汽车发动机技术发展趋势分析

摘 要：全世界都对汽车的排放作出了严格规定，同时随着新能源汽车的不断发展，传统的内燃机汽车面临着越来越大的压力。发动机是汽车的心脏，必须向着轻量化、高利用率、低排放的方向发展，这样才能使传统汽车行业更好的应对新能源汽车带来的发展压力。基于此，本文对汽车发动机技术发展趋势作了分析，希望能够帮助汽车行业找到明确的发展方向。

关键词：汽车发动机;变速箱;发展趋势

1 引言

我国的石油消耗和石油进口上都名列世界前茅，同时在二氧化碳排放以及雾霾等方面也最为严重。我国从2009年开始，在世界汽车产销排行榜上常年居于首位，这也是导致我国成为消耗石油及排放二氧化碳、造成雾霾天气的关键因素，因此节能减排是汽车产业必然和必须的发展方向。我国的汽车数量逐漸增多，二氧化碳的排放以及雾霾天的频率也在逐渐增加，为了减轻这一问题，我国在2016年颁布了非常严格的排放法规，对汽车燃料消耗以及汽车尾气排放做出了严格规定。除我国之外，很多西方发达国家也对汽车消耗和排放作出了规定，由此在全世界范围内形成了节能减排的大环境。在这样的环境下，汽车发动机必须考虑自身在未来的发展路径，以此才能为汽车行业在未来的发展创造良好条件。

2 汽车发动机的发展

汽车发动机发展共有蒸汽机、外燃机、内燃机三个阶段，首先是蒸汽机阶段，该阶段为19世纪初到19世纪70年代。其次外燃机阶段，由于其和蒸汽机的差别并不是非常明显，因此不过多对其进行论述。最后是内燃机阶段，内燃机的出现可以追溯到1814年第一台蒸汽机车的发明，优点是工作效率高、机动性强、便于维护，因此内燃机一经出现就迅速取代了外燃机和蒸汽机。法国工程师罗杰斯在1862年提出了等容燃烧四冲程循环的理论，但是该理论并没有得到实践的验证，后来德国工程师奥姆勒在1883年以该理论为基础研制出了汽车发动机，实现了汽车发动机历史性的飞跃。1886年，卧式单缸二冲程汽油发动机被应用在了一辆三轮奔驰上，至此，汽车行业正式进入内燃机时代[1]。

3 提升发动机的燃料利用率降低排放

当前全世界都对发动机的消耗和排放提出了非常严格的要求，因此提升发动机的燃料利用率和降低排放成为了发动机未来最主要的发展方向，为此各汽车企业也从以下几方面作出了努力：第一，对发动机的燃烧和排放进行改善，主要使用的技术有350bar缸内直喷、低压冷却EGR、GPF等，另外有的小排量发动机上仍然会使用PFI技术，有的企业为了提升发动机的工作效率还会使用双PFI或者结合应用PFI技术和GDI技术。压缩比控制技术当前也已经基本成熟，不久就会在发动机上广泛应用。第二是改善充气，目前各企业在改善空气中所使用的主要技术有双VVT、分段式VVL等，另外CVVL、可变进气歧管等技术也在一些发动机上得到了应用，而且在电子增压器方面还是用了48V技术，未来发动机的充气性能必将得到进一步提升。第三是改善能量管理，这一点主要依靠强化控制发动机附件和强化能量利用率来实现，具体依靠的设备有变排量机油泵、智能发电机、变排量水泵等。第四是降低发动机的摩擦损耗，这一点需要从低张力活塞环，低粘度机油、活塞表面涂层等方向出发来实现。第五是降低发动机的重量，实现这一点需要将发动机的某些部位替换为重量更低的材料，比如塑料进气管、缸盖罩、铝合金缸体等，通过设计将这些材料合理组合在一起，便可有效降低发动机的重量。另外当前有些发动机也在向着小型化发展，这也是降低重量的一种有效方式，例如大众的1.5TSI发动机、本田思域的l15B发动机等在轻量发动机中都具有明显的代表性。

为了令发动机对燃料的利用率进一步得到提升，从而实现废气排放的降低，当前很多企业都在研究氩气循环内燃机。氩气循环内燃机所使用的氧化剂为纯氧，以纯氧催动氩气做功，氩气在做功过程中不会发生燃烧，因此不会产生氧化氮的代谢产物。氩气的结构为单原子，绝热指数要高于空气，因此相较于常规内燃机在热效率上要更高，如果压缩比相同，氩气循环内燃机相比常规内燃机高出30%以上的热效率。当前发动机在物理极限上的热效率为65%，但受技术限制只能达到49%，氩气循环内燃机在物理极限上的热效率高达80%，已经远远超过了燃料电池空载和带负载的热效率水平[2]。而且如果将氢气作为氩气循环内燃机的燃料，那么内燃机在做功过程中则完全可以做到零排放，而且氩气还具有可回收利用的优势，极大提升了内燃机的经济性。如果将甲烷作为氩气循环内燃机的燃料，可通过兰金循环分离二氧化碳和氩气，也可以做到零排放和提升经济性。

