辉门应对二氧化碳减排的解决方案

摘要

正如二十世纪六七十年代的环保要求促进了各种经济

可行技术的发展，最终有效降低了未燃碳氢化合物和

氮氧化合物的排放。目前全世界范围所面临的二氧化

碳减排问题正在推动前所未有的技术研发方面的投入。

辉门公司作为动力总成零部件以及整车技术解决方案

的全球领先供应商，我们将与主机厂客户密切合作，

帮助客户降低二氧化碳排放，并一同应对其他环保方

面的挑战。

针对二氧化碳减排和其他排放问题，辉门公司的“动力

总成”、“密封系统和轴瓦”、“车辆安全和保护”

以及“汽车零部件”各个事业部，为客户提供了全面、

可行的解决方案。

• 直接解决方案：辉门的许多创新产品通过减少摩擦损

失、降低零件重量以及提高燃烧效率等措施，直接减

少了燃油耗，进而降低了二氧化碳排放。

• 间接解决方案：除了减少摩擦外，辉门产品还允许更

高的气缸压力、更高的升功率、容积效率和燃料灵活

性，使主机厂能够获得更好的发动机性能、可靠性和

排放标准。

另外，辉门在多种产品领域积累的成熟技术经验，使得

工程师能够更加全面系统地分析并解决问题。

辉门工程师在燃烧问题方面有着丰富的知识和经验。发

动机闭环控制系统以及现代电子设备的日趋完善为大

幅提高内燃机效率铺平了道路。另外，CAD、CAE、

CFD、FEA、工作循环仿真和虚拟设计技术，结合先进

的制造工艺，使得汽车行业在燃油效率方面取得了两位

数的提高。

历史回顾

在开发高效、多用途、经济可行且对环境影响较小的车

辆方面，很少有真正难以逾越的障碍。回顾过去30年

所取得的工程技术成就，充分展示了汽车行业在开发革

命性的动力总成以及在排放控制解决方案方面的能力。

• 二十世纪七十年代广泛采用的催化转换器大幅降低了

车辆排放。转换器技术日益高效，迄今已应用于全球

数百万辆轻型、中型和重型车辆设备上。

• 运行参数已回到最初的高水平。二十世纪六十年代，

许多高性能车辆的压缩比接近 11:1。但是，为减少氮

氧化物排放将压缩比降至接近 8:1，同时将点火提前角

大大推迟。现在，随着发动机控制系统、催化器技术

和燃烧室设计的发展，压缩比已重新调整到较高水平

从而获得较高的燃烧效率。因此，点火定时也回归到

较高效率和性能设定值，同时保持氮氧化合物和所有

其它排放在可控范围之内。

• 二十世纪七十至九十年代，人们研发出了日益精密复

杂的发动机和燃油管理系统，在性能、效率、可靠性

和环境敏感性方面都取得了巨大进步。

• 二十世纪九十年代早期和中期，主机厂为欧洲市场开

发的高速、直喷式涡轮增压柴油机极大提高了发动机

的效率和精确性，同时减少了颗粒（碳烟）和氮氧化

合物排放。

提高发动机性能的基本方法

总结在思考了各种可能性之后，我们开始着手将可能变为现实。

减少摩擦是辉门直接提高燃油经济性的主要方法。通过精心

优化产品设计，如密封件和活塞环，辉门产品的性能更佳而

摩擦更小。在其它产品中，如气缸的，辉门采用创新产品使

得缸孔变形最小化。更小的缸孔变形可带来摩擦更小的环组

设计，从而降低二氧化碳排放。

减轻零件重量是另一种一举两得的有效方法。首先，零件重

量减轻直接减少了驱动车辆的能耗。另外，重量减轻（特别

是动力元件，如活塞和活塞环）减少了曲轴平衡配重材料的

重量。动力总成系统重量减轻会产生更小的旋转惯性，从而

可优化主轴承、轴承盖和轴盖，减轻其重量。

未来先进的动力总成系统，包括混合动力系统，将以小型高

输出发动机为主流。其中大部分产品均须采用更高的气缸压

力和热载荷。辉门不断开发广泛的间接性技术和产品，在解

决上述及其它问题中发挥了重要作用。

当今的行业标准表明，辉门在近三十年来已经取得了巨大发

展，但辉门仍然任重而道远。利用独特的系统和部件特有优

