热力发动机在车用动力装置领域的应用研究及前景展望

2023-08-19伍赛特

现代工业经济和信息化 2023年6期

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

0 引言

从理论角度出发，许多热力发动机都可用作于汽车的动力装置。目前，常见的热力发动机主要包括汽油机、柴油机、燃气轮机、斯特林发动机及汪克尔发动机等[1]。目前，在汽车动力领域应用最广泛的机型依然为汽油机和柴油机。汽油机多用于轿车、小型客车或轻型货车，柴油机多用于大型客车或重型货车。由于柴油机在可靠性、耐久性及经济性等方面的优势较为显著，因此，得到了广泛应用。

1 车用内燃机及其技术特点

1.1 车用汽油机及其技术特点

1.1.1 车用汽油机的发展

汽油机是一类较为常见的内燃机。20 世纪50 年代以前，汽油机主要向高功率、高转速的方向发展。自20 世纪50 年代以后，由于世界范围内汽车总保有量急剧增长，随之引发了大气污染、噪声污染和能源紧缺等方面的问题。

1.1.2 车用汽油机的结构组成

为满足降低排放的要求，在选择汽油机燃烧室形状时，需要考虑燃烧室面积与容积的比值，即面容比。面容比如果过高，会影响汽油机的排放。因此，需要控制面容比，以降低排气中的碳氢化合物（HC）。

近年来，汽油机多采用顶置式气门机构。该机构的优点主要是便于维修、对高转速工况的适应性较好，同时，能降低配气机构传动系统的惯性力，提高使用寿命。以V 型8 缸汽油机为例，通常需要2 根凸轮轴，无形中提高了机构的复杂性及生产成本。

目前，电子控制技术也在汽油机上得到了应用，各类新型汽油机相继采用了电控燃油喷射系统，通过调整喷油压力，可以减少排气中的HC、CO 和NOx，满足降低排放的需求。

汽油机的冷却系统多采用温度控制器，既能实现冷却功能，又能避免温度过低，造成燃油消耗率增加，腐蚀磨损现象增多。

汽油机的点火系统多采用无触点式晶体管点火装置，具有更好的点火效能。

1.1.3 车用汽油机的节能措施

目前，针对汽油机节能领域的研究重点是优化进气系统各部件。目前，汽油机在稳态工况下对空燃比的误差控制约为±5%～±10%（怠速至节气门全开的总空燃比误差）。各缸混合气的空燃比如果分配不均，会造成更大的局部误差。在冷启动、怠速和低负荷运转（空气流速较低，且燃油雾化率较低）条件下，上述情况将变得更为严重。此外，进气歧管的形状，如弯角等，也不利于燃油雾化[2]。上述诸多因素导致气缸间的空燃比分配误差高达20%以上。

理想进气系统需要精确计量所需的空气和燃油量，使燃油充分蒸发，与空气均匀混合后形成可燃混合气，随后输送到各个气缸，以确保汽油机正常进行。

各种采用开环或闭环反馈的燃油喷射装置也适用于混合气的分配过程。电控燃油喷射系统可有效提升整车燃油经济性。

1.2 车用柴油机及其技术特点

由于柴油机结构较为笨重、转速较低、振动大、噪声也大，因此，多用于重型货车。近年来，随着新材料的使用和热处理技术的优化，柴油机的转速逐步提高。随着相关技术的发展，柴油机的比体积逐渐减小，比重量逐渐减轻，更适用于汽车等载运工具。目前，许多小型客车也将柴油机作为动力装置。

随着柴油机自重的减轻，必然能增加汽车的载重量。近年来，车用柴油机的结构型式多采用短行程的V 型结构，在减轻柴油机质量的同时，结构更加紧凑，更有利于车辆的总体布置方案设计。

直喷式燃烧室具有结构简单、燃油消耗率低等优势，因而广泛应用于大、中型高速柴油机。采用废气涡轮增压技术，可能提高柴油机的功率、减小比重量、缩小整机尺寸，并且可以节约原材料、降低燃料消耗率。

1.3 稀燃发动机及其技术特点

稀燃发动机的基本结构与汽油机相似，但混合气的空燃比一般在18 以上。目前，稀燃发动机仍有许多问题需要解决，如各缸及各循环的混合气空燃比偏差较大，容易出现停缸等现象[3]。为解决上述问题，可对燃油的雾化过程和混合气的分配过程进行改进，强化进气涡流的运动，提高点火能量。除此之外，还包括提高压缩比、采用新型燃烧室和高能点火系统等方案。新型燃烧室一般可通过强化混合气涡流和扰流等方法，进一步提升混合气的雾化效果，实现均匀混合[4]。

