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1、第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 引言 目 前，轿车发动机尤其是小 排量轿车发动机大多数是汽油机，其主要特点是:发动机 高速性能好; 体积功率大;噪声低;质量轻，同 时可靠性、寿命与经济性都己 得到改善。 另外， 汽油机的扭矩特性与柴油机相比 更适合车用发动机的需要， 行驶车速比 较稳定， 也就是说，自 动适应道路阻力变化的能力比较好，如图1 -1 所示。例如一 辆轿车在高速公 路上行驶， 遇到坡道时，发动机从工况1 过渡到工况2 工作。发动机驱动力矩增大了A M . 转速降 低了 n 。扭矩曲 线越陡， 。 越小， 稳定性越好。 / 计/ ! 泛 瞥 今 / n ! Mn2一刃 州 一 ，
2、 一 一 图1 一 1 阻力变 化时汽油机工 作点过渡情形 F i g . l - 1 W o r k i n g p o i n t v a r i a ti o n o f g a s o l i n e e n g i n e w h e n t h e r e s i s t a n c e c h a n g e s 当今世界轿车的小型化之风越吹越盛。为此，近年来世界各大汽车厂商竞相发展小排 量、 低油耗的小型轿车。据报道，即便是一向 对小型车 “ 不屑一顾”的德国 奔驰汽车公司， 而对这股强劲的小型化潮流不得不改弦更张，推出了一款小型车一A级轿车。以往被认为 难登大雅之堂的小型车，
3、已赫然占 据了 世界轿车市场相当的 份额， 成为2 1 世纪汽车发展的 主流。 小型轿车再度风靡西方并非偶然。目 前，发达国 家基于环境和交通等方面的 考虑，纷 纷采取诸如减税，降低保险费 等措施来鼓励消费 者使用低排量的轿车，限 制使用高档轿车， 进而推动国内 轿车小型化的进程.小型车作为一种消费潮流正日 益席卷西方。 我国家轿潜在市场十分广阔， 如果汽车保有量由 现在1 3 0 0 万辆提高到美国的2 b .9. 第 1页 第一章绪论 按年新增需求3 0 0 万辆，需6 2 年。提高到日 本6 5 0 0 万辆，需1 7 年。家庭轿车普及率由现 在几十万辆提高到 1 % 为 3 6 0 万
4、辆，5 % 为 1 8 0 0万辆，2 0 % 为 7 2 0 0 万辆， 4 0 % 为 1 . 4 4 亿辆。 千人保有量由现在 9 . 6 辆提高到美国的7 4 6 辆， 全国 达到 1 . 7 7 亿辆 14 7 。可见市场潜力极 大。 目 前中国的轿车工业实际上己 面临着一个两难的选择: 要么是在上规模中继续等待中 国富得足以 买得起高 档轿车; 要么积极调整产品结构，多生产一些老百姓能够买得 起的经 济化轿车。 发展经济型轿车的意义在于:经济型轿车根植于民众，属于大众主市场，所占份额最 大。一旦市场爆发， 年需求可 达数百 万辆。由 于我国 人口 众多，旺盛期会很长。中高级轿 车则
5、属于侧翼市场。目 前，各企业车型纷纷向主市场靠拢，但总量不足，都尚未形成竞争 实力，机遇难得。 就汽车本身的属性而言， 它不过是和人们早已熟悉的如家电 等普通商品一样，本应属 于老百姓的消费品。公车由 职位高低决定，什么级别坐什么车，而私人购车完全取决于个 人的经济实力。 就我国绝大多 数购车者来说，目 前还是以 解决出 行为目 的， 经济低耗的小 型轿车无疑最贴近大众的消费水平，是启动国内私人购车市场的一副良方。 因此，从长远来看，国家投入巨资发展起来的轿车工业，显然不是靠公款购车所能支 撑的。面向大众，生产普通型、小排量轿车，才是中国轿车工业的 真正出路， 才是中国 轿 车工业繁荣的牢固基
