现代汽车发动机技术发展趋势及特点分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：我国汽车保有量中，68%为汽油机，20%为柴油机，12%为LPG发动机。LPG发动机主要使用在出租车、RV车型和1t以下的乘用车上。现行发动机的开发方向以汽车要求特性的经济性、低公害性、安全舒适性为中心，包括发动机、行驶系、车身、轮胎等多方面技术开发。下面对现行发动机的对比功率、热效率等的变化进行说明。1886年，由奔驰开发的汽油机1L排气量的输出功率为0.5kW左右，戴姆勒初期发动机的比功率为1.4kW/L，转速为600r/min。

我国汽车保有量中，68%为汽油机，20%为柴油机，12%为LPG发动机。乘用车大部分为汽油机，大型载货车和客车大部分为柴油机。LPG发动机主要使用在出租车、RV车型和1t以下的乘用车上。

最近，更为严格的废气排放法规以及燃油消耗率制度等的制定，使内燃机加速发展。现行发动机的开发方向以汽车要求特性的经济性、低公害性、安全舒适性为中心，包括发动机、行驶系、车身、轮胎等多方面技术开发。下面对现行发动机的对比功率、热效率等的变化进行说明。

1.比功率

发动机最基本的要求项目为输出功率性能，能说明发动机与燃料、排气量、输出功率性能的指标是比功率（kW/L）。

图1-13所示为内燃机提高输出功率的变化过程。1886年，由奔驰开发的汽油机1L排气量的输出功率为0.5kW左右，戴姆勒初期发动机的比功率为1.4kW/L，转速为600r/min。其后约30年后第一次世界大战时，增大到压缩比为5、转速为2000r/min左右，比功率增大到约10倍，即达到15kW/L。随着发动机的高速化和进气效率的改善，即使采用自燃吸气发动机的普通车也达到50～70kW/L，以跑车为中心普及的配备增压器的增压式发动机达到70～100kW/L，与戴姆勒发动机相比其基本构成相同，但比功率在约100年间提高了50～70倍，获得了极大的发展。尤其是，自然吸气F1赛车用发动机的比功率达到了220kW/L。

比功率的提高通过多气门（2、3、4气门等）、可变机构（进气/排气、动态气门系统等）、多气缸化等获得。发动机的性能与单位时间进入气缸的空气量成正比，尤其对高转速化的影响较大，现行传统发动机的最高转速为6000～8000r/min，F1赛车用发动机的转速超过20000r/min。这种发动机的燃烧时间像照相机闪光灯的发光时间一样相当短，约1ms。

柴油机的性能也有很大的提高。这与比传统发动机增大5倍左右的高压燃料喷射及可变涡轮系统高增压的影响是密不可分的。如此改善混合气的形成，可缩短燃烧时间，并能获得高转速性能，比功率可以达到60kW/L左右。柴油机性能的提高和二氧化碳（CO₂）排放量的降低，使得它在欧洲的使用量急剧增加，在比利时、法国销售的新车中，70%以上为柴油机车辆。

图1-13 内燃机的比功率

2.热效率

图1-14 内燃机的热效率的发展历程

自纽可门1712年发明蒸汽机以来，人开始可以自己动手“制作”动力。此发动机的热效率仅为0.5%左右，曾经广泛使用在矿山等生产生活上。其后57年的1769年，英国克拉斯哥大学实验室助教詹姆斯·瓦特发明了冷凝器，由此蒸汽机的热效率增加到2%。再经过100多年的1876年，由奥托发明的四冲程内燃机的热效率达到了10%左右，与瓦特的蒸汽机相比提高了5倍。其后继续通过研究改善燃烧和减少各种损失，目前的汽油机热效率达到30%。汽油机热效率的改善，主要是通过提高压缩比、降低燃烧温度（以此减少冷却液的损失）所带来的。近年来开发的直喷式发动机热效率接近35%的高热效率。柴油机在开发初期效率就较高，达到28%左右。目前柴油机热效率为43%左右，这主要是通过采用高压喷射和可变涡轮增压器，以及通过过盈空气进行完全燃烧和通过低燃烧温度的热损失减小等所实现的。内燃机的热效率发展历程如图1-14所示。

现代汽车发动机技术发展趋势及特点分析

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