现代汽车技术论文-现代汽油发动机新技术及其应用现状.doc

西安交通大学现代汽车技术（论文）西安交通大学现代汽车技术（论文）现代汽油发动机新技术及其应用现状年 级: 2011级 学 号: 姓 名: 武 专 业: 能动D11 指导老师: 胡二江 二零一四年十二月目 录摘要1关键词1前言11 多气门与气门可控技术12 双顶置凸轮轴33 可变进气歧管34 汽油机直喷和稀薄燃烧技术术45 均质压燃技术66 涡轮增压中冷77 控燃烧速率88 可变压缩比89 双火花塞点火910 停缸技术911全铝发动机及轻量化9小结10参考文献11现代汽油发动机的新技术及其应用现状摘 要：简要介绍了近几年来广泛研究和应用的汽油机新技术，并就其基本原理，优缺点和发展前景进行了讨论。关键词：汽油发动机 新技术 动力性 经济性 排放性前言内燃机是燃料在机器内部燃烧而将能量释放做功的机器，主要分为点燃式发动机（汽油机，也可燃用其他燃料）和压燃式发动机（柴油机，也可燃用其他燃料）。最早用于使发动机做功的是煤气，1900年之后原油中的轻馏分油（汽油）成为商品，出现了各种将油料汽化并与空气混合的化油器。为了避免爆燃，这个时期的汽油机压缩比用得比较低。第一次世界大战后，对爆燃问题有了进一步的理解，1923年美国开始将四乙铅作为汽油的添加剂。Eugene Houdry 发明了催化裂化法,既提高了汽油的产量，同时是汽油获得了越来越好的抗爆性，是汽油机的压缩比不断增加，提高了发动机的动力性和经济性。1902年法国的Louis Renault 提出了增加缸内压力的发明专利，也就是后来被广泛接受的机械增压。1915年瑞士工程师Alfred Buchi将增压器的机械驱动改为发动机的排气涡轮驱动，这就是第一台用于内燃机的涡轮增压的雏形。第二次世界大战后，增压技术逐步扩展到汽油机中。近30年，影响发动机设计和运行的主要因素是控制发动机对环境的污染。随着有严重空气污染事件的频繁出现，汽车尾气中所含的氮氧化物、碳氢化物及一氧化碳成为了现代汽油机设计致力减少的焦点。20世纪70年代尤其是近10年来，石油危机导致原油价格成倍上涨，引发对发动机燃油经济性的重视。内燃机和汽车给世界带来了现代物质文明，在经过一个世纪的发展之后，它的发展远远没有达到顶点，在动力性、经济性和污染物控制方面还在不断改进。就汽油发动机而言，在市场竞争和排放法规的双重影响下，缸内直喷（GDI）、均质混合气压缩燃烧（HCCI）、可变气门正时、涡轮增压中冷及废气再循环等新技术应运而生，为汽油机行业发展提出了新的机遇和挑战。1 多气门与气门可控技术传统的发动机多是每缸一个进气门和一个排气门，这种二气门配气机构相对比较简单，制造成本也低，对于输出功率要求不太高的普通发动机来说，就能获得较为满意的发动机输出功率与扭矩性能。排量较大、功率较大的发动机要采用多气门技术，最简单的多气门技术是三气门结构。采用多气门结构可增加燃烧室的进气量，减少进气阻力，使进气和排气过程更加平稳；提高充气效率，使燃烧过程更迅速、更完全从而达到更高的性能和更低的油耗。汽油机采用多气门技术后，可降低HC和NOx的排放，降低油耗。目前每缸两进两排的四气门发动机已成为轿车用汽油机的主要趋势，每缸两进一排的三气门发动机退出市场，而五气门技术由于其控制机构更加复杂导致成本增加，一直只在部分高端发动机上采用。在发动机设计中，为了提高标定功率，要提早开启、推迟关闭进气门，并提高进气门升程；为了提高低速扭矩，要提早关闭进气门；为了改善起动性能并提高怠速稳定性，则要推迟开启进气门，减小进排气门同时开启的重叠角。同时，在大负荷高转速条件下，大的进排气门升程，有利于提高气缸充气效率并减小进气阻力损失；而在小负荷低转速条件下，小的进排气门升程，其节流效应则更有利于形成良好的可燃混合气，从而使燃烧更为充分、稳定，对提高燃料的燃烧效率将起到明显的促进作用，最终实现汽油机燃油经济性的提高和尾气排放的改善。要兼顾车用汽油机在高速和低速、大负荷和中低负荷下对进排气的要求必须采用气门可变控制技术，包括可变气门正时技术和可变凸轮型线技术。