6、石。中国 轿车要早日 成为支撑起经济脊梁的支柱产业，还要探究世界 轿车工业的发展动向和技术趋势，坚定不移地走小型化、 经济化的发展之路，将全力开拓 私人购车市场作为行业振兴和发展的根本， 切不可为了 短期利益而走上大型化的歧途。 基于此背景，上海大众汽车有限公司与上海交通大学联合成立车用发动机工程中心， 在原 有的 与桑 塔纳2 0 0 0 型 轿车匹 配的1 .8 升2 V Q S 四 缸汽 油机的 基础上开 发适合家 庭用的 1 . 3 升电控汽油机. 车用汽油机新技术 现代发动机面iD i 的问题 22 泊“ 6 。 年代后期， 汽车的有害排放物和由 排气成分中的未燃烃H C ,氮氧化物
7、N O x ， 在大 气 中可 能产生光 化学烟雾反 应，生 成的 氧化剂( 臭氧乌 ) 和 过氧酸 基硝酸 盐 ( P A N ) 等， 对人体 与生物造成危害，己为人们所认识，并受到社会的普遍关注。汽车排气净化作为环境保护 问 题， 在世界范围内 提到重要位置。我国的北京、上海己 分别于 1 9 9 9 年 1 月 和 1 9 9 9 年1 0 月实行新的汽车排放法规， 其标准是欧洲9 0 年代初的水平。 与此同时， 世界各国的石油储量与产量一直比 较紧缺，不能满足工业发展的需要。解 决这个问 题，一是降低能耗， 二是寻找替代能源。对发动机而言，电动汽车、天然气汽车 以 及氢气、甲醇等的研
8、究都已 取得一定成果，但是一般在持久性、 动力性或燃料的贮存、 嫩烧产物方面存在缺陷，难以 达到人们的要求。以汽油和柴油为燃料的发动机在以后几十 第 2页 第一章绪论 年仍将是汽车的主要动力源。 因此汽油发动机必须要求同时具有排气净化和节省燃油两者兼优的 性能。 1 . 2 . 2 采用的新技术 汽油机和柴油机在全负荷时，有效效率相差不大。但在部分负荷时，相差甚远。根据 德国 F E V 发动机技术公司对 8 0多种汽油机的分析叫，在轿车发动机的典型工况 (n-2000r/min, p a 2 b a r ) 下， 普 通汽油 机( 入 二 1 ， 无 废气再 循环) 的比 油 耗为3 7 5
9、 8 / ( k W “ h ) , 而 轿车 用直 喷式 柴油 机的比 油 耗则低 达3 1 5 g / ( k W - h ) e 究其原因， 主要是汽油 机在部分负荷时，由于节气门的作用，负压进气而造成较大的 换气损失。 在轿车发动机的典型工况点 ( n = 2 0 0 0 r / m i n , p , . 2 b a r ) 下，换气损失能够占 到 平均压力的2 0 %以 上 3 7 几 在轿车发动机的实际运行中，大多数是部分负荷，而且， 在考核排放指标的测试循环 中，也是主要考核部分负荷。因此，现代汽油机技术的主要目 标是提高部分负荷的性能. 图 1 一 为汽油机在降低排放的前提下
10、，降低油耗的主要技术措施。其主攻方向 是减少 降 低 汽油 机油 耗的 技 术 措 施 前提条件:降低排放，提高舒适性 减少换气捐失转移工况点 可 变 凸 轮 轴 相 位 可 变 气 门 升 程 可 变 气 门 相 位 改 善外特性减少排t 优 化 排 气 再 循 环 稀棍合气 姐烧 多 气门 技 术 可 变 进 气系 统 增压 分 层棍 合的 宜 喷 式 汽抽 饥 可 变 压编比 的 高 增 压 汽油 机 停止 气门 运动 图1 一 2 汽油机降低油耗的技术措施 F i g . 1 - 2 T h e w a y s t o r e d u c e t h e f u e l c o n s
11、 u m p t i o n r a t e o f g a s o l i n e e n g i n e 进气节流损失， 采取两大途径:减小换气损失和将汽油机工况点移向高负荷区。 减小换气损失方面主要有两个方向: 改善换气控制( 可变气门机构) 和稀释混合气( 排 气再循环、稀薄燃烧、直喷式汽油机). 转移汽油机工况，使发动机处于较高负 荷的工况， 措施主要有两个方面:关闭部分气 缸和在改 善外 特性的 前提下， 减少排量。 减少汽油机排量是转移汽油机工况点的一个途径， 但减少汽油机排量的前提必须改善 其外特性.否则，就会影响汽车的动力性。 第 3页 第一章绪论 燃油的化学能转化为机械能需
