汽车节能原理2.ppt

1、第2章 发动机节能原理与技术,2.1 发动机的工作性能及评价指标 2.1.1发动机的工作性能 动力性 经济性 运转性能 可靠性,2.1.2发动机的性能指标 发动机的动力性和经济型指标又分为有效性能指标和指示性能指标 指示性指标：以工质在气缸内对活塞所作之功为计算基准的指标，不受动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等因素影响。 有效性能指标：以发动机曲轴输出功为计算基准的指标，可以直接作为评判发动机优劣的指标。有效功率、有效转矩、燃油消耗率,有效功率 指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的功率，通常用Pe表示，单位为kW。有效功率同样是曲轴对外输出的净功率。它等于有效扭矩和曲轴转速的乘积。发动机的有效功率

2、可以在专用的试验台上用测功器测定，测出有效扭矩和曲轴转速，然后用下面公式计算出有效功率。 式中：Te 有效扭矩，单位为Nm； n 曲轴转速，单位为r/min。,根据发动机原理，有效功率也可按下式计算： 式中i为发动机的气缸数；Vh是每个气缸的工作容积（L）；表示完成一个工作循环的冲程数；Pme为发动机的平均有效压力（MPa）。 所谓平均有效压力即为单位气缸工作容积所输出的有效功，它是衡量内燃机动力性能的一个常用指标，可用下式计算： 式中K1为常系数；V为发动机的充气效率；i为发动机的指示热效率；m为发动机的机械效率；为混和气的过量空气系数。,转速 指发动机曲轴每分钟的转数，单位为r/min。发

3、动机产品铭牌上标明的功率及相应转速称为额定功率和额定转速。按照汽车发动机可靠性试验方法的规定汽车发动机应能在额定工况下连续运行3001000小时。,有效转矩 发动机通过飞轮对外输出的转矩称为发动机的 有效转矩，以Te表示，单位为牛顿米（Nm）。 有效转矩与外界施加于发动机曲轴上的阻力矩 相平衡，可以用测功机来测定发动机的有效转 矩。,燃油消耗率 是指单位有效功的燃油消耗量，也就是发动机每发出1kW有效功率在1小时内所消耗的燃油质量(以g为单位)，燃油消耗率通常用ge表示，其单位为g/kWh，计算公式如下,式中：Qt 每小时的燃油消耗量，kg/h； Pe 有效功率，kW。,很明显，有效燃油消耗率

4、越小,其经济性越好。通常发动机铭牌上给出的有效燃油消耗率ge是最小值。,发动机的运转性能指标主要指排放性能 包括排放烟度、有害气体(CO，HC，NOx)排放量、噪声等。,如果把汽油发动机CO排放量当作1的话，则液化气发动机的CO排放量为1/2，而柴油发动机的CO排放量为1/100。可以看出，柴油发动机与其它发动机相比，其CO排出量要小得多。而且，柴油发动机的HC排出量也较少，但NOx排出量则和汽油机差不多，且会排出令人讨厌的黑烟。,运转性能指标,排气品质：符合排放法规 噪声：客车内噪声级82dB， 驾驶员耳旁噪声级 90dB 起动性能：汽油机在-10，柴油机 在-5 的气温条件下，15秒内发动

5、 机要能自行运转。,*排气品质：符合排放法规,*排气品质：符合排放法规,*排气品质：符合排放法规,2.1.3发动机特性 指一定条件下，发动机的性能指标与特性参数随着调整情况及运行工况变化而变化的关系。 性能特征包括：速度特性、负荷特性、万有特性,2.1.3发动机特性 1.发动机速度特性 (1)汽油机速度特性 功率-Pe 转矩-Te 燃油消耗率-be,曲轴转速为n1 时，发动机输出最大转矩（Te=Temax）。 曲轴转速为n3 时，发动机发出最大功率（Pe=Pemax）。 发动机最小比油耗相应的转速n2 ，介于最大转矩的转速nl 和最大功率的转速n3 之间，即居于发动机某一中间转速。且随转速的不

6、断增加，曲线上翘幅度加大，节气门开度愈小，则曲线的弯曲度愈大。,2.1.3发动机特性 1.发动机速度特性 (2)柴油机速度特性 功率-Pe 转矩-Te 燃油消耗率-be,柴油机的转矩Te低速时有上升趋势小负菏时上升加剧，而高速时均略为下降，大负荷时下降多一些。 有效功率曲线总是随转速n的上升而增大。由于曲线较平坦，所以可达到的最大功率点远离最高使用转速（图上看不出来）。 燃油消耗率在低转速时，随转速的增加而降低；而在高转速时，曲线附转速n 的上升而上翘度加大即燃油消耗率增加。,2.1.3发动机特性 2.发动机负荷特性 负荷是指在一定转速下，发动机实际输出的有效功率，与在该转速下发动机所能输出的

