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1、第三章 汽车发动机节能技术,概 述 影响汽车发动机节能的因素 提高充量系数的技术 汽油机稀薄燃烧技术 废气涡轮增压发动机 汽油机燃油喷射与点火系统电子控制 柴油机燃油喷射系统电子控制 发动机其他节能技术,第一节 概述,1、能源压力 根据世界石化巨头BP集团在2004 BP世界能源统计年鉴中提供的数字表明，世界目前探明的石油总储量为1.15万亿桶，以目前的开采速度计算，可供全球石油生产41年。,2、环保压力 据研究，目前大气中21.7%的HC、38.5%的CO、87.6%的NOx、11.7%的CO2、6.2%的SO2和32%的微粒来自汽车，而在城市大气中，这一比例更高，大概87%的HC、61%的
2、CO和55%的NOx来自于汽车。,3、发动机节能技术发展,在汽油机方面主要应用电子控制燃油喷射系统（EFI）；为了提高发动机充气效率，增加气门数量，并应用可变配气相位装置, VVT-i发动机、同时采用涡轮增压系统、进气谐波增压系统；稀薄混合气燃烧，缸内直喷;灵活燃料发动机等。此外还有发动机柴油机化。,思考：如何看待节能与排放之间的关系。,第二节 影响汽车发动机节能的因素 一、影响汽车发动机热效率的因素,汽油机定容加热循环的热效率：,低速柴油机定压加热循环的热效率：,高速柴油机混合加热循环的热效率：,式中：压缩比；k绝热指数； 压力升高比；预胀比。,提高发动机热效率的主要措施有： 提高压缩比，稀
3、燃技术，直喷技术，增压、中冷技术，可变进气技术，改善进排气过程，改善混合气在气缸中的流动方式，改进点火配置提高点火能量，优化燃烧过程，电控喷射技术，高压共轨技术，绝热发动机技术等。,二、影响发动机轻量化的因素,影响发动机产品制造过程中材料消耗多少的指标是比质量 me （发动机质量功率比），而影响比质量大小的主要因素又是升功率 PL 。PL 越高，表面发动机工作容积利用率越高；发出一定数量的有效功率的发动机尺寸就越小。,式中：H燃料低热值；lo化学计量空燃比，即燃烧1kg燃料所需的理论空气质量；it指示热效率；m机械效率；a过量空气系数；行程数；c充量系数；n发动机转数；s发动机进气管的空气密度
4、。,提高升功率 主要的措施有 ：,通过合理组织燃烧过程，以降低过量空气系数 a ； 改善发动机换气过程，提高充量系数 c ； 提高转速 n ，以增加发动机单位时间内发动机每个气缸作功的次数； 采用增压技术，以增加进气密度 s 。,第三节 提高充量系数的技术,充气效率的含义： 充气效率是指在发动机进气行程进，实际进入气缸内的新鲜气体（空气或可燃混合气）的质量与在进气行程进口状态下充满气缸工作容积的气体质量的比值。,一、采用多气门机构,优点：增加进排气门流通面积，从而减小了进排气阻力 ，提高了充气效率；可以使火花塞中央布置，以缩短火焰传播距离，提高发动机的抗爆性，因而可以采用更高的压缩比，提高汽油
5、机的燃油经济性。,图35 二气门及四气门柴油机 性能指标比较图 四气门； 二气门,图36 二气门及四气门柴油机油耗及 有害排放物对比图 二气门； 四气门,转速/rmin1,NOx 排放量g（kWh）1,pme（0.1MPa）,be /g（kWh）1,be /g（kWh）1,微粒 /g（kWh）1,烟度,图33 四气门与二气门发动机 的性能比较,图34 五气门发动机与四气门 发动机性能比较,二、采用可变配气系统技术,控制发动机充量交换过程的特性参数主要是三个：气门开启相位，气门开启持续角度和气门升程。 进气门开启相位提前，一方面为进气过程提供了较多的时间，特别有利于解决高转速时进气时间不足的问题
