国内外汽车发动机的现状和发展趋势 姓名：祖春胜 班级：车辆09-2 学号：0901040440
摘要：本文综述了发动机的发展带动汽车的发展，随着汽车产销量的不断增长，大气污染，石油资源枯竭，故而，世界汽车界将在发动机上发展更先进的技术从而实现汽车的节能和环保，通过列举大量国内外发动机的技术现状及发展趋势，从而更进一步的了解发动机的节能与环保。
关键词：电控液压进气系统；涡轮增压；燃油品质；排气后处理；汽油机直喷（GDI）技术
The status and development trend of Domestic and foreign automobile engines
Abstract: The paper distract the development of internal combustion engine driven vehicle development, accompanied by rapid growth in automobile production and sales from the atmospheric pollution and oil consumption. Undoubtedly, the development advanced engine technology in the automotive energy-saving, environmental protection is the important issue to the world automotive industry. By listing plenty of domestic and foreign engine technology situation and the development tendency, so as to further understand the engine of energy conservation and environmental protection
Keywords: Electric hydraulic air intake system；Monomer pump technology; Fuel Character；Exhaust Gas After Treatment、Gasoline direct injection (GDI) technology
伴随着汽车产销量的不断增长，从而带来了世界石油资源日趋枯竭的压力, 面对汽车急剧增长对环境的影响, 世界汽车界不停地在寻找实现汽车工业可持续发展的解决方法，对发动机的环保，能源诸方面的技术加以改进。
一． 柴油机的发展及现状
1.1柴油机的性能特点
（1）好的燃油经济性。
（2）有能量密度高，燃油消耗率低，这对节约能源和提高经济效益都很重要。
（3）结构较复杂，零部件材料和工艺要求较高，制造成本较高，与汽油机相比质量较大。柴油机主要有三大优点:
(1) 经济。首先，每单位柴油的能量含量比汽油高；其次，柴油机的压燃特性， 使其热效率比汽油机高。一般柴油机的油耗要比汽油机的低 30%～40%。
(2) 环保。一般来说, 机动车的主要排放物有一氧化碳、碳氢化合物、二氧
化碳、颗粒物和氮氧化物。相对而言, 柴油机的一氧化碳、碳氢化合物和二氧化碳排放量极低, 但在颗粒物和氮氧化物的排放控制上要比汽油机更难处理。 这是柴油机本身的特性造成的, 可通过现代技术处治。
(3) 柴油机低速大扭矩的特性, 为汽车提供了更好的使用性能。 通过采用先进的燃油喷射技术和电控技术, 现代柴油机在动力性、加速性、舒适性指标上已经无异于汽油机。
1.2国内发动机的技术特点
（1）智能省油VVT-i
近年生产的丰田轿车，包括最新的威姿大都装配了标准有“VVT-i”字样的发动机。VVT-i，是英文“Variable Valve Timing intake”的缩写，意思是“智能可变配气正时”。由于采用电子控制单元（ECU）控制，因此丰田起了一个好听的中文名称叫“智能型可变气门正时系统”。该系统主要控制气门凸轮轴。VVT-i是一种控制进气凸轮轴气门正时的装置，它通过调整凸轮轴转角配气正时进行优化，从而提高了发动机在所有转速范围内的动力性，燃油经济性，降低尾气的排放。[1]
（2）共轨与四气门技术
国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气门技术和涡轮增压中冷技术相结合， 使发动机在性能和排放限值方面取得较好的成效，能满足欧3排放限值法规的要求。
四气门结构（二进气二排气）不仅可以提高充气效率，更由于喷油嘴可以居中布置， 使多孔油束均匀分布，可为燃油和空气的良好混合创造条件；同时， 可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有为同形状的结构，以实现可变涡流。 这些因素的协调配合，可大大提高混合气的形成质量（品质），有效降低碳烟颗粒、HC 和 NOX 排放并提高热效率。
（3）高压喷射和电控喷射技术
高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油机排放的重要措施之一， 高压喷射和电控喷射技术的有效采用，可使燃油充分雾化，各缸的燃油和空气混合达到最佳， 从而降低排放，提高整机（车）性能。
（4）涡轮增压技术
涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来加大发动机进气量的一种发动机，涡轮增压器(Turbo)实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率了。[2]
涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约40%甚至更多。
（5）排气再循环（EGR）技术的应用
EGR 是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术，其工作原理是将少量废气引入气缸内， 这种不可再燃烧的 CO2 及水蒸汽废气的热容量较大，能使燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢， 缸内最高燃烧温度下降，破坏 NOX 的生成条件。EGR技术可使机动车NOX排放明显降低， 但对重型车用柴油机而言，目前倾向于使用中冷EGR技术，因为其不仅能明显降低NOX， 还能保持其他污染物的低水平。
（6）后处理技术
柴油机后处理的目标是进一步改善PM和NOX的排放。 目前主要采用加装氧化型催化转化器和研究开发 NOX 催化转化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。
（7） 降低机油消耗
柴油机排放的颗粒物中，有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧。 为了满足日益严格的柴油机（车）排放限值标准的要求，必须把来自机油的燃烧降至最低限度， 即在保证发动机正常运转的前提下，最大限度地减少机油的消耗。为了降低柴油机的机油消耗， 活塞环的优化设计和制造及缸套间的科学配置非常重要。
1.3 柴油发动机的主要问题
柴油发动机存在的主要问题就是氮氧化物和黑色的碳烟。 柴油机在燃烧时的压力和温度都高于汽油机, 吸入燃烧室里的空气也较多, 燃烧室内剩余空气中的氧气和氮气很容易在高温、高压的条件下发生反应, 而生成氮氧化物。燃烧区域中油滴周围的含氧量相对柴油汽较低, 影响了柴油的充分燃烧, 这将导致碳烟 (燃油中未燃烧的碳) 的排放, 也就是颗粒物。不过, 随着柴油机技术的进步, 其环保性能已大有改善。 自1998年以来, 新型公路用柴油机的颗粒物排放量已降低了 83% , 氮氧化物的排放量也已降低了 63% , 90年代以来的柴油发动机已经基本消除了黑烟。这主要得益于柴油机技术的不断创新发展, 燃油供给、燃烧室设计和涡轮增压方面的改良。
1.4柴油机的发展趋势
柴油机的大功率、低排放、良好的电子控制等显著优点将使柴油发动机在新的时代有长足的发展。现在全球各大厂商正致力于新型绿色环保柴油机的研发 ，在ＮＯ和颗粒物的排放方面将得到近一步改善。而关键点是燃油的精确配置和废气的后置处理，电子新科技将运用到新一带柴油机上。而且在混合动力方面柴油机也有其应用特点，高扭矩配合电动汽车的快速响应和零排放，将是一种很不错的选择。
二 汽油机发展及现状
2.1国内汽油机现状
国内已经能够自行设计并开发中小功率的汽油发动机和部分中速发动机。尽管合资汽车公司在总量上占据了目前中国国内发动机生产的绝大部分地盘，但作为汽车的心脏，自己制造发动机也出现在越来越多的中国自主品牌汽车公司的计划中。
(1).奇瑞2.0TGDI发动机
奇瑞2.0TGDI发动机采用了三项目前主流的发动机技术，包括涡轮增压中冷（TCI）、汽油缸内直喷（GDI）和可变气门正时（VVT）。其中，汽油直喷系统来自博世，而涡轮增压器则由霍尼韦尔的子品牌盖瑞特提供，发动机缸体和缸盖均采用了更轻的铝合金材料，而进、排气可变正时气门则为燃油经济性和低速扭矩输出提供了贡献。这台发动机可以在1800转就达到最大功率290牛•米，而144千瓦的最大功率对于一款2.0排量的自主发动机来说确实非常出色。[3] 汽油机直喷（GDI）技术，就是将汽油通过高压（约100大气压）供油系统将汽油直接喷到燃烧室内与空气混合、燃烧。GDI
在电子喷射和控制技术取得长
足发展后，于上世纪90年代后期开始进入市场。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：能有效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，更为精确地控制了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；使汽油在燃烧室内雾化、蒸发，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；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，提高发动机的热效率；GDI使发动机能很容易实现分层燃烧。
(2).马自达的发动机技术
SKYACTIV是马自达一系列基于现有汽车工业技术的新技术集合，其中包括了柴油机、汽油机、变速器、车身和底盘技术。SKYACTIV的中文名称叫做“创驰蓝天”，不难看出，这套技术的重点就是提升车辆的经济性，得益于较高的压缩比，辅以VVT可变正时气门技术，海外版马自达3上这台2.0排量SKYACTIV汽油机在燃油效率和扭矩输出上都提升了15%以上。
SKYACTIV-G发动机还在内部部件上打起了轻量化的主意
天津丰田发动机
[4]出于经济性的考虑，(3).