7、最大功率之比以百分数表示，量纲为1，它可以理解为外界阻力矩的大小。 负荷特性是指在转速一定的情况下，发动机经济性能指标（单位耗油量B、燃油消耗率be）随负荷变化而变化的关系。 负荷特性反映着发动机在不同负荷下运行的燃料经济性，它是讨论汽车燃料经济性的主要依据。,2.1.3发动机特性 2.发动机负荷特性,在图2 -3 负荷特性的be曲线上有三个特殊点：点 为最低点，点 为柴油机供油量增加到一定程度后的冒烟点，点为最大Pe点尽管发动机在不同转速下有不同的负荷特性曲线，但其变化的趋势是一样的。 be点越低则其经济性能越好。但要汽车在大部分运行条件下都能保证具有较好的燃料经济性，还应要求be曲线在离开

8、bemin点时上升不能太快，即be曲线变化要平缓。这一点对经常处于中、小负荷下运行的汽车用发动机尤为重要。从这个意义来讲，柴油机的be曲线比汽油机变化平缓加之柴油机热负荷高，比油耗be比汽油机低20%30%，所以汽车使用柴油机比汽油机省油。,2.1.3发动机特性 3.发动机的万有特性 负荷特性、速度特性只能表示某一转速或某一节气门开度（或油量调节杆位置时，发动机参数间的变化规律对于工况变化大的发动机，耍分析各种工况下的性能，就需要在一张图上全面表示出内燃机性能的特性曲线。 发动机的多参数特性称为万有特性。 广泛应用的万有特性用转速n 作为横坐标。用平均有效压力pme作为纵坐标，在图上画出许多等

9、油耗率be曲线和等功率Pe曲线。,2.1.3发动机特性 3.发动机的万有特性 万有特性曲线最内层燃油消耗率be最低，越向外燃油消耗率be值越高，我们希望最低油耗率be区域越宽越好。,汽油机万有特性具有如下特点：最低耗油率偏高，经济区域偏小；等耗油率曲线在低速区向大负荷收敛，这说明汽油机在低速、低效率时的耗油率随负荷的减小而急剧增大。 在实际应用中，当汽车等功率运行时，驾驶员应尽量使用高速档，以便节油。汽油机变负菏时，平均耗油率偏高,2.1.3发动机特性 3.发动机的万有特性 万有特性曲线最内层燃油消耗率be最低，越向外燃油消耗率be值越高，我们希望最低油耗率be区域越宽越好。,柴油机万有特性具

10、有以下特点：最低耗油率偏低，经济区域较宽；等耗油率曲线在高、低速均不收敛，变化比较平坦。 柴油机相对汽车变速工况的适应性好，等功率曲线向高速延伸时，耗油率的变化不大，所以采用低速档时，柴油机的转矩和功率储备较大。 在使用中以柴油机为动力的汽车可以长时间使用低速档。因此。以柴油机为动力的汽车的实际动力因数，比以汽油机为动力的汽车为高。,2.2 发动机的节能原理与途径,2.2.1提高充气效率 充气效率是指发动机在进气行程时，实际进入气缸内的新鲜气体的质量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 表示：,2.2.1提高充气效率 1.减少进气系统的流动损失 (1)减少进气门座处

11、的流动损失 1)增大进气门直径，选择合适的排气门直径。 发动机充气效率的大小，与通过进气门座处的气流的平均马赫数密切相关。 平均马赫数是进气门处气流平均速度与该处音速之比，超过0.5，充气效率便急剧下降。 目前汽油机马赫数已接近0.5，柴油机马赫数一般在0.3-0.5之间。,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 2)增加气门的数目。 采用小气门，增加气门数是增大进气门流通面积、降低排气损失的有效措施。 上柴6135Q-1型柴油机将双气门改为四个小气门后功率由162kw提高到194kw，提高了20%。 赛车用高比功率的发动机采用多个小气门结构后， 功率可提高70%，转矩可提

12、高30%。,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 3)改善进气门处流体动力性能，减少气门处流动损失。适当增大气门的升程，改进配气凸轮形状，在惯性力允许的情况下，使气门开闭尽可能地快。适当加大气门杆身与头部的过渡圆弧，减少气门座密封面的宽度，修圆气门座密封锥面的尖角等措施，均可改善进气门处流体力学性能，减小流动损失。,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 4)采取较小的S/D值。,1.减少进气系统的流动损失 (2)减小整个进气管道的流动阻力 1)进气道。 减小阻力；能够使新鲜气体充入气缸内形成涡流 2)进气管。 有足够的流通截面积，表面光洁，避免急转弯