可变气门正时系统如VVT以及广泛采用的连续可变气门正时CVVT。系统的最大特点是可根据发动机的状态控制进气凸轮轴，通过调整凸轮轴转角对配气正时进行优化，以获得最佳的配气正时。从而在所有速度范围内提高发动机动力性、经济性及排放性能。但是单纯的可变气门正时技术并不能实现气门升程的可变调节，来更好的适应高速大负荷、低速小负荷等工况变化，而且大部分可变气门正时技术仅仅是凸轮相位的整体移动，很难完全适应各种复杂工况的要求。可变凸轮型线技术如本田的VTEC(Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System)。与普通发动机相比，VTEC发动机在凸轮与摇臂的数目及控制方法上有明显不同，它有中低速和高速两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统进行自动转换，很好的保证了发动机低负荷时的经济型和高负荷时的动力输出。但是VTEC在改变凸轮型线时，会使气门升程的跨度很大，在低速时虽然经济性很好但是会显得动力不足；高转速时动力较强，但油耗增大。加上又是分段调节，导致发动机的功率输出不够平顺。在此基础上研发了VTC(Variable timing control)的装置，即进气凸轮轴可变控制机构，使发动机在大范围转速内都能有合适的配气相位，这在很大程度上提高了发动机的性能。由于采用的是传动相对简单的一组或两组凸轮，上述被广泛采用的气门可变技术均不能做到发动机气门和升程的完全灵活可变控制。BMW公司开发的机械式全可变气门升程机构Valvetronic，通过改变凸轮轴与气门之间从动件的运动规律，实现气门升程的改变，再加上双可变凸轮轴控制机构，便构成了全可变气门控制系统，可以不通过节气门调节进气量，大大减少泵气损失。但是这套机构过于复杂，很难在车用发动机上大量推广。未来的技术发展趋势将转向开发全电子气门控制系统。全电子控制气门机构，可以取消汽油机的节气门，进气量大小完全由气门定时和升程决定，这样可以使汽油机燃料经济性进一步提高。西门子VDO汽车公司提供给宝马的电子气门机构，能够连续改变进气门升程，从0.39.7 mm，可以分别适应怠速、减速和全负荷运转等各种工况。特别在低速时消除节气门，可降低泵气损失，提高发动机的效率。2 双顶置凸轮轴DOHC技术DOHC是Double over head camshaft的缩写，多气门发动机较多的采用了双顶置凸轮轴气门驱动机构，由于缩短了凸轮轴与气门之间的距离，省略了气门的挺杆和挺柱，简化了凸轮轴到气门之间的传动机构，将发动机的结构变得更加紧凑；传动距离短，因而系统刚性好，显示出优异的高速动力性能；由于系统零件少，减少了整个系统往复运动的质量，提高了传动效率；DOHC结合液压挺柱技术，自动补偿气门机构的间隙，可以大大减轻气门机构的冲击噪声，因而被广泛应用于车用汽油机。3 可变进气歧管 (VIM) VIMVariable Intake Manifold可变进气歧管可以很好地利用气体脉动效应，提高发动机充气效率及动力性能。当进气门刚打开时，在进气门口处产生一定的真空度，形成气体的膨胀波，膨胀波沿进气歧管传至进气歧管的开口端，然后形成压缩波，经过一段时间间隔后又返回到进气门端。压缩波利于增加充气量，所以希望压缩波与进气脉冲达到最佳匹配，使进气终了时的压缩波的波峰正好到达进气门端口。该最佳匹配取决于进气管长度、发动机转速和进气门迟闭角等因素。目前可变进气歧管大部分被设计成两段或三段可调，长的进气歧管在低转速时使用，短的进气歧管在高转速时使用。 宝马公司在进气机构中间设计了一个转子来控制进气歧管的长度，通过转子角度的变化，使进气气流进入气缸的长度连续可变，动力输出更加线性，扭力分布更加均匀，但整个机构过于庞大、复杂。单纯的两极或三级VIM，与其它可变技术相比，成本相对较低它只需要一些简单的电磁阀和进气管形状的设计就能够实现。VIM最大优势是提高发动机在中低转速时的扭力输出，对燃油经济性和高转速动力影响不大。