【正文】 1990年，美國國會通過空氣清凈法（修正案），為改善城市空氣質(zhì)量，開始實施含氧及新配方汽油計劃，要求在汽油中添加含氧量≯%（m/m）的含。德國、瑞典、新西蘭等國先后曾推廣使用含15％甲醇的M15汽油，1987年美國加州開始推廣使用含85%甲醇的汽油。70年代第二次世界石油危機后，世界各國從尋找替代燃料的目的出發(fā)，紛紛開展一系列摻醇汽油或純甲醇（純乙醇）代替車用汽油的研究工作。我國現(xiàn)有甲醇生產(chǎn)廠家月100家，2001年全國甲醇產(chǎn)量為206萬噸，進口150萬噸。甲醇的生產(chǎn)方法主要是合成法。甲醇主要用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲脂等多種有機化工產(chǎn)品，甲醇也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的原料，甲醇還是非常重要的溶劑之一。我國乙醇生產(chǎn)主要依靠玉米、薯類和甘蔗等發(fā)酵制取。目前，國際上燃料乙醇的總產(chǎn)量約為2400萬噸，巴西是世界上最大的乙醇生產(chǎn)國之一，2000年乙醇產(chǎn)量達到1031萬噸，其主要生產(chǎn)原料是甘蔗。乙醇主要用作溶劑，也用于制染料、涂料、合成橡膠、醫(yī)藥、洗滌劑、化妝品等。就我國來說，現(xiàn)行使用的發(fā)動機整體水平比較落后，應(yīng)推廣低能量消耗、低污染排放的發(fā)動機技術(shù)，以提高能量利用率、改善我國大氣環(huán)境質(zhì)量。未來的排放法規(guī)對NOx和微粒排放提出了越來越嚴(yán)格的要求，所以在柴油機上使用HCCI方式將會受到越來越廣泛的關(guān)注。從理論上講，在HCCI燃燒過程中，均勻的空燃混合氣及殘余廢氣被壓縮，燃燒在多點同步發(fā)生，無明顯火焰前鋒，燃燒溫度比較均勻，NOx和PM的形成被有效抑止。豐田汽車公司[13]的研究表明：HCCI發(fā)動機平均指示壓力與GDI汽油機和柴油機相當(dāng)，其燃油消耗率水平甚至達到180200 g/kW h，指示熱效率超過50%，達到直噴式柴油機的水平，并且隨著進氣溫度的提高，HCCI燃燒的稀燃界限可拓寬至空燃比80以上。高壓縮比意味著高的指示熱效率。HCCI發(fā)動機工作混合氣較稀，采用汽油作燃料時，可以在過量空氣系數(shù)為39的范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒。HCCI發(fā)動機燃燒熱效率接近Otto循環(huán)，其主要原因是 [12]：（1）節(jié)流損失小 HCCI發(fā)動機對負(fù)荷的控制是通過調(diào)節(jié)燃油噴射量、改變空燃比來實現(xiàn)的，因此節(jié)氣門的節(jié)流損失小。HCCI燃燒方式與柴油機的不同點在于：柴油機在著火時刻燃油還沒有完全蒸發(fā)混合，進行的是以擴散燃燒方式主的燃燒，燃燒過程主要受燃油蒸發(fā)速率及其與空氣的混合速率的控制。三、均質(zhì)充量壓縮著火（HCCI）燃燒技術(shù)HCCI燃燒方式能有效地解決傳統(tǒng)均質(zhì)稀燃汽油機燃燒速度慢的缺點，是有別于傳統(tǒng)汽油機均質(zhì)點燃預(yù)混燃燒、柴油機非均質(zhì)壓燃擴散燃燒和GDI發(fā)動機分層稀薄燃燒方式的第4種燃燒方式。根據(jù)車輛性能要求適時調(diào)整壓縮比，如在低負(fù)荷時，發(fā)動機以高壓縮比工作以節(jié)油，而在高負(fù)荷時用低壓縮比以防止爆震。大眾公司開發(fā)的Lupo 3缸轎車，用泵噴嘴可實現(xiàn)200MPa的壓力，該車的百公里油耗僅為3升。通過對噴油器中電磁閥的適當(dāng)控制，共軌系統(tǒng)能實現(xiàn)多次噴射，可降低燃燒噪聲和NOx排放。共軌式燃油噴射系統(tǒng)采用獨立的高壓供油泵，可提供很高的噴油壓力（150 MPa），而且通向各噴油器的高壓油管很短，不會出現(xiàn)不可控制的異常噴射情況。對于目前廣泛使用的泵—管—噴嘴式噴油系統(tǒng)來說，噴油壓力過高很易造成異常噴射，而且這種噴油系統(tǒng)只有在最高轉(zhuǎn)速和最大負(fù)荷下才能產(chǎn)生最高的噴油壓力，而在低速、小負(fù)荷時，噴油壓力迅速下降。