1.2 發動機電控技術的現狀與發展趨勢

汽車作為重要的交通工具，主要向節能、減排、安全、舒適的方向發展，電控發動機是汽車的動力源，節能與減排促進了發動機不斷地更新換代。

1.2.1 發動機電控技術與排放標準的匹配

1.我國汽車尾氣排放標準的發展

我國的汽車尾氣排放限制標準源于歐洲標準，又不完全等同于歐洲標準，主要歷經了以下幾個階段：

1）1999年我國頒布了《車用無鉛汽油》（GB 17930—1999）國家標準，規定了由液體烴類和由液體烴類及改善使用性能的添加劑組成的車用無鉛汽油的技術條件。該標準標志著我國車用汽油發動機結束了使用含鉛汽油的時代。

2）2001年我國頒布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（Ⅰ）》（GB 18352.1—2001）標準，簡稱國Ⅰ標準，等效于歐Ⅰ排放標準，主要技術內容與歐Ⅰ排放標準相同，各項試驗的試驗方法和限值也都相同。該標準規定了輕型車，即最大總質量不超過3.5t的M₁類、M₂類和N類車輛冷起動后排氣排放污染物排放限值、點燃式發動機曲軸箱污染物排放限值及車輛排放控制裝置的耐久性要求。

3）2001年我國又頒布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（Ⅱ）》（GB 18352.2—2001）標準，簡稱國Ⅱ標準，等效于歐Ⅱ排放標準。該標準增加了燃油蒸發排放污染物排放極限值要求。

4）2005年我國頒布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005）標準，簡稱國Ⅲ、國Ⅳ標準，等效于歐Ⅲ、歐Ⅳ排放標準。該標準加強了排放限值，增加了對車載診斷（OBD）系統及其功能的要求。

5）2011年12月29日起所有生產、進口、銷售和注冊登記的氣體燃料點燃式輕型發動機與汽車必須符合國Ⅳ標準的要求，即《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》（GB 17691—2005）標準，簡稱國Ⅲ、國Ⅳ、國Ⅴ標準，等效于歐Ⅲ、歐Ⅳ、歐Ⅴ排放標準。該標準增加了裝用以天然氣或液化石油氣作為燃料的點燃式發動機汽車，及點燃式發動機氣態污染物的排放限值及測量方法。

2013年7月1日起，所有生產、進口、銷售和注冊登記的車用壓燃式發動機（柴油機）與汽車必須符合國Ⅳ標準的要求。

6）2013年3月北京市發布實施《2013年清潔空氣行動計劃》，提出北京市全面實施第五階段輕型機動車污染物排放標準，3月1日起，停止銷售注冊不符合“京Ⅴ”標準的輕型汽油車。

7）2016年12月23日我國生態環境部正式頒布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（簡稱“國Ⅵ”）國家污染物排放標準。

國Ⅵ排放標準分兩個階段實施，從2019年7月1日到2021年7月1日先實施國Ⅵa階段標準，從2021年1月1日到2023年7月1日開始實施國Ⅵb階段標準。

2.國際汽車尾氣排放標準現狀與未來趨勢

美國、歐洲和日本的汽車排放法規是當今世界上的三個主要法規體系。世界上其他國家都是在不同程度上采用這些法規和標準，尤以是采用美國、歐洲法規的較多。

歐洲汽車排放法律標準已經實施若干個階段：

1）1993年起，歐洲開始實施輕型汽車歐Ⅰ排放標準。

2）1996年起，歐洲開始實施輕型汽車歐Ⅱ排放標準。

3）2000年起，歐洲開始實施輕型汽車歐Ⅲ排放標準。

4）2005年起，歐洲全部車輛都開始實施歐Ⅳ排放標準。

5）2011年1月開始實施歐Ⅴa標準。

6）2013年1月開始實施歐Ⅴb標準。

7）2015年9月開始實施歐Ⅵb標準。

8）2018年9月開始實施歐Ⅵc標準。

9）2019年9月開始實施歐Ⅵd-Temp標準。

10）2021年1月開始實施歐Ⅵd標準。

歐Ⅲ標排放準是歐洲開始實施的，真正意義上的低污染排放標準。歐Ⅲ排放標準中最大的變化，在于車輛出廠前必須裝備車載自診斷系統（EOBD）。

歐盟早已經將車輛碳排放納入標準體系，我國將這一項列入國V標準中。我國從三方面加強排放污染物監管：一是加強新車的排放控制，包括制定更嚴格的排放標準，完善達標車輛的申報制度，加強生產的一致性檢驗；二是強化在用車輛的排放監督，繼續實施標志制度，強制維修排放不達標的車輛，開展排放超標車輛的召回工作，加速淘汰高排放車輛等；三是嚴格控制車用油品有害物質，包括制定標準，加強備案等。

