汽车新能源与节能技术教案

1、重庆交通大学教师备课本课程名称:汽车新能源与节能技术授课对象:交通运输专业开课单位:交通运输学院教研室:载运工具与运用工程教师姓名:邵毅明2013年8月30日校训严谨求实团结进取教风敬业精业善教善育工作作风为公唯实勤勉高效学风勤学勤思求真求新汽车新能源与节能技术课程教案首页学生专业班级交通运输专业(汽车服务专业方向2005级学时数48教学目的通过本课堂学习,使学生掌握汽车节能的基本概念、评价指标、影响汽车能耗的主要因素以及汽车节能的主要途径,运用所学知识分析和掌握最新的汽车节能技术及其基本原理,为今后从事汽车运输企业管理、汽车技术服务等方面的工作打下坚实的基础。教学内容第一章概述第二章替代能源

2、汽车第三章汽车发动机节能技术第四章汽车底盘节能技术第五章汽车车身节能技术第六章汽车燃油、润滑油合理选用第七章汽车运用节能。教学重点主要替代能源的理化特性及其对汽车性能的影响,发动机主要节能技术的基本结构及其工作原理,汽车底盘主要节能技术的基本结构及其工作原理,汽车车身节能的主要措施及发展方向,合理选择燃油、润滑油节能的原理及其正确的选用方法,汽车运用节能的主要原理及主要措施。教学难点主要替代能源的理化特性及其对汽车性能的影响,发动机主要节能技术的基本结构及其工作原理,汽车底盘主要节能技术的基本结构及其工作原理,汽车运用节能的主要原理及主要措施。教学进程按照教学内容安排教学进程教学方法多媒体与板

3、书相结合、启发引导式教学教具多媒体、激光笔课后总结作业备注:教学进程一栏可根据教学内容的多少自定页数汽车新能源与节能技术课程教案-第一章概述教学目的和要求:理解汽车节能的现状及发展趋势,汽车节能的重要意义,掌握汽车节能有关的基本概念、汽车节能评价指标、影响汽车能耗的主要因素和节能的基本途径。本章重点:汽车节能的基本概念、汽车节能评价指标、影响汽车能耗的主要因素和节能的基本途径。本章难点:教学时数:4学时教学内容要点:第一节能源的概念、分类与度量一、能源的概念与特点能源:是指人类取得能量的来源,是可以直接或通过转换提供人类所需有用能的资源。能源具有以下的特点:1、能源形式在一定条件下可以互相转换

4、。2、能源在开采、提炼或加工、使用以及废料处理过程中存在不同程度的污染。3、化石燃料类能源如汽油、天然气等在储存过程中存在泄漏和危及安全等问题。二、能源的分类1、按能源的来源可分为太阳能、地球自身能和天体引力能。2、按在自然界中的存在方式可分为一次能源、二次能源。3、按被社会利用情况可分为被大规模使用的常规能源、正在积极研究开发、推广的新能源。4、按能否自然得到补充可分为再生能源、非再生能源。5、按使用中对环境的影响可分为清洁型能源,非清洁型能源。三、能源的单位与度量我国能源的单位主要有焦(J、千瓦小时(kW.h。我国规定以煤当量(又称标准煤作为能源的统一度量单位。有些国家使用油当量作为能源的

5、统一计量单位。1kg标准煤的热当量=0.7kg标准油的热当量值。第二节节能概述一、节能的定义、本质、任务(一节能的定义节能是指在保证能够生产出相同数量和质量的产品,或者获得相同经济效益,或者满足相同需要,达到相同目的的前提下的能源消耗量下降。根据节能工作或研究涉及的范围,节能有狭义节能和广义节能之分。(二节能的实质节能的实质是提高能源的利用效率。必须澄清以下观点:是否采用代用能源或者新能源就是节能?是否节油就是节能?(三节能的任务1、我国目前节能工作存在的主要问题1对节能重要性认识不足,节能优先的方针没有落到实处。2节能法律法规不完善。3缺乏有效的节能激励政策。4尚未建立适应市场经济体制要求的

6、节能新机制。5节能技术开发和推广应用不够。6节能监管和服务机构能力建设滞后。2、节能目标二、汽车节能的评价指标与方法(一汽车节能的定义汽车节能是指汽车在完成相同运输任务(运量或周转量前提下的燃料或储能的消耗量下降。(二汽车节能的评价指标绝对指标:kg,t相对指标:、三、汽车节能的发展20世纪70年代的汽车节能工作状况 :节能在我国还没有得到真正足够的重视。20世纪80年代的节能发展状况 :开始从驾驶操作、车辆保养、节油器等方面研究节能。20世纪90年代至今的节能发展状况 :我国的节能工作纳入了法制化的轨道,在汽车节能新技术、节能管理等方面得到很大发展,但汽车在动力性与经济性指标上与国外产品尚有