高壓燃油噴射系統(tǒng) 柴油機要盡快實現(xiàn)油氣均勻混合，以保證燃燒迅速、完全，除了必要的空氣流動外，燃油霧化質(zhì)量至關(guān)重要。只有電控可變幾何截面或可變噴嘴渦輪增壓器，才能根據(jù)發(fā)動機的工況要求，適時調(diào)節(jié)渦輪噴嘴截面積以達到所需的增壓壓力，實現(xiàn)從低速到高速全工況的優(yōu)化，使柴油機的性能得到很大提高， MPa平坦的平均有效壓力。但采用常規(guī)的渦輪增壓器不能在很寬的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)與柴油機良好匹配，如采用低速匹配可改善發(fā)動機的低速性能，但高速性能受損；采用高速匹配則低速性能和加速性變差。增壓中冷 渦輪增壓是提高柴油機充氣量和功率密度、降低燃油消耗的主要手段之一，同時它可以降低柴油機的PM和煙度排放，但增壓會使發(fā)動機的循環(huán)溫度提高，NO排放增加。傳統(tǒng)的看法是只有缸徑130150mm以上的大功率高速、強化柴油機可用每缸4氣門結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代直噴式柴油機已可以以40005000 r/min的轉(zhuǎn)速運行，其燃油消耗量比非直噴式柴油機低10%左右，且增壓強化潛力大，起動性能好[9]?，F(xiàn)在全世界已樹立起轎車3L/100km油耗的目標(biāo)，因而還需要對柴油機進行優(yōu)化改進。近幾十年來，由于世界各國競相發(fā)展集約化節(jié)能型經(jīng)濟，竭力降低單位國民產(chǎn)值的能耗，全球范圍內(nèi)又掀起了控制CO2排放以緩解溫室效應(yīng)的熱潮，因此，車用柴油機又受到了青睞，其中歐洲轎車用柴油機發(fā)展很快，在新生產(chǎn)的轎車中，裝用柴油機的已達50%。如果不發(fā)生爆震了，ECU就提前點火時間，這樣就能提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。電子控制技術(shù)的使用，使得發(fā)動機噴射策略、點火時刻、抗爆震等能瞬時可調(diào)、可控。多點噴射使燃油分配與進氣歧管的結(jié)構(gòu)無關(guān)，燃油分配更均勻，由于燃油分配不均勻而需要考慮的分配辛烷值問題已經(jīng)不需要考慮了，這樣不論發(fā)動機在熱態(tài)或冷態(tài)下工作，其過渡特性都是最佳的。多點噴射是在每一氣缸的進氣門前裝一個噴油器噴油，它可明顯改善各缸供油的均勻性，而且動態(tài)響應(yīng)比單點的好。當(dāng)然由于高能點火使火花塞燒蝕增加，火花塞的壽命也會縮短。高能點火和寬間隙的火花塞有利于火核形成，縮短著火落后期，減小循環(huán)變動、擴大稀燃極限。高能點火 汽油機依靠重復(fù)、可靠的著火達到良好的性能和排放要求。由于汽車發(fā)動機經(jīng)常工作在小負(fù)荷工況，分層燃燒可使其平均燃油消耗量下降1520%[9]。如均質(zhì)燃燒與可變氣門定時相結(jié)合，其燃油消耗量可與分層燃燒相當(dāng)。分層燃燒缸內(nèi)直噴汽油機的空燃比稀限已提高到40以上。缸內(nèi)直噴汽油機（GDI） 與進氣道噴射稀燃汽油機相比，缸內(nèi)直噴稀燃汽油機絕熱指數(shù)高、泵氣損失和傳熱損失?。粍討B(tài)響應(yīng)好，冷起動快，快速減速斷油能力強；而且燃油在缸內(nèi)蒸發(fā)可降低混合氣的溫度，提高汽油機的充氣效率和抗爆性，可進一步提高壓縮比。Hoie K等人利用開發(fā)的變渦流系統(tǒng)和精確的空燃比控制系統(tǒng)成功地開發(fā)出一種四氣門稀燃汽油機，在高速區(qū)，發(fā)動機使用直氣道和兩氣門工作，加大了充量系數(shù)；在低速區(qū)，用一個進氣門形成缸內(nèi)渦流并通過控制進氣沖程中的噴油時刻以產(chǎn)生軸向分層進氣，采用這項技術(shù)可使發(fā)動機的燃油消耗率降低10%，排放達到美國LEV標(biāo)準(zhǔn)[5]。如三菱汽車公司開發(fā)了垂直渦流、分層燃燒系統(tǒng)，用在4氣門汽油機上，稀燃極限空燃比可達23:1以上，同時NOx排放減少。