自20世紀90年代以來，隨著各國對汽車尾氣排放控制的日益嚴格以及人們對汽車燃料經(jīng)濟性要求的提高，汽車的動力系統(tǒng)正在發(fā)生一場新的革命。預計未來混合動力驅動系統(tǒng)、現(xiàn)代小型直噴汽/柴油機、氫燃料電池、均質壓燃(HCCI)發(fā)動機等新式動力源將陸續(xù)進入市場。而在內燃機領域，增壓直噴汽油機和高壓共軌柴油機是當前國內外汽車企業(yè)研究和發(fā)展的主要方向。

增壓直噴汽油機及技術發(fā)展路徑

1、增壓直噴汽油機國內外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著節(jié)能環(huán)保要求不斷提高，直噴技術在國際上得到快速發(fā)展。三菱、豐田、日產(chǎn)、馬自達、本田、五十鈴、通用、福特、大眾、奔馳、菲亞特、雷諾、Ricardo、AVL、FEV等許多國外汽車公司和研究機構都開發(fā)了比較成熟的直噴汽油機產(chǎn)品或樣機。其中最具代表意義的應該是VW 1.4L TFSI發(fā)動機，該發(fā)動機采用渦輪增壓+缸內直噴，功率可達到92kW/5000rpm、扭矩可在1500rpm~4000rpm的區(qū)間內保持200Nm的恒定值。此外，F(xiàn)ORD 1.4L Ecoboost可達到110kw的最大功率，F(xiàn)ORD 1.6TGDI的功率和扭矩也分別達到110kw、240Nm/1500rpm。GM公司預計搭載在1.4L Cruze上的TGDI發(fā)動機其最大功率也將達到89kw，同時GM 2.4L SIDI發(fā)動機其動力指標也達到137kw/6200rpm、240Nm/4800rpm。

由于直噴吸熱使得缸內溫度降低，充氣系數(shù)提高 2～3%，爆震傾向的降低可以使壓縮比提高1～2，從而獲得了燃油經(jīng)濟性和排放的大幅度改善，在節(jié)能和降低排放方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，成為國內外各大主機廠應對未來排放法規(guī)及油耗的主要技術手段。

目前,引進的大眾FSI 汽油機是國內最具代表意義的直噴汽油機產(chǎn)品，同時，搭載蒙迪歐-致勝的Ecoboost系列發(fā)動機也是國內直噴發(fā)動機產(chǎn)品的典型代表，此外還包括GM公司搭載君越的2.4L SIDI發(fā)動機、1.4L Ecotec等。國內一汽集團、華晨、奇瑞、長安和吉利等汽車企業(yè)聯(lián)合高校也正在開發(fā)相應的直噴汽油機產(chǎn)品。奇瑞2.0TGDI在2010年北京車展期間成功搭載G5上市，是自主品牌中第一個量產(chǎn)的缸內直噴汽油機。

2、增壓直噴汽油機國內外發(fā)展趨勢

直噴發(fā)動機主要有以下幾個發(fā)展趨勢和特點：

1) 化學計量比燃燒方式已成為GDI發(fā)動機的主流趨勢

第一代GDI發(fā)動機采用分層稀薄燃燒方式，通過壓縮沖程中缸內噴入燃油，可以大幅度提高燃油經(jīng)濟性，但會出現(xiàn)高NOx排放甚至碳煙排放的問題。第二代采用化學計量比燃燒方式，通過進氣沖程中缸內早噴燃料形成均質混合氣后火花點火，保持在化學計量比下工作，因此可以使用三效催化轉換器，能節(jié)省下大量NOx處理的成本。

2) 噴霧引導已成為GDI發(fā)動機混合氣形成方式的發(fā)展趨勢

GDI發(fā)動機混合氣形成方式有兩類。第一代為壁面引導或氣流引導（wall guided or air guided），第二代為噴霧引導（sprayguided）。三菱和寶馬等汽車公司的研究結果表明，噴霧引導工作模式的運行范圍比壁面引導或氣流引導工作模式更寬，HC和CO排放比傳統(tǒng)進氣道噴射汽油機更低，燃油消耗率按NEDC循環(huán)測試降低約20％。另外，蓮花公司、西門子VDO和三所英國大學聯(lián)合起動了一個三年的HOTFIRE研究項目，目標也是開發(fā)噴霧引導的GDI發(fā)動機。直噴噴油器也由以前的壓電式和電磁多孔式并存發(fā)展成目前的電磁多孔式主導技術方案；

