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汽车发动机国内外技术现状与发展趋势综述
xx
（山东科技大学交通学院，车辆工程
2011-1
）
摘要：
内燃机是用途最广的动力机械
，并且作为汽车动力，在材料与制造技术、
电子控制与智能技术、节能与环保技术、燃料
与燃烧技术等方面不断发展进
步，各种新技术互相交叉、互相渗透，性能指标不断优化和
提升。
关键词：
新材料；缸内直喷；分层燃烧；代用燃料；高压共轨
The Status and Development Trend of
Domestic and Foreign
Automobile Engines
Ma Chao
(Vehicle
Engineering 2011-1, College of Transportation,
Shandong University of
Science and
Technology)
Abstract:
Key words:
1
汽车发动机技术现状
进入
21
世纪，汽车内燃机并未因其他车用动力的竞
争（如电力）而成为
“
夕阳工业
”
，相反，技术进步使得车用四行程内燃机仍保持主体地位。
1.1
新材料的使用
1
/
12
<
/p>
高强度、低密度材料的使用，如铝与加强纤维、陶瓷材料、塑料、碳素纤
< br>维等，使内燃机不断轻量化。
与传统铸铁缸体相比，采
用铝合金材料铸造的气缸体，在保证强度的前提
下，质量显著减轻，导热性能有所提高，
满足了现代汽车发动机的性能要求。
但由于铝合金的耐磨性不好，使用时必须镶嵌缸套。
有的汽油机汽缸盖用铝合
金铸造，因铝的导热性比铸铁好，有利于提高压缩比。铝合金缸
盖的缺点是刚
度低，使用中容易变形。由于生产成本较高等原因，铝合金发动机并未完全
取
代传统的铸铁发动机，常见的铝合金发动机有上汽通用别克君越（
LaCrosse
）所
搭载的
2.
4L
直列
4
缸发动机、一汽
-
大众奥迪
A6L
上的<
/p>
2.5LV
型
6
缸发动机、东
风日产骐达（
TIIDA
）上的
1.6L
发动机等。
1998
年，巴斯夫公司与丰田的工程师们合作首次开发成功用聚酰胺<
/p>
6
制造
的进气歧管，从而取代了铸铁、铸
铝等金属材料。这一组件由巴斯夫的
Ultramid?
制造，
Ultramid?
是一种经玻璃纤维强化的聚酰胺，已成为众
多车型的
“
首选材料
”
。当时是采用
“
去芯成型法
”
生产这一结构复杂的部件，并进一步开发
“
振动焊接
”
工艺将三个部件连接为一体。此项应用中该材料
所经受的最大考验
是对热空气的耐受能力和抗热老化的能力：
这种聚合物必须能经受住与
120
℃<
/p>
热空气的长时间接触及最高温度达
150
℃
的耐热测试。在将其投入生产线之前，丰田对该部件进行了严格的实验室测试
与广泛的道路测试。
使用聚酰胺（塑料）而非
常规铝金属制造进气歧管为丰田带来了众多突破
性优势：
塑料取代金属后减轻了该部件约
40%
的重
量，从而提高了燃料效率并减少
了排放。使用
Ultramid
?
制造的进气歧管还加强了发动机空气补给，从而提高发
动机的
性能。比起铝制产品，聚酰胺进气歧管的光滑内壁阻力更低，同时，由
于塑料的成型更为
容易，这种材料更有利于最佳空气流动设计的实现。
通过优化
制造流程，使用
Ultramid?
制造的组件有助于节省生产
成本。设计
师能够将其它的功能整合于
Ultramid?