7、一定差距。近期节能环保汽车的发展趋势:多元化发展、多种技术相互融合、阶段性不均衡发展、强强联合、政府扶持。四、汽车节能的重要性(一汽车节能的必要性据推测,全世界石油的储藏量约为3000亿吨,其中600亿吨已经开采,1000亿吨已被探明。20世纪7O年代末期,全世界石油的年总产量为33亿吨,目前已经增长到5O亿吨。照此计算,以探明的石油仅能开采2O年左右。近年,我国道路条件得到了较大的改善,汽车保有量也迅速增长(见图1-2,显然全社会由于汽车完成的公路运输总量会明显增加,同时对石油燃料的需求也将巨增。(二汽车节能的可行性汽车节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针。我国高速公路网形成,乡村公路

8、,公路客货运输量和汽车保有量均迅速不断地增长,因此,我国汽车运输需求的能源数量将不断激增,而我国的石油资源远远不能满足其需要我国汽车技术的平均水平低于世界发达国家,机动车燃油经济性水平比欧洲低25%,比日本低20%,比美国整体水平低10%;载货汽车百吨公里油耗7.6升,比国外先进水平高1倍以上。第三节影响汽车能耗的主要因素与节能的主要途径一、影响汽车能耗的主要因素1、汽车的结构方面:发动机传动系汽车总质量汽车的外形轮胎。2、汽车的使用方面:行驶车速、挡位选择挂车的选用正确的保养与调整。3、新能源技术方面:电能太阳能混合动力能源等新能源汽车。二、汽车节能的主要途径车辆技术方面的主要节能途径与措施

9、道路辅助设施及汽车维修方面的主要节能途径与措施汽车运用方面的主要节能途径与措施思考题:1、试述节能与国家发展的关系?2、目前国家新出台的节能政策有那些?3、目前汽车节能技术推广应用中存在的有利和不利的因素有那些?4、目前轿车、商用车的发动机比油耗和百公里油耗范围是多少?5、你认为今后汽车节能有新途径吗?为什么?第二章替代能源汽车教学目的和要求:理解天然气、液化石油气、氢气和醇类燃料的理化特性、天然气汽车和液化石油气汽车的主要类型、主要组成部分的结构及基本工作原理,醇类燃料在发动机上的燃用方式、醇类燃料在发动机上的参数选择、醇类燃料在汽车上的应用及面临的技术难题,氢的制取与储存,电动汽车的发展优

10、势以及所面临的问题、蓄电池的主要性能特点、电动机的主要特性以及电动汽车基本结构及其工作原理,燃料电池电动汽车的组成及主要性能特点。掌握天然气汽车、液化石油气汽车、醇类燃料汽车、氢燃料汽车的性能评价。本章重点:天然气汽车和液化石油气汽车主要组成部分的结构及基本工作原理,天然气、液化石油气、氢气和醇类燃料的理化特性有其对汽车性能的影响,掌握天然气汽车、液化石油气汽车、醇类燃料汽车、氢燃料汽车的性能评价。本章难点:电控喷气系统的组成及工作原理,液化石油气汽车蒸发调压器的结构及工作原理、不同工况下混合气浓度的实现,电动汽车基本结构及其工作原理,混合动力汽车的主要工作过程。教学时数:10学时教学内容要点

11、:第一节天然气汽车一、天然气汽车概述天然气汽车主要成份是甲烷,其主要理化特性见表2-1二、天然气汽车的类型(一按储存天然气的压力和形态分类1、压缩天然气汽车天然气以高压气态储存,工作时经降压、计量和混合后进入气缸。2、常压天然气汽车天然气以常压气态储存,但运输存储不便,且存在安全隐患,基本被淘汰。3、液化天然气汽车天然气以液态储存,其体积仅为标准状况下的1/6254、吸附天然气汽车(二按燃料的组成与应用分类1、单燃料汽车2、CNG-汽油两用燃料汽车3、CNG-柴油双燃料汽车(三按燃料供给的方式分类(1机械控制式天然气汽车(2机电联合控制式天然气汽车(3电控式天然气汽车(开环和闭环三、压缩天然气

12、汽车(一压缩天然气供气专用部件结构及原理1、负压输出的减压调节器基本原理:高压天然气经过天然气滤清器后,进入到常闭式高压电磁阀,以控制供、断天然气。在电磁线圈未通电时,电磁铁芯在回位弹簧的作用下,将先导阀的小孔密封,继而推动先导阀将O形密封圈压在阀座上,通道全部关闭。当电磁阀通电时,由于电磁铁的磁力较小,不能直接把主通道打开,只能先打开先导阀的小孔,这时高压腔的高压气通过小孔流到低压腔,使高低压腔压差减小,然后电磁铁芯通过连接销,将先导阀一起提起,打开主通道。一级减压阀在未通入高压气体时,在压力弹簧的作用下,使膜片向下运动,带动杠杆转动,使阀芯与阀口保持一定间隙,阀口处于常开状态。当通入高压气

13、体时,减压室的压力逐步增高,气体作用在膜片下方的压力克服弹簧的弹力,使膜片向上动作,从而带动杠杆转动,使阀口关闭。当减压室的气体向二级阀输出后,压力降到额定输出压力以下时,在压力弹簧的作用下又使阀口打开,如此反复,使一级减压阀出口压力稳定在0.350.4MPa内。二级减压阀的阀口也处于常开状态,高压天然气经过一级减压后进入二级减压室,此时二级减压室内的压力逐步升高,达到额定输出压力时,气体作用在膜片上方的压力克服扭簧的弹力,使膜片向下动作,从而带动杠杆转动,使二级减压阀阀口关闭。当减压室的气体向三级阀输出后,压力降到额定输出压力以下时,在扭簧的作用下又使阀口打开,如此反复,使出口压力稳定在0.