13、和截面的突然变化。 3)空气滤清器。微孔纸质滤芯原始阻力最小， 4)化油器。多喉管式,2.2.1提高充气效率 2.减小对新鲜充气量的加热 增压发动机的燃烧室扫气、油冷活塞、，柴油机进、排气管分别置于缸盖两侧等措施，都有利于减小对新鲜充气量的加热，具有节能效果。,2.2.1提高充气效率 3.减小排气系统的阻力 减小排气系统中排气门座、排气道、排气管、消声器的阻力，对降低排气压力p、减少排气损失均有利。,2.2.1提高充气效率 4.合理选择配气相位 (1)进气门迟关角,2.2.1提高充气效率 4.合理选择配气相位 (2)进、排气门重叠角的影响 高速非增压柴油机的进、排气门重叠角一般在2060。重叠

14、角在40以下基本无扫气作用。 增压发动机的进、排气门重叠角大，可达110140，强烈的扫气作用，可以冷却燃烧室热区零件，减小对新鲜气体的加热，这些有利于充气效率的提高。,2.2.1提高充气效率 4.合理选择配气相位 (3) 排气提前角 应当在保证排气损失最小的前提下，尽量晚开排气门，以提高热效率。,2.2.1提高充气效率 4.合理选择配气相位 (4) 配气相位的选择 从以下方面综合评定： 1)充气效率高 2)必要的燃烧室扫气 3)合适的排气温度 4)较小的换气损失,2.2.2提高发动机机械效率 发动机机械效率： Pe-有效功率 Pi-发动机指示功率 Pm-发动机机械损失功率 试验研究表明，当减

15、少总摩擦损失的17%21%时，可以提高整机经济性3%7%。,2.2.2提高发动机机械效率 1.机械损失的组成： (1)机械摩擦损失 1）活塞组件的摩擦 减少911.5% 2）轴承摩擦 减少3% 3）配气机构摩擦 减少1.57.0% 4）其他损失 减少12% (2)辅助装置驱动功率消耗 (3)泵气损失,2.2.2提高发动机机械效率 2.影响机械效率的主要因素： 转速的影响,2.2.2提高发动机机械效率 2.影响机械效率的主要因素： (2) 负荷的影响,2.2.2提高发动机机械效率 2.影响机械效率的主要因素： (3)润滑条件的影响 在保证各种环境和工况均能可靠润滑的前提下，尽量选用低粘度的机油，

16、以减小摩擦损失，改善起动性能。,2.2.2提高发动机机械效率 3.减少机械摩擦损失的途径： 1)降低活塞、活塞环、连杆等往复运动机件的质量。 2)减少滑动部件的滑动速度及高面压比。 3)减少润滑油的搅拌阻力 4)润滑油的改良-低粘度化 5)合理选择摩擦零件的材料，优化材料配对，提高摩擦表面加工精度,2.2.3可燃混合气浓度与发动机工况的合理匹配 发动机的经济性主要取决于它的燃烧过程。 对燃烧过程的要求是： 燃烧要迅速、及时、完全。 1.化油器,2.2.3可燃混合气浓度与发动机工况的合理匹配 2.可燃混合气的成分及其对汽油机性能的影响,2.2.3可燃混合气浓度与发动机工况的合理匹配 2.可燃混合

17、气的成分及其对汽油机性能的影响,2.2.4提高循环热效率 发动机从燃料的化学能转换为有效输出功的过程，是决定发动机动力性和经济性最关键的环节。有三个环节：燃烧负荷、循环热效率、机械效率。 循环热效率 是核心环节，热功转换是热能动力机械最本质的体现。,2.2.4提高循环热效率 导致热效率 下降的因素： 1）工质向外传热的损失 约损失6%,2.2.4提高循环热效率 导致热效率 下降的因素： 2）早燃损失及后燃损失 3）换气损失 4）不完全燃烧损失 5）缸内流动损失 6）工质泄露损失,2.2.4提高循环热效率 结论： 提高压缩比可提高热效率。 当燃料在上止点燃烧时，热功转换负荷最高。 稀混合气的采用

18、有利于提高热效率。,2.2.5提高发动机压缩比 从提高发动机的指示负荷的角度来看，压缩比愈大愈好。但压缩比过大，不但燃料超耗，还会引起不良后果，汽油机可能爆燃，柴油机可能加速零件磨损。 汽油机压缩比的选择应以不发生爆燃为原则。 柴油机压缩比的选择应以保证柴油机冷起动性能和最大负荷为原则，还要考虑排放气体对环境的污染。,2.2.6采用可变压缩比 爆燃一般发生在发动机全负荷时，部分负荷时一般不发生爆燃。为了满足大负荷的使用要求，不得不把压缩比降低。 可变压缩比发动机由于压缩比可以变化，在部分负荷时压缩比高些，既防止爆燃，又可以节约20%的燃油。 改变压缩比的办法：改变活塞行程、改变燃烧室容积。（难

