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          山工機械
          盤點發動機10大傳統節能技術
          www.idgather.com   2015-07-29  中國工程機械信息網

            根據政府和汽車行業內專業人士的說法,歷史悠久的內燃機將很有可以繼續存在很長一段時間。雖然汽車電氣化的推動者們預測內燃機即將走向終點,但是美國能源信息署認為到2035年,99%的輕型和重載車輛,特別是商用車,都將依然搭載傳統內燃機。

            為了保持石化燃料技術在商用車和乘用車上不斷升級,創新技術持續應用,相關研究也一直沒有間斷。提高內燃機的效能是改善車輛燃油經濟性的一種最有發展前景、最具成本效益的短中期方法,實驗測試表明當前發動機的燃油經濟性可以提高超過50%,甚至達到75%。

            政府部門積極推廣插電式混合動力系統,不過卻沒有達到預期效果,美國平均每年銷售1650萬輛汽車,其中的99%仍然是傳統的內燃機車型。混合動力和插電式混合動力車型雖然使用了電氣化系統,但內燃機依然是不可或缺的重要組成部分。目前新一代鋰離子電池正處在研發階段,若能成功應用在混合動力車上,未來汽車行業的發展趨勢還很難預測,但現在其正處于技術瓶頸階段,內燃機的地位仍然穩固。

            美國聯邦平均燃油經濟性法規要求在2025年之前,新車燃效要達到54.5英里/加侖,從而促使汽車制造廠商推進電氣化進程。采用這樣的標準并不能完全降低內燃機市占率,其實僅僅有1%到3%的車輛無法達到該要求必須添加插電式混合動力系統。

            美國現在可正常行駛在道路上的轎車和卡車總計2.53億輛,根據能源部的數據,美國范圍內超過60%的石油燃料消耗和25%的溫室氣體排放都是由車輛產生的。權威專家們極力推薦利用插電式技術來改善車輛造成的環境污染問題,汽車行業投入大量資金進行技術研發,不過特斯拉等公司帶來的挑戰也是前所未有的。

            政府部門沒有把所有精力都放在插電式電池技術上,除此之外還推進氫燃料電池、替代能源和創新內燃機的研發。根據密歇根大學交通運輸研究所的調查,從2007年10月到2015年6月,美國范圍內銷售新車的燃油經濟性從5.3英里/加侖增加到了25.4英里/加侖,而那些可以讓1加侖燃油推動汽車前行超過50英里的技術也即將應用在量產車型中。

            無論喜歡與否,燃油經濟性都是政治、環境等方面的一個綜合性話題,內燃機必須在這種大形勢下找到一個合適的立足點。汽車制造廠商往往都有大量的技術儲備,來滿足各種各樣日趨嚴格的燃油經濟性和二氧化碳排放量法規要求。根據美國環保署報告,先進的發動機技術幫助提高燃油效能,節省了車輛整個壽命周期的運營成本,相關效能和成本評估是依照16.6萬英里的使用期限、2.81美元/升的燃油價格完成的,對比標準為燃油經濟性22英里/加侖的汽車。

            1.增壓進氣系統

            簡單來說,機械增壓和渦輪增壓技術是壓縮更多空氣的兩種辦法,燃燒室中的燃油量也因此相應增多。第二次世界大戰中的一些戰斗機曾經使用了增壓技術,而技術的產生還要追溯到更早時期。現在通過計算機輔助技術的推廣,更小尺寸的發動機和增壓條件下輸入更多燃油及空氣變成了現實。

            增壓進氣系統的引入,使得小排量發動機的動力和自然吸氣大排量發動機輸出的動力相當,同時又能夠滿足法規要求的燃油經濟性和二氧化碳排放量測評標準。增壓技術是保證發動機動力輸出和燃油效能的權宜之計,當然具體可以節省多少燃油是因人而異的,需要參考駕駛者的操控風格。