14、150.19MPa 内。三级减压阀的阀口处于常闭状态,阀的开闭由发动机进气真空度控制,输出压力可通过压力弹簧的预紧力进行调节。当阀室内真空度为零时,在压力弹簧的作用下,阀口处于关闭状态。当阀室处于负压时,由于膜片上方与大气相通,膜片两边出现压力差,膜片向阀里运动,带动杠杆克服弹簧压力,使阀口打开供气。当减压室负压减小时,在压力弹簧作用下,阀口又处于关闭状态,如此反复,就使减压阀出口压力稳定在一个数值内。2、文丘里管结构混合器基本原理:文丘里管安装在空气滤清器与化油器之间。一方面要使喉管处产生真空度来调节减压调节阀的天然气流量,另一方面又要将天然气与空气均匀混合。混合器喉径过大,真空度小,不灵敏

15、;过小,吸人空气量少,影响空燃比,发动机功率下降。通气小孔总截面积应与天然气进气道截面积相匹配。3、正压输出的减压调节器1一级减压器2 二级减压器3三级减压器基本原理:每级减压器由进气阀、减压室及阀门开闭调节装置、出气阀等组成。本级出气阀为下一级减压室的进气阀。高压气体由进气阀进入减压室,体积膨胀,当气体作用于膜片组的推力与进气阀门开启力相等时,进气阀又被关闭,使减压室压力不再增高,以达到减压的目的。等气体从出气阀流出时,减压室压力降低,气体对膜片组的作用力小于进气阀门开启力,进气阀又被打开,如此周而复始,使本级减压室压力稳定在额定压力,以达到减压的目的。4、比例调节器工作原理:当发动机起动运

16、行时,发动机进气歧管产生真空,混合器气室B的空气通过管道E进入发动机化油器进气管;气室B产生真空,而气室A与大气相通,混合器膜片在大气的压力作用下克服膜片组的重力和混合器弹簧的弹力上行,打开天然气进气管和混合器空气阀座,天然气和空气通过混合器进入发动机,发动机开始工作。混合器膜片根据发动机化油器进气管的真空度变化上下运动,天然气进气管开度的大小也随着变化,从而向发动机提供不同数量的天然气,与空气形成空燃比合理的混合气。(二压缩天然气-汽油两用燃料汽车此汽车就是将原来的燃料供给系统保留不变,增加一套“车用压缩天然气装置”。改装后既可以使用汽油,又可以使用压缩天然气。(三电控喷射天然气汽车1、电控

17、喷气形式2、电控喷气系统的组成及工作原理1HSV型电控气体喷气阀2DDEC天然气-柴油喷射器四、天然气汽车性能评价(一较低的污染排放与空气混合充分、燃料彻底、有害物的排放量很低。(二良好的运行经济性可使用较大压缩比,理论循环热效率可提高7%-12%.(三可靠的安全保障天然气汽车作为一种清洁汽车,由于其低排放、安全可靠、技术成熟、有良好的经济效益和环境效益而被广泛应变差用于世界40多个国家和地区。但其也存在一些问题,主要表现在:(1续驶里程短(2动力性第二节液化石油气汽车一、液化石油气概述液化石油气主要来自油田和石油炼厂。主要成份是丙烷,此外还含有少量的丁烷、丙和丁烯。具有燃烧完全、积碳少、排放

18、污染物低、怠速及过渡工况运行稳定性好等优点,但动力性降低。液化石油气的体积低热值和质量低热值略高于汽车,但理论混合气热值比汽油低。辛烷值在100-110,可提高压缩比;着火温度高,需较高的点火能量。二、液化石油气汽车的结构与工作原理(一液化石油气汽车蒸发调压器LPG蒸发调压器是集预热、蒸发、减压、调压于一体,LPG被发动机冷却水加热后蒸发气化,再经减压供发动机使用。1、一级减压室工作过程:来自储气瓶的LPG从进口8流入蒸发调压器高压腔,在自身压力的作用下压开一级阀门1,并进入一级减压室6。在此被蒸发、气化成气体并得到了第一次减压,压力被减小到0.140.25MPa 。随着6中的气体数量增多,室

19、内压力升高。推动一级膜片3向上运动,压迫一级弹簧4,固定在一级膜片3上的挂钩将一级杠杆2向上拉起,关闭一级阀门1,阻断LPG的进入。随着6中的LPG陆续进入二级减压室17,一级减压室6中的气压降低。当压力降至某一值时,一级弹簧4使一级膜片3向下移动,带动一级杠杆2动作,打开一级阀门1,LPG又进入一级减压室6。于是一级减压室中的LPG压力处于动态平衡状态。增加一级弹簧4的预紧力、减小一级阀门1的阻尼等可使一级减压室压力和出气量增大,反之则使一级减压室压力和出气量减小。2、二级减压室工作过程:二级减压室17的作用是使LPG的压力进一步降低至接近负压。来自一级减压室6的石油气经过二级阀门25进入二