3) GDI與增壓相結合

缸內直噴和增壓相結合不僅在柴油機上被證實是成功的應用，對于汽油機來說具有更大的意義——改進汽油機性能效果顯著，可以使燃油經(jīng)濟性和CO2排放達到柴油機水平，而且升功率可以達到100kW/l。由于發(fā)動機尺寸減?。―ownsizing），重量減輕，整車燃油經(jīng)濟性也進一步提高。

4) GDI與可變氣門正時相結合

將GDI系統(tǒng)與可變氣門正時系統(tǒng)（VVT，Variablevalve Timing）結合，可以同時提高發(fā)動機低速和高速時的扭矩輸出；可通過VVT控制進、排氣門重疊角，最終控制內部EGR率，降低排放；并可采用啟/滅缸循環(huán)的策略。它可以部分的解決超稀燃GDI本身固有的問題例如排放后處理的問題。

5) 直噴汽油機已向小排量發(fā)展

隨著直噴技術的日趨成熟、成本的逐漸降低以及排放法規(guī)的日益嚴格，直噴汽油機由之前的中高排量逐漸向小排量轉移，目前國內外都在進行小排量增壓直噴汽油機的開發(fā)，走在前列的ＶＷ公司已經(jīng)為緊湊型和小型車平臺批量生產(chǎn)了1.2升增壓直噴發(fā)動機。國內奇瑞公司正在研發(fā)1.6排量以下的新一代增壓直噴汽油機，同時長安正在研發(fā)0.8和1.0升增壓直噴汽油機，力帆正在研發(fā)1.2升增壓直噴汽油機。

3、增壓直噴汽油機關鍵技術

為實現(xiàn)增壓直噴汽油機產(chǎn)業(yè)化，并進一步改善排放、降低油耗、提升動力性，還有以下幾項關鍵技術和系統(tǒng)亟須開展技術攻關和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。

1) 汽油機缸內燃油噴射系統(tǒng)

缸內燃油噴射系統(tǒng)研發(fā)工作主要是研究系統(tǒng)的集成與匹配技術，建立系統(tǒng)匹配能力與評價體系，主要包括以下幾個方面的研究：

Ø 高壓燃油泵與發(fā)動機及驅動機構的匹配；

Ø 高壓噴油器與高壓油軌的匹配；

Ø 噴油器噴油嘴與高壓燃油泵的匹配；

Ø 噴油嘴與燃燒室的匹配；

Ø 油軌噴油器強度模擬分析；

Ø 高壓油泵強度模擬分析；

Ø 高壓系統(tǒng)密封性能研究。

2) 汽油機增壓系統(tǒng)

渦輪增壓技術在提升發(fā)動機動力性和燃油經(jīng)濟性的同時，還可以降低尾氣的排放，滿足越來越嚴格的排放法規(guī)的要求。在歐洲，渦輪增壓汽油機推廣很快，渦輪增壓汽車已占總量的近20% 。而在國內，渦輪增壓技術目前主要應用于柴油機，在汽油機上的應用還比較有限，主要以進口高級轎車為主。

目前，汽油機增壓系統(tǒng)研發(fā)主要是針對增壓器響應性、可靠性、NVH性能已經(jīng)整機匹配等方面開展工作，具體包括以下方面：

Ø 高效率壓氣機和渦輪機葉輪及流道設計開發(fā)；

Ø 耐磨損軸承系統(tǒng)設計開發(fā)；

Ø 增壓器性能和可靠性CAE分析；

Ø 與發(fā)動機進行性能匹配與優(yōu)化；

Ø 放氣閥和泄壓閥控制標定；

Ø 增壓器系統(tǒng)振動和噪聲優(yōu)化；

Ø 增壓系統(tǒng)響應性研究和優(yōu)化。

3) 缸內直噴燃燒組織與控制策略的開發(fā)

