发动机新技术文本资料.doc

二、车用发动机发展趋势及提高性能的对策1.发展总趋势车用发动机主要的发展趋势有下列几个方面1）更多的采用直喷柴油机。因非直喷柴油机的比油耗比汽油机低15%35%,而直喷柴油机的比油耗比非直喷柴油低15%左右。过去小型客车未采用柴油机作动力的原因有：外形尺寸大、质量重、加速性能差、噪音大等，现已基本克服。由于优化设计和使用高强度轻质新材料，柴油机已设计得更紧凑、更轻，改变供油规律，采用两阶段喷油泵及双弹簧作用喷油器可以降低燃烧噪声。优化设计的机身、减震消声的气门罩及油底壳、发动机机舱的密封罩等可使发动机的噪声降低到能接受的程度。2）普遍采用多气门设计。在换气、供油、增压及冷却等方面，更普遍的采用可变技术。3）将出现更多的排气净化新技术，更多的依赖排气后处理装置，更注意新型三元催化剂、碳烟微粒过滤器及汽油机碳氢化合物分离器等的研究。4）发展小型发动机增压、中冷及强化技术。采用长冲程。过去发动机为了提高转速、减少活塞平均速度及往复运动零件的磨损和摩擦损失，采用短冲程S/D1的比较多。现由于加工工艺、材料及设计等方面的进步，容易克服长冲程产生的问题。而冲程增加可以使气缸向外散热的总表面积对气缸工作容积的比值减小，降低传热损失。S/D增加后，通过气缸套向外散失的热量增加，而通过活塞和缸盖向外散失的热量减少，可降低活塞和缸盖的热负荷，提高其工作可靠性。较大的S/D，燃烧室变得瘦长而紧凑，除传热损失减少外，喷射的油束容易散布到燃烧室各部分，形成均匀的混合气。奥迪A4发动机的S/D=1.07。5）采用陶瓷等轻质、减磨及隔热材料，低散热技术。 从绝热柴油机得到的启发，采用部分隔热措施就是工程界所谓的低散热柴油机。目前主要是将活塞设计成中间带有空气间隙的缸顶或铸铁顶的组合活塞，以及在活塞、缸盖底面上喷镀隔热材料等。目的在于：改善发动机低负荷的性能；适应清洁燃料如甲醇，改善起动性能、形成良好的混合气、改善燃烧的需要；有助于降低未然烃HC的排放，提高低温、低负荷下催化剂的效率。6）采用微机综合控制，实现全面的发动机性能优化。7）灵活燃料汽车、双燃料汽车及同时使用两种以上燃料的技术将有进一步发展。8）研究、改进更合适混合动力驱动用紧凑、质量轻的小排量发动机。9）二冲程发动机受到重视。10）进一步研究燃气轮机及三角活塞式转子发动机在汽车上的应用。 长期以来汽车工业界力图将燃气透平用作汽车动力，这是因为它具有如下特点：单位功率的外形尺寸小记质量轻；比较容易达到严格的排放要求；对燃料理化性质的差异不敏感，即适合使用多种燃料。但目前比能耗较高，价格较高，加速响应特性也有待于提高。车用燃气透平大量使用前，仍需进一步研究下列问题：使燃气透平在长期使用中能符合严格的排放要求；改进陶瓷材料性能使其可靠性、耐高温性及寿命更高；设计加工出效率高及尺寸紧凑的压气机及燃气透平，并成本较低。2.提高车用发动机性能的对策 1）提高汽油及柴油机性能的对策 提高汽油机性能的对策不用化油器，采用汽油喷射；不用缸外混合及节流调节，采用缸内混合；高能点火及特种火花塞；稀混合气及快速燃烧；增压；可变气门定时及换气系统，以改善转矩特性。 提高柴油机性能的对策改分隔式燃烧室为直喷燃烧室；采用新的供油技术及设备，如分阶段供油及双弹簧喷油器；提高喷油压力及使用多孔、小孔的喷油嘴；增压中冷；电控供油等。2）车用发动机都可以采用的对策新型燃烧室；多气门；可变技术；低散热技术；发动机整体综合控制。提高发动机性能，主要就是降低油耗及排放，提高使用耐久性。目前提高发动机性能的主要措施及技术如图73。