1.2 发动机电控技术的现状与发展趋势
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1.我国现阶段的电控发动机能满足欧洲第几号排放标准？
2.为达到排放标准，电控发动机需采用哪些电控技术？
汽车作为重要的交通工具，主要向节能、减排、安全、舒适的方向发展，电控发动机是汽车的动力源，节能与减排促进了发动机不断地更新换代。
1.2.1 发动机电控技术与排放标准的匹配
1.我国汽车尾气排放标准的发展
我国的汽车尾气排放限制标准源于欧洲标准，又不完全等同于欧洲标准，主要历经了以下几个阶段：
1）1999年我国颁布了《车用无铅汽油》（GB 17930—1999）国家标准，规定了由液体烃类和由液体烃类及改善使用性能的添加剂组成的车用无铅汽油的技术条件。该标准标志着我国车用汽油发动机结束了使用含铅汽油的时代。
2）2001年我国颁布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（Ⅰ）》（GB 18352.1—2001）标准，简称国Ⅰ标准，等效于欧Ⅰ排放标准，主要技术内容与欧Ⅰ排放标准相同，各项试验的试验方法和限值也都相同。该标准规定了轻型车，即最大总质量不超过3.5t的M1类、M2类和N类车辆冷起动后排气排放污染物排放限值、点燃式发动机曲轴箱污染物排放限值及车辆排放控制装置的耐久性要求。
3）2001年我国又颁布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（Ⅱ）》（GB 18352.2—2001）标准，简称国Ⅱ标准，等效于欧Ⅱ排放标准。该标准增加了燃油蒸发排放污染物排放极限值要求。
4）2005年我国颁布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB 18352.3—2005）标准，简称国Ⅲ、国Ⅳ标准，等效于欧Ⅲ、欧Ⅳ排放标准。该标准加强了排放限值，增加了对车载诊断（OBD）系统及其功能的要求。
5）2011年12月29日起所有生产、进口、销售和注册登记的气体燃料点燃式轻型发动机与汽车必须符合国Ⅳ标准的要求，即《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》（GB 17691—2005）标准，简称国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ标准，等效于欧Ⅲ、欧Ⅳ、欧Ⅴ排放标准。该标准增加了装用以天然气或液化石油气作为燃料的点燃式发动机汽车，及点燃式发动机气态污染物的排放限值及测量方法。
2013年7月1日起，所有生产、进口、销售和注册登记的车用压燃式发动机（柴油机）与汽车必须符合国Ⅳ标准的要求。
6）2013年3月北京市发布实施《2013年清洁空气行动计划》，提出北京市全面实施第五阶段轻型机动车污染物排放标准，3月1日起，停止销售注册不符合“京Ⅴ”标准的轻型汽油车。
7）2016年12月23日我国生态环境部正式颁布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（简称“国Ⅵ”）国家污染物排放标准。
国Ⅵ排放标准分两个阶段实施，从2019年7月1日到2021年7月1日先实施国Ⅵa阶段标准，从2021年1月1日到2023年7月1日开始实施国Ⅵb阶段标准。
2.国际汽车尾气排放标准现状与未来趋势
美国、欧洲和日本的汽车排放法规是当今世界上的三个主要法规体系。世界上其他国家都是在不同程度上采用这些法规和标准，尤以是采用美国、欧洲法规的较多。
欧洲汽车排放法律标准已经实施若干个阶段：
1）1993年起，欧洲开始实施轻型汽车欧Ⅰ排放标准。
2）1996年起，欧洲开始实施轻型汽车欧Ⅱ排放标准。
3）2000年起，欧洲开始实施轻型汽车欧Ⅲ排放标准。
4）2005年起，欧洲全部车辆都开始实施欧Ⅳ排放标准。
5）2011年1月开始实施欧Ⅴa标准。