势，并凭借先进的技术，辉门获得了具有实用性的解决方

案，通过减少与摩擦和重量相关的损失，提高燃油经济性

3-4%。应对各种先进动力系统为汽车行业带来的挑战，辉

门能够做出自己的贡献。作为唯一一家为合作伙伴提供其在

深度和广度上所需的全面动力总成部件的全球供应商，辉门

随时准备着为您提供减少二氧化碳排放的系统性方案。

实际发动机放热量的不到三分之一实际转化为了功（图 7）。

其它热量在热传递、摩擦和气体交换过程中消耗掉了。认识到

这些问题后，我们即可确定一个框架，提高当今实际发动机和

理论上理想发动机的性能。

图 7：2000转，20%载荷工况下典型汽油发动机

能量平衡

换气损失

摩擦损失排气热量损失27%

冷却剂和辐射损失

23%

可用能量30%

活塞 3%

活塞环 4%

轴瓦 4%

附件和气门机构

6%

间接解决方案：重新定义商机

辉门公司定位明确，即基于系统的创新方法来迎接发动机研

发的新时期。辉门设定目标的基础是谨慎审视历史发展及其

成果、最新的发展趋势、辉门自身的资源和优势，同时充分

认识创新所带来收益的局限。

由于发动机厂为了提高热功转化效率，气缸压力有了大幅度

的增加。由于直喷、涡轮增压和 EGR（废气再循环）技术的

应用，发动机效率不断提高，尺寸不断缩小，原来 80 bar汽

油机正日趋增加到 140+ bar以上的爆发压力。而柴油发动机

甚至由 150 bar增至超过 200 bar（轿车和轻型卡车）和 250

bar（重型卡车），并将受益于闭环燃烧技术。乙醇燃料的应

用越来越普遍，这很可能进一步增加气缸压力。辉门在柴油

和下一代汽油机方面的技术均可应用到上述发动机。辉门的

产品可以保证发动机运行工况的提升并满足相关要求。

• 辉门的活塞部件部门正充分利用其高载荷柴油发动机专有

技术，开发出了先进的高强度活塞结构和材料技术。这些

技术包括高耐拉缸性环组和独特的耐磨损气门座圈，它们

非常适用于下一代汽油发动机中的直接喷射、涡轮增压以

及较高的冷却EGR率。

• 辉门的“冠军”火花塞的铱金技术、高火花能量以及其它

先进技术，解决了使用高增压度，稀燃及分层燃烧等先进

策略下的火花塞点火和耐久性问题。

• 在开发满足高达 250 巴的高爆压的部件方面，“动力总成

密封和轴瓦”部门经验丰富。辉门的核心竞争力包括不同

金属材料的缸体/气缸盖界面密封技术、高热载荷适应技

术、替代燃料兼容性，以及具有特殊几何要求的定制轴瓦

的应用能力。

• 随着现代和未来发动机尺寸不断减小、增压压力不断增

加，发动机运行温度也在增加。辉门拥有用于排气歧管和

涡轮增压器的高温合金密封垫的多项支援性技术。我们还

拥有用于这些密封垫的高温涂层，可为高温工况提供技术

解决方案。在这些高温工况下保持材料性质的稳定性是辉

门材料技术研发的重点。

• 辉门为高温工况提供的另一间接性技术是用于热保护的全

系列隔热罩。与其它隔热罩产品相比，辉门的 Nimbus® GII

隔热罩在提供最大限度热保护的同时，重量大幅减轻。

• 我们在气门座圈和气门导管材料方面的先进技术能够应

用于乙醇燃料的发动机，这种燃料没有常规汽油的润滑

性能，且腐蚀性更强。

汽油发动机特性在由卡诺和奥图循环组合成的特定循

环内。循环之间的差异如图 6 如图所示，绿色线条围

成的区域表示卡诺循环相关的可能效率。可以发现，

在相同的 TH 和 TC 条件下，其面积更小，效率更低。

图 6

卡诺循环：在恒定 TH 下发生 2-3

卡诺循环：在恒定 TC 下发生 4-1

卡诺循环

奥托循环温度

熵

提高发动机性能的基本方法

汽油

发动机

二氧化碳减排(g/km)

4.4 2.0 2.4

NA1.52.5

活塞和

活塞环轴瓦 点火产品

二氧化碳减排(g/km)