第二节 多气门结构及特点提高发动机性能的核心问题是改善燃烧，而改善燃烧的关键是扫气好、提高充其量及形成良好的混和气。一、多气门及气道的结构1.多气门的布置将进、排气门倾斜布置，缸盖底平面形成屋顶状，气门中心线夹角为，随夹角加大，气门座及气门面积也加大，夹角常在2070之间。过大的夹角会使火焰传播距离加长，散热面积变大，对改善燃烧不利。图76。2.多气门气道的排列1）并联排列：两个进气门位于气缸一边，两个排气门位于气缸的一边。汽油机多用。2) 串联排列：同名两气门一前一后布置；3）扭转排列：同名的两个气门相对于气缸中心线错开排列。2、3两种方案为设计长度不同、形状不同的进气道提供方便，有利于调整涡流速度，以适应不同混合形成对涡流强度要求不同的需要。柴油机多用。3.多气门的传动图79电控液压传动。二、多气门的流通能力1.多气门流通面积的比较1）2气门a.气门垂直布置时气门直径d=28mm，气门面积A1与气缸面积A的比值为12.2%。b.气门中心线与气缸中心线夹角20（为40）时，气门直径d=32mm，气门面积A1与气缸面积A的比值为16%。c.气门中心线与气缸中心线夹角35（为70）时，气门直径d=36mm，气门面积A1与气缸面积A的比值为20.1%。2）4气门a. 双气门垂直布置时气门直径d=24mm，气门面积增加48%。b. 双气门中心线与气缸中心线夹角20（为40）时，气门直径d=28mm，比单气门垂直布置，气门面积A1与气缸面积A的比值为24.4%。c. 双气门中心线与气缸中心线夹角20（为40）时，气门直径d=28mm，比一个气门倾斜布置，气门面积A1与气缸面积A的比值为24.4%。d. 双气门中心线与气缸中心线夹角20（为40）时，气门直径d=28mm，比双气门垂直布置，气门面积A1与气缸面积A的比值为24.4%。3）5气门2.多气门空气流动特性 采用2气门时，虽然也可以获得较高的涡流比，但流量系数小。采用气门并联排列，可以获得较大的流量系数，但涡流比小。气门串联可以获得较高的涡流比，但流量系数小。气门扭转排列可以获得较高的涡流比及流量系数。三、多气门有利于混合形成及燃烧过程的组织1.火花塞或喷油器布置在气缸的中心处能够使火焰核心距离气缸及燃烧室各个边缘的距离基本保持一样，火焰传播到各处的距离短，有利于抵抗敲缸、爆燃的发生。若所用汽油辛烷值不变，可将压缩比提供11.5个单位，同时有利于实现混和气快速燃烧。柴油机可以使喷雾均匀分布在燃烧室中，形成良好的混合气，降低发动机的比油耗。多气门燃烧过程比二气门更接近等容燃烧，热效率高，而且有可能将点火提前角减小，以便最大爆发压力出现在接近上止点处，获得最大的膨胀功及扭矩。由于燃烧完全迅速，无滞后，排温较低，燃烧室及缸壁各处温度分布均匀，有利于降低排放。2.利用多气门形成风层混合气使用四气门时，可利用两个进气道与喷油束配合形成分层混合气。一个普通进气道，一个切向进气道。将双油束喷油器置于气道分叉处，普通气道设一辅助节气门，或让相应的进气门升程小于切向进气门的升程，普通气道形成浓混合气，切向气道形成稀混合气。也可将喷油器置于普通气道中形成浓混合气，切向气道形成稀混合气。 3.有助于采用小气门重叠角 可以减少换气损失。第三节 可变进气系统及配气相位可变技术就是随着使用工况及要求的变化，或为了解决矛盾及避免发动机不正常工作现象的出现，使相关系统的结构或参数作相应的变化，从而使发动机在各种工况下，各种性能都能较好的提高。可变技术涉及范围较广：可变进气系统，可变配气定时，可变喷油系统，可变增压技术等。