国内外汽车新技术回顾和展望

2012-06-13上海彦仁

汽车维修与保养 2012年1期

关键词：汽油机增压器微粒

文/上海彦仁

国内外汽车新技术回顾和展望

文/上海彦仁

节能、安全、环保，是当前全球汽车行业共同关注的热点。因此，汽车新技术自然也围绕这三个方面，以降低燃油耗、提高安全性(主动安全和被动安全)、降低废气排放来进行。

一、节能新技术的发展及应用

为有效降低对进口石油的依赖，各国各地区都在大力提倡节约能源，比如，美国、日本以及欧盟都提出了提高燃油经济性的目标。我国也于2011年10月1日起，提高燃油经济性补贴标准，根据乘用车装备质量的不同，提高的综合燃油耗的数值也不同。

1.汽油机新技术的发展及应用

(1)废气涡轮增压、空冷技术及应用

第7批“节能产品惠民工程”节能汽车推广目录中共有12家企业和49种乘用车车型。一汽—大众和上海大众共有13种车型入选，占26.5%。这13种车型都采用了大众汽车公司的废气涡轮增压、空冷技术，其中有12种车型采用1.4T发动机，有9种车型采用涡轮增压燃油分层直接喷射和双离合器自动变速器技术。上海通用共有9种车型入选，占18.4%。以通用为代表的美系车都给人以大排量、大油耗的印象，为了甩掉“油老虎”的帽子，上海通用投资11亿美元，在过去两年中把旗下的车辆动力总成全部换代，新车型燃油经济性提高了8%～13%，1.6L以下节能补贴车型占该公司1.6L及以下车型的50%，2011年推出的新车型，节油性能提高75%。这次入选的9种车型都采用eAssist汽油发动机，动力总成采用废气涡轮增压、SIDI智能缸内直喷和6挡自动变速器。

奇瑞有6种车型入选，占1 2.2%，有0.8L、1.0L、1.6L排量汽油机，采用Acteco(由AVL公司设计)发动机；比亚迪也有3种车型入选，占6.1%，采用1.5L缸内直喷、涡轮增压和双离合器自动变速器。

非常遗憾的是，一汽丰田、广汽丰田、广汽本田等在中国生产的车型没有一种车型进入第7批目录，这是因为丰田、本田装在轿车上的发动机都是自然吸气式汽油机，没有采用涡轮增压和汽油直喷技术。虽然这两家公司都有这方面技术，但没有引入中国。

2010年，我国采用涡轮增压汽油机的乘用车销量56.54万辆，占当年乘用车销量5.96%；2011年1～6月，我国采用涡轮增压汽油机的乘用车销量31.94万辆，占2011年1～6月乘用车销量的6.57%。

目前国内轿车涡轮增压器生产企业主要有长春富奥石川岛增压器有限公司、博格华纳汽车零部件(宁波)有限公司和霍尼韦尔涡轮增压系统(上海)有限公司，这三家合资公司市场份额分别为52%、44%和4%。

涡轮增压发动机由其排出的废气驱动涡轮增压器的涡轮高速旋转，带动进气涡轮以同样转速旋转，以高于大气压力将空气压缩到缸内，涡轮增压的空气进气量远远大于自然吸气式发动机的进气量，能提高发动机功率和扭矩。如一汽大众速腾1.4TSI汽油机最大功率为96kW，最大扭矩为220N·m；而速腾2.0L自然吸气式发动机，其最大功率为85kW，最大扭矩为170N·m；1.4L排量汽油机采用TSI技术后比2.0L排量自然吸气式汽油机的功率、扭矩、升功率、升扭矩都要高，这等于缩小了发动机排量。

(2)缸内直喷

缸内直喷是使燃油在极高压力下直接喷入燃烧室内。大众1.8TSI汽油机采用博世公司可按需调节的高压燃油泵(HDP)，该泵喷射压力可达15MPa，比2.0TSI提高4MPa。采用缸内高压直喷和废气涡轮增压器相结合，具有更高行驶功率、更低的燃油耗，并降低废气排放。