            燃油效能提升:2%到6%。

            壽命周期節省費用:400到1300美元。

            2.停缸技術

            車輛越來越多地采用自動化系統控制的技術,在高速公路等低負載工況下,能夠讓一臺八缸發動機的其中四個氣缸停止運轉,或者六缸發動機中的其中三個氣缸停止運轉。停缸技術又可以稱作“多重排量”、“按需排量”、“主動燃油管理”、“可變氣缸管理”技術等。這種技術理念是非常實用的,舉例來說一輛額定功率450馬力的雪佛蘭CorvetteC7在高速路上行駛,燃油經濟性數據達到30英里/加侖燃油,這是以前很難想象的事情。

            燃油效能提升:4%到10%。

            壽命周期節省費用:800到2100美元。

            3.汽油發動機燃油直接噴射系統

            該先進技術的幫助下,燃油直接噴射到進氣道中,然后與空氣形成燃油混合氣,吸卷進入氣缸中。類似技術還包括“氣缸直接噴射”和“火花點火直接噴射”,可以讓燃油混合氣的溫度更低一些,形成更高的燃氣壓縮比,從而進一步提高動力性能和燃油效能。

            燃油效能提升:2%到3%。

            壽命周期節省費用:400到600美元。

            4.可變氣門正時和升程

            進氣閥門控制新鮮空氣流入氣缸,排氣閥門控制廢氣流出氣缸。進氣閥門和排氣閥門什么時刻打開,以及打開多長時間都影響著發動機效能。參考發動機當前轉速和負載狀況,可變氣門正時和升程系統自動優化閥門開啟時刻和舉升時間。與傳統配時固定的氣門舉升系統相比,創新系統在各種工況下的燃油效能更高。可變氣門正時和舉升系統包括可變氣門驅動技術、可變凸輪正時技術、凸輪配氣相位技術、電子升程控制技術等。

            燃油效能提升:1%到11%。

            壽命周期節省費用:200到2300美元。

            5.發動機啟停系統

            了解混合動力系統的車迷朋友們大概都知道啟停系統的基本原理,該裝置被廣泛應用在混合動力和插電式混合動力車型中。簡而言之,當車輛停止前進,啟停系統可以自動關閉發動機;當制動踏板被駕駛者釋放而踩下油門的時候,發動機立刻開始重新運轉。提高效能的理念也非常明了,就是阻止怠速狀態的燃油浪費。

            汽車制造廠商還從混合動力車型中引入了動能回收制動系統,把剎車過程中損失的機械能轉化成電能,儲存在電池組中用于驅動自動起動機。所謂的微混合動力車型就使用了這類裝置,與真正意義上的混合動力系統不同,儲存的電能不是用來驅動牽引電動機。除了12伏系統之外,更高電壓等級的電池組存儲轉化能量,之后為空氣調節系統、資訊娛樂系統等設備提供能量。

            燃油效能提升:2%到4%。

            壽命周期節省費用:400到800美元。

            節省燃料的另外一種方法是優化發動機能量的傳輸效率,全新變速器與汽油、柴油發動機完美搭配,盡可能提高燃油利用率。

            6.更多檔位的自動變速箱

            克萊斯勒、現代、福特和大眾等汽車制造企業已經宣布將設計研發擁有10個檔位的自動變速箱。在傳統4檔位自動變速箱基礎上增加的每個檔位,都幫助發動機始終處在一個最優的工作狀態,因此提高了潛在效能。測試顯示的平均效能提高率數據如下:5檔2%到3%;6檔3%到5%;7檔5%到7%;8檔6%到8%;檔位越高,效能提高水平越大。增加檔位的理念可以作為電氣化的一種替代解決方案,讓傳統車型也能夠符合法規標準要求。

            燃油效能提升:2%到8%。

            壽命周期節省費用:400到1700美元。

            7.無級變速器(CVT)