一、可变技术的理论依据 以可变配气定时为例根据发动机原理可知发动机的升功率、升转矩及比油耗：Ne=K1ivm n/Me= K2ivm /ge= K3/im式中：K1 K2 K3 常数；i 指示效率；v 充气效率；m 机械效率；n发动机转速；过量空气系数。由此可知，提高发动机的动力性及经济性的措施就是提高ivm n，减小 。 提高n，会使充气效率下降。转速不变，机械效率基本不变。提高涡流比，会增加指示效率，但涡流比过高，又会影响充气效率。提高充气效率是提高发动机动力性能的重要措施，除了增压外，合理选择配气相位或使其随着发动机转速不同而变化，或利用进气的惯性及谐振效应也是提高充气效率的重要途径。影响进气终了时缸内充力压力增值P及表征惯性效应的惯性系数i的表达式如下：P(Vh/Vp)Ln2/f(i) ; i=(Vh/Vp)144L2n2/a2；式中：L 进气管长度（m）；n发动机转速(r/min)； Vp 进气管容积(L)； Vh 发动机排量(L)； a音速(m/s)。综上，只有采用可变配气相位的可变进气系统才能适应不同发动机转速下的要求，才能较全面提高发动机性能。通过进气门进入气缸的新鲜冲量的平均速度可用下式表示:V=Vh .n/Fi Vh 发动机排量；Fi 进气门有效开启面积。进气速度过大，进气流动损失增加，因此必须将进气速度限制在某一数值以内。若进气门有效开启面积不变，近气速度随着发动机转速下降而降低，在发动机低速时，进气速度及涡流比低，不利于混合气的形成和燃烧。因此，需要根据发动机转速下降，减少进气门流通面积，以提高涡流速度。可变进气系统及配气相位改善发动机的性能，主要体现在以下几个方面：1）能兼顾高速和低速不同工况，提高发动机的动力性能和经济性；2）降低发动机的排放；3)改善发动机怠速及低速时的性能及稳定性。二、 可变进气系统可变进气系统有两类：（1）多气门分别投入工作；（2）可变进气道系统。其目的是改变进气涡流强度、提高充气效率；或为形成谐振及进气脉冲，以适应低速及中高速工况的需要。1. 多气门分别投入工作结构方案有两种：（1）通过凸轮或摇臂控制气门按时开关；（2）在气道中设置旋转阀门，按需要打开或关闭该气门的进气道。在气道中设置旋转阀门，图721。低速时，主要通过带螺旋的主进气道，转速和负荷增加时，副进气道中的阀门打开，增加进气，而且抑制了进气涡流，有利于提高发动机高速工况时的容积效率及燃烧效率，减少能量损失。2. 可变进气道系统根据发动机不同转速，使用不同长度及容积的进气管向缸内充气，以便能形成惯性充气效应及谐振脉冲效应，从而提高充气效率及发动机动力性能。1）双脉冲进气系统由空气室及两根脉冲进气管组成。图722。n=3300r/min, n =4000r/min.2）4气门2阶段进气系统图724。n3800r/min.3）三阶段进气图725。n50000r/min。三、可变配气相位及升程1.可变凸轮轴相位进气门开启持续角不变，仅利用凸轮轴相对于定时齿形皮带轮旋转一个角度。1）机械式谐波传动可变配气相位机构简单，便于制造，工作可靠。长春汽车研究所研制。图726。2）电磁、液压控制机构可变配气相位2. 可变配气相位及升程本田公司的可变配气相位机构：1）单顶置凸轮SOHC VTEC_E图729。在低速区域，停止一个进气门工作，实现稀燃，降低比油耗；在高转速区域，4气门全工作，实现高功率性能。2）单顶置凸轮SOHC VTEC图731。3）双顶置凸轮DOHC VTEC图731。