6、；另一方面，气门叠开角增大，有更多的废气进入进气管，随后又同新鲜充量一起返回气缸，造成了较高的内部排气再循环率，可降低油耗和 NOx 排放，但同时也导致起动困难、怠速不稳定和低速工作粗暴。 进气门关闭相位推迟，一方面在高转速时有利于利用高速气流的惯性提高体积效率；另一方面在低转速时又会将已经吸入气缸的新鲜充量重又推回到进气管中。 气门升程增大，一方面在高负荷时有利于提高体积效率；另一方面在低负荷时又不得不将节气门关得更小，造成更大的泵气损失和节流损失。,思考：,为了提高标定功率、低速转矩、改善起动性能和提高怠速稳定性，应如何调整进气门特性参数？,可变配气系统的效果 ：,提高标定功率。 提高低速
7、转矩。 改善起动性能。 提高怠速稳定性。 提高燃油经济性达 15。 降低排放。,1. 可变气门正时,图37 相位可变的凸轮轴构造示意 l螺旋花键套；2回位弹簧；3凸轮轴；4驱动链轮,凸轮轴的相位借助一个螺旋花键套 1 的移动来改变。花键套内孔的直齿花键与凸轮轴 3 端头的花键啮合，它的外螺旋花键与驱动链轮 4 的螺旋花键孔啮合。当花键套 1 在油压作用下克服回位弹簧 2 的弹力轴向移动时，3 与 4 相对角位移c1020。油压用电磁阀控制，机油通过中空的凸轮轴供给。,图38 VVT 对发动机性能的影响,2. 气门升程可变,可变凸轮机构一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现气门升程与持续角的变化，即在
8、高速时采用高速凸轮，气门升程与持续角都较大，而在低速时切换到低速凸轮，升程与持续角均较小。,图39 MIVEC的凸轮及摇臂机构 a）高速凸轮模式；b）低速凸轮模式；c）气门不工作模式,发动机在高速工况，压力高的液压油进入摇臂轴的右端油道（图39a），将其中活塞H 向上推，使高速摇臂杆与摇臂轴卡紧在一起，于是高速凸轮通过高速摇臂杆及 T 形杆，控制气门的开关。此时摇臂轴左端并无压力高的液压油进入，其中液压小活塞L并未被压上去，于是左端低速摇臂杆并未起作用。发动机低速工况，液压油则进入摇臂轴左端油孔，将其中小活塞向上压，使低速凸轮能带动左端低速摇臂杆工作。此时右端高速摇臂杆中小活塞并无液压油将其压
9、上去，因此不工作（图39b）。当摇臂轴两端都无高压液压油输入时，于是两个气门都不工作（图39c）。,图311 进气门升程和曲线连续可变的凸轮机构 l偏心轴；2杠杆；3凸轮轴；4杠杆的滚轮；5回位扭簧；6气门摆臂,一个特殊形状的杠杆 2插在凸轮轴 3 与气门摆臂 6 之间。杠杆受偏心轴1控制。通过偏心轴移动杠杆 2 的位置即可改变气门升程曲线和开启持续角，从而改变发动机进气量和负荷高低，因而不必用节气门控制负荷。,3. 电磁气门机构 电磁气门驱动（electromagnetic valve actuation）是利用电磁铁产生的电磁力驱动气门。,图312 电磁式气门驱动原理 a）未通电； b）气
10、门全闭； c）气门全开 1气门；2、5线圈；3电磁铁；4街铁；6弹簧；7气门导管,电磁气门驱动机构主要由两个相同的电磁铁（共用一个衔铁）。两个相同的弹簧和气门组成（图312）。发动机不工作时，激磁线圈 2 和 5 均不通电，气门 1 半开半闭；发动机启动时，气门驱动装置初始化，控制系统根据曲轴转角，判定气门在这一时刻应有的开、关状态，使两线圈中的一个通电。电磁力克服弹簧力，将气门 1 关闭或开启。气门处于开启状态时，线圈 5 断电，线圈 2 通电，使电磁力等于或大于弹簧力，以保持气门开启。要使气门关闭时，线圈 2 断电，衔铁和气门在弹簧力的作用下向上运动；在气门接近关闭位置时，线圈 5 通电，
11、电磁力帮助气门（衔铁）快速运动至关闭位置。此后线圈 5 继续通电，使气门保持在关闭状态。需要开启时，线圈 5 断电，衔铁和气门在弹簧力作用下向下运动。如此循环往复。 电磁气门驱动控制方便，结构较为简单，是比较容易想到的无凸轮轴气门驱动方式。它的主要问题是气门落座冲击大，电磁响应速度不够高，能量消耗及尺寸过大。,4. 电液气门驱动,电液气门驱动（electrohydraulic valve actuation）的工作原理，是将气门与一个液压活塞相连接，通过电磁阀控制液压缸内高压和低压液体的流入和流出，从而控制液压活塞气门的运动。 这种电液式无凸轮轴气门驱动系统，可使发动机的气门的定时、升程与速度