12、要有足够的空气来参加氧化反应。汽油机的最大扭矩和 功率在很大的程度上取决于汽油机的进气量。只有增加汽油机的进气量才能提高汽油机的 扭矩和功率。 目 前，在这方面的努力有以 下两方面:利用可变进气系统来有效利用进气动态效应; 增压和可变压缩比。 1 . 3 1 . 3 . 1 汽油机进排气系统 进排气系统的发展 在化油器式汽油机上，化油器是在发动机的进气系统上的。在化油器的发展历史中， 有很多杰出的创造发明，使得小小的化油器按照流体力学的原理，基本满足了汽油机各种 工况对混合气的复杂要求。 但随着排放法规的逐步严格，需要使用三元催化转化器来降 低汽油机的排放。而三元 催化转化器只有在过量空气系数
13、等于 1时，才能有效地降低汽油机中的三种主要排气污染 物N O x , C O和H C 。 机械式的化油器很难满足这个要求。 电子控制的化油器和汽油喷射相比，在价格上没有优势，很少应用.现代汽油机一般 是进气道喷射，而且一般是进气道多点喷射。通常是把燃油直接喷射到每个很热的进气门 前. 使燃油迅速蒸发，以免在进气道壁面上形成油膜，影响过量空气系数控制的精确度。 传统的化油器式汽油机及燃油集中喷射式汽油机， 要求进气系统的 长度尽可能短，以 免过多的嫩油在进气管壁上形成油膜，影响发动机的动态性能，因此进气系统变化的可能 性相对较小。 而嫩油多点喷射的汽油机，由于燃油喷射紧挨着进气门， 进气系统的
14、长度可以允许有 较大的变化， 进气管的设计自 由度较大，这样就可以 按照气体压力波传播的特点来设计进 气系统，通过进气管内的压力波动的动态效应来提高充气效率， 使各个气缸的充气性能得 到改善. 所以 在由化油器改为电喷或由 单点喷射改为多点喷射的过程中，一般都要重新设 计进气系统。 随着电子技术和计算机技术的发展，进排气系统将向 着可变和可控方向发展。可变进 气系统和排气废气再循环就是典型的例子。这就对进排气系统内 气体流动和流动的动态效 应的机理、控制和利用提出了更高的要求。 1 . 3 . 2 研究进排气系统的意义 电喷汽油机的过I空气系数基本保持在 1附近， 喷油量基本取决于吸入发动机的
15、新鲜 空气的量。因此，换气过程进行的好坏，直接影响着电控汽油机的动力性、 经济性和排放 性能。进排气系统的结构和结构参数对汽油机的换气过程和换气质量有着决定性的影响， 是影响汽油机换气过程的主要因素之一 可以说，进排气系统设计的好坏， 直接影响着汽 第 4页 第一章绪论 油机各方面性能的优劣。 进排气系统对发动机换气过程的影响主要是通过进排气管道内气体的动态效 应来实现 的。发动机的进排气管一般有一定长度，由于管内气体具有相当惯性和可压缩性，在活塞 变速运动以及进、排气过程间歇而又周期性的 作用下，根据流体力学的规律，势必要在进 排气管内引 起一定的气体动力效应。因此，很有必要研究发动机进排气
16、管道内的气体动态 效应，利用动态现象来改善发动机的换气过程，提高发动机气缸的充气效率，从而提高发 动机的动力性、 经济性和排放. 发动机的排气管内 气流速度较大， 排气管中的压力波动对各缸扫气， 各缸工作均匀性， 废气能量的利用有很重要的作用。对排气系统压力波的研究，可以 帮助我们合理地设计排 气系统，更有效地利用排气压力波， 避免各缸之间的扫气干扰，改善各缸工作的均匀性， 降低热负荷，优化发动机进排气正时. 进气管内 压力的波动小于排气管内 压力的波动， 但进气压力波动对进气充量有较大影 响.对进气管系中压力波动做深入的 研究，可以 利用这一物理现象来改善发动机的性能。 如进气谐振就是一个很好的例子. 只有搞清各种进排气系统的 特点和适用场合，以 及进排气系统结构和结构参数对发动 机性能的影响，才能正 确选用各种不同 类型的进排气系统和合理设计进排气系统参数，从 而提高发动机性能. 1 . 3 . 3 进排气系 统的 研究现状和本文在这方面所做的工作 为了 利用进排气系统来改善发动机的性能，国内 外内 燃机工作者开展了较多 这方面的 工作。 在 进 气