因此，废气涡轮增压器和汽油直喷技术在大众、通用、福特等都广泛采用，而日本三菱、丰田虽然最早研发出稀薄燃烧汽油直喷技术，并在其国内车型上广泛采用，但未将该技术引入中国。

(3)复合增压技术

未来，复合增压技术将得到广泛应用，该技术是在废气涡轮增压的基础上串联机械式增压器。大众汽车公司开发的1.4TSI双增压分层直喷汽油机是在开发成功的燃油分层汽油直喷汽油机上，进一步采用废气涡轮——机械复合增压新技术，使发动机最大功率达125kW，升功率达89.29kW/L，升扭矩达171.43Nm/L。1.4L排量采用这一技术后达到君越2.4L自然吸气式汽油机的功率水平。该发动机通过两级增压后，其增压比达2.5，平均有效压力达21.7bar，其爆发压力达120bar(FSI汽油机85bar)，其机械增压器可以接合，也可以脱开。采用两级增压后，在低转速时能达到最大扭矩。机械式增压器从需要的最小扭矩起一直到2400r/min。机械式增压器到发动机转速达3500r/min就脱开，废气涡轮增压器逐步过渡到全负荷运转，并单独产生所需增压压力。

机械增压器由集成在水泵传动皮带轮上的一个带电磁离合器的皮带轮传动。调节阀用来为废气涡轮增压器提供运转时所必需的空气量，只有当废气涡轮增压器单独增压时，该调节阀才打开。

在机械增压器工作时，增压压力是通过旁通空气回路中电控调节阀调节，它能在机械增压器和废气涡轮单级增压之间无级变换。

机械增压器可克服废气涡轮增压发动机低转速时“迟滞效应”，瞬时增压响应灵敏，低速扭矩和汽车加速性良好。其结构简单，成本低，工作温度低，基本可以做到免维护。

(4)电动辅助增压技术

该技术是将电机/发电机安装在涡轮增压器轴上，由电控单元控制工作状态，利用功率调节器来缓冲电机/发电机与蓄电池之间能量转换过程，保证电机和发电机工作的平稳。汽油机电动辅助涡轮增压技术正在研发中，柴油机电动辅助增压器已由日本三菱重工生产出产品。

美国卡特匹勒公司在货车发动机上采用电涡轮复合技术。当涡轮增压器中涡轮产生的功率超过压气机对功率需求时，这部分过剩功率通过涡轮增压器转轴上的电机被转换成电功率，用于驱动其它车载电气设备。当压气机功率需求无法得到满足时，电机可用来加速涡轮转速或由车载储能装置提供。

2.柴油机新技术的发展和应用

柴油机由于采用直喷、废气涡轮增压中间冷却、废气再循环(EGR)、高压燃油喷射系统(单体泵、泵喷咀、共轨)，其节能减排效果非常明显。柴油机油耗比汽油机低30%，CO2排放比汽油机少20%，相同排量的柴油机扭矩比汽油机高50%。而且，如今的柴油机已有效避免了冒黑烟、振动大、噪声大等缺点。在欧洲，柴油乘用车新车注册量已达汽车保有量的50%，在法国更是高达70%。我国柴油商用车已占商用车销量82.7%，中、重型货车，大、中型客车基本上已柴油化，但柴油乘用车只占乘用车销量0.55%。由于消费者仍对柴油机有冒黑烟、振动大、噪声大的误解，且柴油机与排放法规不相适应，导致购置柴油乘用车的消费者极少，虽然一汽大众捷达、高尔夫、奥迪A6、上海大众帕萨特都推出了柴油轿车，但市场反应冷淡。