6）2013年1月开始实施欧Ⅴb标准。
7）2015年9月开始实施欧Ⅵb标准。
8）2018年9月开始实施欧Ⅵc标准。
9）2019年9月开始实施欧Ⅵd-Temp标准。
10）2021年1月开始实施欧Ⅵd标准。
欧Ⅲ标排放准是欧洲开始实施的，真正意义上的低污染排放标准。欧Ⅲ排放标准中最大的变化，在于车辆出厂前必须装备车载自诊断系统（EOBD）。
欧盟早已经将车辆碳排放纳入标准体系，我国将这一项列入国V标准中。我国从三方面加强排放污染物监管：一是加强新车的排放控制，包括制定更严格的排放标准，完善达标车辆的申报制度，加强生产的一致性检验；二是强化在用车辆的排放监督，继续实施标志制度，强制维修排放不达标的车辆，开展排放超标车辆的召回工作，加速淘汰高排放车辆等；三是严格控制车用油品有害物质，包括制定标准，加强备案等。
美国是世界上最早执行排放法规的国家，也是排放控制指标种类最多、排放法规最严格的国家。美国的汽车排放法规分为联邦排放法规，即环境保护局（EPA）排放法规和加利福尼亚州（简称加州）空气资源局（CARB）排放法规。后者一般领先前者1～2年。因为美国的汽车排放标准是按地区的汽车密度来分级的。美国汽车密度最高的州是加州，所以加州的排放标准最严，其次是纽约州，所以纽约州排放标准次之，再其次是其余各州。
CARB规定，从1998年起销售到加州的轻型汽车执行极其严格的低污染排放法规（LEV），这一标准在1999—2003年期间实施，进一步强化的LEVⅡ标准从2004年开始推广，目前美国联邦和加州对轻型车辆实施的汽车排放法规分别为Tier3和LEVⅢ。
3.发动机电控技术与排放标准的配合
为满足欧洲Ⅰ号排放法规需要采用三元催化转化器，为使三元催化转化器的转化效率维持在较高的水平，需要严格控制空燃比，这要求使用汽油喷射技术。单从排放控制角度来说，单点喷射技术也可以满足欧洲Ⅰ号排放法规。
大排量轿车由于有害气体排放绝对质量较大，要满足欧洲Ⅱ号法规应采用EGR以进一步降低NOx的排放量。
为实现欧Ⅲ标准，降低发动机的原始排放，要求电控发动机系统能够：
（1）精确控制发动机起动暖机过程中的空燃比。
在保证正常起动的前提下，使空燃比尽快达到14.7:1，从而减少起动、起动后、暖机过程中的原始排放。
1）采用顺序喷射技术，并且采取分缸空燃比控制策略，确保每个气缸内能进行充分的燃烧，从而降低发动机的原始排放。
2）通过空燃比闭环控制，使三元催化转化器对HC、CO、NOx等有害物质的转化效率最高，并保证三者排放值的均衡。
3）通过点火提前角控制，提高起动过程中的排气温度，使三元催化转化器尽快起燃。
（2）排气后处理技术
1）尽快提升三元催化转化器的温度。三元催化转化器在达到一定的温度时，化学反应才可以顺利地进行。欧Ⅲ测试是在起动后立即采样，而此时三元催化转化器还未到达可进行化学反应的温度，所以可以采取一些措施提升此时转化器的温度。
通常转化器的能量来源于发动机废气。所以通过发动机电子控制系统有目的地控制发动机运行过程中的点火提前角或者转速，增加废气的能量，可以加快三元催化转化器内温度上升的速度，从而改善发动机的排放。
也有的方法是通过纯粹的电能或者在起动过程中形成较浓的混合气，通过二次空气喷射系统在排气管内喷入空气形成化学反应释放热能来加热三元催化转化器。这两种方法成本较高，目前在国内运用得不是十分广泛。
2）提升催化转化器的转化效率。发动机的废气转化归根结底还是通过三元催化转化器来实现的。所以提高其转化效率是改善发动机排放的有效途径。
①降低催化剂的起燃温度。降低催化剂的起燃温度，废气提前进行化学反应转化为无害物质，能大大改善发动机起动过程中的排放。这依赖催化剂供应商技术的提高。
②两级三元催化转化器。两级三元催化转化器中，其中一个转化器紧接着排气歧管，另一个由底盘安装空间决定其安装位置，一般离排气歧管较远。前级三元催化转化器由于离排气歧管很近，其温度比较容易上升达到起燃温度，所以可以用来净化起动时的排放。后级三元催化转化器体积一般较大，可以处理高速段发动机废气的排放。