不仅改变进气门的配气相位及气门升程，而且改变排气门配气相位及气门升程。注意：可变配气相位及气门升程的技术，只是为了减少换气损失，提高充气效率，组织有利的混合气涡流强度，形成良好的混合气的质量，以适应不同的发动机转速下燃烧的需要，与此同时，必须认真考虑实现完善燃烧及稀混合气燃烧过程的其它技术措施，如紧凑型燃烧室、控制适当的空燃比及涡流比、利用挤气面积、改善点火措施等。3.多模式可变气门配气相位日本三菱公司研制开发了多模式可变定时机构（MIVEC），四缸机上的3种可变模式如下：1）停止1号及4号两个缸的进气门、排气门的工作，选用低速凸轮，只让2号和3号气缸工作；2）选择低速凸轮，实现适度的升程及短的换气周期，各气缸都工作；3）选择高速凸轮，实现较大的升程及长的换气周期，各气缸都工作。四、双等相位可变气门定时福特公司的双等相位可变气门定时方案，使原来的进、排气相位不变，只是在部分负荷时，将整个配气相位推迟30。如此，将产生以下影响：1）增加缸内残余的废气量缸内残余的废气量增加，与排气再循环的作用一样，使NOx排放减少；燃烧室有害容积中的未燃烃HC,主要在排气后期进入气缸内的废气中，于是排气冲程后期残存或倒流入气缸内的排气中未燃烃含量高，这部分HC进入下一次燃烧过程，会再次燃烧，于是排气中未燃烃HC的排放降低。2）进气冲程的泵气功减少排气倒流加上新鲜充量的进人，导致进气初期缸内压力较高，减少了泵气功的损失。3）进气门迟关产生的影响有论文认为，进气门迟关减少了有效的压缩比及压缩终了时缸内的温度，使燃烧速度减慢，难以降低比油耗。也有理论认为在双等相位可变气门定时中，上述问题是可以避免的，这是因为缸内残余废气量增加，使新鲜冲量的初始温度增加，补偿了由于有效压缩比降低使缸内温度降低对燃烧产生的影响。同时由于排气剩余量增加及初始温度的增加需要增加汽油辛烷值的趋势因有效压缩比的减少而减小。4）排气门迟开产生的影响排气门早开损失膨胀功，但可减少排气损失；迟开可增加膨胀功，但增加排气损失；排气门迟开对减少未燃烃的排放也有一定的作用，这是因为排气门迟开可以让未燃烃在气缸中多停留一段时间，让他们进行化学反应。五、排气管的设计1.排气管设计基本理论从发动机燃烧室中将废气排除干净的重要机理，是在排气冲程的最后阶段，利用排气的动力，形成压力波，紧接着在排气口处形成膨胀波，从而对气缸残余气体起抽空的作用。如果各缸排气支管较短，其长度不足以让压力波向前传递，并使其后方形成负压力波，则会妨碍排气和进气，如果过长，则会使排气阻力增加，也会影响充气效率。2.排气管长度的确定设排气压力波从排气门传到排气管出口处再返回排气门处所对应的曲轴转角为Qt，而对应此角度的排气压力波传递又返回的时间为t，设排气管应有的长度为L(m)，那么可得出下列关系式：Qt=( 360/60) nt; t=2L/a a为音速于是：L= Qta/12n合理的排气管长度应随发动机转速变化而变化。3.排气管的设计1）4缸发动机排气管进排气管布置在缸盖的一侧，汽油机多用；进排气管分列两侧，柴油机多用。2）直列6缸发动机排气管3）V型6缸发动机排气管4）V型8缸发动机排气管第八章 柴油机电控喷油技术第一节柴油机电控喷油系统概述一、柴油机电控喷油技术的发展历程 柴油机技术的三次飞跃1.机械式燃油系统 狄塞尔发动机初期采用煤粉作为燃料，采用高压空气喷射。1927年BOSCH公司研制出直列式合成泵，奠定了机械式泵管嘴型燃油系统。后期，美国康明斯公司开发成功泵喷嘴系统。2.增压和中冷技术1921年，瑞士Alfred Buchi博士申请了“脉冲系统”的废气涡轮增压专利，1927开发成功了实用的涡流增压柴油机。