19、度非常大）,2.3 发动机节能技术,2.3.1发动机稀燃技术,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。,2.2发动机的节能原

20、理与途径,2.2.1提高充气效率 充气效率=实际进入气缸内气体/理论充满气缸的气体量,提高充气效率的结果？ V一定、燃料供给量一定考虑,提高充气效率的途径（结构上包括进、排气过程） 一.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； （2）增加节气门的数目； （3）改善进气门处流体动力性能，减少气门出流动损失； （4）采取较小的S/D 2.减小整个进气管道的阻力,二.减少对新鲜充气量的加热 三.减少排气系统的阻力 四.合理地选择配气相位,VVT（可变气门正时）技术,可变气门升程技术：气门开启大小（气门升程）也可以时间可变调节的话，那么就可以针对不同的转速使用合适的

21、气门升程，从而提升发动机在各个转速内的动力性能.,2.2.2提高发动机的机械效率,途径：降低机械损失，总摩擦减少17%21%时，经济性提高3%7% 一.机械损失的组成 机械损失：机械摩擦损失 附件消耗损失 泵气损失,1.机械摩擦损失：活塞组件的摩擦; 轴承摩擦; 配气机构摩擦; 其他损失。 2.附件消耗损失：为维持发动机运作时所必须的辅助机 构损失 3.泵气损失：进排气过程中工质流动时节流和摩擦等造 成的能量损失。,二.影响机械效率的主要因素 1.转速（活塞平均速度）的影响 2.负荷的影响 3.润滑条件的影响,三.减小机械摩擦损失的途径 1.降低活塞、活塞环、连杆等往复运动机件的摩擦和质量；

22、2.降低滑动部件的滑动速度及高压面比； 3.减少润滑油的搅拌阻力； 4.润滑油的改良低粘度化； 5.合理选择摩擦零件的材料，提高摩擦表面的加工精度。,2.2.3可燃混合气含量与发动机工况的合理匹配,发动机的经济型主要取决于它的燃烧过程,发动机对燃烧的要求：迅速、及时、完全,一.可燃混合气的成分及对发动机性能的影响,空燃比：,欧美、日本使用,理论上1kg汽油完全燃烧需要空气14.8kg，所以： 空燃比 A=14.8 时的混合气为理论混合气 空燃比 A14.8 时的混合气为稀混合气,过量空气系数=1 ，理论混合气 过量空气系数1 ，稀混合气,我国及俄罗斯等国家，可燃混合气的成分通常用过量空气系数,

23、而不同成分的混合气，对发动机的动力性和经济性的影响，是通过试验获知的，右图所示,过量空气系数=0.88（空燃比为13.2） 此时，混合气中汽油含量多，易于同空气中氧原子结合，燃烧迅速，释放热量大，功率最大，但经济性差。,过量空气系数=1（空燃比为14.7） 此时，混合气中汽油含量减少，与空气中氧原子结合变慢，燃烧速度降低，功率有所下降，但燃料利用好转，经济性好转。,过量空气系数=1.1（空燃比为16.6） 此时，混合气中汽油成分更少，氧分子较多，燃烧速度变慢，释放热量少而损失多，功率变小，但燃料能充分利用，经济性最好。,过量空气系数0.88（空燃比小于13.2） 此时，混合气中的空气量相对不足

24、，燃烧不完全，发动机功率大为降低，经济性很差。同时，由于燃烧不完全，析出许多炭质，沉附在各零件上，是排气管冒黑烟。严重时产生“放炮”现象。,过量空气系数0.4（空燃比小于6） 此时，发动机可能着火，但火焰无法传播，很快熄火，（值为燃烧上限）,过量空气系数1.1（空燃比大于16.6） 此时，混合气中汽油分子过少，燃烧速度缓慢，释放热量更少，功率大为降低，经济性差。“回火”燃烧缓慢，容易引起发动机过热，燃烧延续到下一个工作循环进气开始，进气门打开时，火焰传入进气歧管。,过量空气系数1.4（空燃比大于21） 此时，发动机虽然着火，但火焰无法传播，燃烧下限。,为兼顾动力性和经济性，在节气门全开的情况下

25、，0.8过量空气系数1.1,二.发动机各种工况对可燃混合气含量的要求,1.发动机工作过程： 冷启动暖机怠速和小负荷中等负荷大负荷和全负荷 以及加速工况,（1）冷启动工况：转速极低节气门开度小喷入燃油不易企划可燃混合气过稀,解决办法：喷油量由微电脑根据发动机水温、进气温度和启动转速来确定。如果启动发动机时环境温度很低，属于冷启动，微电脑会按冷启动工况进行控制，由延长冷启动喷油器喷油时间或各缸喷油器额外喷入一部分燃油。,（2）暖机工况：发动机气缸运转温度上升（直到正常值）；此时发动机稳定的进行怠速工作,解决办法：混合气过量空气系数随温度逐渐加大到正常值。,（3）怠速和小负荷工况：发动机保持最低转速