4 提升发动机和变速箱匹配度

提升发动机和变速箱的匹配度可通过降低发动机转速的方式来完成，将发动机限制在最经济的工作状态下，这样可实现发动机燃料消耗的降低。但降低燃料消耗和保证发动机的动力互相矛盾，因此可通过多挡手动变速、自动变速等进行解决，比如6MT、7DCT、CVT变速箱都可以满足这一要求，实现发动机转速降低的同时提高平均有效压力，进而提升发动机的工作经济性。

5 发动机的电气化发展

电气化技术近年在不断进步，推动了内燃机、纯电动、混合动力、燃料电池等汽车技术的发展。配合应用常规内燃机和功率及拓扑不同的电机在当前的汽车界非常流行，目前主要的应用方式有12V起停、48V微混、插电式混合动力、增程式电动等。通过这种方式可以令车辆处于低速低负荷状态时将动力来源更多的转向电机，以此实现发动机的经济做工，同时通过阿特金森循环可以令发动机的热效率得到有效提升。这种技术也使电机和内燃机结合为了一个整体，通过共同做功、互相协调，实现了能耗的降低和经济性的提升。

很多实际的应用数据都证明，12V起停技术可降低3%到5%的能耗，48V微混可能跌10%到20%的能耗，其他类型的能耗也在20%到50%之间，其中能耗降低的差别和电机拓扑结构有关[3]。另外使用高电压混合动力可以将车辆每百公里的油耗4升左右，使用插电混合动力可以将车辆每百公里油耗控制在3升左右，使用增程式电动的车辆可将每百公里油耗控制在1.2升左右。未来社会对汽车排放的要求将更加严格，当前很多混合动力车辆的油耗及排放可以满足当前汽车排放法规的要求，而且这种超低的排放也可以满足未来10年内的法规要求，因此我们可以将其看做发动机在未来最主要的发展方向。

6 燃料的改革

新能源自从出现的那一刻起就受到了汽车行业的广泛关注，而且近几年关于新能源和传统能源的讨论一直没有停止。很多人都认为以传统能源为主的内燃机正在逐渐退出历史舞台，甚至无法坚持到21世纪中期，这一理论的基础是世界石油能源的储量越来越低。专家在研究石油的形成过程中发现，古生物遗体并不是石油的源头，石油的真正源头是地壳中的甲烷，而甲烷是地壳中的主要成分，因此只要满足石油的形成条件，我们也可以将石油看成是一种可再生资源。但将石油转变为可再生资源的目标以当前的技术还无法实现，同时石油在利用过程中还会排放大量的有害气体，因此当前汽车行业对发动机燃料的改革非常重视。由此可知，传统燃料虽然在未来可能会退出历史舞台，但内燃机可用的新型燃料应该不断出现，因此内燃机在很长一段时间内依然会是汽车的主要动力源。

在燃料改革过程中出现了很多优秀的内燃机可用燃料，这些燃料同时具备经济性和环保性，具体有以下几种：第一种为乙醇，乙醇的来源是粮食，是一种可再生的清洁型燃料，并且在汽油机上得到了广泛应用，世界范围内应用乙醇最广泛的地区为巴西，我国应用乙醇的方式主要是在燃油中按比例添加。第二种为甲醇，和传统燃料相比，甲醇有着更高的辛烷值和更优秀的抗爆性。而且甲醇含有氧的成分，因此其热效率更高，使用甲醇燃料的发动机只需要增加压缩比就可以让功率和转矩得到明显提升，在型号相同的条件下，使用甲醇燃料的发动机功率将提升10%。我国具有极其丰富的煤炭储量，而煤炭又是甲醇的主要来源，因此以甲醇为燃料的发动机在我国将获得非常好的发展。第三种为天然气，在全世界范围内天然气的储量要比石油更高，如果能够实现全部天然气资源的开发和利用，将为人类持续提供1000年以上能源，而且在应用过后不会对环境产生任何影响，在未来社会必定会替代石油成为主要能源，因此应用天然气也将是发动机的发展方向之一[4]。第四种为氢气，氢气目前是公认的最为丰富的清洁能源，很多领域都在研究如何才能更好的用氢气，汽车领域也同样如此，在发动机的未来发展道路上，早已将氢气发动机作为了重点研究对象，比如日本的本田和丰田汽车公司就在一直研究氢燃料电池，并希望以此占领未来汽车市场。

7 结语

综上所述，汽车发动机技术和汽车的发展有着极其密切的联系，本文首先介绍了汽车发动机的发展，随后分别从节能、高效、低排放等角度分析了汽车发动机未来的发展趋势，希望通过本次分析使汽车行业在节能环保方向的发展有所促进作用，并最终为社会的可持续发展提供充分保障。

参考文献：

[1]杨婉婷.汽车发动机再制造技术与发展趋势[J].内燃机与配件，2018，20（9）：32-33.

[2]颜伟，陈龙华，王锦艳.汽油机停缸技术发展现状与趋势分析[J].汽车实用技术，2017，12（18）：242-244.

[3]林思聪，吴坚，刘巨江.满足未来法规的汽油机发展现状及趋势分析[J].汽车实用技术，2017，21（15）56-59.

[4]史礴.汽车柴油發动机制造工艺发展前景分析[J].科技展望，2017，19（11）：135-137.

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