1954年沃尔沃首先将增压技术应用到汽车柴油机上。20世纪60年代，中冷技术在欧美开发应用。近半个世纪以来柴油机的主要技术方向：1）喷油延迟越来越迟；2）喷油压力越来越高；3）柴油机的重大技术改进项目。如燃烧室、增压、中冷、喷油率控制、废气再循环等。3.电控喷油技术20世纪80年代后，在满足柴油机排放法规、进一步提高燃油经济性、提高安全驾驶性能等社会要求的背景下，各汽车生产厂先后采用电子控制技术用来控制喷油定时和喷油量，到目前已历三代：1）凸轮压油，位置控制；2）凸轮压油，时间控制；3）共轨蓄压，电磁阀时间控制。二、电控燃油系统的原理和实践 随着时代的发展，对柴油机的噪声、排放和性能的要求愈来愈高，将电子技术应用于柴油机已成为必由之路。（一）采用模拟电路控制的燃油系统始于20世纪70年代，用模拟电子控制回路，传感器和执行器代替控制喷油量的调速器。模拟伺服式控制系统的基本构成是：采用电磁执行器控制喷油泵的调速齿杆，由传感器检出调解齿杆的位移，通过反馈系统把调解齿杆的位移当目标喷油量进行控制。传感器 ECU 执行器驱动回路目标齿杆位置计算 执行器I/F转速传感器 齿杆位移传感器齿杆位置检测I/F油门传感器 I/F接口回路（二）计算机控制的燃油回路 20世纪80年代后用，将控制特性用适当的数据组纪录下来并存下，据油门开度和发动机转速从数据组中计算出目标位置，即使发动机能够达到最佳的调速器特性曲线图预先输入到计算机的存储器中。传感器 ECU 执行器转速演算齿杆位置控制回路驱动回路目标齿杆位置计算 执行器I/F转速传感器 齿杆位置检测齿杆位移传感器I/F油门传感器 （三）、喷油定时的电子控制由传感器检测出发动机转速和喷油泵调解齿杆的位移，据当时的状态，从数据组中求出目标提前器相位，通过油压回路送来的油压使提前器活塞动作，使喷油器的凸轮轴产生相应的提前角。（四）、综合电子控制系统该系统不仅传感器和电子回路公有化，而且将调速器控制和喷油定时控制有机地结合起来，精度更高，自由度更大。根据油门开度和发动机转速确定最佳喷油量的同时，还考虑到喷油量和水温，转速等参数的相互关系，计算出使排放值达到最好的喷油定时，还可以EGR、增压、怠速、巡航等综合控制。（五）电磁阀控制燃油系统上述的都是早期的电控系统。电磁阀控制燃油系统就是根据电流的通断控制油压回路的通断，计算机控制的对象只是接通/断开电磁阀，控制方式从位置控制变成了时间控制。（六）、共轨式燃油系统20世纪90年代后用期才开始进入实用化阶段。由发动机驱动的高压供油泵将燃油加压后供入共轨内（130160Mp）。高压油经喷油嘴喷射到相应的气缸内，喷油器是计算机单独控制的。与传统的喷油系统不同，高压的产生和喷油控制是分别独立进行的。可以根据发动机的负荷，转速等各运行工况，在20140 Mp的范围内，改变喷油压力，可以实现预喷射、主喷射及多段喷射。根据需要改变喷油率的形状，可自由地改变喷油参数和喷油形态，以改善排放。三、柴油机电控喷油技术的关键要素（一）传感器技术最主要的是共轨压力传感器，测量范围20180Mp。精度2%3%，可靠性要高。（二）软件技术最新动向是软件模块化、部件化。（三）各气缸间转速不均匀控制柴油机在低速或怠速运转时，为减小振动，使发动机平稳运转，必须对各气缸的运转进行控制。发动机各气缸在机械加工时产生偏差，喷油机构喷油时产生偏差，导致各缸燃烧不均匀，产生振动。（四）排气后处理柴油机排气重点两种成分必须特别予以注意NOx和微粒，为除之，下述两种装置令人注目：1.