26、稳定运行-进入气缸的可燃混合气少、雾化不良（进气管真空度高）-当进气门开启（废弃膨胀进入进气管稀释可燃混合气）,解决办法：提供较浓混合气（过量空气系数0.60.8） 设置怠速油孔（提供额外浓混合燃气）,进入小负荷工况：节气门少量打开进入小负荷工况（可燃气混合度改善）过量空气系数减少=0.70.9,（4）中等负荷工况：发动机大部分工作时间，此时燃油经济性为首要目标过量空气系数=0.91.1（燃料消耗量最少），其中主要是供给过量空气系数1的混合气 设置装置为渗入空气矫正系统（改变主供油系统的供油）,（5）大负荷和全负荷工况：供油使得节气门全开化油器供给汽车最大功率的混合气（过量空气系数=0.850

27、.95）采用满负荷加浓装置（又称省油器）。,（6）加速工况：节气门突然加大空气流量突然增加，但此时燃油进入喉管后的速度落后于来不及加热的冷空气燃料蒸发量减少不能满足突然加大功率的目的。,解决办法：额外添加供油量使得混合气浓度加大 利用加速泵额外供给一部分汽油,三.燃油供给装置对混合气含量的校正,用来校正不同工况下所喷入的燃油量（汽油机） 当发动机处于进气行程时，气缸内产生真空，新鲜空气被吸入发动机气缸内。汽油机通过发动机控制单元控制喷油器，将一定压力、一定量的燃油以雾状喷入靠近气门的进气歧管内或直接喷射到气缸内与空气混合形成可燃气体。,对汽油机喷油时间的修正分两大类： 发动机启动后运行控制 发

28、动机启动时控制,启动时 （1）ECU直接控制喷油器，延长喷油器喷油时间控制； （2）通过冷起动喷油器对气缸喷入附加燃油来实现。,启动后的控制： （1）以发动机温度为参数修正； （2）加减速时的修正； （3）理论空燃比的反馈修正； （4）空燃比的学习控制修正； （5）大负荷、高转速时燃油增量修正； （6）无效喷射时间修正。,柴油机对可燃混合气含量的校正 发动机在进气行程时，新鲜空气被吸入气缸，在压缩行程接近终了时，由喷油泵将高压柴油喷射到燃烧室中，喷入的柴油迅速雾化、蒸发，与空气混合形成可燃混合气。,柴油机喷油调节时依靠调速器完成的，根据负荷的变化自动调节供油量，以调节可燃混合气的含量，达到稳定

29、怠速、限制超速，或保证发动机在工作转速范围内的任一选定的转速下稳定工作的目的。 机械离心式调速器,2.2.4 提高循环热效率,燃料化学能输出功的能量转换 燃烧效率 、循环热效率 、机械效率 组成,由理想热循环到真实循环引起热效率的损失：,1.工质向外传热的损失：活塞顶面、气缸底面和缸套壁面,2.早燃损失及后燃损失： 汽油机通过调整点火提前角；柴油机通过调整供油提前角,3.换气损失： 排气门开启时自由排气损失；进排气过程中泵气损失,4.不完全燃烧损失： 燃料、空气混合不良，燃烧组织不完善引起的燃料能量不能完全释放,5.缸内流动损失： 压缩、燃烧、膨胀过程中，缸内气流所形成的损失,6.工质泄露损失

30、： 工作过程中活塞环向外泄露,以上为真实循环与理论循环的六个差距 通过学者研究围绕以上各方面改善动力、经济性的方法如下：,（1）提高压缩比来提高内燃机热效率 （2）当燃料在上止点燃烧时，其热工转换负荷高 （3）稀混合气的采用有利于提高热效率,2.2.5提高发动机的压缩比,压缩比：活塞在下止点时活塞上部的容积与活塞在上止点时活塞上部的容积之比,定容加热循环热效率与压缩比的关系:, 发动机压缩比 等熵指数,提高压缩比： 1.气缸内混合气压缩终了时温度、压力随之升高，改善燃烧条件减少不完全燃烧和传热顺时。,2.被燃烧气体膨胀充分，燃烧完全,3.有利于燃烧稀混合气体。,因此，同升量的发动机，选择较大的

