汽车发动机技术现状与进展

2024年2月12日发(作者：东风猛士民用版2020款)

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汽车发动机技术现状与进展 张宗法 熊 锐

内容提要：本文分析了国产发动机技术存在的问题及其解决措施。阐述了国外车用发动机在节能环保的一些新技术，提出了未来车用发动机技术的发展关键是提高能量利用率和降低污染物的排放。

21世纪汽车发展形态决定的因素是环保和节能。据统计，每年汽 车用油量占世界石油总产量的9成石油是一种有限的资源，正变得越来越稀缺，而且越来越昂贵。2001年以来，国际油价持续上涨。在过去一段时间里，石油的价格翻了一番，从每桶30美元左右涨到每桶60多美元，作为一次性资源的石油，其贮藏量随开采量的不断增长而逐渐减少，石油资源枯竭之日为期不远预计到2050年汽车面临饥饿和死亡的威胁。世界能源危机已成为人类面临的紧迫问题。我国是贫油国，已成为石油进口大国。目前我国已取代日本成为全球第二大石油消耗国（仅次于美国）。2007年我国原油进 口量已达16518万t。我国的能源储量与未来几十年的发展需求之间已存在着一个巨大缺口。我们必须有 效的面对能源危机问题。

随着汽车数量的增加，汽车排放污染物对环境造成的危害日益严 重。为了保护地球环境，减少汽车排放物对大气的污染，世界各国和地区都先后制定了愈来愈严格的汽车排放法规。最近，欧盟委员会公布了欧V 排放标准。该标准将适用于所有在欧盟国家销售的柴油引擎汽车，并从2009年起生效。将于2008年生效的欧Ⅳ标准允许的最大颗粒排放为0.025g/km，氮氧化物排放量为0.25g/km。当2008年奥运会锁定我国北京时，我国汽车业也同时听到了环保排放标准的倒计时的声音，北京已宣布，从2003年1月1 日起北京将对机动车的尾气排放标准由现在的欧Ⅰ改为欧Ⅱ，2008年前北京将正式实施欧Ⅲ排放标准,上海也将于2003年1月1日起正式实施欧Ⅱ排放标准。面对欧Ⅲ排放标准的考验，中国汽车业竞争格局的变化也将不可避免。

综上所述，伴随着汽车产销量快速增长而来的是大气污染和石油资源的大量消耗。先进的发动机技术在汽车节能、环保技术开发中起着关键的决定性的作用。

1 国产发动机技术存在的问题及解决措施

1.1 国产发动机技术含量低

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在国内，就汽油机而言，新技术包括缸内直喷技术、电动进气门、电动节气门等技术；柴油机技术就更多了，像共轨技术、可变涡轮增压技术、废气再循环技术等等。但是这类技术迟迟没有来到中国，原因有以下情况。

1.1.1 企业的选择是市场行为

企业为自己的新车型选择什么样的发动机，完全是市场行为，只 要能够满足法规要求、不影响整车性能，都是可以的。事实上，也确实有不少企业采用的是这样的经营 路线。比如北京吉普的2500，沿用原来BJ7250EL 超级切诺基的发动机。而下线近一个月的日产阳光，发动机和变速箱也沿用了风神 “蓝鸟”的那一套系统。还有上市不久的上海通用的君威，部分车型发动 机的指数也与原来该厂生产的别克系列惊人地相似。而近年来在国内市场十分抢眼的一些低价位S U V能够保持低价，其原因也就在于发动机、底盘等重要部件都是成熟产品，单件价格比较低。

1.1.2 中国的实际状况是外方选择的关键

部分业内人士在看待发动机技术水平时，更多地考虑了国内的一些实际情况。 国内油品的质量是外方选择发动机的主要考虑因素之一。国内油品质量低是有共识的，如果 在现在这种情况下将在欧洲市场上畅销的柴油发动机拿到中国市场，对企业来说，是要冒很大风险的。现在在欧洲市场，装备柴油发动机的轿车已经占去年轿车销量的60%，可是却没有一家欧洲企业在中国市场推出其柴油发动机。合资伙伴的实力也是外方考虑得比较多的。最明显的例子就是天津丰田。威驰使用的并不是著名的VTT-i 发动机，而不是5A发动机，据分析，其中很大的一个原因是，国内企业的实力不够。如果将VTT-i发动机拿到中国，而合作伙伴在装配上本事不够今后发动机出了问题还是小事，把自己辛辛苦苦创立的品牌形象毁了才是大事。