(1)柴油车高压共轨燃油喷射技术

在柴油车中，高压共轨燃油喷射技术发展很快，节能减排效果明显。博世公司已在第二代高压共轨燃油喷射技术基础上推出第三代、第四代电控高压共轨燃油喷射系统。目前我国采用的是博世公司第二代高压共轨燃油喷射系统，该系统采用喷射压力为1600bar电磁阀喷油器，可满足我国乘用车国Ⅳ排放法规。

博世公司第三代共轨系统的喷射压力已提高到2000bar，可进一步降低排放和油耗。采用石英压电原理的压电式喷油器代替了电磁阀喷油器。压电式喷油器利用石英晶体在电场作用下伸长，使喷油器执行器在1/10000s内作出动作响应，比电磁阀喷油器动作响应速度提高了一倍。由数百个薄的石英晶片组成的石英晶体集成块体积非常小，将其安装在喷油器内，石英晶体集成块的运动被迅速传到喷油器针阀上，从而可实现更准确的油量计量，并有利于提高喷油器雾化质量。

博世公司第四代高压共轨燃油喷射系统的最高喷射压力可达2500bar，该系统首次采用液力增压原理，允许在喷油器针阀处产生非常高的喷射压力，同时又使共轨管和通向喷油器的高压油管内油压相对较低，从而降低对共轨管和高压油管的要求。为降低燃烧期内NOX形成，第四代共轨系统提出了新的喷油规律，允许喷油压力逐步上升，从而实现缸内平稳的燃烧、缓慢的温度变化梯度和较低的NOX形成，有利于降低微粒的生成。

随着多次喷射能力的提升，发动机的燃烧过程可得到更好的控制调节，有效降低微粒和NOX的形成，还可进一步降低发动机噪声。最新一代共轨系统可实现循环5次喷射(2次预喷用以降低发动机噪声，1次主喷、2次后喷用以提高催化转化器前的预热温度)。

(2)两级废气涡轮增压技术

几乎所有柴油机都采用废气涡轮增压器来提高柴油机功率。目前，柴油轿车是采用可变涡轮几何形状的涡轮增压器(VTG)。废气涡轮增压器有提高发动机低速扭矩和提高标定功率之间的矛盾。要求在较低的发动机转速下达到最大扭矩，以改善其加速性。同时，提高发动机高转速范围的增压度，达到较高升功率。在经典的两级调节增压器中，两个废气涡轮增压器串联布置，一个“较大”的低压废气涡轮增压器和一个“较小”的高压废气涡轮增压器，这种增压系统带有一个用于高压涡轮的旁通通道，主要用于商用车。其中低压废气涡轮增压器在较低发动机转速下，因为废气供应量少，所以仅承担一小部分增压任务，高压涡轮增压器的调节阀完全关闭。这样，废气能量就完全用于高压压气机中对新鲜空气压缩。在中、高转速范围，只要所要求增压压力达到了，那么就有一部分废气绕过涡轮机一侧调节阀。这样，废气能量就不会流失，而是完全供低压涡轮机使用。为了达到更严格排放法规的要求，商用车柴油机全负荷工况下必须保持高的废气再循环率。两级调节调压除了提高起步扭矩，同时还提高标定功率，即使在中等转速也能在保持最大点火压力不变条件下提高平均有效压力。宝马汽车公司6缸共轨直喷式柴油机采用两级增压技术，玉柴在2011年工博会上也推出了双增压柴油机。

(3)可变涡轮几何形状的涡轮增压器(VTG)

当发动机转速较低、产生的废气不足以推动涡轮运转时，就会出现“涡轮迟滞”效应。而VTG可有效解决这个问题，使发动机在高速和低速下都能获得充足的进气量。在柴油机领域，VTG已得到广泛应用，而汽油机排气温度远高于柴油机，一般增压器材料很难承受如此高的温度环境。因此，VTG迟迟未能在汽油机上应用。