美國是世界上最早執行排放法規的國家，也是排放控制指標種類最多、排放法規最嚴格的國家。美國的汽車排放法規分為聯邦排放法規，即環境保護局（EPA）排放法規和加利福尼亞州（簡稱加州）空氣資源局（CARB）排放法規。后者一般領先前者1～2年。因為美國的汽車排放標準是按地區的汽車密度來分級的。美國汽車密度最高的州是加州，所以加州的排放標準最嚴，其次是紐約州，所以紐約州排放標準次之，再其次是其余各州。

CARB規定，從1998年起銷售到加州的輕型汽車執行極其嚴格的低污染排放法規（LEV），這一標準在1999—2003年期間實施，進一步強化的LEVⅡ標準從2004年開始推廣，目前美國聯邦和加州對輕型車輛實施的汽車排放法規分別為Tier3和LEVⅢ。

3.發動機電控技術與排放標準的配合

為滿足歐洲Ⅰ號排放法規需要采用三元催化轉化器，為使三元催化轉化器的轉化效率維持在較高的水平，需要嚴格控制空燃比，這要求使用汽油噴射技術。單從排放控制角度來說，單點噴射技術也可以滿足歐洲Ⅰ號排放法規。

大排量轎車由于有害氣體排放絕對質量較大，要滿足歐洲Ⅱ號法規應采用EGR以進一步降低NO_x的排放量。

為實現歐Ⅲ標準，降低發動機的原始排放，要求電控發動機系統能夠：

（1）精確控制發動機起動暖機過程中的空燃比。

在保證正常起動的前提下，使空燃比盡快達到14.7:1，從而減少起動、起動后、暖機過程中的原始排放。

1）采用順序噴射技術，并且采取分缸空燃比控制策略，確保每個氣缸內能進行充分的燃燒，從而降低發動機的原始排放。

2）通過空燃比閉環控制，使三元催化轉化器對HC、CO、NO_x等有害物質的轉化效率最高，并保證三者排放值的均衡。

3）通過點火提前角控制，提高起動過程中的排氣溫度，使三元催化轉化器盡快起燃。

（2）排氣后處理技術

1）盡快提升三元催化轉化器的溫度。三元催化轉化器在達到一定的溫度時，化學反應才可以順利地進行。歐Ⅲ測試是在起動后立即采樣，而此時三元催化轉化器還未到達可進行化學反應的溫度，所以可以采取一些措施提升此時轉化器的溫度。

通常轉化器的能量來源于發動機廢氣。所以通過發動機電子控制系統有目的地控制發動機運行過程中的點火提前角或者轉速，增加廢氣的能量，可以加快三元催化轉化器內溫度上升的速度，從而改善發動機的排放。

也有的方法是通過純粹的電能或者在起動過程中形成較濃的混合氣，通過二次空氣噴射系統在排氣管內噴入空氣形成化學反應釋放熱能來加熱三元催化轉化器。這兩種方法成本較高，目前在國內運用得不是十分廣泛。

2）提升催化轉化器的轉化效率。發動機的廢氣轉化歸根結底還是通過三元催化轉化器來實現的。所以提高其轉化效率是改善發動機排放的有效途徑。

①降低催化劑的起燃溫度。降低催化劑的起燃溫度，廢氣提前進行化學反應轉化為無害物質，能大大改善發動機起動過程中的排放。這依賴催化劑供應商技術的提高。

②兩級三元催化轉化器。兩級三元催化轉化器中，其中一個轉化器緊接著排氣歧管，另一個由底盤安裝空間決定其安裝位置，一般離排氣歧管較遠。前級三元催化轉化器由于離排氣歧管很近，其溫度比較容易上升達到起燃溫度，所以可以用來凈化起動時的排放。后級三元催化轉化器體積一般較大，可以處理高速段發動機廢氣的排放。