1.1.3 技术含量问题

其实对国内企业来说，他们也不是不想用新技术，在市场竞争中 占有先手毕竟不是坏事，但是其中涉及到的问题却是他们不得不仔细考虑的。以宝来为例，在国内这些生产的车型中，宝来的技术含量最高。“它的发动机使用了‘可变歧管长度’和 ‘可变气门正时技术’，国内的发动机技术就属他们的最好了。”但是，2__________________________________________________

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高技术含量是有风险的，问题就在于，技术含量越高，国产化的可能性就越低，一旦出了问题麻烦就越大。由于技术含量高，而又无法实现国产化，宝来的发动机及其相关零部件必须进口，而零部件周转周期高达6个星期。因此，当今年年初，宝来出现大规模出现点 火线圈烧坏现象后，企业就极其被动。

1.1.4 价格问题

国产阳光选用的是蓝鸟的变速器和发动机，高尔搭配的是桑塔纳的动力系统，大概都是出于价格的考虑。除了上述几个问题外，在发动机技术含量方面，国内法规的影 响力也是不可忽视的。如果以现有的技术水平，发动机就可以满足法规要求，人们是没有太多的理由要求企业使用新发动机的。

1.2 发动机核心技术缺失，自主研发亟待破茧

汽车的核心是发动机，没有发动机的自主技术，汽车工业就是残 废的。但是，即使是我国的自主品牌发动机也不完全是自主的，包括很多国外的技术在里面。所以处于发动机设计研发起步阶段的中国汽车工业将面对来自国际上的高新技术与产业竞争。

1.2.1 竞争压力问题。

根据中国汽车工业协会的最新统计，纳入统计范围的53家国内汽 车发动机企业，2007年前三季度累计生产发动机576.11万台，累计销售发动机573.84万台，同比分别增长24.50％和24.72％，与整体汽车产销增速 （22.78％和24.46％）基本持平。如果按照这一速度正常运行下去，2007年车用发动机整体产销量有望突破750万台。然而，与产销高速增长形成鲜明对比的是，国内发动机企业的产品结构、企业组织结构、工艺装备水平、经营管理水平、创新开发能力和人员素质都不同程度地存在一些问题。最为突出的是行业整体规模不小，但水平参差不齐，缺乏具有国际竞争力的 产品，自主开发能力较弱，创新能力不足，高新技术仍然依靠国外。国 内的发动机主要集中在小排量、2L以上的发动机，国内的制造水平与国外相比还很弱，质量控制、技术人员素质等方面都有很大差距。目前，从轿车发动机来说，国外的技 术确实比国内要先进得多。很多企业忙于造车赚钱，对自主开发的问题想得多却行动少。以目前的情况看，国内企业应该放弃“拿来主义” 奢望，等着国外企业把技术转移过来。因为即使是转移过来的技术也已经过时了。另3__________________________________________________

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外，作为竞争对手，外国企业不会给本土企业什么恩赐，除非合资以后完全听外方的。所以本土企业所能做的就是实实在在地 去设计、去研发。

1.2.2 技术问题

汽车工业最核心的技术就是发 动机的设计研发，国内企业在这方面还是很弱的。目前，商用车的发动机，我们是可以自主设计的。问题主要是轿车，从整机的设计到比 较核心的电控、喷射等技术上，我们还是刚起步，或者刚开始和外国的设计机构合作。对发动机来讲最关键的就是发动机系统，这套系统现在还是集中在世界上几家大的企业，发动机的排放、燃烧情况等很大程度上都取决于这套系统。我们没有这样的零部件供应商。造成我国发动机设计研发技术落后的原因，过去很长一段时间，国内的企业总是存在一定程度上的畏惧心理，觉 得发动机的研发很困难。因此很多企业都选择去设计车身、底盘。技 术上难不难不是重点，关键是要去做去积累，过去我们没怎么做，也就没有经验也没有数据。无独有偶国内企业在自主研发技术上存在的最大问题就是积累不够。举例说，国外在发动机开发过程中积累了很多数据，这些数据就代表了他们的经验、基础。在这个基础上再开发新的发动机，他们通过借助以前的数据很快可以将粗线条勾画出来，然后再利用他们先进的测试分析手段，很快便可以做出更高水平的新型发动机方案。这个过程包括数据的积累，设计经验的积累和设计开发条件的积累。发动机的自主研发与人才素质有直接关系。我们的人才还需要成长。中国汽车工业真正腾飞 是在2002年，在此之前我们没有家用轿车，因此也不会为轿车产业培养多少人才。近几年轿车工业虽然飞速增长，但是有经验的人才不可能随之高速增长。这也是阻碍发动 机自主研发技术发展的关键因素。此外，过去我国发动机的市场空间 小，再加上对研发的重视程度不够， 现在的情况则有所改变，只要企业 能设计出好的发动机搭配好的车型，产销是不成问题的。近几年，我们已经逐渐意识到没有发动机的自主技术整个轿车工业就是残废的。现在有很多企业已经开始和国外的机构合作进行发动机的自主研发。