当混合气浓度得到稀释，且混合气的空燃比达到18～20 时，其抗爆能力会显著提升，压缩比也可以提高到9～15，相应增加了可燃气体的膨胀比，空气含氧量更高，燃料燃烧更完全，其燃油经济性已接近柴油机。

1.4 分层进气发动机及其技术特点

分层进气发动机是一类用少量浓混合气点燃大量稀混合气的内燃机。分层进气发动机也属于稀燃发动机中的一类，其混合气的空燃比可达20～22。分层进气发动机充分结合了柴油机较高的燃油经济性和汽油机较高的比功率。按分层方式的不同，分层进气发动机可分为单一燃烧室分层进气发动机和分隔燃烧室分层进气发动机。单一燃烧室分层进气发动机通过燃油喷射系统来控制稀燃混合气的燃烧过程。而分隔燃烧室分层进气发动机则通过燃气的运动来控制稀混合气的燃烧过程。单一燃烧室分层进气发动机的技术特点与柴油机相似，但也具有使用多种燃料的能力，其燃油经济性高于分隔燃烧室分层进气发动机，传热损失较小。分隔燃烧室分层进气发动机的压力升高率较高，在全负荷工况下的噪声较大。

目前，美国、德国和日本已研制出数款分层进气发动机，其性能指标均能达到较高的水平。在不同工况下，与普通汽油机相比，分层进气发动机的燃油经济性都有了显著提升。此外，分层进气发动机对燃料的辛烷值或十六烷值等指标没有特殊要求。因此，在不影响动力性的情况下，分层进气发动机可使用不同类型的燃料。

2 其他车用热力发动机及相关技术特点

2.1 车用燃气轮机及其技术特点

2.1.1 车用燃气轮机的发展

作为一类动力装置，燃气轮机的燃烧过程可持续进行。燃料在燃烧室中燃烧，产生的高温燃气通向涡轮，将热能转换为机械功。自英国于1950 年首次推出配装燃气轮机的小型客车以来，各国相继对车用燃气轮机开展了研发工作。随后的数十年间，美国福特、通用汽车和克莱斯勒等公司都开发出了相应的机型，并配装在小型客车、大型客车以及载重汽车上，同时，也开展了大量试验工作。

2.1.2 车用燃气轮机的技术特点

燃气轮机的主要优点是结构简单、质量轻，可使用多种燃料且工作平稳。当质量与尺寸等参数大致相同时，燃气轮机的功率为一般内燃机的2～3 倍。而当功率相同时，燃气轮机的质量与尺寸则会相应更小。同时，燃气轮机的排放性较好，其排气中的HC 和CO含量较低，但NOx却相对较多。

与内燃机相比，燃气轮机的主要缺点是其燃气温度较低、燃油经济性较低。燃气轮机的燃油消耗率，在高负荷工况下较低，但在低负荷和怠速工况下相对较高，因此，更适用于载重量较大的车型。这是因为上述大型车辆在运行时的负荷率通常较高，大部分时候都在全负荷的50%以上。

为承受高温燃气的持续冲刷，燃气轮机需要选用耐热性较好的金属，同时对气流通道制造精度的要求也相对较高。为了提高涡轮前的燃气温度，有关部件的热负荷将显著增加。一般金属材料难以承受如此高的热负荷，需要研制特殊的陶瓷材料，以提高其耐久性。因此，车用燃气轮机的另一项缺点是对材料的要求较高。不仅如此，为确保燃气轮机的热效率，通常还需要为其配备回热器，同样增大了机组质量和尺寸，进一步增加了成本。

在上述缺点中，燃油经济性的问题最为重要，已成为车用燃气轮机发展过程中的重点。经过近年来的研究与改进，已取得了显著的成效。通过采用回热器，燃气轮机的燃油经济性已达到接近内燃机的水平，但由此带来的问题是，机组结构更为复杂，质量也显著增大。

但总体而言，燃气轮机在车辆上的应用相对较少，尚未得到大规模推广，这主要是因为其在部分负荷工况下的效率相对较低。此外，燃气轮机的制动性能相对较差，这一缺陷只有通过导向器叶片的调节才能克服。

