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汽车发动机国内外技术现状与发展趋势综述
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（山东科技大学交通学院，车辆工程2011-1）
摘要：
内燃机是用途最广的动力机械，并且作为汽车动力，在材料与制造技术、电子控制与智能技术、节能与环保技术、燃料与燃烧技术等方面不断发展进步，各种新技术互相交叉、互相渗透，性能指标不断优化和提升。
关键词：
新材料；缸内直喷；分层燃烧；代用燃料；高压共轨
The Status and Development Trend of Domestic and Foreign
Automobile Engines
Ma Chao
(Vehicle Engineering 2011-1, College of Transportation, Shandong University of
Science and
Technology)
Abstract:
Key words:
1汽车发动机技术现状
进入21世纪，汽车内燃机并未因其他车用动力的竞争（如电力）而成为“夕阳工业”，相反，技术进步使得车用四行程内燃机仍保持主体地位。
1.1新材料的使用
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高强度、低密度材料的使用，如铝与加强纤维、陶瓷材料、塑料、碳素纤维等，使内燃机不断轻量化。
与传统铸铁缸体相比，采用铝合金材料铸造的气缸体，在保证强度的前提下，质量显著减轻，导热性能有所提高，满足了现代汽车发动机的性能要求。但由于铝合金的耐磨性不好，使用时必须镶嵌缸套。有的汽油机汽缸盖用铝合金铸造，因铝的导热性比铸铁好，有利于提高压缩比。铝合金缸盖的缺点是刚度低，使用中容易变形。由于生产成本较高等原因，铝合金发动机并未完全取代传统的铸铁发动机，常见的铝合金发动机有上汽通用别克君越（LaCrosse）所搭载的2.4L直列4缸发动机、一汽-大众奥迪A6L上的2.5LV型6缸发动机、东风日产骐达（TIIDA）上的1.6L发动机等。
1998年，巴斯夫公司与丰田的工程师们合作首次开发成功用聚酰胺6制造的进气歧管，从而取代了铸铁、铸铝等金属材料。这一组件由巴斯夫的Ultramid®制造，Ultramid®是一种经玻璃纤维强化的聚酰胺，已成为众多车型的“首选材料”。当时是采用“去芯成型法”生产这一结构复杂的部件，并进一步开发“振动焊接”工艺将三个部件连接为一体。此项应用中该材料所经受的最大考验是对热空气的耐受能力和抗热老化的能力：
这种聚合物必须能经受住与120℃热空气的长时间接触及最高温度达150℃的耐热测试。在将其投入生产线之前，丰田对该部件进行了严格的实验室测试与广泛的道路测试。
使用聚酰胺（塑料）而非常规铝金属制造进气歧管为丰田带来了众多突破性优势：
塑料取代金属后减轻了该部件约40%的重量，从而提高了燃料效率并减少了排放。使用Ultramid®制造的进气歧管还加强了发动机空气补给，从而提高发动机的性能。比起铝制产品，聚酰胺进气歧管的光滑内壁阻力更低，同时，由于塑料的成型更为容易，这种材料更有利于最佳空气流动设计的实现。
通过优化制造流程，使用Ultramid®制造的组件有助于节省生产成本。设计师能够将其它的功能整合于Ultramid®进气模块中，同时又保证相同水平的质量
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与安全性，从而降低组件的复杂性。空气滤清器壳体、配线固定座、防尘罩与安装螺塞都可添加于完全由塑料制成的模块之上。
因为这个项目非常成功，丰田将此合作扩展至其在亚洲、欧洲与美国的其它生产基地。
今天，该组件已被应用于丰田绝大部分使用汽油发动机的小汽车上。
1.2燃烧模式的变革
燃烧模式和燃烧系统发生重大变革，稀燃技术在汽油机上成功应用。典型的有日本三菱公司缸内直喷式汽油机（GDI）、大众缸内直喷分层燃烧发动机（FSI）、凯迪拉克双模直喷发动机（SIDI）。
FSI（Fuel Stratified Injection）燃油分层喷射，是基于GDI（汽油直喷）的一种技术。与常规的进气道喷射点燃式发动机相比，FSI将燃油直接喷入燃烧室。由于喷雾的气化冷却作用，它优化了充气效率，实现了汽油机质的调节，大大降低了进气损失。分层燃烧减少了发动机的传热损失，从而增大了满负荷的输出功率并降低了部分负荷的燃油消耗。
大众FSI发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷嘴。它的特点是空气在进气道中已经产生涡流，进气流以最佳的涡流形态进入燃烧室内，通过分层填充的方式推动，使混合气集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点燃的浓混合气，空燃比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速扩散至外层。
在发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。此时节气门为半开状态，空气由进气管进入气缸冲击活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状，从而在火花塞附近形成期望的涡流。当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的稀混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。
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ECU不断地根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。燃油的充分利用不仅提高了燃烧效率和发动机的输出特性，而且改善了排放。
FSI发动机既然有如此多的技术优势，相应的其对发动机硬件和油品的要求也就很高。