在進氣行程初期噴油，燃油首先分布于燃燒室下部，隨著活塞的運動而逐漸形成均勻混合氣；在進氣行程后期噴油，將在燃燒室上部形成濃混合氣。進氣渦流可實現(xiàn)混合氣在缸內(nèi)軸向分層，在不對稱進氣時，充量在缸內(nèi)形成斜軸渦流。實現(xiàn)稀燃的關(guān)鍵技術(shù)是縮短火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)時間，并利用電控系統(tǒng)，根據(jù)汽油機工況的變化快速準(zhǔn)確地控制缸內(nèi)渦流、噴油次數(shù)和噴油時間，保證點火瞬時在火花塞周圍形成易于著火的濃混合氣（空燃比為12～），燃燒室其余區(qū)域為稀混合氣。另外，稀燃發(fā)動機一般不受爆震極限的限制，可采用高壓縮比。稀薄燃燒 稀燃就是發(fā)動機在大于理論空燃比的情況下燃燒。利用這項技術(shù)，可提高汽油機低速轉(zhuǎn)矩58%、比功率 20%?？勺儦忾T定時和升程機構(gòu) 利用電子或液壓系統(tǒng)改變發(fā)動機的氣門定時和升程，可提高發(fā)動機的功率，降低能耗。如果再配合緊湊的楔形燃燒室，火花塞中心布置，可增加壓縮比，提高燃燒壓力，從而達到更高的性能和更低的油耗。圖1 給出了4氣門氣道布置對發(fā)動機流量系數(shù)及進氣渦流的影響?，F(xiàn)代OHC發(fā)動機比現(xiàn)代OHV發(fā)動機燃油經(jīng)濟性高3%，比老式OHV發(fā)動機燃油經(jīng)濟性高6%[4]。如天津大學(xué)開發(fā)的射流燃燒室，可實現(xiàn)空燃比為20的稀燃，提高了汽油機的經(jīng)濟性[3]。優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在：（1）盡量縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，提高抗爆性能；（2）優(yōu)化燃燒室?guī)缀涡螤钜蕴岣叻艧崴俣?；?）合理布置火花塞，提高抗爆性能；（4）有足夠的進排氣門流通截面。圖1 氣門及氣道布置對進氣流量與進氣渦流的影響優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu) 緊湊的燃燒室形狀可以改善缸內(nèi)氣體流動，加速油氣的混合，提高燃燒速度，減少循環(huán)波動，這不但能降低CO和HC 排放，而且能提高發(fā)動機的經(jīng)濟性。本文就汽車發(fā)動機技術(shù)主要包括燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化、混合氣形成方式、供油策略、電子控制及新型燃燒方式等與節(jié)能的關(guān)系作簡單介紹。就我國汽車發(fā)動機而言，現(xiàn)在生產(chǎn)的以及在用各類發(fā)動機，絕大多數(shù)性能指標(biāo)差，尤其是燃油耗、排放及噪聲遠不能滿足當(dāng)今節(jié)能與排放的要求。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，今后我國石油消費和進口將呈上升趨勢。如歐洲汽車制造協(xié)會（ACEA）提出了其節(jié)油目標(biāo)，歐洲委員會（European Commission）自愿接受到2008年，輕型車按照新的歐洲試驗循環(huán)（93/116/EC），CO2排放達到140g /km（對于汽油車，相當(dāng)于41mpg）的目標(biāo)[1]。汽車發(fā)動機的技術(shù)進步與節(jié)能歐陽明高、王建昕 清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室 在過去幾十年里，由于材料、機械加工、燃燒及其控制技術(shù)的高速發(fā)展及新型燃燒方式的使用，使得汽車發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性及排放得到了很大的改進。（六）在用車油耗降低的途徑主要是搞好維護保養(yǎng)機動車在使用的過程中，技術(shù)條件會發(fā)生變化，比如慮清器可能會臟污，噴油器可能會堵塞，輪胎氣壓會降低，這些都會影響汽車的燃料經(jīng)濟性，及時合理的進行保養(yǎng)，使汽車總維持在良好的工作狀態(tài)，是在用車節(jié)能的最有效途徑。