20、级减压室17时压力进一步降低(降至大气压附近,之后经由LPG燃料出口输往混合器。随着进入二级减压室17中的气体数量的增多,室内压力升高,当室内压力大于平衡压力的时候,推动二级膜片18向下运动,这时减压室内体积增大,使得室内压力减小。当室内压力小于平衡压力的时候,在压差的作用下,推动二级膜片向上运动,使得室内压力增加。于是二级减压室17中的LPG压力处于动态平衡状态。增加二级膜片弹簧19的预紧力、减小二级阀门25的阻尼等可使二级减压室17的压力和出气量增大,反之则使二级减压室压力和出气量减小。3、不同工况下混合气浓度的实现。1怠速系统怠速时,混合器喉口处真空度很低,不能将LPG从蒸发调压器吸出,

21、但节气门后真空度很高,故由真空管13将此真空引入真空气室。使16带动25开度增大。2主供气系统由混合器、二级减压室、真空室等组成。3起动系统起动加浓电磁阀开启一级减压室与二级减压室的旁通气道。(二液化石油气-汽油两用燃料汽车此汽车就是将原来的燃料供给系统保留不变,增加一套LPG燃料供给系统。改装后既可以使用汽油,又可以使用液化石油气。(三液化石油气-柴油双燃料汽车三、液化石油气汽车性能评价(一液化石油气动力性动力性略有降低、但在稀混合区具有比汽油机更高的动力性。(二液化石油气的燃料经济性油耗率更低,更高的稀限,对混合气浓度变化适应性强。(三液化石油气的排放HC、CO大大降低,但NOX基本无变化

22、或稍有增加。第三节醇类燃料汽车一、醇类燃料汽车概述醇类燃料主要是指甲醇和乙醇。醇类燃料可以和汽油或柴油按一定的比例配制而成混合燃料,也可以直接采用醇类燃料作为发动机的燃料。醇类燃料的来源广,制取方式多。甲醇可以从煤炭、天然气、煤层气,可再生生物资源、分类垃圾等物资中制取;乙醇的原料主要是含糖、含淀粉的农作物,如甜菜、甘蔗、玉米、草杆等。甲醇和乙醇都属有机化合物,是无色透明、易挥发的可燃液体。与汽油相比,热值低、汽化潜热大、抗暴性好、含氧量高等,另外,醇类燃料吸水性强、化学活性高、容易发生早燃等。醇类燃料主要性质表现在:1、辛烷值比汽油高。2、汽化潜热大3、热值低4、腐蚀性大二、醇类燃料在发动机

23、上的燃用方式1、渗烧醇类燃料以一定比例加入汽油。2、纯烧3、甲醇改质甲醇改质就是利用发动机排气的余热将甲醇改成H2和CO,然后再输往发动机。4、变性燃料乙醇指乙醇脱水后再添加变性剂而生成的以乙醇为主的燃料。三、醇类燃料在发动机上的参数选择(一汽油机使用醇类燃料时的参数选择1、提高压缩比2、改善燃油分配均匀性及供油特性3、混合气空燃比的调整4、火花塞及点火时间的调整(二柴油机使用醇类燃料时的参数选择。1、压缩比的选择2、电热塞与火花塞(三醇类燃料汽车的供给系。四、醇类燃料在汽车上的应用(一纯甲醇发动机的开发实例(二甲醇与柴油在汽车发动机上的缸内预混喷油五、醇类燃料发动机性能评价动力性变化不大,污

24、染物排放也大致相当。第四节氢气汽车一、氢燃料汽车概述氢气在常温常压下为无色、无味、无毒的气体,大部分以化合态的形式存在。氢主要有以下特点:1、氢是所有元素中质量最轻的。2、常温常压下为气体,携带性和安全性差。3、极易点燃,但自着火温度高于汽油和柴油。4、质量热值高,但由于其密度太小,单位体积发热量只有汽油的二十分之一。5、不含碳元素,因而不排放CO、HC、CO2以及硫化物。6、储存不便,难以满足续驶里程要求。7、动力性差。二、氢的制取与储存(一氢的制取最常见的是电解水制氢。此外还有利用热化学循环分解水制氢。以及从煤、石油、天然气中制取等。(二氢的储存传统氢的存储方法主要有压缩储存、液态储存以及

25、金属化合物储存等。1、低温吸附方法首先将气体冷却到液氮温度(-196来减小气体体积,将低温气体压缩到7MPa,迫使氢物理吸附到材料的很多凹坑和裂缝中。2、复杂金属氢化物的分解金属氢化物如硼氢化锂,使金属原子与含有数个氢原子的基团以较弱的离子键结合在一起,通过向复杂金属氢化物系统中添加物质(如硅的方法降低了分解温度。3、宝马汽车公司的储氢箱由两层隔热钢板制成,中间抽成真空,象保温瓶。如箱内液态氢受热蒸发,当箱内压力超过0.45MPA时,安全阀打开,故有部分氢气排入大气,一般每天损失氢气2-3%.4、纳米碳素纤维储存氢气利用纳米碳素纤维储存氢气。主要是内部充满了直径为十亿分之一毫米碳素纤维毛细管,