VVT—i智能正时可变气门控制系统。该系统可根据不同的驾驶情况,调节进气凸轮轴的位置,从而控制进气门的正时调整,令发动机在转速上得到最理想的配合。另外,该系统还可根据不同车速作出预先编程,为进气门的正时调整提供更精确的控制,达到更高的功率和扭矩输出。同时,新式VVT—i的燃油消耗率更低,排出的NOx 和HC更少,但扭矩和功率输出却得到增强。VVT—i新式发动机与一般汽油机不同之处在于,它在加速踏板尚未完全踏下的情况下,能加快进气门的正时调整,令进气门和排气门同时开启,气缸内的真空压力能在排气门关闭之前,牵引排气内进。该系统有3大优点:1) 随着气缸内真空压力的减少,泵气损失相应减低,可节省燃油;2) 由于部分排气被抽回缸内与进气混合,在调低燃烧温度的同时,亦减少 NOx 形成的机率,得到所谓"内部排气再循环效应";3) 气缸内的排气中的未燃HC可重新使用。把VVT—i系统应用于3 L 6缸双凸轮轴发动机上,能节省燃油 6 %,减少O2 排出量40 %,降低HC排放量10 %,输出扭矩可增加10 %。
[5]
(4)．东风本田发动机
VTEC系统全称是可变气门正时和升程电子控制系统，是本田的专有技术，它能随发动机转速、负荷、水温等运行参数的变化，而适当地调整配气正时和气门升程，使发动机在高、低速下均能达到最高效率。在VTEC系统中，其进气凸轮轴上分别有三个凸轮面，分别顶动摇臂轴上的三个摇臂，当发动机处于低转速或者低负荷时，三个摇臂之间无任何连接，左边和右边的摇臂分别顶动两个进气门，使两者具有不同的正时及升程，以形成挤气作用效果。此时中间的高速摇臂不顶动气门，只是在摇臂轴上做无效的运动。当转速在不断提高时，发动机的各传感器将监测到的负荷、转速、车速以及水温等参数送到电脑中，电脑对这些信息进行分析处理。当达到需要变换为高速模式时，电脑就发出一个信号打开VTEC电磁阀，使压力机油进入摇臂轴内顶动活塞，使三只摇臂连接成一体，使两只气门都按高速模式工作。当发动机转速降低达到气门正时需要再次变换时，电脑再次发出信号，打开VTEC电磁阀压力开头，使压力机油泄出，气门再次回到低速工作模式。[6]
(5).Multi-Air电控液压进气系统
Multi-Air技术最大的特点是使用电控液压控制系统驱动气门正时和升程。通过一套凸轮轴驱动电磁液压阀，实现进气门的升程和正时的无级可调，虽然依旧是每缸4气门的结构，但是缺取消了进气门一侧的凸轮轴，只保留了排气门另一侧的凸轮轴来驱动进排气门。因此，从某种意义上讲，这套系统类似于宝马的valvetronic技术，可以直接由气门的开闭大小来控制空气的流量，因此取消了节气门，另外这套进气控制系统采用了完全标准化的设计方案，可以任意组合成双缸、四缸、六缸或者八缸的结构。已经应用在菲亚特500车型上的双缸TwinAir增压发动机，就是其延伸产物。
2.2国外汽油机的现状
以福特为例，
[7]
福特Kuga在欧洲市场提供两种动力选择，其中包括一台1.6升EcoBoost涡轮增压发动机，最大输出功率为175马力；另一台则是2.0升TDCi柴油发动机。据估计，引入国内的福特Kuga将采用1.6L和2.0升EcoBoost涡轮增压发动机。
[8]
采用EcoBoost技术的4缸和6缸发动机兼具涡轮增压和燃油直喷两种技术。相比更为昂贵的混合动力与柴油发动机，EcoBoost技术建立在现今广泛使用的汽油发动机上，通过改进，使其在无损驾驶性能的前提下提高燃油经济性并降低排放。
汽油机所采用的新技术