31、压缩比，不但可以获得较大的热效率，同时可以使用燃料更加经济。,但在实际工况中不能随意增加压缩比,汽油机：汽油一定辛烷值下，提高压缩比容易导致爆燃。 （压缩比选择以不发生爆燃为前提）,柴油机：压缩比过大使得零件负荷过大，加速零件磨损并降低机械效率，同时燃油消耗率也会提高。（压缩比选择以保证柴油机冷启动和最大负荷以及气体的污染排放有关）,爆燃一般是发生在大负荷或则全负荷运转时，为了满足全负荷的要求，则需要汽车降低自身压缩比，是否可以根据不同工况选择不同的压缩比？,采用可变压缩比的方法：,改变活塞行程；改变燃烧室容积,根据工况不同选择双燃料供给系统： 在部分负荷时，供给不含铅的低辛烷值汽油，减少燃料

32、费用和排放污染；全负荷时供给高辛烷汽油,2.3 发动机节能技术,2.3.1 发动机稀燃技术,稀燃：稀薄燃烧的简称，指发动机在实际空燃比大于理论空燃比的情况下的燃烧，空燃比可达25：1，甚至更高。,稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念，只要 空燃比17，且保证动力性能，就可以称为稀薄燃烧汽油机。,稀燃技术在理论上可以节能，但在实际工作过程中却存在问题,A. 混合气过稀燃烧速度过慢燃烧速度下降补燃增加，热工转换的效率下降热效率低,B. 燃烧速度降低混合气发热量渐小指示功渐小，机械效率下降,C. 混合气过稀发动机对混合气的分配及混合气成分的均匀性更加敏感循环变动率增加，缸失火率增加。,稀燃汽油机可分为

33、两大类： 一类是均质稀燃，另一类为分层稀燃。,一.燃用稀混合气的技术途经,（1）使汽油充分雾化并保证混合气混合均匀及各缸混合气分配均匀。,解决途经：在预热；增加进气流速度、扰动；增加汽油乳化度；汽油分子磁化等方面。,（2）采用结构紧凑的燃烧室。,（3）加快燃烧速度,解决途径：组织缸内的气体运动；提高压缩比,第三气门喷射系统,（4） 提高点火能量，延长点火持续时间,解决途径：高能点火；宽间隙火花塞；双火花塞；多火花塞,（5）采用分层燃烧技术,二. 分层燃烧（充气）技术,分层燃烧：火花塞附近局部区域内，供给适宜点火的浓混合气，而在其他区域供给相当稀的混合气,两级分层燃烧发动机中，浓混合气用火花塞点

34、燃，并在循环的高温、高压、高速下进行；尚未燃烧的混合气和浓混合气的部分，由火花塞6进入无火花塞腔，改善无火花塞腔气体成分，被点燃。,三. 典型分层充气系统,按燃油喷射形式可分为： 气道喷射（PFI）稀燃系统、直接喷射（GDI）稀燃系统 PFI按混合气的不同组织方式可分为 轴向（涡流）分层稀燃系统、纵向（滚流）分层稀燃系统,1.轴向（涡流）分层系统： 丰田公司的气道喷射第三代稀燃系统 本田VTEC-E 马自达公司的稀燃系统,轴向分层稀薄燃烧：一般是使燃油在进气晚期喷入气缸，浓混合气聚集在气缸上部火花塞四周，通过缸内强的涡流运动来维持混合气的分层，达到稀薄燃烧的目的。,2.直接喷射稀燃系统GDI

35、将喷油器直接伸入到燃烧室内，根据供油需要，直接将燃油喷射到燃烧室，并通过进气与喷油时刻的合理匹配，使得火花塞附件的局部区域混合气较浓，而其他区域混合气较稀的分层燃烧系统。,代表：丰田公司的D-4 日产的NEODI,2.3.2 发动机的增压技术,增压：对新鲜空气进行预压缩的过程。,是发动机提高功率最有效的方法之一,可知，通过以下办法可以提高功率：,1）加大汽缸总排量，即增加气缸数，增大气缸直径、行程； 2）提高转速； 3）提高平均有效压力。,增压技术在汽油机上应用难于柴油机 （1）汽油机增压后爆燃倾向增加； （2）汽油机混合气过量空气系数小，燃烧温度高，所以汽油机的涡轮增压器热负荷大； （3）车

36、用汽油机工况变化频繁，转速和功率范围广使得增压器与汽油机匹配困难。,解决措施： 电喷技术的发展及小型增压器性能的改善。,目前发动机增压方式主要有：机械增压 废气涡轮增压 气波增压 复合增压,涡轮增压器,目前常用由排气驱动的涡轮机拖动压力机来提高进气压力增加进气量的废气涡轮增压技术。,2.3.3 燃油掺水节油技术,燃油掺水乳化的目的：节约能源、保护环境,掺水乳化节油原理：微爆理论，油为连续相，水为分散相，水以微小的颗粒分散地悬浮在油中，乳化油在喷油器中首先被雾化一次；在气缸中乳化油在喷雾燃烧时，由于水的沸点比油低，在高温条件下，油中水珠迅速气化，使油膜发生爆炸性破裂，二次雾化。,1.掺水乳化节油