26、氢原子与碳原子化合在一起,把氢气储存起来,加热后,氢气逸出。5、德国新的氢气转换技术在耐腐蚀容器中放入氢氧化钠水溶液,溶液中插入硅棒,当溶液加热到200度以上时,硅原子与氢氧化钠分子结合,生成硅酸钠并且放出氢气。低于200度时硅酸钠晶体又分裂还原为氢氧化钠。三、氢燃料汽车的类型及应用(一氢燃料汽车的分类1、按储存的压力和形态1压缩氢汽车2液化氢汽车3吸附氢汽车2、按混合气形成方式可分为预混形式和缸内直喷两类(二气态氢燃料在汽车上的应用了解气态氢在汽车使用上的优点和缺点、缸内直喷氢气汽车的特点。(三液态氢燃料在汽车上的应用了解液氢汽车的燃料供给系统。液氢泵的结构和工作原理。氢的不同供给方式与输出

27、功率。四、氢燃料汽车的性能评价(一动力性和经济性以气态氢的形式供气,动力性降低,以液态形态供氢,动力性增加。使用氢气,经济性更好。(二排放性微量的CO、HC,略高的NOX。第五节电动汽车一、电动汽车的发展优势以及所面临的问题(一电动汽车的发展优势1、结构简单,使用方便2、零排放3、提高能源使用效率,减少空气污染4、噪声小5、专门设计制造,能满足使用要求6、制动能量可回收(二普及电动汽车所面临的问题主要问题是:降低电动汽车的价格、提高一次充电后的行驶里程、延长蓄电池的使用寿命以及发展包括充电设施在内的基础设施。二、蓄电池主要要求:能量密度、功率密度、循环寿命、起动性能、价格费用、可靠性、安全性。

28、三、电动机掌握电动机的机械特性。1、异步电动机具有效率高、调速范围宽、基本免维护以及体积小、质量轻等优点。2、永磁式无刷电动机体积和质量小,功率密度高;效率高;易于散热;可靠性高;动态性能好。3、开关式磁阻电动机结构简单,工作可靠,效率高,且容易实现电动汽车制动时的能量回收,工作特性好,响应速度快,制造成本低。四、电动汽车基本结构及其工作原理基本结构可分为三个子系统:电力驱动了系统(电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动轮、能源子系统(能量源、能量管理系统和能量和辅助控制子系统(动力转向、温度控制和辅助动力供给等。五、混合动力电动汽车混合动力电动汽车是指包含两种或两种以上动力源并能协

29、调工作的车辆。1、串联式混合动力电动汽车(SHEVSHEV的发动机、发电机和驱动电动机采用串联的方式组成驱动系统。特点:结构及控制系统比较简单;要求发动机、发电机和驱动电动机的功率都等于或接近于SHEV的最大驱动功率;效率低于内燃机效率;常用于大型客车、公交汽车等。2、并联式混合动力电动汽车(PHEVPHEV由发动机、电动机/发电机或驱动电动机两大动力组成,且以并联的方式组成驱动系统。3、混联式混合动力电动汽车(PSHEVPSHEV综合SHEV和PHEV结构特点组成的另一种方案,由发动机、电动机-发电机和驱动电动机三大动力总成组成。1驱动轴合成混联式混合动力电动汽车2驱动轮合成混合动力电动汽车

30、六、燃料电池电动汽车(一燃料电池概述燃料电池是把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”,它能够使用多种燃料。(二燃料电池发动机组成由多个单晶体燃料电池组成,其电压一般在1V以下。燃料电池的电流需专用的大功率动力转换器,将直流电转换为稳压的直流电流,然后经过逆变器转换为交流电输送给驱动电动机。(三燃料电池发动机的安全性氢气与氧气应完全隔绝并有严密的防泄漏的装备,如氢气泄漏,会影响燃料电池的效率甚至造成爆炸事故。思考题1、分析天然气物化特性对其动力性的影响?说明提高天然气发动机动力性的措施有哪些?2、比较汽车燃用天然气与燃用汽油或柴油时的排放物的变化?3、根据液化石油气的物化特性,分析影响液

31、化石油气发动机动力性的有利因素和不利因素?4、车用发动机使用醇类燃料时有哪些需要解决的技术问题?5、采取哪些措施可以改善醇类燃料发动机冷启动困难?6、氢气较油类燃料具有更高的能量密度,但它也是自然界中密度最小的气体,这样势必要求有更大的汽缸空间,从而相对减小了氧气的量,使动力性受到影响。如何采取措施提高动力性?7、点燃氢气所需的能量很小,一旦靠近温度较高的物体(如火花塞,氢气和空气混合物就可能引起发动机的爆震。如何防止发动机的爆震?8、混合动力电动汽车起步时,电动机能够单独驱动车辆行驶吗?如能,试分析?9、并联混合动力电动汽车的两种动力源是如何共同驱动车辆行驶的?第三章汽车发动机节能技术教学目