（1） 燃油电子喷射
相比于过去采用的化油器，燃油电子喷射系统可以的燃油计量精确度上有较大幅度的提高。因此，采用电子控制燃油喷射的汽油机，其经济性和动力性有很大的提高，使对混合气浓度要求的三效催化转化器降低排放成为可能。
（2） 电子控制燃油喷射从单点式发展到多点式
这使汽油机不仅在动力性上仍旧能保持其密度的特点，而且其燃油性几乎可以和柴油机相媲美。有人甚至称汽油直接喷射是汽油机的一次革命。汽油直接喷射技术已经在日本三菱、丰田和日产的一些发动机上应用。欧洲的一些汽车公司如德国大众、法国雷诺等也在发展之中。
（3） 点火和管理系统
汽油机是电火花点燃混合气的点燃式发动机。火花的发生过去是依靠点火系统内的机械式白金断电器来完成的。断电器在高速运转下很容易磨损并烧蚀，从而使发动机出现失火，造成动力性下降和有害排放物激增的后果。
采用电磁式或霍尔式无触点的断电器便彻底解决汽油机运转过程中动力下降的排放增加的难题，也大大地减少了发动机的维修和保养工作。
现代的高
性能汽油机已经毫无例外地采用了电子控制的无触点点火系统。
（4）可变气门定时和升程系统
可变气门正时和升程技术可以使发动机的“呼吸”更为顺畅自然
发动机的气门通常由凸轮轴带动，对于没有可变气门正时技术的普通发动机而言，进、排气们开闭的时间都是固定的，但是这种固定不变的气门正时却很难顾及到发动机在不同转速和工况时的需要。前面说过发动机进、排气的过程犹如人体的呼吸，不过固定不变的“呼吸”节奏却阻碍了发动机效率的提升。[9]
以日本本田思域车用发动机为例，
对于混合动力版思域来说动力组合是变化最大的地方，首先是变速箱方面，
之前的普通版思域采用的是5挡手动以及5挡自动变速箱，而混合动力版思域搭载的是CVT变速箱，因此在换挡平顺性以及能耗方面会更低一些。
发动机则是这款混合动力版车型的核心部分，之前普通版车型搭载的全部是
1.8L发动机，而这款车型搭载的是目前本田最先进的混合动力系统，是由一台
1.3L汽油发动机以及一台20马力的电动机所组成，其中1.3L汽油发动机为主动力发动机，具有i-VTEC技术，而电动机为辅助动力系统，并且安装了本田的IMA综合电机辅助系统。而这样的混合动力系统除了能够降低能耗之外，还能够保证足够的动力。[10]
2.3汽油机技术的发展趋势
由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所以降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的一个问题。具有理论空燃比的均质混合气的燃烧理论在火花点火发动机上被广泛使用，它的最大优点是可以实用三效催化器来降低CO、HC和NOx等废气的排放。不足之处是不能获得较高的燃油经济性，为了提高发动机的热效率和降低废气排放，燃烧技术在不断地发展。汽油机经历了由完全机械控制的化油器供油为主到采用电控喷射、缸内直喷、电辅助增压和电动气门、可变压缩比、停缸等技术的变化，汽油机发展的最终方案将采用综合汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。
目前最有代表性的四大汽油机技术是：
a.汽油直喷技术