12、连续变化。它既不需要凸轮也不需要弹簧，而利用压缩油液的弹性能，在气门的开启与闭合期间，使气门加速或减速，这就是液压摆或液压振动体的原理。,图313 Ford 公司的电液式气门驱动原理 1高压电磁阀；2高压单向阀； 3低压单向阀；4低压电磁阀,该系统有高压油源和低压油源。一个双作用、单活塞杆的液压缸的活塞与发动机气门导杆顶部相连。活塞上腔既可以与高压油源相连，也可以与低压油源相连，活塞下腔始终与高压油源相通。活塞无杆腔的油压作用面积，比有杆腔的油压作用面要大。发动机气门开启由一个高压电磁阀控制，气门加速时开启，减速时关闭。低压电磁阀的开关控制气门的闭合。该系统还包括高压单向阀和低压单向阀。,图3
13、15 Ford 公司的电液式气门驱动系统的气门运动过程 a）高压电磁阀开启，气门开启加速；b）低压单向阀开启，气门开启减速； c）高、低压电磁阀和高、低压单向阀全关闭，气门全开；d）低压电磁阀开启，气门关闭加速； e）高压单向阀开启，气门关闭减速； f）低压电磁阀再次开启，气门落座,三、合理利用进气动态效应,进气门的开启和活塞的运动是一种扰动，会在进气系统产生膨胀波。这个膨胀波从进气门出发，以当地声速传播到管端。因为进气系统的管端是敞开的，膨胀波在此膨胀变成压缩波并同样以当地声速反向传回进气门。如果这个压缩波传到进气门时进气门开启着，那么由于这个压缩波引起的质点振动方向与进气气流方向一致，进气
14、气流因此而得到增强，气缸充量系数将会提高，转矩也将增大。这种效应称为进气管动态效应。 四冲程发动机要利用好这一效应必须满足下列条件：,L进气管长度（m）； c当地声速（ms）； se进气有效持续角（A）； n发动机转速（r/min）。,图316 进气管长度对进气波动效应的影响,图317 Audi V6发动机的可变长度进气管 1活门；2膜片阀,第四节 汽油机稀薄燃烧技术,稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念，只要 17，且保证动力性能，就可以称为稀薄燃烧汽油机。 稀燃汽油机可分为两大类，一类是均质稀燃，另一类为分层稀燃。而分层稀燃又可分为：进气道喷射分层稀燃方式和缸内直喷分层稀燃方式。,一、均质稀
15、薄燃烧技术 1. 火球高压缩比燃烧室,2.碗形燃烧室,图324 碗形燃烧室,图325 HRCC发动机与常规发动机油耗和排污的比较 实线HRCC；虚线常规,二、分层燃烧技术 （一）分层燃烧系统,为合理组织燃烧室内的混合气分布，即在火花间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气，空燃比在 1213.4 左右，而在燃烧室的大部分区域是较稀的混合气，两者之间，为了有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，这就是所谓的分层燃烧系统。 分层燃烧可分为进气道喷射的分层燃烧方式和缸内直喷分层燃烧方式 。分层燃烧方式又有轴向分层燃烧系统和横向分层燃烧系统 。,1. 进气道喷射的分层燃烧方式 （1
16、）轴向分层燃烧系统,图326 轴向分层燃烧系统,此燃烧系统利用强烈的进气涡流和进气过程后期进气道喷射，使利于火花点火的较浓混合气留在气缸上部靠近火花塞处，气缸下部为稀混合气，形成轴向分层，它可以在空燃比 22 下工作，燃油消耗率可比均燃降低 12。,（2）横向分层燃烧系统,图327 横向分层燃烧系统,横向分层稀燃系统是利用滚流来实现的。在一个进气道喷射的汽油生成浓混合气，在滚流的引导下经过设置在气缸中央的火花塞，在其两侧为纯空气，活塞顶做成有助于生成滚流的曲面。此燃烧系统经济性比常规汽油机提高 68，NOx 含量（体积分数）下降80。,2. 缸内直喷分层燃烧方式,缸内直喷（GDI）燃烧系统可实现均质混合气燃烧、分层混合气燃烧以及均质混合气压燃燃烧（HCCI）。 缸内直喷分层混合气燃烧