发动机在不同转速和负荷下，对涡轮的流量要求是不同的。VTG可在发动机怠速和低速时，涡轮叶片关闭或开度变小，从而提高发动机低速扭矩，改善响应性能。在发动机高速运转时，涡轮叶片全开或开度很大，保证发动机获取所需的空气和动力。采用VTG后，HC、CO和微粒排放得到改善，而对NOx效果不大。

3.均质充量压缩点燃技术

均质充量压缩点燃H C C I(Homogeneous Charge Compression Ignition)是一种全新的内燃机燃烧概念，它既不同于柴油机(非均质充量压缩点火)，又不同于汽油机(均质充量火花点火)，是一种火花点燃式发动机和压缩点燃式发动机的混合体。其特点是：

①采用均质混合汽。空气和燃油在HCCI发动机的进气系统中预混合，形成均质的空气/燃油的混合汽，然后进入汽缸内进行压缩，也有燃油直接喷入汽缸，在汽缸内与空气进行预混合。

②采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合汽温度升高，达到自燃温度而自燃不需要任何点火系统。

③采用比汽油机高得多的压缩比，且允许压缩比在一个宽广的范围内变动。

④为了使均质混合汽能通过压缩而点燃，必要时需对吸入空气进行加热。

⑤由于采用压缩点燃，可采用相当稀的混合汽。因此，可按变质调节的方式，直接通过喷油量来调节扭矩，不需要节气门。

⑥既然均质混合汽是自燃的。所以，燃烧大体上在整个汽缸内同时开始的，可采用过量空气或残余废气来达到高稀释的混合汽。

⑦HCCI发动机采用的燃油辛烷值率值允许在一个广阔的范围内变动。可采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可采用多种燃料混合燃烧，也可对高辛烷值的燃料和低辛烷值燃料调整。也有人用柴油作为HCCI燃料，但效果远不及汽油。

大众公司已开发出HCCI燃烧理念的发动机。目前，各大汽车公司都在研发HCCI发动机。

4.启动/停止系统在汽车上作为标配

我们知道，汽车在启动时必须附加一些燃料进入汽缸内，提高启动扭矩，因而在启动时，增加燃油消耗，又使排放恶化。因此，在微混合动力车上采用皮带驱动的发电机/启动机，在上海君越轻混合动力车上，采用峰值功率为7kW的发动机/启动机，在启动时，由该电机来带动汽车行驶，此时，发动机不工作。在城市中，汽车经常遇红灯，或交通堵塞时，可使发动机停止工作，降低油耗减少排放。启动/停止系统可在汽车启动和停止时起到这方面作用。采用该系统可减少燃油消耗3%～5%左右。现在，有些汽车生产企业包括国内汽车生产企业都准备将启动/停止系统用于常规汽车上作为标准配置。

二、安全新技术及应用

1.紧急制动辅助系统

博世公司宣布前不久推出低速行驶状态下的预测性紧急制动系统，该系统在车速低于30km/h时，能在监测到追尾风险后自动采取最优紧急制动方案。目前，奥迪与大众车型配备了该系统。而附带该增强性能的新一代预测性紧急制动系统将首批装在新奥迪A5上。该紧急制动系统由用于探测物距的长距离雷达传感器(LRR3)和电子稳定控制(ESP)组成。在车速低于30km/h时，前后车距通常很小，而驾驶员从探测紧急车况到实施制动措施的时间反应非常短，分级预紧功能不能有效预防事故发生。一旦车距小于最低设定值，该系统立即采取制动。在高速行驶时，系统将采取不同等级的制动辅助措施。

欧盟规定，将从2013年11月1日起，在货车(N类)和客车(M2、M3类)上强制实施高级紧急制动系统。2015年，所有出口到欧洲的货车和公交车都必须配备紧急制动系统。

2.车道偏离警告系统

当驾驶员偏离道路路标太远时，系统会发出警告，从而确保行车安全。目前，车道偏离警告系统有车道偏离提醒和车道偏离干预两种。当汽车驶离正常车道时，该系统通过转向盘上电机振动转向盘，对驾驶员提出警告。