开发车用具有汽油机优点同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究目标。汽油缸内直喷是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以缸内直喷汽油机(Gasoliine Direct Injection, GDI)为代表的新型混合气形成模式的研究和应用，极大地提高了汽油机的燃油经济性。以日本为代表的非均质直喷技术面临燃烧稳定性和后处理等问题，同时以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。
b.电动气门与无凸轮发动机
发动机可变气门正时技术(Variable Valve Timing, VVT)是针对在常规车用发动机中,因气门定时固定不变而导致发动机某些重要性能在整个运行范围内不能很好的满足需要而提出的。VVT技术在发动机运行工况范围内提供最佳的配气正时，较好地解决了高转速与低转速，大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾，同时在一定程度在一定程度上改善了排放性能。随着环境保护和人类可持续发展的要求，低能耗和低污染已成为汽车发动机的发展目标。VVT技术由于自身的优点，日益受到人们重视，尤其是当今电子技术的飞速发展，促进了VVT技术从研究阶段向实用阶段发展。电动气门具有与电控喷射同等重要的意义，它将给发动机空气系统控制和循环过程管理带来一系列技术变革，如取消节气门、可变压缩比、部分停缸等。
c.燃烧方式的混合
传统的火花点火发动机的燃烧过程在火焰传播中，火焰前锋的温度比未燃混合气高很多。所以这种燃烧过程虽然混合气时均匀的，但是温度分布仍是不均匀，局部的高温会导致在火焰经过的区域形成NOx。柴油机的燃烧过程是扩散型的，燃烧过程中燃烧速率由混合速率决定，点火在许多点发生，这种类型的燃烧过程混合和燃烧都是不均匀的，NOx在燃烧较稀的高温区产生，固体微粒在燃料较浓的高温区产生。在均质充量压缩点燃(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)过程中，理论上是均匀的混合气和残余气体，在整个混合气体中由压缩点燃，燃烧是自发的、均匀的并且没有火焰传播，这样可以阻止NOx和微粒的形成。这种汽油机均质与柴油机压燃混合的燃烧方式，以燃料技术和控制技术为基础，综合汽油机和柴油机两种燃烧方式优点的均质压燃HCCI内燃机技术正在兴起。
d互变速双转子
所谓互变速双转子发动机，是在发动机圆柱形汽缸的两个直径位置上交叉设置两个独立绕轴线转动的刚性转子，将内部空间分成4个独立部分。当两个转子以2:1平均速比同时同向转动时，在某一时刻相互到达对方的位置，即完成一次运动后的复位，以准备进行下一次类似过程。在开始转动直至复位的过程中，上述四个独立空间分别扩张，收缩，类似发动机依序分布的4个冲程。
与活塞式相比，互变速双转子发动机的有点是无气门、不用凸轮轴，与三角转子式发动机相比，互变速双转子发动机的有点是取消了曲轴，起动性好，密封性好。 [11]
汽车产量持续的发展面临着许多问题，降低燃油消耗量和二氧化碳排放将成为汽车制造商要解决的主要问题。随着汽油机电子控制系统性能的提高，相信在不久我们将使用上更节能、更高性能的汽车。
三．其他车用发动机
3.1天然气驱动技术
天然气驱动技术，已经广泛应用于许多车型中，具备了较高的经济性能，例如欧宝汽车推出的赛飞利CNG，便是以天然气作为主要燃料。以欧宝赛飞“CNG”为例，其燃效为18.9km/kg。目前的天然气价格为每公斤0.76欧元，成本可比柴油发动机款减少大约30%，而比汽油发动机款则可减少大约50%。而且车上的天然气罐由高强度钢制成，其天然气传输管线也由不锈钢制成；同时由于因冲撞导致天然气泄漏的危险较低，而且天然气比汽油易燃性低，所以与普通车辆相比，着火的危险性更低。[12]