37、原理,（1）节油。平均节油率大于等于10%。是缓解燃油紧张局面的高新技术产品，具有企业和社会的双重节能效率。 （2）乳化油燃烧稳定，雾化状态好，火焰温度高。水在乳化油中不仅起到了二次雾化作用，而且产生水煤气反应，引发了剧烈的支链反应，改善了燃烧过程，强化了燃烧，增强了辐射传热效果。 （3）燃烧产物少，有利于减少污染，优化环境。由于乳化油燃烧充分，减少了烟尘的形成，特别是减少碳黑在各种受热面上的沉积，从而提高设备的利用率，降低排烟损失。 （4）常温常态下储存，运输安全，冬季不易凝聚，利于用户的保管和使用。 （5）价格低于市场同类成品油的市售价。,乳化油优点：,2. 燃油掺水乳化方法：,掺水乳化的

38、效果评价：,取决于油包水型粒径的大小、均匀度和稳定性，即乳化的质量。,乳化的方法： （1）机械混合法 （2）超声波乳化法 （3）乳化剂法,2.3.4 发动机可变气缸排量技术,目的：发动机在不同工况下所需要的最大功率有所不 同，为了降低在低功率状态下发动机的燃油消耗 率和排放污染。,工作原理：在中低负荷的情况下，使部分气缸停止工作， 增加工作气缸的负荷率，使之工作点落入低燃 油消耗率和低排放工作区内，改善车辆排放性 和经济性；在大功率时，让全部气缸参与工 作，不影响发动机的动力性。,2.3.5发动机可变配气正时技术,包括：可变气门正时和可变气门升程技术,配气机构的功能： 按照一定时限自动开启或关

39、闭各气缸的进、排气门，从而使空气及时通过进气门向气缸内供给新鲜空气或则可燃混合气，并且及时将燃烧做功后形成的废气从排气门排出，实现发动机气缸唤起补给的整个过程。,气门,门,门的开启大小和时间长短决定人流量 门前设置栅栏控制人流状态,气门升程（门开启角度）,正时（门开启时间）,发动机可变气门技术就是为了让发动机能够根据不同的负荷情况，自由调整“呼吸”，从而提升动力表现，使燃烧更有效率。,可变进气歧管技术（进气状态）,VVTI：系统由ECU协调控制，来自发动机各部位的传感器随时向ECU报告运转工况。由于在ECU中储存有气门最佳正时参数，所以ECU会随时控制凸轮轴正时控制液压阀，根据发动机转速调整气

40、门的开启时间，或提前，或滞后，或保持不变。,气门正时只能增加或缩小气门开启时间，不能有效改善气缸内单位时间的进气量，所以只能提高发动机效率和燃油经济性，但对发动机性能提升作用不大。,可变气门升程技术（VTEC）：使发动机在不同转速下匹配合适的气门升程，使得低转速下扭矩充沛，而高转速时马力强劲。 低转速时系统使用较小的气门升程，有利于增加缸内紊流提高燃烧速度，增加扭矩。 高转速时使用较大的气门升程，有显著提高进气量，提高输出功率。,但这是由ECU储存参数确定属于分段可变气门升程技术，动力输出有所改善，但不够线性。 日产和宝马的连续可变气门升程技术,2.3.6可变进气歧管技术（VGIS）,ECU根

41、据发动机的转速和负荷的变化改变进气通道的长度 高速时减短进气通道以减少流动损失，提高功率 低速时增加进气通道以增加流速，充气效率增加， 提高扭矩。,采用 可变进气歧管长度 可变进气共振技术,2.3.7 汽油机燃油喷射与点火系统的电子控制技术,汽油电喷技术：利用油泵、油嘴直接将计量好的汽油在进气过程中喷到气缸口或缸内，实现预混合的一种技术。,1. 汽油机电喷技术,电控燃油喷射，就是测量吸入发动机的空气量，再把适量的汽油采取高压喷射的方式供给发动机，把控制空气和汽油混合比的计算机控制过程称为电子控制燃油喷射。,功能的实现通过：电喷装置,电喷发动机是采用电子控制装置，取代传统的机械系统(如化油器)来

