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1、汽油发动机电控技术进展,主讲：沈勇 E-MAIL： TEL:021 - 69583794,汽油发动机电控技术进展,可变进气系统 稀薄燃烧电子控制 缸内燃油直接喷射 OBDII 诊断,1 可变进气系统,进气系统的功能是为发动机提供新鲜的空气。 进气系统的合理性直接影响整机各方面的性能。,进气系统的功能,1 可变进气系统,可变气门电子控制 进气管长度电子控制 进气量电子控制,3种控制系统的工作原理各不相同,1 可变进气系统,可变气门电子控制,气门升程和持续角不变，只改变气门开启相位,气门开启相位不变，只改变气门持续角,改变门升程，持续角和开启相位不变,升程、相位、持续角都改变,优点：可以同时对进气
2、量、进气相位控制,图1,1 可变进气系统,可变气门执行机构-VTEC,VTEC-“Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System“,VTEC系统保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何速率运转都达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。,1 可变进气系统,可变气门执行机构-VTEC,DOHC-VTEC引擎的进气凸轮轴和排气凸轮轴都为每个气缸设置了并列的三个凸轮，相应地有三个摇臂。当发动机处在低速范围内示，三个摇臂各自独立运动，主摇臂和次摇臂各自推动一个气门，中间臂摇推动空行程弹簧，并依靠弹簧复位。
3、高速时中间摇臂柱通过液压柱销分别带动主摇臂和次摇臂一起绕摇臂轴摆动，推动进气门。由于高速凸轮型线的升程大于低速凸轮，因此进气门提前开启、滞后关闭，气门升程增大。,1 可变进气系统,可变气门执行机构-VTEC,三个工作凸轮形状各异，左端的凸轮型线近似基圆，在stage-1状态时，三个摇臂各自独立工作，此时只有一个进气门不断的开启关闭，另一个进气门由近似基圆的凸轮驱动而始终处于关闭状态，如图所示，新鲜充气只经过一个气门流入，在气缸内形成了强烈的进气涡流，进气涡流使燃料充分混合，同时有助于实现分层燃烧。当发动机转速接近2500rpm左右时，进入stage-状态，这时第一个油压管道开始起作用，液压柱销
4、跨越另外一个摇臂的销孔，由中间凸轮同时驱动两个气门，此时的工作情况就和DOHC-VTEC的低速情况近似了。大约在4500rpm左右时，进入stage-状态，此时第二个油道中的 油压也开始动作，另外一个柱销穿过凸轮摇臂和位于两个摇臂之间的凸轮从动件，凸轮从动件从高速凸轮获得驱动能力，气门被高速凸轮驱动，其工作状况和DOHC-VTEC的高速凸轮相似。,1 可变进气系统,可变气门执行机构-Valvetronic,宝马Valvetronic气门正时和升程可变技术,Valvetronic技术是通过步进电机驱动进气门升程的变化。图中，青蓝色凸轮轴及进气门为升程最小时的状态；紫色凸轮轴及进气门为升程最大时的
5、状态。,升程、相位连续可变。,1 可变进气系统,可变气门执行机构-不带凸轮轴,直接液压驱动气门,Ford公司生产的电液驱动气门机构：活塞上端面的控制室与高压源和低压源相连，下端面的液压腔始终与高压源相通，压力保持恒定。虽然活塞上、下端面液压腔的高压源相同，但是由于液压作用面积不同，即使都是高压流体作用时，上、下端面仍会产生压力差驱动气门向下加速运动。通过控制高、低压电磁阀的开启与关闭，改变控制室的压力，就可以实现气门运动的可变。,1 可变进气系统,可变气门执行机构-不带凸轮轴,电磁驱动气门,FEV公司的电磁驱动气门机构主要由电磁铁线圈1、2以及衔铁组成。,1 可变进气系统,进气管长度电子控制,
6、图4,可变长度进气歧管不仅可以提高发动机的动力性，还由于提高了发动机在中低转速下的进气速度而增强了汽缸内的气流强度，从而改善了燃烧过程，使发动机中低速燃油经济性有所提高。,1 可变进气系统,进气管长度电子控制,转速,扭矩,优点：扭矩特性曲线比较平坦,图3,图4,1 可变进气系统,可变进气管长度电子控制原理 1. 脉动效应：进气门的开启和活塞的运动是一种扰动，会在进气系统中产生波动效应。进气过程中，当进气门刚打开时，在进气门进口处产生一定的真空度，进气管里形成膨胀波，膨胀波沿进气管以当地音速传至管的开口端，然后反射，形成压缩波，经过一定时间间隔t后又返回到进气门端。如果进气管很长，t大于进气门开