4 汽油机直喷(GDI)和稀薄燃烧技术 (Lean Stratified)稀薄燃烧技术是汽油机直喷的关键技术之一，就是控制发动机在空燃比AF大于理论空燃比的情况下燃烧。这样，汽油的燃烧会更加完全，有害排放物CO、HC、NOx较低。由于稀燃时燃烧室内的主要成份为02和N2，它们的比热比较小，多变指数k较高，因而热效率高，燃油经济性好。实现稀燃技术的关键是点火瞬时在火花塞处形成易于着火的浓混合气，空燃比AF=1213.5，其余处则为稀的混合气并迅速燃烧。提高稀燃能力的根本在于缩短火焰发展期和燃烧持续时间。由于采用稀燃，使火焰传播速度变慢，必须采取相应的措施来促进缸内混合气分层及加快火焰的传播，提高燃烧速度，减小燃烧循环波动率。由于稀薄燃烧可以大幅提高汽油发动机的燃油经济性，因此，进气道喷射稀燃汽油发动机问世后，能进一步实现更稀薄燃烧的缸内直喷式分层稀燃汽油发动机，在1996年就已进入实用化阶段，并很快得到了推广应用(如图1）图1 采用缸内直喷的汽油机，在低负荷下是用质调节来控制发动机扭矩，无泵气损失，同时由于稀燃技术的运用，减小了热损失，在很大程度上改善了燃油经济性；高负荷时，则是在进气行程中就把燃油喷人气缸，喷油量控制在理论窄燃比附近，经与进气充分混合，形成均质混合气。采用直喷技术的汽油机一般同时采用涡轮增压技术，使发动机获得更好的动力性。缸内直喷发动机的关键技术还包括燃油供给与喷射系统、燃烧系统的优化设计GDI燃油喷射和燃烧过程控制策略等。GDI燃油供给系统主要依靠高精度快速响应的电控系统，燃油喷射系统则主要采用高压共轨系统与电磁驱动喷油器相结合的形式。燃烧系统的优化设计是GDI发动机开发的关键技术，只有通过合理配置燃烧室形状、燃油喷束、气流运动等，特别是优化活塞顶部的设计，才能实现在中小负荷时的分层稀薄和大负荷时的均质预混的要求。由于 GDI发动机的空燃比相对较高，气缸内燃烧温度整体较低，导致气缸内未燃HC 不能完全被氧化，另外由于GDI 发动机在喷油时刻造成的缸内湿壁现象严重，导致活塞腔、进气门底座、排气门底座等区域燃烧不好，造成在中小负荷时HC 排放较高。此外，GDI发动机在低负荷、冷起动和工况转换的状况下尾气颗粒物排放的质量浓度和数量都高于传统的进气发动机。采用稀燃技术的增压直喷汽油机对油品要求较高，国内目前汽油中的烯烃含量及硫等有害物含量高，燃烧后易在燃烧室内和喷嘴周围形成胶质和积碳，导致直喷式喷嘴功能失效。同时过高的成本也是直喷发动机大面积推广的主要障碍，稀燃的直喷汽油机1，NOx在三元催化器中转化率低，排放量高，需要采用专门的NOx后处理装置；喷射压力的提高，需要采用精度更高的喷油器。这些均限制了汽油缸内直喷技术推广。近年来，不采用稀薄燃烧方式的所谓“化学计量比混合汽缸内直喷技术”得到发展和普及，尤其是将缸内直喷技术与涡轮增压及可变气门正时技术相结合的当量比直喷增压汽油发动机。利用缸内直喷的进气冷却效果改善了动力性能和燃油经济性，利用分层燃烧降低了冷态HC排放，此外还由于气门重叠的扫气效果而具有低速扭矩大的优势。欧洲新开发的缸内直喷式汽油发动机大多采用这种当量比直喷技术或者完全以均质混合汽运行，虽然它们的节油效果稍逊色于稀薄分层燃烧，但是开发成本低，实际运行稳定性好。5 均质压燃技术HCCI 汽油和柴油都是从石油中提炼出来的，它们性质差别相当大。汽油易引燃但自燃温度高，相反，柴油自燃温度低但难引燃。汽油机属于预混合均质燃烧，借助火花塞点燃。由于汽油特性和爆震等诸多因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比，使热效率比柴油机低得多。汽油机工况的调节是通过调节进气量来实现的，在部分负荷工况，进气的空气量较小，会产生泵气损失，从而导致汽油机热效率比柴油机低。柴油机是依靠发动机活塞压缩到接近上止点时的高温使燃气自燃着火，属于喷雾扩散燃烧。由于喷雾与空气的混合时间很短，燃料与空气的混合很不均匀，在高温富氧区域产生大量的 NOx 排放，在高温过浓区产生大量碳烟。提高汽油机热效率，降低柴油机碳烟和 NOx排放一直是内燃机领域研究的重点。