进气模块中，同时又保证相同水平的质量
2
/
12
<
/p>
与安全性，从而降低组件的复杂性。空气滤清器壳体、配线固定座、防尘罩与
安装螺塞都可添加于完全由塑料制成的模块之上。
因为这个项目非常成功，丰田将此合作扩展至其在亚洲、欧洲与美国的其
它生产基地。<
/p>
今天，该组件已被应用于丰田绝大部分使用汽油发动机的小汽车
上。
1.2
燃烧模式的变革
燃烧模式和燃烧系统发生重大变革，稀燃技术在汽油机上成功应用。典型
的有
日本三菱公司缸内直喷式汽油机（
GDI
）、大众缸内直喷分层
燃烧发动机
（
FSI
）、凯迪拉克双模
直喷发动机（
SIDI
）。
FSI
（
Fuel
Stratified Injection
）燃油分层喷射，是基于
< br>GDI
（汽油直喷）的一
种技术。与常规的进气道喷射点
燃式发动机相比，
FSI
将燃油直接喷入燃烧室。
由于喷雾的气化冷却作用，它优化了充气效率，实现了汽油机质的调节，大大
降低了进气损失。分层燃烧减少了发动机的传热损失，从而增大了满负荷的输
出功率并降
低了部分负荷的燃油消耗。
大众
FS
I
发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电
磁控制的高压喷嘴。它的特点是空气在进气道中已经产生涡流，进气流以最佳
的涡流
形态进入燃烧室内，通过分层填充的方式推动，使混合气集中在位于燃
烧室中央的火花塞
周围。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点燃的浓
混合气，空燃比达到
12
：
1
左右，外层逐
渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速
扩散至外层。
在发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。此时节气门为半开状态，
空
气由进气管进入气缸冲击活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状，从而
在火花塞附近
形成期望的涡流。当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器
喷出，形成可燃气体。这
种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在
转速较低、负荷较小时除了火花塞周
围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃
烧室的其它地方只需空气含量较高的稀混合气即
可，而
FSI
使其与理想状态非常
接近
。当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较
强涡流并与汽油
均匀混合。从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。
3
/
12
<
/p>
ECU
不断地根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适
宜的供油方
式。燃油的充分利用不仅提高了燃烧效率和发动机的输出特性，而且改善了排
放。
FSI
发动机既然有如此多的技术优势，相应的其对发动机硬件和油品的要求
也就很高。
首先，它的喷油器安装在燃烧室内，这就要求其具备在高温高压环境
下可
靠工作的能力。其次，油路中必须具备比气缸内更高的压力才能有效地把汽油
喷射入气缸。燃油管路中的压力提高以后，管接头密封处的强度也要随之提
高。这样就对喷油器的设计和制造工艺提出了更高的要求。除此之外，
FSI
发动
机的压缩比较高，可达
11.5
：
1
，在这种情况下对燃油标号和油品的要求就
很严
格。就中国的情况来说，必须使用
97
号及以上的高清洁度汽油。
通用将燃油直喷技术的代号定
为
SIDI
（
Spark
Ignition Direct Injection
），直
译为火花点燃直接喷射技术。其实现原理和一般的直喷发动机并无二致：
凸轮轴驱动的燃油泵为供油系统提供高压燃油，共轨喷油嘴将高压燃油直
接喷
射入汽缸，点火时间就可得到精确控制，高压喷射和极细的喷嘴设计则保
证了喷油量的精
确控制。缸内直喷技术代替了传统
MPFI
（多点电喷）技术之
后，发动机在低转速下的燃烧效率进一步提升。
1.3
燃料的多样化
燃料更加多样，对于控制排气污染、改善燃油经济性、减少内燃机对日益
短缺的
石油基燃料的依赖，各国进行了大量内燃机代用燃料的研究工作，并在
一定范围内取代汽
油和柴油，如用天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、合成汽
油、合成柴油、生物柴油以及
二甲基醚等。
天然气
(NG)
是一种清洁、高效、优质能源，在世界各国得到广泛的利用。
液化天然
气
(LNG)
是将天然气在
-162<
/p>
℃
常压下转化成液态，其液化后的体积为常
压下气态的，小于压缩天然气
(CNG)
的体积；而
CNG