            無級變速器與混合動力系統的聯系更加緊密,應用在傳統車型上有著很多優勢。無級變速器使用一對直徑可調節的皮帶輪,通過皮帶或者鏈條連接,而不是傳統的齒輪組,能夠創造出無限多個不同的傳動速比。得益于連續性換檔操作,能量傳輸不會出現中斷,山路工況下也不需要低速從動裝置,有助于造就更好的燃油效能。

            燃油效能提升:1%到7%。

            壽命周期節省費用:200到1500美元。

            8.雙離合自動變速箱(DCT)

            雙離合變速箱又被稱作自動化手動變速箱,融合了手動變速箱和自動變速箱二者的優點。手動變速箱的傳輸能量損失率較低,但是操控起來沒有自動變速箱方便。使用雙離合變速箱換檔時不需要駕駛者人工踩下離合器,只需要控制方向盤上的升降檔撥片即可,當然也可以直接選擇自動變速箱模式。系統工作由電子元件控制,并通過液壓或者電動機設備執行換檔操作。也許有不少傳統人士認為只有手動變速器才能帶來駕駛樂趣,不過高性能跑車和賽車應用雙離合變速器已經有了很長一段時間。

            燃油效能提升:7%到10%。

            壽命周期節省費用:1500到2100美元。

            另外還有一些其他技術可以提高燃油效能。

            9.輕量化技術

            簡單外加輕量化是設計制造高性能靈活跑車永恒不變的定律,更輕的車身還可以額外提高燃油經濟性。輕量化車型需要更少的能量來驅動,汽車制造廠商們也非常熱衷于輕量化理念,因為與其他設計目標不會發生沖突。常用的一些做法有,采用高強度鋼、鋁合金以及其他輕量化材料(例如碳纖維),或者降低驅動系統的尺寸大小。與此同時,車輛必須滿足日趨嚴格的安全標準,材料選擇和技術應用要完美地結合在一起。各種解決方案綜合起來提高了車輛輕量化水準,也許還存在某些設計不利于燃油效能提高,但整體來說現在的汽車產品正在往更好的方向發展。

            燃油效能提升:每降低5%的重量,提高2%到4%的效能。

            壽命周期節省費用:400到800美元。

            10.低滾動阻力輪胎

            毋庸置疑,輪胎對于汽車來說非常重要,它們是車輛與道路之間的唯一接觸點,不過同時也會帶來一定程度的摩擦阻力。傳統的低粘性橡膠很難控制摩擦阻力,而現在的低滾動阻力化合物材料可以更好地降低阻尼系數。低滾動阻力橡膠的基本理念是能量守恒,雖然降低了能量損失,動力性能也受到影響。高性能跑車暫時不會采用低滾動阻力輪胎,因為它們無法提供充足的側向加速度和粘附特性等級;普通車型非常適合裝配這種輪胎,幫助提高燃油效能。

            燃油效能提升:1%到3%。

            壽命周期節省費用:200到600美元。

            美國能源部的車輛技術辦公室致力于推動內燃機技術的研發,以便早日把節能產品應用在各種乘用車和商用車上。大型重卡是一種非常常見的商用車,雖然只占汽車保有量的4%,但是卻消耗了20%的燃油。混合動力系統等多種內燃機補充技術都處在研究和開發階段,不難相信未來總會有合適技術應用在量產車型中。回收發動機廢熱能量、超低摩擦阻力的潤滑油、先進的燃燒技術、替代燃料也都屬于內燃機技術的重要研究課題,內燃機退出歷史舞臺還是很久之后的事情。

            兩年之后續航里程在200到250英里的電動汽車就有可能問世,很多電池專家也在全力研發鋰離子電池組之外的其他創新產品,他們希望早日發現能夠改變行業格局的電池技術,到那時內燃機才真真正正受到嚴重威脅。雖然很多人預見到了汽車電氣化能夠帶來的好處,但是沒有人知道這個目標什么時候可以實現。

            汽車電氣化時代到來之前,制造廠商們依然會盡力研發內燃機技術,做到更低的尾氣排放、更高的效能,直到替代驅動技術確實全面超越內燃機。

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