人们希望通过结合汽油机和柴油机的优点来解决上述问题。均质压燃燃烧技术结合了传统点燃式发动机和压燃式发动机的优点，采用预混合均质混合气、压缩自燃着火的燃烧方式。它可以实现高热效率（高压缩比、减少泵气损失）及超低的NOx和碳烟排放。对于汽油机来说，燃烧技术的关键是提高汽油机热效率，降低油耗。汽油机采用均质压燃可以取消或减小部分负荷和小负荷节气门导致的泵气损失，还可以提高压缩比，此外，它还可以减少燃烧持续期长造成的损失。汽油机均质压燃在实现的技术途径上有两种方案，其一是基于传统气道喷射汽油机技术方案，另一种是基于缸内直喷的技术方案。缸内直喷方案在混合气浓度分层控制上有较大的灵活性，通过缸内多次喷油技术实现混合浓度分层，但控制的难度更大。在中小负荷工况需要通过缸内的残余废气提高混合气能量，使汽油混合气可以压燃，或采用压燃与火花塞点火复合燃烧方式；在大负荷时可以采用外部废气来抑制燃烧反应。因此，可变气门技术是实现均质燃烧的重要基础。HCCI技术的理论效果虽然可观，但目前仍停留在实验阶段，一些技术难关亟需突破。一在燃烧时刻的控制上，HCCI发动机靠汽缸的压力和温度自燃，油气混合气的密度，气缸的温度和压力都需要进行精确的检测和控制，所以发动机的ECU管理程序也要进行相应的加强。二由于HCCI的同时压燃和放热，瞬时间汽缸和活塞会受到强大的压力，有可能会产生爆震的现象，所以必须提高混合气的空燃比（高于传统的14.7：1），这就需要HCCI在稀燃状态下工作，排气的温度也比较低，使得发动机较难采用涡轮增压。以上这些都使得HCCI可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多。另外，低排气温度对催化转化器来说也是一个问题，因为需要相当高的温度才能起动氧化/还原反应。三由于HCCI发动机可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多，所以，在大负荷高转速的时候或者冷机状态下发动机还必须依靠传统的火花塞点火系统，这就间接要求了发动机的压缩比可变，在传统点火模式的时候变回低压缩比。所以气门正时系统及众多的压力传感器也是必须的。所以就现在的限制而言，HCCI汽油发动机还不能实现完全的压燃稀燃模式进行，它只在中低转速的时候介入工作，提高效率，降低油耗。6 涡轮增压中冷 涡轮增压，是一种利用内燃机运作所产生的废气驱动空气压缩机的技术，与机械增压的功能相同。汽油机增压可大幅提高进入气缸的空气充量密度，提高缸内的平均有效压力，从而达到提高功率和改善燃油经济性的目的。但汽油机增压后，由于缸内压缩混合气的温度和压力提高，存在着爆震和运行范围窄等难题，也增加了燃烧室受热零件的热负荷，长期仅限于赛车和高原功率的恢复等特殊领域。些年来，随着技术的日趋成熟完善、制造成本的不断下降，此项技术在更多汽车上得到普及和推广。技术措施包括在涡轮增压器出口与进气管口之间安装中冷器，对进入气缸的空气进行冷却，可以使发动机压缩比保持一定值而不会产生爆燃，同时进气温度降低增加了实际进入气缸的空气量，进一步提高发动机的有效功率；采用复杂的三元曲面超薄壁叶轮适应汽油发动机转速范围宽，空气流量变化大的特点，使涡轮增压器的反应滞后减小；采用爆震传感器，监控发动机爆燃产生的不正常振动，适时调节点火定时等。 对涡轮增压的应用通常有两个选择，一是通过增压降低发动机尺寸，使用小排量增压发动机代替大排量自然吸气发动机，降低油耗；二是将相同排量的自然吸气发动机改为涡轮增压，提高发动机动力性能。积极地以增压为手段开发小型化的缸内直喷式汽油发动机，已成为乘用车汽油发动机发展的主流趋势。在某些附加价值较高的乘用车中，为了改善低速工况和瞬态工况时的增压不足，与车用柴油发动机一样也开始应用可变涡轮喷嘴增压器(VNT)，有的高功率机型更是采用两级涡轮增压。涡轮增压技术也存在某些不足：一些采用涡轮增压技术的汽油机，虽然增压后的扭矩输出特性优异，发动机动力提升效果非常明显，但是在增压器启动之前的低转速区域，压缩比远低同档自然吸气汽油机，燃烧效率低，扭矩输出不足，导致增压介人前后发动机动力变化明显。