欧盟将对M2、M3类客车以及N类货车强制安装LDW系统。从2013年起，所有出口到欧洲销售的M2、M3；N类汽车必须配备该系统。

3.轮胎气压监测系统

在高速公路行驶的汽车，因爆胎而引发的安全事故时有发生。所以对轮胎气压应实行实时监控，提醒驾驶员将轮胎气压保持在正常状况，是保证车辆安全的重要手段。

轮胎气压监测系统(TPMS)是提高汽车安全性的新技术和新装置，它运用汽车电子技术、传感器技术、无线通风技术等，能实时监测轮胎气压参数，并对轮胎气压不足或气压过高状态进行报警，提高车辆安全性。

美国是世界上第一个制定并强制实施TPMS法规的国家。目前，我国上海通用新君越和上海大众、一汽大众等国内汽车企业的一些车型安装了TPMS系统。欧盟2012年生效的TPMS标准，2014年时，所有在欧盟销售的车辆必须装备TPMS。

4.驾驶员辅助系统

汽车行驶时，常常会出现驾驶员打瞌睡的危险情况。博世公司开发的疲劳探测系统能不间断地监测从转向盘传感器发出的信号。如出现驾驶员瞌睡，系统会警告驾驶员并提醒其需要进行休息。

驾驶员辅助系统还包括自适应巡航控制(ACC)、紧急制动系统、车道偏离警告系统等。福特也在欧洲推出驾驶员叫醒警告技术。

5.汽车对行人碰撞保护

行人保护是被动安全性研究的一个主要方向，它包括一切旨在减轻事故、汽车对外部人员的伤害而为汽车专门设计的措施，如塑料保险杠、凹进式流水槽、门把手、减少车外凸出物体、圆弧车身外形等。

福特汽车公司对行人安全采用两种在碰撞中对行人进行保护的新型安全气囊。这两种安全气囊，一个是发动机罩安全气囊，一个是前围安全气囊。

发动机罩安全气囊在保险杠上方紧靠保险杠处展开。碰撞前由一个碰撞预警传感器激发50～75ms内完成充气。充气后的安全气囊约有1371m m宽、558m m高、127mm厚，在两个前照灯之间展开，由保险杠顶面向上伸展到发动机罩表面以上。发动机罩安全气囊保持充气状态时间可达数秒，而车内安全气囊保持充气状态时间不超过100ms。

前围安全气囊系统提供二次碰撞保护，防止乘员被甩到发动机罩上后头部被风窗玻璃底部碰伤。该系统包括两个气囊，各由汽车中心线向一侧延伸。每个安全气囊宽约686m m，高约305m m，厚约127m m。气囊由传感器探测到行人与保险杠发生初始碰撞后触发。福特正在研发自动制动交互避撞系统(ABICAS)，该系统应用了无线电传感器和GPS等技术。

6.前排中央安全气囊

2011年10月19日，通用汽车公司宣布推出业内首款前排中央安全气囊。这一安全气配置主要作用于汽车发生侧撞时，为非撞击一侧驾驶员或副驾驶员提供保护。前排中央安全气囊将应用在2013款部分美国市场车型上。

前排中央安全气囊位于驾驶座右侧。弹出时，在前排座椅中间靠近座舱中心位置展开。当汽车在副驾驶座一侧发生碰撞，前排座位已有驾驶员时，这个有弹性的管状安全气囊，可为驾驶员提供固定保护。如果发生侧面碰撞时，副驾驶座有乘客，安全气囊也可减缓驾驶员和前排乘员之间相互碰撞的力度。该安全气囊在车辆翻车时也能起保护作用。

7.电子稳定系统应用更广泛普及

2010年，电子稳定系统(E SP)在中国市场乘用车上装配率已达18%。最近，欧盟要求进口到欧盟国家轻型车必须安装ESP，从2011年11月1日起，所有M1类和总重2.5t以下N0类新车型都必须安装ESP。2014年11月1日起，适用范围扩大到所有在售车辆。