這種方法只需增加較少的成本，就可以實現歐Ⅲ排放，因此比較適合中國的市場。目前得到了比較廣泛的使用。

3）廢氣再循環技術（EGR）。廢氣再循環技術通過循環一部分廢氣進入氣缸再次參與燃燒，降低了燃燒的峰值溫度，從而降低了NO_x的排放。通常廢氣循環量的多少通過EGR閥來控制，EGR閥的開度可以通過電控系統來控制。目前國內已有一些零部件供應商提供這類產品。

4）碳氫化合物吸收系統。在催化劑涂附特殊的材料——泡沸石，在催化劑活化前吸附HC。當尾氣排放溫度太低使催化劑不能有效發揮作用時，將碳氫化合物收集起來，即采用燃油蒸發系統（EVAP）。在較高的溫度下催化劑能發揮作用時，可以隨著溫度的升高而自動脫離，釋放HC，通過催化劑來轉化HC。

1.2.2 發動機電控技術的發展趨勢

為了防止全球氣候變暖，為了應對世界主要地區嚴格的二氧化碳排放法規，國際市場上，原始設備制造商正在采取一種雙重戰略：先進的內燃機技術（IC）與動力總成電氣化行動。新的研究表明改進后的發動機，后處理技術有出色表現，使汽油市場份額得以增長。盡管如此，純電池電動汽車（包括燃料電池汽車）正在增加以滿足加州和中國的需求。預計2025—2030年，汽油IC發動機的先進技術將使燃油經濟性改善30%，并使用戶每千米行駛的成本最低。

通過對現代輕型發動機技術的評估，證明改進的發動機技術正在被穩步采用，并且尚有很大開發潛力。具體包括以下幾項。

1）可變氣門升程（VVL）。

2）汽油直噴（GDI）和火花輔助壓燃點火（Spark Assisted Gasoline Compression Igni-tion）。

3）可變幾何渦輪增壓器（VNT/VGT Turbo）。

4）可變壓縮比（VCR）。

5）大的行程/缸徑比（High Stroke/Bore Ratio）。

6）集成排氣歧管（Integrated Exhaust Manifold）。

7）增壓技術（Boosting Technology）。

8）減少摩擦（Friction Reduction）。

9）冷卻的廢氣再循環（Cooled-EGR）。

10）米勒循環（Miller Cycle）。

11）動態氣缸停用（Dynamic Cylinder Deactivation）。

12）稀燃燒（Lean Combustion）。

近年來，人們看到了新技術被廣泛應用，得以實現燃油經濟性的大幅改善。馬自達的SKVACTIV—X 2.0L是帶有火花輔助壓縮點火技術的發動機，與2014 SKVACTIV—G 2.0L發動機相比，燃油經濟性提高了12.5%。小型渦輪增壓GDI發動機與2016年基準1.5L發動機相比，CO₂排放量降低了約30%。在2010—2019年間，各廠家的發動機相繼采用上述12項新技術中的某些，大大提高了燃油經濟性并降低了排放值。如：

1）福特EcoBoost 1.6L發動機。

2）福特EcoBoost 2.7L發動機。

3）本田L5B7 1.5L發動機。

4）馬自達SKYACTIV—G 2.5L發動機。

5）大眾EA888—3B 2.0L發動機。

6）大眾/奧迪EA839 3.0L V6發動機。

7）日產MR20 DDT VCR 2.1L發動機。

8）馬自達SKYACTIV—X 2.0L SC發動機。

盡管電子控制技術在現代汽車發動機上的應用已相當廣泛，但也存在空白，而且已應用的電子控制技術有些也存在缺陷，完善現有發動機電子控制技術，開發電子控制技術在發動機上應用的新領域，通過汽車內部網絡的信息通信完成系統之間的各種必要信息的傳送與接收，實現高度集中控制及集中故障診斷的“整車控制技術”，仍將是未來汽車發動機技術發展的必然趨勢。

此外，除電子技術以外的新技術在發動機上的應用也有待開發，為解決日益嚴重的能源和污染兩大問題，新燃料發動機和汽車新動力也必然成為未來汽車發動機的技術發展方向。具有開發潛力的發動機新技術有如下幾項。

1.發動機新燃料

發動機的燃料最初采用的是煤氣，隨著石油的發現和應用，才使汽車發動機真正成為人類的得力工具。目前，汽車發動機的主要燃料仍然是汽油和柴油，但石油資源總會有枯竭的一天，為解決石油燃料的供需矛盾，發動機新燃料一直是發動機技術研究的重要課題。目前人們研究的發動機新燃料主要有：醇類燃料、二甲基醚、天然氣、植物油、人造汽油和柴油等。