32、的和要求:理解发动机方面节能的技术现状及发展趋势,能分析影响汽车发动机节能的因素,掌握汽车发动机提高充量系数、稀薄燃烧、废气涡轮增压、燃油喷射与电子控制系统等节能新技术的基本结构,并能运用所学知识分析其节能的基本原理。本章重点:影响汽车发动机节能的因素;发动机提高充量系数的主要措施、结构及其节能原理;汽油机稀薄燃烧技术的主要实现形式及其对节能的影响;废气涡轮增压节能的原理,增压的实现方式,压力控制方法。本章难点:气门升程可变的实现机理;实现汽油机分层燃烧的主要燃烧方式;稀薄燃烧的控制策略;增压发动机增压压力的控制。教学时数:14学时教学内容要点:第一节概述1、能源压力根据世界石化巨头BP集团在

33、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

34、动机等。此外还有发动机柴油机化。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。要提高发动机的热效率,应尽量提高压缩比和绝热指数k ;在混合加热循环中,当加热量和压缩比不变时,应尽量提高压力升高比(此时预胀比下降。为了提高发动机的热效率,主要措施有:提高压缩比,稀燃技术,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。

35、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m e (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P L 。P L 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。升功率P L 的表达式为:式中:H燃料低热值;l o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。改善升功率P L 的主要的措施有: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

36、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 。第三节提高充气效率充气效率的含义: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m与在进气行程进口状态下充满气缸工作容积的气体质量m0的比值,用来表示。提高充气效率的措施主要包括:1、减少进气系统的流动损失(1减少进气门座处的流动损失1增大进气门直径,选择合适的排气门直径2增加节气门的数目3改善进气门处流体动力性能,减少气门处流动损失。4采用较小的S/D值(2减小整个进气管道的流动阻力1进气道2进气管3空气滤清器4化油器2、减小对新鲜充气量的加热3、减小排气系统的阻力4、合理地选择配气相位(1进气门迟关

37、角(2进排气门重叠角的影响(3排气提前角(4配气相位的选择一、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,提高汽油机的燃油经济性。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。可变配气系统的效果:提高标定功率。提高低速转矩。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.可变气门正时实现过程: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

38、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c=10°20°。油压用电磁阀控制,机油通过中空的凸轮轴供给。2.气门升程可变实现过程: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。

39、此时右端高速摇臂杆中小活塞并无液压油将其压上去,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。3.电磁气门机构实现过程: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

40、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,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。特点: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电液气门驱动实现过程: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

41、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。三、合理利用进气动态效应实现过程:该系统为每一个气缸的进气歧管装了一个活门1。活门开启时,空气通过活门以较短的路径进入气缸,如黑色箭头所示;活门关闭时,空气不得不绕道以较长的路径进入气缸,如白色箭头所示。活门只有全开和全闭两个位置,由膜片阀2 控制。膜片将膜片阀分成两个空腔,靠近活门的空腔通大气;另一个空腔内装有弹簧顶着膜片,并通过一个电磁阀与真空泵相连(图317 中未示出。膜片通过拉杆与活门相连。发动机转速超过设定的门槛值时,ECU 发信号给电磁阀,

42、将真空泵与膜片阀的一个空腔连通,该空腔内的弹簧不抵另一个空腔内大气压力的作用,在大气压力作用下膜片得以通过拉杆开启活门,使进气管长度缩短。发动机转速低于这个门槛值时,电磁阀切断从真空泵到膜片阀的通路,膜片分隔开的两个空腔内都是大气压力,膜片在弹簧压力作用下通过拉杆关闭活门,使进气管长度加长。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、均质稀薄燃烧技术对于常规进气道喷射:为了防爆燃,需采用较低压

43、缩比、导致热效率低;比热容比低、泵气损失大、NOX排放较高等缺点。使用稀燃,可以:提高压缩比、增大绝热指数、保证完全燃烧。1、火球高压缩比燃烧室2、碗开燃烧室二、分层燃烧技术(一分层燃烧系统主要是在火花塞周围形成可燃混合气,其余地方为稀薄空气或者纯空气。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轴向分层燃烧系统利用进气涡流和后期进气道喷射,使小汽缸上部为较浓混合气,下部为较稀混合气。(2横向分层燃烧系统两个进气道供气,一个为纯空气,另一个为混合气,利用滚流,把混合气导向火花塞。2、缸内直喷分

44、层燃烧方式。主要有三种方式:壁面引导方式、气流引导方式、喷束引导方式GDI优点:1经济性好2瞬态响应好3起动时间短4冷起动HC排放改善(二典型缸内直喷燃烧系统1、三菱缸内直喷分层充量燃烧系统2、丰田缸内直喷分层充量燃烧系统第五节废气涡轮增压发动机一、概述增压后进入气缸的新鲜空气量增多,故可以燃烧更多的燃料,提高发动机功率。提高平均有效压力是提高功率的主要因素而提高进气密度:一是提高进气压力,二是降低进气温度采用增压技术:一可以提高功率,二可以减少单位功率质量,三是降低油耗。二、废气涡轮增压发动机性能1、增压柴油机节能原理:柴油机增压后,平均指示压力大大增加,而其平均机械损失压力却增加不多,因此