这种方法只需增加较少的成本，就可以实现欧Ⅲ排放，因此比较适合中国的市场。目前得到了比较广泛的使用。
3）废气再循环技术（EGR）。废气再循环技术通过循环一部分废气进入气缸再次参与燃烧，降低了燃烧的峰值温度，从而降低了NOx的排放。通常废气循环量的多少通过EGR阀来控制，EGR阀的开度可以通过电控系统来控制。目前国内已有一些零部件供应商提供这类产品。
4）碳氢化合物吸收系统。在催化剂涂附特殊的材料——泡沸石，在催化剂活化前吸附HC。当尾气排放温度太低使催化剂不能有效发挥作用时，将碳氢化合物收集起来，即采用燃油蒸发系统（EVAP）。在较高的温度下催化剂能发挥作用时，可以随着温度的升高而自动脱离，释放HC，通过催化剂来转化HC。
1.2.2 发动机电控技术的发展趋势
为了防止全球气候变暖，为了应对世界主要地区严格的二氧化碳排放法规，国际市场上，原始设备制造商正在采取一种双重战略：先进的内燃机技术（IC）与动力总成电气化行动。新的研究表明改进后的发动机，后处理技术有出色表现，使汽油市场份额得以增长。尽管如此，纯电池电动汽车（包括燃料电池汽车）正在增加以满足加州和中国的需求。预计2025—2030年，汽油IC发动机的先进技术将使燃油经济性改善30%，并使用户每千米行驶的成本最低。
通过对现代轻型发动机技术的评估，证明改进的发动机技术正在被稳步采用，并且尚有很大开发潜力。具体包括以下几项。
1）可变气门升程（VVL）。
2）汽油直喷（GDI）和火花辅助压燃点火（Spark Assisted Gasoline Compression Igni-tion）。
3）可变几何涡轮增压器（VNT/VGT Turbo）。
4）可变压缩比（VCR）。
5）大的行程/缸径比（High Stroke/Bore Ratio）。
6）集成排气歧管（Integrated Exhaust Manifold）。
7）增压技术（Boosting Technology）。
8）减少摩擦（Friction Reduction）。
9）冷却的废气再循环（Cooled-EGR）。
10）米勒循环（Miller Cycle）。
11）动态气缸停用（Dynamic Cylinder Deactivation）。
12）稀燃烧（Lean Combustion）。
近年来，人们看到了新技术被广泛应用，得以实现燃油经济性的大幅改善。马自达的SKVACTIV—X 2.0L是带有火花辅助压缩点火技术的发动机，与2014 SKVACTIV—G 2.0L发动机相比，燃油经济性提高了12.5%。小型涡轮增压GDI发动机与2016年基准1.5L发动机相比，CO2排放量降低了约30%。在2010—2019年间，各厂家的发动机相继采用上述12项新技术中的某些，大大提高了燃油经济性并降低了排放值。如：
1）福特EcoBoost 1.6L发动机。
2）福特EcoBoost 2.7L发动机。
3）本田L5B7 1.5L发动机。
4）马自达SKYACTIV—G 2.5L发动机。
5）大众EA888—3B 2.0L发动机。
6）大众/奥迪EA839 3.0L V6发动机。
7）日产MR20 DDT VCR 2.1L发动机。
8）马自达SKYACTIV—X 2.0L SC发动机。
尽管电子控制技术在现代汽车发动机上的应用已相当广泛，但也存在空白，而且已应用的电子控制技术有些也存在缺陷，完善现有发动机电子控制技术，开发电子控制技术在发动机上应用的新领域，通过汽车内部网络的信息通信完成系统之间的各种必要信息的传送与接收，实现高度集中控制及集中故障诊断的“整车控制技术”，仍将是未来汽车发动机技术发展的必然趋势。
此外，除电子技术以外的新技术在发动机上的应用也有待开发，为解决日益严重的能源和污染两大问题，新燃料发动机和汽车新动力也必然成为未来汽车发动机的技术发展方向。具有开发潜力的发动机新技术有如下几项。
1.发动机新燃料