這個數(shù)據(jù)是許多研究報告中提到的，也征詢了許多汽車行業(yè)的專家。新技術(shù)的采用會降低燃油消耗，但也會增加零售價格，由此導(dǎo)致消費者的燃油花費支出減少，要與零售價的增加在一定時間內(nèi)相抵消，而且抵消的時間是消費者可以接受的，這樣，消費者在購買汽車的時候，就不會抵制購買技術(shù)高、油耗低的汽車。表4 新技術(shù)對燃油經(jīng)濟性的影響及其成本燃油效率提高(%)零售價增加（￥）最低最高低高1 發(fā)動機技術(shù) 提高發(fā)動機機械效率 減少泵氣（進排氣）損失 多氣門、頂置凸輪258201120 可變氣門正時352801120 可變氣門升程和正時 5105601680 進氣門節(jié)流（無節(jié)氣門）*3617003300 無凸輪軸進氣*51023004500 減少發(fā)動機磨擦損失 其它部件（如軸承、油封等）13280600 滾子挺柱（搖臂）2260600 低摩擦潤滑劑116090 減少附件功率損耗12650900 提高壓縮比+50100 停缸節(jié)油（適用大排量發(fā)動機）369002000 可變壓縮比*2617004000 其它發(fā)動機技術(shù) 發(fā)動機增壓和尺寸減小5730004500 直接噴射汽油機*102036004600 直接噴射柴油機*2035450060002 傳動系技術(shù) 4到5速自動變速器235601200 4檔到5檔手動變速器13200400 無級變速器 （CVT）4812003000 更好的自動變速器換檔策略13100560 5到6速自動變速器1212003000 自動換檔手動變速器*355602300 先進無級變速器*02300068003 整車技術(shù) (rear to front)57300700 空氣阻力的減少121001200 改善滾動阻力1120450 42v電源系統(tǒng)*125602300 集成發(fā)電機/起動機*4717003000 電動轉(zhuǎn)向*8501200 汽車重量減輕（汽車新材料）*3450028004 發(fā)動機傳動系整車匹配技術(shù) 發(fā)動機傳動系整車匹配技術(shù)140010005 新型動力形式 Mild Hybrid**15251600024000 Full Hybrid**25402400032000表中列出的技術(shù)中，有些技術(shù)已經(jīng)是汽車大量生產(chǎn)采用了的，例如多氣門、雙頂置凸輪軸技術(shù)、可變氣門正時技術(shù)，滾子挺柱技術(shù)；有一些是已經(jīng)成熟，正在批量采用的技術(shù)，例如發(fā)動機增壓，無級變速器等；有一些是具有潛在應(yīng)用前景的技術(shù)，但有些也已被采用，例如汽油機直接噴射，停缸技術(shù)、進氣門節(jié)流、無凸輪軸技術(shù)，42V電源技術(shù)等（這些技術(shù)選項標(biāo)*號）；還有就是常用的技術(shù)：提高壓縮比、低摩擦技術(shù)，低阻力技術(shù)、整車匹配技術(shù)等。優(yōu)化自動變速器的換檔邏輯 （3）動力總成的良好匹配 （4）行駛系統(tǒng)使用更好的輪胎 （5）采用輕質(zhì)材料，降低汽車重量 （6）采用電動轉(zhuǎn)向（五）乘用車油耗降低的潛力表4總結(jié)了可以提高燃油經(jīng)濟性的各種新技術(shù)的效能以及導(dǎo)致的零售價的增加。發(fā)動機附件效率的提高進氣增壓和發(fā)動機重量減輕 （2）傳動系技術(shù)增加檔位數(shù) 增加檔位，就意味著可以使發(fā)動機有更多的機會工作在高效率區(qū)域，從而提高燃油經(jīng)濟性。停缸節(jié)油的技術(shù) 當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)在較低的負(fù)荷時，停止部分氣缸的工作，從而提高工作氣缸的負(fù)荷率，達到節(jié)省燃料的目的。柴油機又比汽油機節(jié)省大約20－30％的燃料。提高壓縮比技術(shù) 提高發(fā)動機壓縮比，提高燃燒效率，是改善燃油經(jīng)濟性的的