1.3 解决措施

我国发动机市场的需求很大而且还在继续扩大。另外，国内企业的开发成本相对较低，包括材料成本、人力成本等。再加之借鉴国外公司的经验，这些优势都可以让本土企业比较快地达到目标。未来发动机市场真正国产的发动机会越来越多，研发人才也将逐渐成熟。而对于我国老百姓来说，面对居高不下的油价则更4__________________________________________________

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倾向于中小排量的汽车。因此中小排量的发动机市场也会随之扩大，这部分市场空间不可限量。目前，自主开发的问题已经在企业中取得共识，因此很多国内 企业都在积极投入人力财力进行自主研发。虽然，自主的完全度与国外企业相比还有一定差距，但是，我们在总的设计目标、设计过程中关键问题的把握以及最后应用于产品的整个过程是由我们的企业来掌控。 此外，国家现在有很多大的科研行动，也会从一定程度上给企业相应 的支持，提高了企业自主研发的积极性。汽油机和柴油机仍是汽车的主流发动机，我们国家在20年以后甚至更长时间要掌握这个技术并具有国际竞争力，这是完全可以实现的。要想实现这个目标，我们的企业首先要把发动机的研发提上日程列为重要计划；其次要投入人力、资金，目前在发动机的设计研发方面还是缺少人才，企业应该通过多种渠道培养人才，比如吸纳国外专家,输送人才到国外学习等。

2 国外发动机新技术发展现状与进展

与美国20世纪90年代中实施的联邦排放法规相比，于2007年全面实施的新联邦排放法规将要求汽车氮氧化物排放降低幅度高达95%，碳氢排放物降低幅度高达84%。这越来越严格的排放法规和人们对节 能认识的加深，使得高效率、低排放车用发动机技术的开发受到高度的重视，从而促使传统的内燃机技术不断创新。由于各国国情的不同，在环境保护及节能方面所侧重的技术也有所区别。日本出于国土资源 的因素，微型车辆、经济型车的比例较高，小量发动机既能满足节能环保的要求，又能给这类车提供足够的驱动力；而在欧洲，由于柴油便宜，热效率远高于汽油机，使消费者容易接受柴油机驱动的汽车要比汽油机驱动的同类汽车贵1000～2000美元的事实。另外，柴油机的低速扭矩远胜于汽油机，这也使偏爱汽车运动感的欧洲人更将直喷柴油机视为高科技的代表。现在的西欧，超过35% 的新车销售是柴油机。

下面重点介绍几种热点技术

2.1 增压发动机

2.1.1 涡轮增压发动机(Turbo)

涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送 由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进5__________________________________________________

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入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与祸轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可 以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。涡轮增压器的最大优点是能在不加 大发动机排量就能较大幅度地提高发动机的功率及扭力，一般而言，加 装增压器后的发动机的功率及扭矩 要增大20%～30%。这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率，或者说，一台小排量的发动机经增压后，可以产生较大排量发动机相同的功率。另外，发动机在采用了增压技术后，还 能提高燃油经济性和降低尾气排放 在宝来 1.8T、速腾 1.8T、途安1.8T、帕萨特1.8T、奥迪A4、1.8T/ 2.0T、奥迪A62.0T 等车型上，都装有涡轮增压发动机(Turbo)。但涡轮工作有迟滞现象，并且保养费用高。涡轮增压器的缺点是滞后，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，使发动机延迟增加或减少输出功率，这对于要突然加速 或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉

2.1.2 机械增压发动机 Su-percharger

机械增压的 压缩机直接被发动机的曲轴带动， 它的优点是响应性好。但是它本身 需要消耗一部分能量，因此机械增压不能产生特别强大的动力，尤其在高转速时，从而影响到发动机 转速的提高。它响应性好完全没有涡轮的迟滞现象，可以在任何时候都能输出源源不断的扭力。北京奔驰E200K 路虎揽胜动版等车型上，都装有机械增压发动机。但高转速时会产生大量的摩擦，从而影响到转速的提高，并且噪音大。

2.2 大众FSI/TFSI/TSI发动机技术

2.2.1 FSI——燃油分层喷射发动机

FSI是Fuel Stratified Injection 的词头缩写，意指燃油分层喷射。该技术的运用使FSI 发动机与传统发动机相比拥有更低的油耗、更好的环保和更大的输出功率和扭力。燃油分层喷射技术是发动机稀燃技术的一种。大众FSI 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射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的 涡流形态进入燃烧室内，以分层填 充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。如果稀燃技术的混合比达到25 /1 以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12 1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。