7、启时间ts，压缩波对进气过程不产生直接影响。反之，返回的压缩波和膨胀波重叠。若压缩波的振幅较大且阻尼较小，其引起的质点运动方向与进气气流方向一致，进气气流因此得到加强，进气效率提高，扭矩也将增加。 2. 惯性效应：进气阀门打开，空气流入气缸内时，由于惯性的作用，即使活塞已经到达下止点，空气仍将继续流入气缸内，若在气缸内压力达最大时，关闭进气阀门的话，容积效率将达到最大，此效应称为惯性效应。,1 可变进气系统,进气量电子控制,节气门控制 驾驶指令,图7 传统油门,区分,不区分,1 可变进气系统,1. 通过可变进气系统调节进气量时，无法通过油门踏板以机械方式直接调节进气门. 2. 突然加速或减速时
8、，节气门突然开大或减小，引起运行工况的不稳定，电子油门则可根据驾驶员的油门踏板判断驾驶意图，调节进气量实现扭矩的平稳过渡 3. 现代汽油直喷系统中，低负荷范围可实现稀薄燃烧，因而可让节气门全开，通过改变喷油量调节扭矩以达到减少泵气损失的目的，高负荷范围时仍通过节气门调节扭矩。这种发动机的节气门不能以机械方式直接与油门踏板连接，必须以电子方式控制 4. 启动暖机阶段，为了迅速加热三效催化器，可在暖机阶段推迟点火，提高废气温度，但这会使平均有效压力降低，为了补偿这一损失要求在油门踏板位置保持不变的情况下自动加大进气量 5. 定速巡航时要求节气门始终处于某一开度，降低油耗，减轻驾驶疲劳度，提高安全性
9、,进气量电子控制的必要性：,附1 其他进排气电子系统,二次空气系统 EGR系统（Exhaust Gas Recirculation） 废气增压控制系统 等,附1 其他进排气电子系统,排气管加热技术,冷启动时，催化转化器尚未达到它发挥效果的工作温度300350，致使汽车发动机产生大量的HC和CO对环境污染严重。采用燃油启动加热、二次空气等系统，可达到降低排放的效果。 可以和之前提到的将点火提前推迟，以引发后燃的方案相配合。,附1 二次空气系统,二次空气系统,采用二次空气法，即通过向废气中吹进额外的空气(又称二次空气)，增加其中氧气的含量，可使废气中未燃烧的有毒物质一氧化碳CO和碳氢化合物HC在高
10、温下再次燃烧 ，达到降低排放的效果。,二次空气系统，可以使得废气中的HC和CO补氧燃烧的比例不断上升，HC可下降达20，CO可下降达40。但是NOx会升高约5，二次空气对燃油毫无影响。,附1 二次空气系统,二次空气系统,发动机二次空气系统的构成：二次空气泵继电器、二次空气泵、二次空气控制阀、止回阀、真空度贮存器、发动机控制单元与组合阀门等。,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧意义：,传统汽油机(包括电喷汽油机)为了正常点火并使三元催化转换器能发挥出最大效率,将空燃比控制在14.7(即理论空燃比)左右,然而理论上完全燃烧是不可能真正实现的。只有在提供过量空气的情况下,才可能使燃料与空气充分混合,使进
11、入燃烧室的燃料充分燃烧,大大地减少尾气排放中的和含量。当空气对充量的稀释率达到50%时，可节油12% ;,这种在汽油机燃烧室内充入过量空气, 使空燃比达到20以上的燃烧,称为稀薄燃烧。,2 稀薄燃烧电子控制,优势 热效率随空燃比增加而增加 降低CO、HC和NOx的排放 改善发动机部分负荷性能 实现稀薄燃烧须解决的问题 点燃困难 燃烧不稳定 三效催化转化器的NOx,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧电子控制的主要项目 喷油正时控制 要求严格的喷油正时,图8,图9,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧电子控制的主要项目,图8,图9,点火正时控制 随着的增大，点火提前角应增大,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧电