45、,机械效率m 提高;由于增压适当加大了过量空气系数a,使燃烧过程得到一定改善,其指示热效率i t往往也会有所提高;增压机大多作泵气正功,也会使指示热效率提高;如果增压和非增压发动机功率相同,则增压发动机可以减少排量,显然,这样使机械损失减少,燃油消耗率降低。另外,由于发动机排量减少,整台发动机体积、质量都会减少,这样降低整车油耗也有利;发动机采用增压后,还可以在保证原有功率和一定转矩下,适当降低转速。这样,由于机械损失和磨损减少,对改善燃料经济性有利。2、增压汽油机存在的主要问题:汽油机增压后,压缩终点和温度都加大,爆燃倾向加剧,热负荷更加严重。若燃料辛烷值不提高,就必须采取降低压缩比,推迟点

46、火等相应措施,其结果会导致热效率的下降。此外,汽油机增压同样存在低速转矩特性和加速性能下降的问题。可采取的措施:电子可变涡轮喷嘴环截面控制、电控增压压力控制等技术的应用可以有效改善低速转矩特性和动态特性;电控燃油喷射技术,实现了定时和转矩特性(油量特性的优化;特别是电控爆燃控制、电控废气再循环控制以及增压中冷技术三、增压压力控制1、排气旁通,减少进入涡轮的排气及其能量工作原理:在用排气背压及压气机入口处真空度联合控制时,当发动机在中等转速部分负荷工作时,排气背压通过钢管传递,作用在膜片作用器的膜片上,使旁通阀部分打开(图337b,实现控制增压压力的目的。如果发动机在中速、高速大负荷工况工作,输

47、入涡轮的排气能量增加,使压气机转速及出口压力进一步上升,此时压气机入口处真空度增大,其影响与排气背压同时作用在膜片作用器上;使旁通阀打开(图337c,更多的排气从旁通阀排入大气中,使增压压力保持在一定范围内。2、部分增压空气返回到压气机入口或大气中,减少入缸的空气量。工作原理:将化油器的节气门通过杆件与空气直接进入气缸的旁通进气道中一阀门连接在一起。当节气门开度很小,例如小于1/3开度,那么旁通进气道中的阀门打开(图338a,大部分空气不经过压气机直接进入气缸中。当节气门开度大于1/3开度时,旁通进气道中阀门关闭,空气进入压气机,从而发动机在一定增压压力下工作(图338b。3、通过电脑自动控制

48、工作原理:该系统主要由微处理机、压力传感器、转速传感器(图中表示通过分配器提供转速变化信号及敲缸传感器组成。输入信号经过处理后,微处理器给电磁线圈发出指令,控制旁通阀开或者关。由于采用了微处理器控制,在发生敲缸征兆时,可以自动推迟点火提前角,避免爆燃,因此采用这种控制系统的汽油机增压后,可以不降低压缩比,采用原先使用的汽油。四、可变涡壳通道及喷嘴环流通截面的涡轮1、双涡轮壳通道的涡轮工作过程:涡轮的涡壳入口通道由壁板分隔成两个通道,然后再汇总到涡轮叶轮边缘入口处,发动机在低速工作时,排气仅通过截面为A1 的通道流向涡轮,通截面较小,排气流速增加,并以接近90°的角度冲向涡轮的叶片,推

49、动叶轮旋转的能量大,于是涡轮及压气机的转速都迅速增加。而在发动机转速较高时,平板阀门开启。排气经过A1 及A2 两个通道流向涡轮,气流速度较低,并以钝角射向叶片,于是涡轮及压气机保持在适度的转速上。2、可变涡壳通道的涡轮增压系统工作原理:控制器可以让增压空气的压力传递到膜片上,使曲面形阀开启,让通道打开。需要时,放走增压空气,让曲面形阀关掉部分通道。流通截面减小后排气流速及撞向涡轮叶片冲量增加,于是涡轮增压器轮转速及增压压力上升。如果流通道截面扩大,其结果则相反。3、可变喷嘴环流通截面的涡轮工作原理:在发动机低速、低负荷工况,叶片转动使流通截面变小,排气流速增加,并以较小的角度、较大的冲量推动

50、涡轮高速旋转。而当发动机在高速及较大负荷工作时,叶片的转动使流通截面变大,于是排气流速减小,并以较大的角度、较小的冲量推动涡轮旋转。于是增压器的转速及增压压力被控制在适当的水平上。五、汽油机增压系统的常用措施1、电控汽油喷射系统2、电控爆燃控制3、增压中冷第六节汽油机燃油喷射与点火系统电子控制一、系统发展简述1、化油器。结构简单、工作可靠和能满足稳态工况动力、经济性要求等优点,但却远不能满足当前对多种性能的综合要求。2、机械式汽油喷射装置20世纪初、中期,机械式汽油喷射装置就已用于航空活塞式汽油机和少量高级小轿车汽油机中。它基本上能克服化油器除排污一项之外的其它缺点,性能上有很大改进。但由于机