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2.2.2 TFSI——涡轮增压燃油分层喷射发动机。

TFSI实际上就是比FSI多了一个T 字，这个T 字代表的则是涡轮增压技术——而发动机本身也的确是在FSI发动机的基础上增加了一个涡轮增压机。涡轮增压是利用排气的高温高压推动废气涡轮高速转动，在带动进气涡轮压缩进气，提高空气密度，同时电脑控制增大喷油量，配合高密度的进气，因此可以在排量不变的条件下提高发动机工作效率。简单点说就是废物再利用，将排气导入涡轮工作组，然后 改变压力，形成压力差，增大发动机的工作压力。由于废气涡轮是靠排气推动的，因此在发动机转速底 时 （待速）不启动，只要发动机转速足够（通常在1500转以上）涡轮增压器就开始工作，在启动转速范围以上都持续工作

2.2.3 TSI——涡轮-机械增压发动机

它实际上是把一个涡轮增压器 (Turbocharger)和机械增压器(Supercharger)一起装到一台发动机里面。涡轮增压器由于废气涡轮的惯性，会有发动机相应的迟滞现象。而机械增压器则是由发动机转轴直接带动，能够随着发动机转速变化而线性地改变自己的转速。2005年， 大众 1.4 Ｌ直喷汽油发动机首先搭载了这套系统 （至今装备到大众量产乘用车的也只有这一款TSI发动机）。它能发出125kW/27.5kg米 的输出。不过把涡轮增压和机械增压结合起来倒并不是一个很新奇的想法，1985年的Lancia Delta S4 拉力赛车就采用了这样的技术；还有二战时期就有飞机采用了这样的发动机，一些快艇的动力系统也采用了这种技术。 2.3 可变气门定时技术VVT

传统发动机的配气相位和升程是固定的，不能使各种工况下都得 到最佳的配气正时，可变气门定时技术是汽油发动机技术发展的另一个里程碑。VVT（Variable ValveTiming）指的是发动机气门升程和配气相位定时可以根据发动机工况作实时的调节。VVT 技术可分为3种：可变相位 （phase）技术，可变升程（lift）技术，以及可变相位和升程技术。代表性的VVT技术是本田公司的VTEC （Variable Valve Timing and Valve

lift Electronic Control System），丰田公司的VVT-i，（如图1）

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保时捷公司的VarioCam 和宝马公司的 VANOS。这一技术使发动机设计师无需再在低速扭矩与高速功率之间作抉择，实时的气门定时调整使得同时顾及低速扭矩与高速功率成为可能。连续可变气门定时技术加上先进的发动机控制策略，可以巧妙地实现可变压缩比。如在大负荷时，发动机容易发生自然引起的爆震，通过推迟进气门关闭的时间来达到降低有效压缩比的目的，从而避免爆震。而在中小负荷时，爆震不再是个问题，可以通过调整气门关闭时间达到提高有效压缩比的目的，从而使发动机在中小负荷时有优异的热效率。可变气门技术也可使汽油机排放品 质达到更好的水平。发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，

使充量系数增加，发动机的扭矩和 功率可以得到进一步的提高。它的特点是在大幅提高了燃油的经济效率的同时增加发动机的功率。但对油品的要求十分苛刻。

2.4 柴油机高压共轨电控燃油喷射系统

柴油机具有低速转矩大，燃油经济性好和C O 排放低等突出优点，因此各国越来越多地采用柴油机，但传统的柴油机存在着振动噪声大，NO 和PM 排放高等问题，其解决办法之一就是采用高压共轨电 控燃油喷射技术。图2为高压共轨系 统简图。共轨技术是指高压油泵、压 力传感器和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。由 高压油泵把高压燃油输送到公共供 油管，通过对公共供油管内的油压 实现精确控制，使高压管压力大 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 速的变化，因此也就减少了传统柴 油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷 油量，8__________________________________________________