12、子控制的主要项目,图8,图9,进气涡流比控制 使得混合气浓度梯度发布稳定,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧电子控制的主要项目,图8,图9,高能点火 高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧电子控制的主要项目,图8,图9,提高压缩比 采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13：1左右，促使燃烧速度加快。,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧电子控制的主要项目,图8,图9,分层燃烧
13、如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧电子控制的主要项目,图8,图9,稀薄燃烧闭环控制 不再控制在1，而是一个大的范围。,必须根据工况点的发布， 来确定控制目标值。,和发动机工况关系示意图,2 稀薄燃烧电子控制,片式宽带氧传感器（线性氧传感器）,图11 片式宽带氧传感器,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧电子控制的主要项目,图8,图9,稀燃极限电子控制 避免失火,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧电子控制的主要项目,图8,图9,NOx排放的解决方案 三元催化转化剂不再完全解决问题，需要新的解决方案.,以尿素为还原
14、剂的SCR(Selective Catalytic Reduction)技术由于具有可以通过优化缸内燃烧来改善燃油消耗和较强的抗硫中毒能力等优点,作为控制车用柴油机尾气排放的重要手段在欧洲等发达国家和地区已经得到了广泛的应用 。,NOx排放的解决方案 1:,NOx选择催化还原,2 稀薄燃烧电子控制,稀薄燃烧电子控制的主要项目,图8,图9,NOx排放的解决方案 2,NOx贮存还原催化,2 稀薄燃烧电子控制,贮存还原催化,贮存还原催化,3 燃油直接喷射电子控制,燃油直接喷射（Direct Fuel Injection）,燃油直接喷射入汽缸内，再和空气混合、燃烧。,燃油直接喷射示意图,发动机控制发展
15、趋势,三菱缸内喷注汽油机（GDI:Gasoline Direct Injection），可令混合比达到40:1。它采用立式吸气口方式，从气缸盖的上方吸气的独特方式产生强大的下沉气流。这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵向涡旋转流。这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近，在火花塞四周形成较浓的层状混和状态。这种混合状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄，但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布，因此能保证点火并实现稳定燃烧。 大众的直喷汽油发动机（FSI:Fuel Stratified Injection），则是采用了一个高压泵，汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点
16、是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。 本田最新的VTEC发动机也将采用稀燃技术。这款取名为VTECi 2.0升发动机将比一般本田发动机省油20%，其特点是将VTEC技术与稀燃技术相结合，也是当低转速时令其中一组进气门关闭，在燃烧室内形成一道稀薄的混合气体涡流，层状分布集结在火花塞周围作点燃引爆，从而起到稀薄燃烧作用。,3 燃油直接喷射电子控制,GDI技术的优点： 可以实现分层稀燃，使压缩比提高至1214； 部分负荷时采用像柴油机那样的质调节(无节气门的节流损失)，可大幅度提高指示效率，达到节能15%20的目标，即达到柴油机的燃油经济性水平； 循环热量的利用更合理(因混合气可同时被燃烧室壁和活塞加热，使这一部分循环热量被利用而不是传给冷却水)，热损失小，故热效率较高； 因进气充量温度较低，所以具有较高的充气效率和抗爆震特性； 因汽油直接喷入缸内，即使在低温