51、械喷射系统结构复杂,成本高,不可能在大量生产的车用汽油机中得到推广。3、电控汽油喷射喷射装置的机械结构大为简化,可以利用氧传感器的反馈控制和三效催化转化器使各项气体排放污染物达到最低水平。二、复合功能的电控多点燃油喷射与点火系统多点燃油喷射与电子点火相结合,使用同一电控单元(ECU控制,并且具有发动机和动力传动系统的管理功能,这种系统就叫复合功能的电控多点燃油喷射与点火系统。(一工作原理各传感器及有关的信息都输送到图上21 所示的电控单元ECU 中。ECU 接受信号后,根据系统中储存的数据(软件,求出对应于该工况的点火提前角、喷油持续时间(供油脉宽和点火闭合角等参数,再命令执行器完成上述指令而

52、进行正常运行。而本系统的执行器,就是图351 上的电动汽油泵2、喷油器11、油箱通风阀6 、怠速调整器9 、点火线圈16 、压力调节器17 和废气再循环阀18等件。(二控制功能1. 喷射控制1稳定工况供油控制2冷起动及起动后暖机的供油控制3加、减速工况的供油控制4怠速转速与怠速油量控制5大气状态及蓄电池电压的油量修正2. 点火控制1点火提前角控制2点火闭合角的控制3爆燃控制3. 其它参数的控制油箱通风调节。进行废气再循环控制。其它如凸轮轴控制(配气相位、离合器控制、灭缸控制等。三、多点燃油喷射系统的喷射时序对性能的影响存在三种不同的各缸喷射时间与顺序的安排方案,即同时喷射、分组喷射与顺序喷射。

53、1同时喷射在发动机一个循环的720°曲轴转角中,各缸喷油器同时喷油一次或两次。特点:不需要各缸的判别信号,结构简单,控制也较简易。其缺点是各缸喷油时刻距进气时间的间隔彼此差别较大;喷入的燃油在气道内停留的时间不同,导致各缸混合气品质不均,影响各缸工作均匀性。2分组喷射将多缸机的喷油器分为二到三组,各组在一循环中同时喷射一次。特点:结构及控制程序均较同时喷射复杂一些,但各缸间的差异也小一些。各缸工作均匀性有所改善。3顺序喷射各缸按发火顺序的先后都在进气初期进行喷射。特点:每缸都需要单独的控制线路,所以结构及控制方式都比较复杂,但各缸混合气品质最为均匀。这种方式正日愈获得广泛的应用。第七

54、节柴油机燃油喷射系统电子控制一、系统发展简述全球环境状态的日益恶化,能源危机意识的加强,以及CO2排放,都对柴油机的排污和经济性能提出了更高的要求。世界各国推出的排放法规和某些国家的能源法规都更加严格。为了应付这一挑战,改进柴油机燃油喷射系统是最关键的环节。当前,西方发达国家的大部分柴油轿车和轻型客车都使用了直列式或转子式电控柴油喷射系统,并正向更新型的电控高压共轨系统转化。与机械控制方式相比,柴油机电控喷射有以下优点:l控制更为全面和精确2能实现预喷射或多次喷射以及喷油率与喷油压力的精确控制。3可实现整机的电脑管理系统,从而使整机性能与可靠性得到大幅度的提高。二、类型与性能特点(一位置控制式

55、电控燃油喷射系统特点:不改变传统喷油系统的工作原理和基本结构,只是由电控装置取代机械调速器和提前器,对油量调节杆(直列泵和溢流环套(VE 分配泵的位置以及油泵主、从动轴的相互位置进行低频连续调节,以实现油量和定时的控制,所以叫做位置控制系统。(二时间控制式电控燃油喷射系统特点:利用安装在高压油路中的高速、强力电磁溢流阀来直接控制喷油始点和喷油量,与汽油机的电控喷油系统原理相似。不同点在于还可通过实时变更电磁阀升程或改变高压油路中的油压来实现喷油率和喷油压力的控制。它具有每缸一阀(直列泵、能分缸调控和响应快等优点,已成为当前柴油机电控喷油系统的主要发展方向。1. 时间控制式柱塞泵脉冲喷油系统此类系统仍保持传统的柱塞往复运动脉冲供油方式,直接由电磁溢流阀控制油量和定时,柱塞副只起加压、供油作用,没有油量调节功能。喷油泵机械系统的结构大为简化,油泵缸体及柱塞副的刚度加强,承压能力相应提高。(1时间控制型电子控制分配式喷油泵控制原理:在柱塞泵油阶段,当电磁溢流阀断电时,溢流阀打开,高压燃油立即卸压,停止喷油。喷油始点并不取决于电磁溢流阀关闭的时刻,而是取决于分配泵平面凸轮的行程始点,电磁溢流阀打开越晚,喷油量越多。(