浅析提高车用发动机经济性的途径及技术

浅析提高车用发动机经济性的途径及技术

罗东卿王肖华

公布了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》，简称双积分管理办法，要求2018年4月强制实施，这一政策的出台，打响了汽车产业新一轮竞争与发展的第一枪，同时，也给传统的内燃机行业节能减排提出了更高的要求。本文先从发动机原理角度分析影响发动机热效率的因素，然后提出提高发动机热效率的具体措施，最后给出改善发动机经济性的先进技术。

关键词：车用发动机；热效率；经济性

前言：近年来，节能环保已经成为人们重点关注的话题之一。为提高人们赖以生存的环境质量，在各个领域中强化节能环保工作，从而促进我国的经济与环境共同发展，改善人们的生活质量。因此，要采取相应的措施，优化发动机的热效率和消耗过高的等问题来提高发动机在运行中的经济效益，减少发动机的消耗，降低发动机运行成本。

1、热效率的提升潜力

缸内工质在一个循环内对活塞所作功称为指示功，它反映了缸内热功转换进行的好坏；一个循环内由曲轴输出的功称为有效功，它可以直接评定发动机实际工作性能的优劣。学术界常把燃料在燃烧室里燃烧后对活塞膨胀做功，通过曲柄连杆机构把活塞的上下运动转化为曲轴的旋转运动，再由曲轴后端输出去这一整个过程，大致划分为两部分，一是工质在活塞里进行热功转化过程；二是曲轴输出端的净测量功。这两部分各有其经济性的计算公式，分别用指示热效率和有效热效率表示，计算公式如下：ηi＝Wi/QI；式中：ηi表示指示热效率；Wi表示指示功；QI表示得到指示功；Wi所消耗的热量；ηe＝We/QI；式中：ηe表示有效热效率；We表示有效功。发动机实际循环所做的指示功不可能完全对外输出，功在发动机内部转化过程中必然会有所损失，所消耗在发动机内部的这部分功称为机械损失功，即功的传递存在机械效率，机械效率的计算公式如下：即ηe＝ηi×ηm；式中：ηm表示机械效率从上式得出，提高发动机有效热效率可从两方面入手，一是提高指示热效率ηf，二是提高机械效率。目前，常规自然吸气式汽油机与自然吸气式柴油机指示热效率、有效热效率和机械效率的大致范围见表1。

从表1中可以看出，指示热效率和机械效率都有一定的提升潜力，理清指示热效率和机械效率中存在的各项损失，分析出各项损失的影响因素，才能得到改善发动机经济性的途径或方法。经分析，造成指示热效率低的原因有排气损失、热力学损失和泵气损失三大方面，减小排气损失的途径有采用稀混合气提高工质的绝热指数、控制燃烧周期和燃烧相位、利用排气能量和提高发动机的压缩比和膨胀比；减小热力学损失的途径要求高压缩比和膨胀比、提高工质绝热指数以及合理的组织燃烧；减小泵气损失的途径主要是有效控制进、排气系统压力差。造成发动机机械效率不高的原因主要是存在摩擦损失和驱动附件损失及泵气损失。减小摩擦损失的途径可通过对运动部件结构的优化及改善机油的润滑性能；减小驱动附件损失可对发动机附件，如水泵、机油泵采用可变排量技术，另外若附属电气设备采用目前火热的48V电压，可将传统发动机放热高负载附件电动化，在某些经济性不好的工况发动机及时关闭也能使附件正常工作。

2、提高发动机热效率的先进技术

现代车用发动机已不单单是一台动力设备，而是一个集各种高新技术的载体：包括先进燃烧技术、余热能利用技术、智能控制技术、新型材料技术、先进制造技术等。

2.1先进燃烧技术

由于燃烧过程占整个循环过程的时间非常短，故我们要求发动机工质的燃烧一定要及时和完全，及时意味着等容度高，发动机的做功能力强，完全燃烧意味着燃料的化学能充分释放出来，发动机具有较好的经济性和排放性。目前，先进燃烧技术朝着高压缩比（汽油机）、超高爆发压力、稀混合气燃烧、高充气效率、均质混合压燃、低温燃烧等方向发展。

2.2余热能利用技术

以自然吸气式汽油机为例，现今世界上热效率最高的丰田DynamicForceEngine纯燃油发动机热效率才达到40%，依然有约60%的热量通过冷却水和废气被带走，尤其是高温高压的废气，这部分热量品质较高，以涡轮增压为代表的回收排气能量已成为提高发动机经济性的有效途径。

2.3智能控制技术

发动机实际工作过程会经历某些特殊工况，比如怠速、高转速、小负荷、加速和减速的瞬态工况。当处于怠速和小负荷工况下，由于燃烧条件不好导致发动机的热效率很低，如采用混合动力就可避开低热效率工况，这就需要一套智能控制系统，对发动机启停工况进行优化，对混合动力进行能流管理和优化控制。对于控制系统中的传感器、控制策略和执行器，要求传感器的采集数据能力要够强，控制策略要能实现闭环控制及瞬态工况的控制，而执行器响应速度及控制精度都一定要高。

2.4新型材料技术

发动机机械负荷和热负荷的提高受到材料的限制，导致热效率提升空间有限。为了降低机械损失，需要润滑性更好的机油和低摩阻系数的整机材料。此外，轻量化的新型材料不仅有助于减小发动机运动件的惯性力，还对整车油耗有利。

2.5先进制造技术

先进制造技术包含绿色制造和精密制造两个层面，一方面要降低发动机制造过程中能源的消耗和减少固体、液体和气体的排放；另一方面，以“2μm工程”为标杆的精密制造技术，将提升大批量制造产品质量，提高发动机的可靠性和延长发动机的使用寿命。运动部件之间配合的越精密，两件表面接触面积会越大，单位面积应力小，润滑油膜越容易形成和保持，摩擦损失功越少，整机热效率会越高。

结语：现阶段，资源出现了严重的匮乏，环境受到了严重污染，这样很多行业就将节能环保工作放在首要位置。但是发动机在运行的过程中，能源消耗较大，所以作为相关单位在使用中要对发动机节能性能进行不断探索，采取相应的措施不断提升发动机热效率，促使投入成本的减少，经济效益的增加，推动社会的健康稳定发展。

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