是将常温常压下的天然气压
缩到
20~25MPa
后的高压天然气，其体积为常温常压下气态的，是
LNG
体积的
2.5~3.0
倍。
4
/
12
<
/p>
由于
CNG
具有体积较小、储存效率较高
和运输较方便等优势；既可将其作
为民用、工业和城市燃气调峰，也可作为汽车燃料。目
前，我国
CNG
汽车在四
川成都、重庆
、郑州、北京、开封、济南等城市迅猛发展，全国天然气汽车拥
有量已超
10
万辆。但天然气和汽油、柴油相比更易燃易爆，对天然气气源和管
网的依赖性较强，只能在有天然气管网的地点建设
CNG
加气站等相应的基础设
施。
乙醇汽油
E85
由
85%
的乙醇和
15%
的汽油混合而成，使用
E85
乙醇汽油能
够显著降低
CO
和
HC
排放，这是因为乙醇中含
有氧元素，使得不完全燃烧产生
的
CO
和
HC
被氧化。
由于乙醇的气化潜热较大，使得即使发动机的负荷增加，气缸内温度增加
也不显著。
这样导致
CO
和
HC
< br>的排放在使用
E85
时没有随负荷的增加而显著减
少。使用
E85
乙醇汽油的柯尼塞格
Agera R
搭载一台
5.0
升双涡轮增压
V8
发动
机，最
大功率达到
820kW
（
1115hp
），峰值扭矩
1200N·
m
。而在使用普通
98
号
燃油时，该车仅能实现
691kW
（
9
40hp
），
1100N·
m
的输出。
很明显使用
E85
能够显著减少
HC
和
CO
排放，但同时燃油消耗率会有所增
加，这主要
是因为乙醇的低热值较低。因此，使用
E85
将需要更大的油箱
，这
是其一大缺点。即便如此，使用
E85
后热效率仍可以提高
3%~8%
。总之，乙醇
汽油由于其良好的排放特性以及可再生性，必将在未来发挥更大的作用。
1.4
智能控制技术的应用
各种智能控制技术更加成熟。例如，在进气系统方面，本田的
VT
EC
、丰田的
VVT-i
< br>、现代的
CVVT
、通用的
DV
VT
等可变气门正时技术都得到
了广泛应用；柴油机电控技术，
包括高压共轨技术、电控泵喷嘴、电控单体
泵、增压及中冷技术等向小型柴油机和汽油机
扩展。
VVT
—
i
（
Variable Valve Timing
with intelligence
）系统是丰田公司的智能可变
气门正时系统的英文缩写，最新款丰田轿车的发动机已普遍安装了
VVT
—
i
系
统。丰田的
VVT
—
i
系统可连
续调节气门正时，但不能调节气门升程。它的工作
原理是：
5
/
12
<
/p>
当发动机由低速向高速转换时，计算机就自动将机油压向进气凸轮轴驱动
< br>齿轮内的小涡轮，在压力的作用下，小涡轮相对齿轮壳旋转一定的角度，从而
使凸
轮轴在
60°
的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的
时刻，达到连
续调节气门正时的目的。
高压共轨
(CommonRail)
电喷技术是指在高压油泵
、压力传感器和电子控制单
元
(ECU)
组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种
供油方式。它是
由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管
(Rail)
，通过公
共供油
管内的油压实现精确控制，使高压油管压力
(Press
ure)
大小与发动机的转速无
关，可以大幅度减小柴油机供油
压力随发动机转速变化的程度。
共轨系统将燃油压力产生和燃
油喷射分离开来，如果把单体泵柴油喷射技
术比作柴油技术的革命，那么高压共轨就可以
称作反叛了。因为它背离了传统
柴油喷射系统而近似于顺序汽油喷射系统。共轨系统开辟
了降低柴油发动机排
放和噪音的新途径。
欧洲可以说是柴油汽车的天堂，在德国柴油轿车占了
39%
。柴油轿车已有
了近
70
年的历史，可
以说柴油发动机有了突飞猛进的发展。
1997
年，博世与奔<
/p>
驰公司联合开发了共轨柴油喷射系统
(Common Rail
System)
。今天在欧洲，众多
品牌的轿车都配有共轨柴油
发动机，如标致公司就有
HDI
共轨柴油发动机、菲
亚特公司的
JTD
发动机，而德尔福则开发了
Multec DCR
柴油共轨系统。
<
/p>
近年来，匹配柴油机的轿车在欧洲迅速发展，具备出色的燃油经济性，并
< br>降低了发动机噪音。柴油发动机使用的是泵喷嘴系统，国内生产的
1.9TDI<
/p>
大众
宝来就应用了这一系统，最高喷射压力可达
< br>1800kPa
。泵喷嘴系统的燃油压力不
能保持恒定，
随着排放法规日益严苛，更高且恒定的燃油喷射压力和更完善的
电子控制成为必需。于是
众多制造商就把优点更多的高压共轨系统作为柴油发
动机的发展方向。这一系统具有很高
的燃油压力，并能提供弹性燃油分配控
制，通过
ECU
灵活地控制燃油分配、燃油喷射时间、喷射压力及喷射速率。通
过对以上
特性的控制，高压共轨已使柴油机的响应性和驾驶舒适性达到了汽油
机的水平，同时它具
有显著的燃油经济性和低排放特性。
2
车用内燃机发展方向
6
/
12