42、控制发动机的供油过程。 如汽油机电喷系统就是通过各种传感器将发动机的温度、空燃比油门状况、发动机的转速、负荷、曲轴位置、车辆行驶状况等信号输入电子控制装置，电子控制装置根据这些信号参数计算并控制发动机各气缸所需要的喷油量和喷油时刻，将汽油在一定压力下通过喷油器喷入到进入气管中雾化。并与进入的空气气流混合，进入燃烧室燃烧从而确保发动机和催化转化器始终工作在最佳状态。这种由电子系统控制将燃料由喷油器喷入发动机进气系统中的发动机称为电喷发动机。目前在市场上，由于电喷车在动力、经济性和排放上的全面优势，使用化油器的家用车已被淘汰。,2. 复合功能的电控多点燃油喷射与点火系统,单点喷油系统：在原汽油机化

43、油器喉管位置处，设置一个喷嘴供各缸用。英文缩写SPl 多点喷油系统：各缸有单独的喷嘴供油。英文缩写为MPI（目前广泛使用）,电喷发动机按喷油器数量可分为多点喷射和单点喷射。,3. 电子控制燃油喷射系统的优越性,（1） 采用电控技术减少了排气污染，降低了发动机的燃油消耗，可以满足更严格的排放法规要求；,（2） 电控单元（ECU）对节气门的变化反应迅速，使发动机的操纵性能和加速性能改善，并且能保持良好的动力性能指标；允许发动机采用更高的压缩比，提高了发动机的热效率，可以减少发动机的爆震倾向；,（3） 电控喷射系统的适应性较强，对于不同的型号的发动机只需改变ECU芯片中的“脉谱图”，而同一种油泵、喷

44、嘴、ECU等能够被使用在许多不同规格型号的产品中，便于形成系列产品。,2.3.8 柴油机燃油喷射系统的电子控制技术,1. 柴油机燃油喷射系统的发展简述,柴油机电子控制技术始于20世纪70年代， 20世纪80年代以来，英国卢卡斯公司、德国博世公司、奔驰汽车公司、美国通用的底特律柴油机公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十铃汽车公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满足日益严格的排放法规要求。,现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到60%以上。,2. 电

45、喷柴油机工作原理,采用电子控制燃油喷射及排放的柴油机即为电喷柴油机。 功能实现依靠电子喷射装置,柴油机问世以来的三个里程碑：机械喷射技术、增压技术、电控喷射技术,（1）工作原理,电喷柴油喷射系统由传感器、ECU(计算机)和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、油门踏板位置、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却水温度等传感器，将实时检测的参数同时输入计算机(ECU)，与已储存的设定参数值或参数图谱(MAP图)进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据ECU指令控制喷油量(供油齿条位置或

46、电磁阀关闭持续时间)和喷油正时(正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点)，同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达到最佳。,3. 柴油机燃油喷射系统的类型与性能特点,位置控制制式 时间控制制式,位置控制制式：不改变传统喷油系统结构，只是由电控装置取代机械调速器和提前角，对油量调节杆和溢流环套的位置，及油泵主、从动轴的相互位置进行低频连续调节，实现油量和时间的控制。,时间控制制式：利用电磁溢流阀来直接控制喷油始点和喷油量，可以实现每缸一阀、分缸调控和响应快的优点，为目前的柴油机电喷系统的主要发展方向。,柴油机电控技术的特点：,柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统

47、都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。 电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比(汽油与空气的比例)，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置(油门、供油拉杆位置)来决定的。 柴油机电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。,2.3.9 陶瓷发动机,目的：减小发动机能量损失中的绝大部分冷却损失和排 气损失。,需要解决的问题： 1.各种新型陶瓷材料及其生产工艺的研究； 2.高温润滑的研究； 3.开发陶瓷发动机的计算机分析与实验分析方法。,2.4 发动

48、机的节能装置,2.4.1 火花塞二次空气导入环（节油环）,1.节油环的作用,使得气缸能二次吸入空气，以提高混合气的燃烧速度，使燃烧更完全。,（2）节油环导入汽缸中的新鲜空气涡流在压缩过程中变为强烈的同方向涡流，加强雾化，使得燃烧充分，减少积炭现象，延长火花塞和气门的使用寿命。,（1）可以降低排气行程后残余气体的量和温度，扫除火花塞周围的废气，使混合气易于燃烧，提高怠速和低效率时工作稳定性。,（3）新充入空气，增加充气效率，提高效率，提升加速、爬坡性能。,（4）有利于对火花塞的冷却，减少产生爆燃的可能性。,（5）同时燃烧完全，减少排气污染。,3. 使用节油环时注意问题,（1）节油环一定要配装在长型火花塞上。,（2）需要定期清理螺纹间隙，防止空气阻塞。,（3）保持节油环清洁。,2.4.2 发动机磁化节油器,主要目的：加强对油的雾化，提高燃油活性， 清除积碳，节油消烟,1. 工作原理,应用电磁原理，通过高效磁刚，使