发动机的燃料最初采用的是煤气，随着石油的发现和应用，才使汽车发动机真正成为人类的得力工具。目前，汽车发动机的主要燃料仍然是汽油和柴油，但石油资源总会有枯竭的一天，为解决石油燃料的供需矛盾，发动机新燃料一直是发动机技术研究的重要课题。目前人们研究的发动机新燃料主要有：醇类燃料、二甲基醚、天然气、植物油、人造汽油和柴油等。
发动机新燃料的研究已取得较大进展，如乙醇汽油在我国已开始推广使用，燃气/汽油双燃料发动机也已在汽车（尤其是出租车）上投入使用。随着新燃料发动机的应用，新燃料发动机电控技术的开发具有很大的潜力。
2.混合动力装置
为彻底解决汽车排放污染问题，20世纪90年代以来，各种各样的电动汽车脱颖而出。尽管人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但由于目前电池技术问题，电动汽车还无法取代全面燃料发动机汽车。
将电动机与燃料发动机有机结合在一起的混合动力装置，既能发挥燃料发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，在电动汽车时代到来之前，混合动力装置作为一种过渡产品，其应用前景也不可忽视。
3.柴油机电控技术
在燃料发动机仍占汽车动力装置主流的时代，柴油机经济性好、排放污染低的优势是汽油机无法比拟的，尤其是近年来电控柴油机的出现，其性能得到了进一步的改善，可以预测，未来几年电控柴油机的应用必将更加广泛，柴油机电控技术也将进入一个新的发展阶段。
4.汽油机负荷控制技术
现代汽油发动机的负荷控制都是利用节气门控制进气量来实现的，尽管在汽油机上已采用了节气门电控技术，但节气门的存在必然会增加汽油机部分负荷时的进气阻力，降低其机械效率，从而影响汽油机的燃料经济性。因此取消汽油机的节气门，利用电控技术通过控制喷油量来实现汽油负荷的“质调节”，已成为汽油机技术研究的一个方向。当然，该技术的关键是解决部分负荷稀混合气燃烧的问题。
5.进、排气控制技术
众所周知，发动机气门的开启升程、开启和关闭时刻，对发动机性能有重要影响。为改善发动机的进、排气过程，提高发动机性能，近年来在日本本田、德国大众等公司生产的发动机上，相继采用了气门升程和配气相位控制技术，但这些技术仍未全面实现电子控制，而且通常仅对进气门的升程和开闭时刻进行控制，所以发动机的进、排气控制技术仍有较大的开发潜力。
目前，部分汽车公司已开始研究用电磁阀取代气门的发动机进、排气控制新技术。它不仅可以更准确地控制进、排气时刻。还能通过控制进气门的开度和开启时间来控制进气量，为取消汽油机的节气门提供了可能。制约这项技术的关键问题有两个：一是电磁阀取代节气门后消耗电量过大，二是电控系统的响应速度必须满足发动机高转速的需要。
6.激光点火技术
与现有的汽油机各类点火系统相比，激光点火能更有效地控制点火时间和点火强度，因此能准确控制点火时刻，并且容易实现电控。此外，激光点火还能实现缸外点火，减少火花塞温度和积炭对点火的影响，而且采用缸外点火，也有利于更合理地设计燃烧室形状、布置气门和喷油器。可见，激光点火技术在汽油发动机上有着较好的应用前景。
7.水泵及节温器电控技术
发动机的工作温度是影响发动机性能的重要因素，利用电动水泵和采用电控节温器，能更好地控制冷却液的循环量和循环路线，对发动机起动后迅速升温和保持正常工作温度非常有利，而且容易实现。
8.电源系统改进技术
随着汽车电子控制技术的发展，汽车上的用电设备越来越多，发电机的输出功率必然随之提高。以普通的中级轿车为例，发电机的输出功率已从20年前的500W，提高到目前的1000W。现在汽车上用的发电机都是风冷式，利用风扇将空气吹入机壳进行冷却，随着发电机输出功率的提高，其冷却强度也必须增大；由于风冷发电机结构的限制，功率的增加必然会导致发电机体积增大，若加大风扇尺寸来提高冷却强度，又会使噪声增大。为此，对电源系统的改进也必将成为未来发动机的新技术之一，有资料证明，水冷式交流发电机将是未来汽车发电机的发展方向。
综上所述，随着技术的进步和人们对汽车发动机性能要求的不断提高，未来几年，汽车发动机将出现多样化的趋势，其技术含量更高，性能更好。