柴油微粒滤清器（DPF）捕集排气中的微粒，在一定的时候通过燃烧器或电加热器将微粒烧掉。2.连续再生式捕集器（CRF）用排气重的NO2使捕集在滤清器中的微粒氧化生成CO2后排出。目前，上述装置的最大问题是成本过高，体积过大。（五）电子控制回路在发动机上的安装因受热和振动，一般将ECU置于驾驶室内。但布线应尽可能短且质量轻，耐电磁波干扰。目前的趋势是：ECU由置于驾驶室内逐步趋向靠近发动机的位置。为实现模块化，ECU应直接安装到发动机上。但有两个问题：90120的高温和1040GHz的振动。 第二节 电子控制系统的基本理论电控燃油系统的主要功能控制项目具体内容1.喷油量控制基本喷油量控制怠速转速控制起动喷油量控制加速喷油量控制不均油量补偿控制定车速控制2.喷油时间控制基本喷油时间控制起动喷油时间控制低温喷油时间控制3.喷油压力控制基本喷油压力控制4.喷油率控制预喷油量控制预行程控制5.附加功能自我故障诊断故障应急系统数据通讯变速器控制EGR控制进气量控制一、喷油量控制 ECU驱动回路控制量计算喷油装置发动机压油时间计算目标喷油量油门开度传感器根据各种传感器的信息，ECU计算出目标喷油量，并计算出喷油装置需要多长的供油时间，向驱动单元发信号，据此信号，喷油装置中的电磁阀决定开启或关闭，控制供油开始和结束的时间，或只控制供油结束时间。（一）基本喷油量控制不同的发动机要求不同的转矩特性，为了得到不同的转矩特性，要通过控制喷油量来实现。（二）怠速转速控制 怠速时，发动机的实际转速和发动机的目标转速由发动机的冷却水的温度、空压机的负荷状态决定。据实际转速与目标转速之间的差值，求得恢复到目标转速时所必须的喷油量，从而进行反馈控制。（三）起动油量控制汽车加速踏板和发动机转速决定基本喷油量，冷却水温度决定补偿喷油量，比较两者关系后，控制起动喷油量。（四）不均匀油量补偿控制由于各缸爆发压力不均匀，曲轴转速变化引起发动机振动，各缸喷油量不均匀，燃烧差异等也将引起各缸间转速不均匀。为此，需检出各缸的转速波动情况，逐缸调节喷油量，使喷到每一缸的燃油量最佳化，这既是不均匀油量补偿控制。方法：检出各缸每次爆发燃烧时转速的波动，再和所有气缸的平均转速比较，据此，分别给出各缸补偿喷油量。（五）恒定车速控制巡航控制。二、喷油时间控制根据传感器的信息，ECU算出目标喷油时间，喷油装置中的电磁阀从ECU接收信号。控制流入或流出提前器的工作油，改变了燃油压送凸轮的相位角，或提前，或延迟，从而控制喷油时间。如果将ECU中目标喷油时间用数据表示成三维图形，则可得到自由的喷油时间特性。为实现发动机中的最佳燃烧，必须据工况和环境条件经常的调节喷油时间最佳喷油时间控制。据发动机转速决定基本喷油时间，同时还要根据发动机的负荷、冷却水温度、进气压力等进行修正。三、喷油压力控制共轨式。据各个传感器的信息，ECU算出目标喷油压力，据装在共轨上的传感器信号，算出实际喷油压力，与目标值比较，发出指令控制供油泵，升高或降低压力，如果将ECU中目标喷油压力用数据表示成三维图形，则可得到最佳的喷射压力特性。四、喷油率控制在压缩行程中，可能需若干次驱动喷油装置的电磁阀才能完成。据传感器信号，算出预喷射油量和预喷射时间间隔，如果将ECU中目标喷油率用数据表示成三维图形，则可实现喷油率的最佳控制。五、附加功能（一）自我诊断功能（二）故障应急功能 1.传感器的故障诊断和故障应急公能传感器的故障由软件来判断。若传感器出现了异常数据，或从发动机送来了不可能的信号，则判定传感器故障。而且，在显示故