柴油发动机

辉门对减少二氧化碳排放的直接贡献

>9.3

>4.5

二氧化碳减排总量

>0.5

>0.5

密封件使用辉门的汽车零部件产

品可大幅减少车辆二氧化

碳排放，如右图所示。

虽然由于实际过程的熵值和不可逆性，实际上不可能达到

上述状态，但它们作为参考因素非常有用，因为它们代表

了所能达到的最大效率。根据热力学第一定律和卡诺定律，

最大效率 η 定义如下：η =Wout /Qin=1 – TC / TH（其中W=

输出功率，Q=输入热量，TH 和 TC 分别代表从中提取能量

的热源和热量排放到的热源的温度[单位为绝对 T，开氏温

度或兰金度数]。）因此，对于给定的输入热量，能够提取

的功值是有限的，因此效率值也有限的。如图 5 所示，卡

诺周期在 TH 增加、TC 保持不变时，接近极限。

图 5：卡诺循环效率

效率

效率

，

/

减少重量和消耗雨刷、照明和摩擦

在各公司争相探索减排方法之际，我们系统考虑了雨刷、

照明和摩擦产品的影响，以减少产品重量和能耗，支持二

氧化碳减排。

• 辉门最新的无骨雨刷减少了重量和操作能耗，同时具有

卓越的刮拭性能。通过精心设计和优化，与传统雨刮相

比相比，前无骨雨刮的刮臂加刮片的重量减少了 12%

后无骨雨刮的刮臂加刮片的重量减少了 30%。这种对细

节的关注一直延续至雨刷的操作。在辉门的无骨雨刷

上，压力均衡分布于整个接触表面，使阻力最多减少了

20%。这提供了更佳的刮拭性能，并最高可减少雨刷

电机能耗 7%，极大降低了车辆的电载荷或电机尺寸要

求。

• 通过将照明光源转变为 LED，并利用我们的 POD™ 照明

系统提高其聚焦程度，我们降低了光源重量和能耗，并

因此减少了所用铜导线的数量和重量。辉门把三泡吸顶

地图白炽灯转换为荣获 2008 年 PACE 奖的 POD 技术，

将能耗从 30W 减至 4.8W，降幅达 84%。能耗降低的同

时还带来了性能优势，如亮度降低和聚焦区域定向功能。

此项技术的 LED 基础技术也可用于外部照明设备，如中

央高位刹车灯 (CHMSL) 或侧向/停车标志灯，减少能耗高

达 50%，同时改善了外观。

• 辉门的摩擦产品是根据重量和具体设计开发的。有机材

料和环保配方的使用，使我们的合作伙伴能获得期望的

高性能和轻重量，同时关注环保。

除了降低车辆重量、滚动阻力和空气阻力外，提高发动机效率也是降低二氧化碳排放的有效策略之一。通过降低部件重量、摩擦损

失或提高发动机能量转换效率可实现这一目标。在辉门，我们积极寻求实现上述目标的多种途径。我们根据汽油、柴油和其它燃料

发动机的不同特性，提供直接以及间接的技术解决方案。

图 2：减少 CO2 排放的柴油机技术

成本

二氧化碳减少百分比

可变式机油泵

离合器水泵

电动水泵

两级增压器尺寸进一步缩小

高冷却

过程

低压环路两级式调节机油泵

闭合回路燃烧

发动机摩擦减少

辉门直接贡献潜在领域 辉门间接贡献 非辉门技术领域

图 1：减少 CO2 排放的汽油机技术

成本

二氧化碳减少百分比

高能量火花

离合器水泵

灵活

断缸

涡轮增压多点喷射尺寸缩小30%

涡轮增压缸内直喷尺寸缩小30%

发动机摩擦减少

辉门直接贡献潜在领域 辉门间接贡献 非辉门技术领域

可变机油泵

直接解决方案

辉门拥有广泛的动力总成专业技术，涵盖了大部分主要发

动机系统和部件。对我们的主机厂合作伙伴而言，这些技术

为他们确定并减少发动机摩擦损失和部件重量提供了巨大

优势。我们的产品在以下每个发动机运行过程中均发挥着

在“新欧洲驾驶循环 (NEDC)”测试中，我们将这套技术应

用于排放水平170 g/km汽油车辆上，结果是二氧化碳减排

高达 4.4 g/km。在基础碳排放为 150 g/km的典型柴油车

上应用类似技术可减少二氧化碳排放 2.5 g/km。

提高燃烧效率

火花塞技术

在 Champion®火花塞的贵金属应用方面，辉门已取得巨大

进展，特别是铱金技术。这种硬金属可生产极为耐用的精

细中心电极和地电极。我们的工程师从而无需顾虑电极磨

损问题（被称为“间隙增长”），能够采用更大的初始火

花塞间隙。

但是，较大的火花塞间隙需要较高的点火电压。为了适应

此高压，辉门发明了新的陶瓷配方：SureFire™ 铝陶瓷。

SureFire具有一流的抗爬电、抗击穿性能，有助于确保高温

高压下的正常运行。

将其与提供高点火能量的“冠军”点火线圈配合使用，