發(fā)動機缸內的燃燒組織與控制策略是發(fā)動機最為核心的技術。而增壓直噴發(fā)動機缸內混合氣形成和燃燒過程與非增壓、氣道噴射發(fā)動機有很大區(qū)別，控制策略也不盡相同，對此還需開展以下研究工作：

Ø 開展GDI發(fā)動機冷啟動分層燃燒策略的研究;

Ø 開展GDI發(fā)動機HC、PM排放控制策略的研究;

Ø 開展增壓GDI發(fā)動機燃燒室形狀優(yōu)化，匹配缸內氣流運動，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高?jīng)濟性的研究；

Ø 開展引入外部EGR，減小部分負荷泵氣損失的研究;

Ø 針對增壓GDI發(fā)動機存在的爆震、機油稀釋、排溫過高等問題進行專項研究。

4) 汽油機熱管理技術開發(fā)

發(fā)動機熱管理技術就是整車根據(jù)運行工況，通過ECU控制電子節(jié)溫器及電控水泵調節(jié)發(fā)動機的冷卻液的流量達到調節(jié)發(fā)動機水溫的目的，使發(fā)動機在不同工況下均工作在最佳的溫度范圍，達到降低燃油經(jīng)濟性和改善尾氣排放的目的。熱管理系統(tǒng)研發(fā)的關鍵是熱管理系統(tǒng)與發(fā)動機運行的匹配技術以及系統(tǒng)優(yōu)化控制策略的選擇問題。主要研究工作包括：

Ø 電子節(jié)溫器的在熱管理系統(tǒng)的應用與標定；

Ø 綜合應用電子節(jié)溫器和電控水泵；

Ø 變排量機油泵在發(fā)動機上的匹配和應用。


5) 汽油機用模塊集成的新型節(jié)能附件系統(tǒng)的開發(fā)

新型節(jié)能附件系統(tǒng)的研發(fā)，通過優(yōu)化附件系統(tǒng)的能耗損失來降低發(fā)動機的油耗和排放，進一步提高燃油經(jīng)濟性。此系統(tǒng)主要通過匹配發(fā)電機智能管理系統(tǒng)來實現(xiàn)。主要研發(fā)工作有：

Ø 智能發(fā)電機EBS，ECU等硬件開發(fā)和驗證；

Ø 電源系統(tǒng)和發(fā)電機電壓控制策略；

Ø 匹配整車的標定與燃油經(jīng)濟性測試。

6) 汽油機智能起停技術的開發(fā)

智能起停技術主要是通過系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)發(fā)動機怠速智能停機和快速啟動。研究和試驗表明，該項技術在綜合工況下，可降低4%的油耗；在城市工況下，能降低8%的油耗。該項技術的主要研發(fā)工作有：

Ø 智能起停技術的方案設計和控制邏輯研究；

Ø 耐久性起動電機的開發(fā)；

Ø 快速充放電性能及耐久性的蓄電池的開發(fā)；

Ø 系統(tǒng)安全性開發(fā) 。

綜上所述，增壓直噴技術是汽油機當前的發(fā)展方向；均質當量比GDI汽油機可以采用成熟的三效催化轉化器技術，可以滿足不斷嚴格的排放法規(guī)，燃燒系統(tǒng)設計難度相對較小，因而產(chǎn)業(yè)化的可行性較高。增壓直噴技術通過與其它先進技術相結合，能獲得顯著的節(jié)油效果，因而成為目前國際上汽油機領域的主流。此外，在增壓直噴技術的基礎上，進行均質壓燃（HCCI）等新型燃燒技術的開發(fā)，是汽油機滿足更為嚴格的歐VI以上排放法規(guī)的重要技術路徑。