發動機新燃料的研究已取得較大進展，如乙醇汽油在我國已開始推廣使用，燃氣/汽油雙燃料發動機也已在汽車（尤其是出租車）上投入使用。隨著新燃料發動機的應用，新燃料發動機電控技術的開發具有很大的潛力。

2.混合動力裝置

為徹底解決汽車排放污染問題，20世紀90年代以來，各種各樣的電動汽車脫穎而出。盡管人們普遍認為未來是電動汽車的天下，但由于目前電池技術問題，電動汽車還無法取代全面燃料發動機汽車。

將電動機與燃料發動機有機結合在一起的混合動力裝置，既能發揮燃料發動機持續工作時間長，動力性好的優點，又可以發揮電動機無污染、低噪聲的好處，在電動汽車時代到來之前，混合動力裝置作為一種過渡產品，其應用前景也不可忽視。

3.柴油機電控技術

在燃料發動機仍占汽車動力裝置主流的時代，柴油機經濟性好、排放污染低的優勢是汽油機無法比擬的，尤其是近年來電控柴油機的出現，其性能得到了進一步的改善，可以預測，未來幾年電控柴油機的應用必將更加廣泛，柴油機電控技術也將進入一個新的發展階段。

4.汽油機負荷控制技術

現代汽油發動機的負荷控制都是利用節氣門控制進氣量來實現的，盡管在汽油機上已采用了節氣門電控技術，但節氣門的存在必然會增加汽油機部分負荷時的進氣阻力，降低其機械效率，從而影響汽油機的燃料經濟性。因此取消汽油機的節氣門，利用電控技術通過控制噴油量來實現汽油負荷的“質調節”，已成為汽油機技術研究的一個方向。當然，該技術的關鍵是解決部分負荷稀混合氣燃燒的問題。

5.進、排氣控制技術

眾所周知，發動機氣門的開啟升程、開啟和關閉時刻，對發動機性能有重要影響。為改善發動機的進、排氣過程，提高發動機性能，近年來在日本本田、德國大眾等公司生產的發動機上，相繼采用了氣門升程和配氣相位控制技術，但這些技術仍未全面實現電子控制，而且通常僅對進氣門的升程和開閉時刻進行控制，所以發動機的進、排氣控制技術仍有較大的開發潛力。

目前，部分汽車公司已開始研究用電磁閥取代氣門的發動機進、排氣控制新技術。它不僅可以更準確地控制進、排氣時刻。還能通過控制進氣門的開度和開啟時間來控制進氣量，為取消汽油機的節氣門提供了可能。制約這項技術的關鍵問題有兩個：一是電磁閥取代節氣門后消耗電量過大，二是電控系統的響應速度必須滿足發動機高轉速的需要。

6.激光點火技術

與現有的汽油機各類點火系統相比，激光點火能更有效地控制點火時間和點火強度，因此能準確控制點火時刻，并且容易實現電控。此外，激光點火還能實現缸外點火，減少火花塞溫度和積炭對點火的影響，而且采用缸外點火，也有利于更合理地設計燃燒室形狀、布置氣門和噴油器。可見，激光點火技術在汽油發動機上有著較好的應用前景。

7.水泵及節溫器電控技術

發動機的工作溫度是影響發動機性能的重要因素，利用電動水泵和采用電控節溫器，能更好地控制冷卻液的循環量和循環路線，對發動機起動后迅速升溫和保持正常工作溫度非常有利，而且容易實現。

8.電源系統改進技術

隨著汽車電子控制技術的發展，汽車上的用電設備越來越多，發電機的輸出功率必然隨之提高。以普通的中級轎車為例，發電機的輸出功率已從20年前的500W，提高到目前的1000W?，F在汽車上用的發電機都是風冷式，利用風扇將空氣吹入機殼進行冷卻，隨著發電機輸出功率的提高，其冷卻強度也必須增大；由于風冷發電機結構的限制，功率的增加必然會導致發電機體積增大，若加大風扇尺寸來提高冷卻強度，又會使噪聲增大。為此，對電源系統的改進也必將成為未來發動機的新技術之一，有資料證明，水冷式交流發電機將是未來汽車發電機的發展方向。

綜上所述，隨著技術的進步和人們對汽車發動機性能要求的不斷提高，未來幾年，汽車發動機將出現多樣化的趨勢，其技術含量更高，性能更好。