法规标准 • 来自电动汽车和只排水蒸汽的燃料电池 汽车的威胁PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 内燃机进一步改进所遇到的 三大主要难题• 希薄燃烧的排气处理技术– NOx – PM• 直喷汽油机的燃烧系统和排气处理– 低负荷轴效率 – NOx (LNT)• 均匀混合压燃式发动机(HCCI)的控制技术– 工作范围的扩大 – 瞬态工况变化的控制PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 未来柴油机和汽油机的比例• 汽油机仍然占主导，80％以上 • 柴油机在西欧的比例将持续增长PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 柴油机和汽油机的比较－价格6缸100千瓦汽油机价格分析表柴油机的价格贵30~50%左右PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 柴油机和汽油机的比较－比功率(powerdensity)最先进的高速增压柴油机的重量所带来的比功率减幅20～30％PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 柴油机和汽油机的比较－排放控制• 汽油机配备一或数个三元催化， 加上 先进的控制技术， 可达到当今最严格 的排放标准 － PZEV; • 虽然柴油机在燃烧，噪音和排放上有巨 大改进， 仍然没有耐久，价廉的NOx, PM后处理技术能达标。

PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 柴油机和汽油机的比较－油耗和CO2• 西欧和日本的油价约为美国的4倍 • CO2 促使地球温暖化， 逐渐成为重要排放 指标 • 理论混合比汽油机的油耗已有很大改善， 余地不多PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 1975年以来美国汽车汽油机发展－油耗和性能CAFÉ 引入 35％PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 1975年以来美国汽车汽油机发展－发动机参数变化增加压缩比采用4气阀减小发动机排气量PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 柴油机和汽油机的比较－油耗和CO2PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 如何降低汽车发动机油耗－提高轴热效率• 希薄燃烧PFI ～5-10% • 成层燃烧直喷汽油机 ～15-20% • 高速柴油机 ～ 30%, 但是CO2只降20%左 右， 因为柴油含碳量高。

PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 理论混合比汽油机效率分布冷却损失，不完全燃烧， 非理想循环损失，尾气损失等 泵气损失 机械摩擦PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 发动机效率改善方法轴热效率 机械效率 机械损失 指示热效率 实际循环损失 理论热效率辅 助 部 件 损 失运 动 件 损 失气 阀 系 统 损 失泵 气 损 失燃 烧 效 率燃 烧 时 间 损 失热 裂 解 损 失冷 却 损 失比 热 比压 缩 比PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 1 提高理论热效率• 增加汽缸压缩比– 优化进排气系统和燃 烧系统设计来增强防 爆震能力 – 使用高octane汽油 – 改善爆震控制（传感 器反馈） – 可变几何压缩比 – 可变有效压缩比 （VVT/EMVA）• 增加比热比以增加膨 胀功– 空气希薄燃烧系统 （CIDI,DISC,HCCI…） – 高EGR希薄系统PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 2 减少实际循环损失（1）• 减少冷却损失– 希薄燃烧/EGR系统 – 提高壁温（冷却水温 度控制） – 减小燃烧室面积与容 积比例 – 尾气余热再利用（涡 轮增压）• 减少热裂解损失– 减低燃烧温度 – 希薄燃烧/EGR系统• 减少燃烧时间损失Ø 快速燃烧系统 Ø 优化活塞运动/加长连 杆PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 2 减少实际循环损失（2）• 提高燃烧效率– – – – – 改善混合气形成 减小燃烧室面积 减小燃烧室crevice 减小blew-by 提高壁面温度（冷却 水） • 减少泵气损失– 希薄燃烧/EGR系统 – 进气加热（利用尾气余热） – 无节气损失（成层燃烧， 进气阀节气，Miller循环） – 可变气阀时间(VVT) – Individual cylinder deactivation – Individual cycle deactivation – 减低排气压力 – 减小排气量，利用增压来 提高比功率PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 3 减少机械摩擦损失• 减少气阀系统损失– Roller Follower – 减少运动件质量• 减少辅助件损失– 提高辅助件工作效率 – 使用可变行程式油泵， 水泵 – 使用电机驱动辅助件 – 电机控制和驱动速度 控制• 减少活塞摩擦损失– – – – – 使用双活塞环设计 使用低张力活塞环 减少运动件质量 用低粘度润滑油 分区冷却PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 轴热效率改善余地• 汽油机：– 现在：<35% – 2020: 40-42%• 主要技术动态：Ø混合气稀释 Ø节气阀以外的负 荷控制手段 Ø减小发动机容量• 柴油机：– 现在：42－45% – 2020: 50－52%PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 (1)混合气稀释－ 利用过剩空气或EGR• • • • • • •减少泵气损失 减少冷却损失 减少热裂解损失 增加比热比以增加膨胀功 减少排气中的NOx, CO 但增加排气中的HC 由于过量空气时三元催化剂的 NOx转 换效率很低，需要使用高价低性能尚 在开发阶段的稀混合气 NOx催化剂PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 主要希薄燃烧系统• 高速直喷柴油机(HSDI) • 直喷成层混合希薄燃烧汽油机(DISC) • 均匀混合压缩着火式希薄燃烧汽油机或 柴油机（HCCI）PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 最新高速直喷柴油机的特性• 油耗比类似PFI汽油机 低40％ • 汽缸几何压缩比18～23 • 实现所有工况下无节气 运转 • 大部分具有高涡轮增压 • 与汽油机相比，重10～ 15％，价格贵30～50％PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 最新柴油机技术• • • • • • 多气阀 可变进气系统 可变涡轮增压 可变气阀时间 轻材料（铝，塑料） 高压油轨燃油喷射系统– 1800～2000bar – 多次喷射 （5次）• 预喷射：减噪音，降温减NOx • 多次主喷射：促进预混合，瞬时终了燃烧以减少碳粒形成 • 后喷射：帮助催化剂处理尾气－温度或油浓度等– 提高喷油量重复性 （变化<0.2%） – 减小喷油迟后时间 （<0.5CA）PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 油轨喷射系统和泵喷嘴的比较• 油轨喷射系统– – – – 优越的定压喷射 － 低油耗 可实现多次喷射 价格贵（柴油机价格的1/3） 自耗能量大• 泵喷嘴– 价廉 – 自耗少 – 喷射特性较差PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 柴油机面临的挑战－排放• 近年来，高压多次喷射等新技术的采用，已大大降低 尾气中NOx和PM的含量 • 但随着排放标准收紧，要求柴油机也达到汽油机排放 标准（欧4和美SULEV），这将要求对柴油机尾气中的 NOx和PM实行80～90％转换，但是，目前尚无成熟技术 • PSA: 用铈作为燃油添加剂来降低碳粒燃烧温度（从 550度降到450度），然后用后喷油加热尾气将碳过滤 器内所积碳粒烧尽 • 丰田：在碳粒过滤蜂巢上加带有 NOx储存和转换功能 的三元催化剂，希薄燃烧时碳粒被 NOx储存时释放的 活性氧以及尾气中的过剩氧所氧化；当间隔式转成理 论混合比燃烧时，碳粒被 NOx转换时释放的活性氧所 氧化。

据称这种方法可以同时达到80％以上的 NOx和 PM转换效率。

PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 直喷成层混合希薄燃烧汽油机的特性• 油耗比类似PFI汽油机低15％，若用增压和减 小发动机容量，可达20～25％ • 现有直喷机效率改善只有5～10％ • 汽缸几何压缩比10～12 • 实现部分工况下无节气或低节气损失运转 • 低中负荷时采用成层希薄燃烧，高负荷时采用 均匀混合理论空燃比燃烧 • 采用希薄NOx储存和转换催化剂，需要间隔式 的过油燃烧来转换储积的 NOx －费油 • 与PFI汽油机相比，价格贵15～20％PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 近期市场估计PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 均匀混合压缩着火式希薄燃烧发动机的特性燃油效率可提高50％ 极度希薄燃烧，燃油相当浓度可低到0.2 排出的CO和NOx浓度很低（ NOx<10ppm） 由于采用均匀混合燃烧，无燃油过浓区，碳 粒排放很少（和PFI汽油机相当） • 高压缩比，15～18？ • 无 NOx和PM后处理 • 无成熟产品，尚处于研发阶段 • • • •PDF 文件使用 "FinePrint pdfFactory Pro" 试用版本创建 HCCI面临的技术挑战（1）• 着火时间控制– 汽油机：火花塞点火时间 – 柴油机：燃油喷射时间 – HCCI: 混合气自身物理化学状态来决定• 温度，压力，燃气混合比等，不易主动，直接，准确地加 以控制 • 容易产生失火和爆震，正常运转范围狭小• 燃烧放热率控制– 汽油机：火焰形状和传播的物理过程来控制 – 柴油机：油气混合的物理过程来控制 – HCCI:纯粹化学动力学过程控制。