2.2 车用斯特林发动机及其技术特点

斯特林发动机由苏格兰人罗伯特·斯特林（Robert Stirling）于1816 年发明，并遵循斯特林循环（Stirling Cycle）。伴随着内燃机等热力发动机的飞速发展，斯特林发动机曾一度淡出历史舞台。自20 世纪以来，斯特林发动机又重新引起业界的重视。斯特林发动机主要采用传热特性好、压降小的氦气作为工质。与燃气轮机一样，斯特林发动机的燃烧过程是持续进行的，其运行过程较为平稳，且排放物较少，并且适用于多种燃料[5]。

斯特林发动机的主要性能指标已达到较高的水平。目前，斯特林发动机需要解决的问题主要有工质的密封性以及发生交通事故后工质的漏泄问题。目前，控制斯特林发动机功率的方法主要有两种：一是改变循环工质气体的压力和流量；二是使用角度可变的旋转斜盘装置，以改变其流量。但是，第一种方法效率较低，第二种方法会造成系统结构过于复杂。

美国与荷兰曾针对车用斯特林发动机的实用性开展了研究。荷兰菲利浦公司曾将一台斯特林发动机配装于一辆大型客车上，并开展了相关试验。斯特林发动机有着低污染及低噪声的优势。其缺点是转速较低、加速性能差、重量大、结构复杂，且成本高昂。

2.3 车用汪克尔发动机及其技术特点

20 世纪50 年代后期，德国的菲利克斯·汪克尔（Felix Wankel）研发出了以自己名字命名的发动机。之后，世界各国相继对该款发动机开展了研究工作。最早将该款发动机作为车用动力的国家是日本。汪克尔发动机的特点是结构简单、质量轻、体积小，并且没有采用往复运动件，其振动幅度较小，平稳性较好[6]。在相同的压缩比下，汪克尔发动机可使用低辛烷值汽油，拆装方便、维修简易，在配备有专用生产设备的情况下，制造工艺也并不复杂。

此外，汪克尔发动机还有一项突出优势，即排气中NOx的排放量明显低于内燃机。汪克尔发动机的主要缺点在于低速工况下的经济性较差，并且启动性和耐久性有待进一步改善。由于在排气净化方面具备一定的优势，使汪克尔发动机成为一类较有前景的动力装置。

2.4 车用陶瓷发动机及其技术特点

目前，使用陶瓷材料的发动机主要可以分成两类。第一类依据陶瓷耐热性好及质量轻的特点，利用该类材料来制造凸轮轴、摇臂触头、燃烧室镶块及热电塞等部件。第二类主要利用陶瓷的隔热性及耐热性，将齿塞、缸盖、进排气门及排气道村套等部件改用陶瓷制造。通过该方案，机体及缸盖可取消水套，并省去水泵、散热器及风扇等部件，减少由冷却水带走的热量，制成低散热发动机（早期曾被称为绝热发动机）。在此基础上，可进一步利用高温排气能量，从而提高机组效率。在陶瓷发动机的发展过程中，还存在以下问题：

1）作为发动机零部件的构成材料，陶瓷面临的最大问题仍然是其可靠性等问题。陶瓷属于脆性材料，其抗机械冲击和热冲击的能力较差，加工性不佳，并且在高温时强度会有所下降。如果用陶瓷作为内燃机燃烧室内的高温隔热零部件，不仅要具有较好的高温强度、较强的耐热冲击性和较大的热膨胀系数，而且要有良好的隔热性能，且便于加工制造，成本也不应过高。

2）经济性及零部件寿命问题。发动机如果只采用陶瓷零部件而不对其高温排气能量进行充分利用，所产生的经济效益则并不明显。若采用涡轮增压技术，除了涡轮增压器及中冷器之外，还要增加动力涡轮、齿轮装置和液力耦合器等设备，导致动力系统的总成本大幅增加。

3 车用热力发动机的技术特点研究及应用前景展望

3.1 车用热力发动机的技术特点研究

在相同功率条件下，四行程汽油机扭矩特性较好，启动性和加速性较好，运转噪声较低，制造成本较低，热效率约为25%～35%，部分四行程汽油机可通过采用米勒循环（Miller Cycle）、阿特金森循环（Atkinson Cycle）、稀薄燃烧、可变压缩比和均质压燃等技术，将热效率提升至40%以上。四行程汽油机技术相对成熟，且产业化基础较好。

两行程汽油机则具有结构简单、质量轻、制造成本低、转速较高和布置灵活等优点。但其零部件损耗较快，燃油利用率较低，排放性较差，难以满足日益严格的排放法规。

柴油机热效率较高，最高可达40%左右，具有较好的经济性。此外，柴油机故障较少，工作可靠性较好。但柴油机启动性较差、工作转速较低、体积较大、质量较大、工作粗暴，振动—噪声—粗糙度（NVH）特性也有待优化。虽然柴油机有害气体的排放通常少于汽油机，但是柴油机排气中的固体颗粒物较多，制约了柴油机在乘用车中的应用。考虑到柴油机在经济性方面的优势，因而成为商用车发动机的良好选择。