3.2氢燃料电池驱动技术
氢气发动机的一些独特优势,主要有:
1)氢气的可燃混合气范围很广, 稀燃极限很大,易于实现稀薄燃烧, 这样既可以提高经济性又可以控制燃烧最高温度,从而降低 NOx 的排放。同时也有利于降低循环变动, 提高发动机的工作平稳性, 降低噪声。
2)氢气在空气中的自燃温度较高, 另外其燃烧速度相对汽油和天然气则有数量级的提高,这两点使得氢燃发动机的抗爆震性能很好, 可以适当提高压缩比来改善性能。当然压缩比的提高也要受零件强度和机械效率的限制。X i aoguo T ang等人在试验中发现将Ford Zetec 2 .0L发动机的压缩比改为 14 . 5时效率最高。
3)氢气燃烧速度很快使得氢燃发动机的燃烧持续期很短,这有效地提高了热力循环的等容度,提高了热效率。另外,高的燃烧速度也使点火提前角可以推后,这有利于让燃料大部分热量的释放在 TDC之后进行,增加热效率。当然,快速燃烧对高速发动机的工作也是大有裨益的。
4)氢气的沸点很低, 在一般的温度范围内都是气态,
这对氢燃发动机的冷启动性
很有好处。
5)氢气的淬熄距离很短,发动机不易发生汽油机中常见的淬熄效应,燃料的燃烧更加充分。
6)氢气在空气中的扩散速度很快, 氢气在泄漏后能很快飘散,对安全性有一定好处。[13]
这种技术具有一种潜在的魅力，如果工程师和科学家们能够将这种洁净蓄能系统真正地应用于汽车，那么大多数汽车上使用的内燃发动机将成为历史。燃料电池通过化学反应将氢转化成电能，这种化学反应的唯一副产品是热量和水蒸气。电能供应给电机来驱动汽车。该项技术依靠氢和氧的化学反应释放能量，相对于内燃机驱动，燃料电池驱动的效率更高，污染更低，甚至是没有污染，它排出的仅有纯净的水蒸气。实际上从60年代起，航天工业就已经使用这种燃料电池了。该技术已应用于部分试验车辆和为某些建筑物提供电能。但由于氢燃料电池动力汽车成本高，而且给电池补氢的“补给站”数量很少，目前商业化推广还为时过早。而美国通用汽车公司和戴姆勒—克莱斯勒公司不久前便与美国能源部签署合约，计划在将来5年内开发氢燃料电池动力汽车。其中，梅赛德斯—奔驰A级“F-Cell"便是采用了该技术的代表车型之一，
梅赛德斯-奔驰A级“F-Cell”采用的是PEM氢燃料电池，依靠氢和氧的化学反应释放能量。相对于内燃机驱动比，燃料电池驱动的效率更高，污染更低，甚至是没有污染，它排出的仅有纯净的水蒸汽
梅赛德斯-奔驰A级“F-Cell”的整个燃料电池系统位于长轴距版梅赛德斯-奔驰A级轿车的夹层地板装置中，应用65千瓦异步电动机加以驱动，这使其输出范围可达到72千瓦(97马力)。在燃料箱350巴压力的支持之下，A级“F-Cell”时速最高可至140公里/小时，行程达162公里，远远领先其它同类产品。才能使人们广泛地接受使用氢燃料汽车和甲醇燃料汽车。
[14] 这两种燃料都需要新的供应基础设施。只有完善这两种燃料供应的基础设施，
四． 结语
纵观世界汽车产品技术的发展态势，汽车发动机技术正以优异的性能，更好的经济性和动力性为方向得到日益广泛的重视和发展。进一步提高发动机的环保与节能将成为发动机发展的方向。
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