高壓共軌柴油機及技術發(fā)展路徑

1、國內外研究現(xiàn)狀

國外研究現(xiàn)狀

在汽車工業(yè)十分發(fā)達的歐洲，柴油轎車已經(jīng)被廣泛接受和認同。上世紀90年代初，轎車中大約有20%為柴油車；1998年至2002年，柴油轎車在歐洲的銷售所占份額以每年4個百分點的速度增長，從24.8%躍升至40.3%；2006年柴油轎車在新車銷售中的比例已超過50%。法國、西班牙、奧地利、比利時及盧森堡，柴油轎車的銷售量更是遠遠超過了汽油車。2000年美國注冊的新柴油轎車為30.1萬輛，而到2004年這一數(shù)字增加到了47萬，增長勢頭迅猛。

國外發(fā)動機主要通過以下幾個方面來提高發(fā)動機性能和降低排放：

1) 高品質柴油普遍供應；

2) 先進機內凈化技術的應用：包括進氣渦流控制、電控高壓共軌技術、增壓中冷技術、廢氣再循環(huán)（EGR）技術的應用、先進的燃燒技術；

3) 先進后處理技術：包括DPF、SCR等技術。

各種先進柴油機技術的應用，使柴油轎車在保持低油耗優(yōu)勢的基礎上，噪聲和排放水平都可以達到或接近汽油機的水平，所以柴油轎車在歐洲市場取得了巨大成功，從整個歐洲來看，柴油轎車的市場份額在2006年已經(jīng)超過50%，而且目前仍呈上漲趨勢。

國內研究現(xiàn)狀

我國柴油機技術基礎薄弱，整體技術水平落后于國際先進水平，也落后于國內車用汽油機的發(fā)展，柴油機產(chǎn)品正向開發(fā)和關鍵零部件開發(fā)能力較弱。許多國外已經(jīng)普遍應用的技術在我國仍處于研究階段，有些甚至仍是空白。同時，我國柴油機技術落后、產(chǎn)品質量差以及車輛使用中維修保養(yǎng)措施不力，導致低性能、高排放柴油車在使用中對城市環(huán)境和大氣質量造成不良影響，使社會產(chǎn)生強烈的"厭柴"心理。

近年來，國內對各種柴油機先進技術和燃燒理論等進行了深入的研究，少數(shù)國產(chǎn)柴油機也開始采用一些先進技術。但與歐美日先進水平相比，還有較大差距，主要是沒有掌握柴油機的核心技術，如電控高壓共軌燃油噴射技術仍被國外公司壟斷。自主研發(fā)和創(chuàng)新能力不強，產(chǎn)品研發(fā)主要依靠與國外設計公司合作開發(fā)。另外，乘用車柴油機盡管已開發(fā)出產(chǎn)品，但基本沒有投放市場，只在一些低端輕型客車和SUV 上使用。我國柴油機發(fā)展存在以下制約因素：

（1）體積大、噪音高、發(fā)出難聞氣味的柴油機仍然留在很多人的記憶中，柴油轎車的認同感較差；

（2）掌握的核心技術較少，高壓共軌系統(tǒng)、噴油器等核心技術被國外所壟斷；

（3）柴油機的NOX和PM排放污染物高；

（4）我國柴油品質差以及柴油標準的制、修訂嚴重滯后于汽車工業(yè)發(fā)展的需要。

2、國內外柴油機技術發(fā)展趨勢

從世界范圍來看，柴油機正朝著更清潔、低噪聲的方向發(fā)展。柴油轎車低油耗、低CO2排放、低速高扭矩性以及高可靠性等優(yōu)勢使其在近些年得到了快速發(fā)展。一直推寵混合動力技術的日本廠商，目前也在積極研發(fā)柴油轎車產(chǎn)品，并準備將其柴油轎車推向歐美市場。