中国汽车技术研究中心公布的C—NCAP(2012年版)中，达到五星级碰撞试验评定必须安装ESP。

8.整合式主被动安全系统

博世公司推出整合式主被动安全系统CAPS(Combine Active Safety and Possive Safety System)，将驾驶员辅助系统(驻车制动、ACC、视频功能)、主动安全(ESP)和被动安全(正面和侧面碰撞探测、侧翻探测、行人保护、视频)等集成在一起。

三、废气排放后处理技术与应用

我们知道，汽油发动机汽车废气排放主要是HC、CO、CO2，而柴油发动机汽车废气排放主要是NOX和微粒。所以废气后处理技术都不尽相同，汽油机汽车废气后处理采用催化转化器，而柴油发动机汽车为了达到国Ⅳ、国Ⅴ、国Ⅵ废气排放限值标准，必须采用SCR和微粒捕集器，尤其是欧Ⅴ、欧Ⅵ(国Ⅴ、国Ⅵ)排放，微粒(PM)限制降低不少，必须采用微粒捕集器；而欧Ⅳ(国Ⅳ)则只需采用SCR技术，重点降低NOx排放。

我国对汽油机汽车已于2011年7月1日正式实施国Ⅳ标准，在2012年1月1日起，重型柴油机车将实施国Ⅳ标准，对轻型柴油车实施国Ⅳ标准推迟到2013年7月1日。2012年，北京市将实施国Ⅴ(欧Ⅴ)排放标准，具体日期尚未确定。玉柴已于近期推出能达到国Ⅴ排放标准的柴油机，采用EGR、SCR、微粒捕集器等技术。

1.选择性催化还原(SCR)技术

SCR的工作原理是将尿素溶液(一般含尿素33%左右)喷入废气流，或直接喷入燃烧室中，在废气温度和气流作用下，尿素能快速分解，释放出氨(NH3)，氨与废气中NOX作用，还原成N2和H2O，排入大气中。

SCR转化器主要由尿素箱、尿素计量、喷射系统和催化转化器三部分组成。尿素罐将尿素通过输送模块和计量模块，由电控单元根据废气温度、背压等控制尿素溶液量，进入到SCR转化器的废气流中，NH3与N OX作用后生成N2和H2O。S C R可使NOX排放降低85%，微粒排放降低40%，燃油耗降低5%。

目前，国内重要柴油机车(货车和大、中型客车)都采用SCR技术来达到国Ⅳ排放标准。

2.微粒捕集器DPR

DPR(Diesel Particalate Filter)是用以减少柴油机车微粒物的一种废气后处理技术，先用微粒捕集器补集废气中的微粒，然后通过对收集的微粒进行氧化来促使微粒捕集器的再生。

目前，最常用的是堇青石陶瓷载体以及碳化硫的载体，载体的结构有壁流式陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维、金属丝网等。壁流式和泡沫式用于表面型微粒捕集器，被捕集的微粒聚集在载体表面上。陶瓷纤维、金属丝网为体能型微粒捕集器，被捕集的微粒聚集在载体内，载体和微粒之间吸附力和微粒之间凝聚力对提高微粒捕集器的效率起着重要作用。随着微粒的积聚，当背压升高到一定值时会导致柴油机性能变化。因此，必须及时除去微粒捕集器的微粒，以便继续正常工作。除去微粒捕集器内积存微粒的过程称为再生。

微粒捕集器的再生可分为主动再生和被动再生两大类。被动再生主要是利用外部能源，使排气温度达到微粒的着火温度(500℃～600℃)而进行再生。主动再生是利用柴油机废气所具有的能量进行再生。

被动再生有微波加热再生、电加热再生、喷油助燃再生、逆向喷气再生等。主动再生有催化剂再生、添加剂再生、连续再生等。