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喷油量大小取决于燃油轨（公 共供油管）压力和电磁阀开启时间 的长短。该技术不再采用传统的柱 塞泵脉动供油的原理，而是通过供 轨直接或间接的形成恒定的高压燃 集成在每个喷油器上的高速电磁开 关阀的启闭，定时定量的控制喷油 器喷射至柴油机燃烧室的油量，从 而保证柴油机达到最佳的燃烧比和 良好的雾化，以及最佳的发火时间、 足够的能量和最少的污染排放。 高压共轨喷射系统是建立在直 喷技术、预喷射技术和电控技术基 础之上的一种全新概念的喷射系统。 它主要有高压泵，带调压阀的共轨 管，带电磁阀的喷油器，ECV （电 子控制单元）和各种传感器组成高 压共轨系统不再用柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积 起来并平抑压力波，再通过各高压油管输送到喷油器上，由喷油器上的电磁阀的动作控制喷油的开始和终止。电磁阀作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原理，因此又可称为压力时间控制式控喷射系统。高压共轨喷射系统的特点是；喷油压力的建立与喷油过程无关 喷油压力，喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响；喷油定时与喷油计量完全分开，可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点；能实现预喷射，快速停喷和多段喷射。因此高压共轨喷射系统通过对喷油要素的优化控制柴油机燃烧更充分，从而减少燃烧中有害物的形成，使柴油机的有害排放，噪声排放和冷起动性能都得到很大改善。

2.5 可变排量技术VDE

可变排量技术 （Variable displacement engine）就是根据汽 车动力的需求来实时决定发动机的有效排量，使做功的汽缸总是处于大负荷状态，从而达到节能环保的目的。这一技术适用于中大排量、V型布置的发动机，如本田的V6、通用的V8及戴-克的W12汽油机。美国福特汽车公司利用最先进的电脑控制技术，开发出可变排量发动机(VDE)，并准备将这种发动机安装在福特汽车公司以后生产的轿车和卡车上，以改善汽车的燃油经济性。这种发动机技术最适合多汽缸的发动机使用。对于 12缸发动机来说，采用这种技术，相当于安装了2个独立的6缸发动机，可以根据驾驶的需要让一台发动机运行，而让另一台 处于怠速状态。这样，就可以随时 调整发动机的排气量，从而减少能源的消耗。据介绍，可变排量发动 机并不是一项新的汽车技术。通用汽车公司早20世纪在80年代就在凯迪拉克上配备过可变排量发动机，但当时的机型未能达到它应该达到的性能标准。因为发动机经常产生较大的噪声，且从8缸转换成4缸的过程也非常不稳定，偶尔还会被卡死在一种状态下无法调节。造成这种问题的原因并不是可变排量发动机本身的技术有问题，而是当时的电脑芯片不能完成每秒200次的计算功能

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2.6 汽油缸内直喷技术

GDI全称是gaosline direc tinjection三菱汽车公司很早就开发了GDI发动机，是日系品牌中缸内直喷技术的倡导者。三菱的GDI 发 动机通过稀薄燃烧技术，让燃料消耗减少20％～35％，让二氧化碳排 放减少20％，二输出功率比普通的同排量多10％。缸内直喷技术有两大好处：一是发动机能在火花塞点火之前把汽油直接喷射到高压的燃烧室，同时在ECU 的精确控制下使混合气分层燃烧。这种技术可以让靠近火花塞处的混合气较浓，远离火花塞的混合气相对较稀，从而更有效的实现稀薄点火和分层燃烧。 二是由于汽油是直接被喷射到气缸内的，与传统的缸外喷射相比，混合气不需要经过节气阀，因此能减少节气阀对混合气体产生的阻力。下面介绍一下三菱GDI发动机的两阶段混合和两阶段燃烧。它解决了高负荷时NO

和PM 排放高问题。两阶段混合如图3所示

在进气冲程开始时第一次喷油，在缸内 形成很稀的均质混合气，第二次喷射在压缩上止点前，在气缸滚流和活塞顶形状的帮助下产生分层混合气，然后点火燃烧。这种混合气生成法的好处是：一是抑制敲缸的发 生，原因是第一次喷射均质混合气很稀，不可能产生敲缸，第二次喷射燃油在缸内停留的时间短，来不及完成着火前的低温氧化反应。二是促进碳烟烧尽，具体说，分层燃烧产生碳烟，但第一次喷射的稀混合气中产生的过氧化物将支持燃烧，此时的高温碳烟将成为稳定的点火源，将自己燃尽。 图4

为两阶段燃烧示意图，其目的是改善冷起动机和低负荷运行时的HC 和CO 的排放，CO 的氧化温度比HC的低，因此辅助喷射燃烧首先使催化剂快速加热，然后使CO ，燃烧产生较高温度，再使HC 燃烧。另外还有发动机小型轻量化技术，燃烧速率控制滑片技术，气缸节能技术，全铝发动机技术，启动机一发电机技术，油、电、氢混合动力技术，乙醇混合燃料技术，纯电力驱动技术氢燃料电池驱动技术等等。

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