测试结果显示发动机的二氧化碳排放比原来减少最高达

2.4 g/km。

柴油发动机也受益于“冠军”电热塞的创新技术。一家欧洲

主机厂客户所作的最新测试显示，与竞争产品相比，“冠

军”电热塞具有卓越的后热性能。这一特性使发动机无需采

用陶瓷材料即可满足欧 VI 标准。

热力学的卡诺原理确定了可做功的最大值。该原理阐述了

两个热源间的工作效率，不可能高于在同样两个热源间以

完美可逆过程工作的理想卡诺机的效率。这成为熵的数学

运算基础。在热力学中，熵定义为不可能转换为功的能源

的量，代表工作系统的损失和不可逆性。如图 4 所示，过

程 1-2 和 3-4 在两个温度间进行，熵值不变，而在 2-3 和

4-1 过程中温度不变。功的获取可视为如右图所示。

图 4：卡诺循环

熵

温度

内部燃烧过程可简化为：

1. 空气和燃油混合燃烧，释放能量。

2. 活塞将热能转化为动力，动力通过机械装置（连杆和曲轴）

产生动能（力矩，T）。

3. 整个角位移（2π，弧度）上的平均力矩做功，乘以转数再除

以时间即得出功率：P=2πNT.

4. 在四冲程发动机中（图 3），燃烧循环为作功、进气、压缩和

排气冲程提供能量。

图 3：四冲程图表：奥托循环

吸气阀门开

排气阀门开

燃烧结束

点火

吸气

排气

压缩

膨胀

提高发动机性能的基本方法

虽然现代内燃机有许多改进措施，但是，相关基础原理却告

诉我们，无论具体设计细节或发动机类型如何，可从空气-燃

料混合物中获取的功是有限度的。换言之，对燃烧过程或热

功转化设备的任何操控，都不能背离物理学或热力学法则。

密封和轴瓦技术

现代发动机包含各种复杂并相互关联的系统，每个系统都

具有提高效率的极大潜力。例如，改进发动机气缸和密封

系统（活塞环、衬套和缸盖密封垫）间的相互作用可减少

缸孔变形导致的摩擦损失。辉门正在探索的主要方法包括：

• 通过增加高精度的拓扑特征来优化缸垫设计及螺栓载荷，

减小缸口变形（同时也有助于减轻缸体、缸盖重量）

• 通过优化订单内容并减小变形幅度来降低环张力。

辉门的动态密封部件（如 DynaFlex）可进一步直接减少摩

擦。这种油封在低摩擦损失下，能够提供高性能的动态密

封，并且同时适用于曲轴前后油封。虽然动态油封引起的

摩擦损失与发动机其它部位相比较小，但在参比发动机的

NEDC 测试循环中，辉门低摩擦动态密封的二氧化碳减排

效果仍超过 0.5 g/km。辉门用于降低 DynaFlex 密封摩擦

的技术和研发成果也可应用于动力总成其它部位的动态密

封，例如变速箱和轴。

减少二氧化碳排放并提高燃油经济性的另一趋势是增加变

速器的齿轮数量，以及使用双离合变速器 (DCT)。辉门的

Unipiston® 对于减少与变速系统相关的二氧化碳排放不可

或缺。

辉门的发动机轴瓦解决方案也有助于减排（同时降低了润

滑要求），这些方案通过各种几何改进大幅改善运动表

面。我们材料的性能允许大幅缩小轴直径，减少二氧化碳

排放达 1-2 g/km。

对于排放为 170 g/km 的车辆，这些工程成果分别可最

高降低汽油和柴油发动机的二氧化碳排放 2.5 g/km 和

2.0 g/km。

重要作用：

• 发动机换气过程（气门座圈和气门导管）

• 燃烧“形状”和密封（活塞、活塞环、缸套和气缸垫）

• 力的吸收和转化（轴瓦和衬套）

• 燃烧效率（点火元件）

辉门精心设计并应用这些内部元件和系统，显著降低了部

件重量和摩擦损失。

减少摩擦损失

活塞技术

传统活塞部件（活塞和活塞环）的摩擦损失约占发动机的

40%。辉门的动力总成部门开发出系统性解决方案，大幅

减少了摩擦功耗。在此系统中的主要创新有：

• EconoMiser 活塞 – 该汽油机活塞综合使用了辉门专有

的活塞裙部涂层以及改进的裙部刚度分布、椭圆度和型

线。它可降低活塞摩擦损失 35%，同时确保卓越的 NVH

性能。

• DLC 强化汽油机活塞环 – 辉门创新性“类金刚石涂层

(DLC)”和特别设计特征可减少活塞环切向弹力近 50%，

并大幅改进环组摩擦性能。

• 带 CarboDur 涂层的活塞销 – 这种活塞销涂层显著减少

了活塞销和销孔之间的摩擦。

除了这些产品本身的优势外，辉门还采用最新的 CAE 技术

大力减少元件重量来最大限度的提高效率。

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