与内燃机相比，燃气轮机结构紧凑、比功率高、排放性能好、NVH 特性好、转速高，但其高效工况区域较窄，且制造成本较高，限制了其在车辆领域的应用。

斯特林发动机燃料适应性强、理论热效率高、NVH 特性好，但斯特林发动机体积较大、成本过高、启动较慢，并且对工况变化的响应性较差。

汪克尔发动机具有比功率高、转速高、体积小、质量轻、重心低和振动小等优点，但是，其经济性和排放性能较差，同时成本较高，且可靠性较低。

以上几类车用热力发动机的技术优势及劣势如表1 所示。

表1 车用热力发动机的技术优势与技术劣势

3.2 车用热力发动机应用前景展望

与现有的热力发动机相比，未来的车用动力装置应满足燃料消耗率较低、排气污染较少、噪声较低、燃料适应性较好、对稀有材料依赖性较低和制造成本较低等要求。

作为传统车用动力装置，内燃机能充分满足上述要求。但由于汽车工业和公路交通运输对社会和经济的重大影响，也可视情发展一些能替代内燃机的其他热力发动机。

目前，在车用动力装置领域，占据统治性地位的机型依然为汽油机与柴油机。与汽油机相比，柴油机的热效率较高，HC 和CO 排放较少，NOx排放则相对较高。

1）从环保的角度来看，燃气轮机是一类较有前途的车用动力。与内燃机相比，由于燃气轮机燃烧过程的连续性，以及有着较高的过量空气系数，所产生的排放污染较低，并能使用多种燃料运行。燃气轮机还包括振动小、运转平稳等方面的优势。由于目前燃气轮机的燃气温度逐步提高，其燃油经济性也在逐步提升。同时，燃气轮机在质量和尺寸等方面也有着较大的优势，但依然存在制造成本高、响应性差和燃油消耗率高等弊端。如果涡轮前的燃气温度能进一步提高，其热效率将逐步接近柴油机。如果将柴油机制成低散热发动机，效率还可以进一步提高。但是，要提高工作温度必须要采用能耐高温的材料。目前，燃气轮机尚未在汽车动力领域得到大规模推广。

燃气轮机的特点是比功率较大，动力性较强。以采用自由涡轮的燃气轮机为例，其扭矩特性较好，低速工况下输出的扭矩较大，而在高速工况下输出的扭矩则会相应减小，符合车辆的驱动要求。燃气轮机的最大缺点是怠速和低负荷工况下的燃料消耗率较高，一定程度上影响了其在汽车领域中的应用。

2）作为外燃式热力发动机，斯特林发动机对燃料的适应性更强。此外，由于斯特林发动机的燃烧过程是持续进行的，因此，其排放污染较低，同时有着较高的理论热效率。但斯特林发动机如要用作车用动力装置，仍存在一定的技术缺陷，主要是附属设备较多，且质量和尺寸较大。除此以外，由于斯特林发动机的工质处于封闭状态，在循环中不与高温燃气接触，需要有效密封工质。确保在车辆运行时，工质不应因意外事件而发生泄漏。目前，基于斯特林发动机的以上几类问题依然亟待优化。

3）在日本等国家，车用汪克尔发动机得到了发展，主要用于部分轿车的动力来源。汪克尔发动机的比重量低于汽油机。在同等功率下，其质量比汽油机轻30%。由于质量轻，一定程度上可以节省燃料。目前，汪克尔发动机的比油耗依然高于汽油机，但采用分层进气方式的汪克尔发动机的比油耗已达到与汽油机相近的水平。除了燃用汽油的汪克尔发动机外，以天然气为燃料的汪克尔发动机也已投入使用，燃用柴油的汪克尔发动机还在研究过程中。总体而言，该类动力装置具有较好的发展潜力，随着科技的不断发展，其应用范围将会日益拓宽。

4）陶瓷发动机是一类在常规内燃机的基础上采用陶瓷材料的新机型，可显著提升燃油经济性，同时减少昂贵金属的使用量，并延长零部件的使用寿命。但近年来，还没有发现能够充分满足上述要求，且完全令人满意的特种陶瓷材料。此外，为实现大规模生产，针对陶瓷材料的加工工艺和探伤技术，还有待进一步改善。