目前轎車柴油機技術發(fā)展主要是以后處理技術為主的機外凈化技術和以優(yōu)化燃燒過程為主的機內凈化技術相結合。機內凈化主要是優(yōu)化燃燒室結構，提高噴油壓力，EGR技術，增壓中冷等技術手段或是研究新型的燃燒模式，如低溫燃燒模式和均質壓燃模式。歐洲的經(jīng)驗證實機內凈化+DOC+DPF是輕型車達到歐V排放標準的有效途徑。2006年年底，大眾、奧迪和奔馳三家公司還聯(lián)合推出了Bluetec技術，在世界引起了很大轟動。Bluetec系統(tǒng)是一整套使用了DOC+DPF+SCR的先進柴油機尾氣后處理技術，據(jù)美國環(huán)保部門統(tǒng)計，柴油發(fā)動機使用Bluetec，降低微粒排放98%，能降低有害氣體排放80%。目前該項技術已經(jīng)應用在奔馳的GL320車型上。

3、高壓共軌柴油機關鍵技術

高壓共軌柴油機當前研究的主要關鍵技術有以下幾項：

1) 進氣渦流控制

在小負荷工況下采用大渦流比有利于降低排放，這是由于渦流比大，促進了燃油的混合，而在大負荷工況下，為了抑制爆震，需要減小渦流。采用可變進氣渦流控制技術可使渦流比在不同工況下進行調節(jié)，使發(fā)動機性能及排放在整個工況范圍內得到優(yōu)化。

2) 電控高壓共軌技術

電控高壓共軌技術是目前國外降低柴油機排放和提高柴油機性能的重要措施之一，新型的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，可以達到更高的燃油噴射壓力并實現(xiàn)噴油量和噴油時刻的精確控制，可以有效改善燃燒，從而達到提高發(fā)動機性能、降低油耗和排放的目的。

3) 增壓中冷技術

增壓中冷技術使增壓空氣在進入氣缸前被充分冷卻，在一定程度上可以抑制NOX的排放，同時可以大幅度地提高柴油機的功率。

4) 廢氣再循環(huán)（EGR）技術的應用

EGR 是先進內燃機中普遍采用的技術，其工作原理是將少量廢氣引入氣缸內，這種含有不可燃燒的 CO2 及水蒸汽的廢氣的熱容量較大，能使燃燒過程的著火延遲期增加，燃燒速率變慢， 缸內最高燃燒溫度下降，從而減少有害成分NOx的生成。

5) 先進后處理技術

排氣后處理技術是實現(xiàn)發(fā)動機降低排放的一項關鍵技術，在燃油品質提升和機內凈化技術不斷發(fā)展的基礎上，采用先進的排氣后處理裝置使得汽車尾氣排放能夠滿足未來更為嚴格的排放法規(guī)要求，在后處理方面歐洲主要采用了兩條技術路線：其一SCR(選擇性催化還原)技術路線，它是通過優(yōu)化噴油和燃燒過程，盡量在機內控制微粒的產(chǎn)生，在機外后處理過程，采用尿素溶液對氮氧化物進行選擇性催化還原；其二是EGR+CSF(廢氣再循環(huán)加微粒捕集器)技術路線，它以廢氣再循環(huán)為基礎，在機內抑制氮氧化物的產(chǎn)生，在機外后處理過程中采用微粒捕集器對微粒進行微粒捕捉。

6) 先進的燃燒技術

為了減少排放污染物的生成，世界各國都在研究低溫燃燒和均質壓燃等新型的燃燒模式。如：美國西南研究院的清潔柴油機項目至今已經(jīng)開展了16 年。繼成功完成第四代清潔柴油機項目之后，西南研究院計劃于2007年11月1日正式啟動第五代清潔柴油機項目，重點研究和開發(fā)先進發(fā)動機燃燒技術，包括覆蓋所有工況運行的稀薄燃燒技術、低溫燃燒技術等。

綜上所述，在乘用車柴油機領域里，高壓共軌技術是當前最主要的發(fā)展方向。高壓共軌技術、增壓中冷技術和EGR技術相結合，不僅明顯改善發(fā)動機排放，同時大幅度降低發(fā)動機油耗，提高動力性；再加上DPF等先進后處理技術的應用，可以使得柴油乘用車的排放水平滿足歐V排放法規(guī)的要求。而稀薄燃燒和低溫燃燒等先進燃燒技術的研究和開發(fā)，將為乘用車柴油機的發(fā)展提供技術儲備，以滿足未來更加嚴格的排放、油耗法規(guī)要求。