首先，它的喷油器安装在燃烧室内，这就要求其具备在高温高压环境下可靠工作的能力。其次，油路中必须具备比气缸内更高的压力才能有效地把汽油喷射入气缸。燃油管路中的压力提高以后，管接头密封处的强度也要随之提高。这样就对喷油器的设计和制造工艺提出了更高的要求。除此之外，FSI发动机的压缩比较高，可达11.5：1，在这种情况下对燃油标号和油品的要求就很严格。就中国的情况来说，必须使用97号及以上的高清洁度汽油。
通用将燃油直喷技术的代号定为SIDI（Spark Ignition Direct Injection），直译为火花点燃直接喷射技术。其实现原理和一般的直喷发动机并无二致：
凸轮轴驱动的燃油泵为供油系统提供高压燃油，共轨喷油嘴将高压燃油直接喷射入汽缸，点火时间就可得到精确控制，高压喷射和极细的喷嘴设计则保证了喷油量的精确控制。缸内直喷技术代替了传统MPFI（多点电喷）技术之后，发动机在低转速下的燃烧效率进一步提升。
1.3燃料的多样化
燃料更加多样，对于控制排气污染、改善燃油经济性、减少内燃机对日益短缺的石油基燃料的依赖，各国进行了大量内燃机代用燃料的研究工作，并在一定范围内取代汽油和柴油，如用天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油、生物柴油以及二甲基醚等。
天然气(NG)是一种清洁、高效、优质能源，在世界各国得到广泛的利用。液化天然气(LNG)是将天然气在-162℃常压下转化成液态，其液化后的体积为常压下气态的，小于压缩天然气(CNG)的体积；而CNG是将常温常压下的天然气压缩到20~25MPa后的高压天然气，其体积为常温常压下气态的，是LNG体积的2.5~3.0倍。
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由于CNG具有体积较小、储存效率较高和运输较方便等优势；既可将其作为民用、工业和城市燃气调峰，也可作为汽车燃料。目前，我国CNG汽车在四川成都、重庆、郑州、北京、开封、济南等城市迅猛发展，全国天然气汽车拥有量已超10万辆。但天然气和汽油、柴油相比更易燃易爆，对天然气气源和管网的依赖性较强，只能在有天然气管网的地点建设CNG加气站等相应的基础设施。
乙醇汽油E85由85%的乙醇和15%的汽油混合而成，使用E85乙醇汽油能够显著降低CO和HC排放，这是因为乙醇中含有氧元素，使得不完全燃烧产生的CO和HC被氧化。
由于乙醇的气化潜热较大，使得即使发动机的负荷增加，气缸内温度增加也不显著。这样导致CO和HC的排放在使用E85时没有随负荷的增加而显著减少。使用E85乙醇汽油的柯尼塞格Agera R搭载一台5.0升双涡轮增压V8发动机，最大功率达到820kW（1115hp），峰值扭矩1200N·m。而在使用普通98号燃油时，该车仅能实现691kW（940hp），1100N·m的输出。
很明显使用E85能够显著减少HC和CO排放，但同时燃油消耗率会有所增加，这主要是因为乙醇的低热值较低。因此，使用E85将需要更大的油箱，这是其一大缺点。即便如此，使用E85后热效率仍可以提高3%~8%。总之，乙醇汽油由于其良好的排放特性以及可再生性，必将在未来发挥更大的作用。
1.4智能控制技术的应用
各种智能控制技术更加成熟。例如，在进气系统方面，本田的VT
EC、丰田的VVT-i、现代的CVVT、通用的DVVT等可变气门正时技术都得到了广泛应用；柴油机电控技术，包括高压共轨技术、电控泵喷嘴、电控单体泵、增压及中冷技术等向小型柴油机和汽油机扩展。
VVT—i（Variable Valve Timing with intelligence）系统是丰田公司的智能可变气门正时系统的英文缩写，最新款丰田轿车的发动机已普遍安装了VVT—i系统。丰田的VVT—i系统可连续调节气门正时，但不能调节气门升程。它的工作原理是：
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当发动机由低速向高速转换时，计算机就自动将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，在压力的作用下，小涡轮相对齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60°的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。
高压共轨(CommonRail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(Rail)，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力(Pressure)大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。
共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来，如果把单体泵柴油喷射技术比作柴油技术的革命，那么高压共轨就可以称作反叛了。因为它背离了传统柴油喷射系统而近似于顺序汽油喷射系统。共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径。
欧洲可以说是柴油汽车的天堂，在德国柴油轿车占了39%。柴油轿车已有了近70年的历史，可以说柴油发动机有了突飞猛进的发展。1997年，博世与奔驰公司联合开发了共轨柴油喷射系统(Common Rail System)。今天在欧洲，众多品牌的轿车都配有共轨柴油发动机，如标致公司就有HDI共轨柴油发动机、菲亚特公司的JTD发动机，而德尔福则开发了Multec DCR柴油共轨系统。
近年来，匹配柴油机的轿车在欧洲迅速发展，具备出色的燃油经济性，并降低了发动机噪音。柴油发动机使用的是泵喷嘴系统，国内生产的1.9TDI大众宝来就应用了这一系统，最高喷射压力可达1800kPa。泵喷嘴系统的燃油压力不能保持恒定，随着排放法规日益严苛，更高且恒定的燃油喷射压力和更完善的电子控制成为必需。于是众多制造商就把优点更多的高压共轨系统作为柴油发动机的发展方向。这一系统具有很高的燃油压力，并能提供弹性燃油分配控制，通过ECU灵活地控制燃油分配、燃油喷射时间、喷射压力及喷射速率。通过对以上特性的控制，高压共轨已使柴油机的响应性和驾驶舒适性达到了汽油机的水平，同时它具有显著的燃油经济性和低排放特性。
2车用内燃机发展方向