7 控燃烧速率 (CBR) CBRControlled Burn Rate可控燃烧速率系统是AVL公司提出的一种等控制下的稀燃技术。CBR进气系统被安装在缸盖和进气歧管之间，由双束喷油器、CBR滑板和废气再循环等控制装置构成，进气经过两个不同的气道后分别生成切向涡流和无涡流的中性气流进入气缸。全负荷状态EGR阀关闭、CBR滑板全开，大量的混合气从中性气道进入燃烧室，与切向气道涡流参混，在燃烧室里变成比较平稳的弱涡流状态，混合气处于匀质状态，与MPI发动机相同。部分负荷时将中性进气道部分关闭，双束喷嘴的一束燃油与进入该气道的少量空气混合，形成了富油混合气并进入缸筒，在火花塞附近形成富油区；另一束燃油与进入切向气道里的新鲜空气和大量的EGR废气混合，生成了“贫油”混合气，它在进人气缸后变成强烈绕气缸中心富油区旋转的水平涡流，实现了分层进气和等燃烧，大大提高了稀薄燃烧的速度，改善了燃油经济性。 与缸内直喷的稀燃技术对比，CBR技术采用较低的成本，既实现了一定程度的稀燃又始终控制在=1下工作，因此使用CBR技术+预处理器+三元催化反应器方式就能满足欧洲标准排放法规要求，虽然燃油经济性的提高幅度逊色于缸内直喷技术，但AVL公司认为四气门汽油机采用CBR技术后油耗可以降低7以上。该技术最早在欧宝公司的OPEL Ecotec20 L发动机上得到应用，在油耗和排放方面都收到了良好的效果。目前国内江淮汽车和奇瑞公司在AVL的咨询下分别开发出采用CBR技术的24CBR发动机和ACTECO发动机。8 可变压缩比（VCR）为了充分发挥增压小排量汽油机燃油经济性的潜力，同时在增压汽油机上既有效控制爆震又不牺牲增压器起动前的低速扭矩，最佳的解决方案是采用VCR技术，即Variable Compression Ratio可变压缩比技术。各种改变压缩比的技术都是通过改变发动机排量来实现的，通过压缩比的改变，在小负荷时提高压缩比来提高发动机的热效率；大功率时降低压缩比来提高发动机的功率和扭矩。可变压缩比技术的采用也有利于排放的降低：在起动工况，可变压缩比汽油机可以通过压缩比的改变，降低热效率进而提高单位排量的废气热流量，缩短三效催化转化器起燃时间，明显地降低冷起动和暖机阶段排放。部分负荷工况，针对HC随着压缩比增大而升高的现象，一方面，由于可变压缩比汽油机可以接受较大的排气再循环率，因而能够更多地降低NOX排放；另一方面，在较高负荷下通过提高压缩比能够提高热效率，增大扭矩，可以部分地替代混合气加浓的程度，因而降低对混合气加浓的要求，这样就可以扩大闭环控制的工况范围，进一步降低有害物质CO和HC的排放。可变压缩比对汽油机的动力性和经济性都有明显的改善，但会增加发动机结构设计的复杂性，可以说，对可变压缩比结构设计的研究远大于对燃烧的研究。目前获得可变压缩比的方法包括：移动缸盖；改变燃烧室容积；改变活塞火力岸的高度；改变连杆的几何结构；改变活塞冲程和改变曲轴轴线的位置。以上技术的选择应尽量保证发动机机械结构的紧凑，减小活塞的摩擦功，以抵消多级连接系统带来的摩擦损失。成本也是可变压缩比技术应用需要考虑的重要因素。9 双火花塞点火双火花塞点火系统是在燃烧室两侧布置两个同型号火花塞，这两个火花塞与燃烧室中心的距离相等，发动机怠速或低速运行时仍采用单火花塞点火；随着发动机转速的提高，两个火花塞同时点火，不仅火焰传播距离缩短了一半，而且两个火焰前锋之间形成较强烈的燃烧湍流，大幅度加快了火焰的传播速度。双火花塞点火系统的优点在于使点火的效率更高，着火概率提高一倍；缩短了火焰传播距离的同时加快了火焰的传播速度，缩短了燃烧时间，提高了热效率；实现稳定燃烧，发动机工作更加平稳柔和。除增加了火花塞数量及结构和布置需特殊设计外，无明显缺点。梅赛德斯一奔驰的S级轿车汽油机采用了双火花塞点火系统，以强大的功率输出和低噪声著称。国内如本田飞度的1.3L和思迪1.3L汽油机均采用了双火花塞点火技术。10 停缸技术（Cylinder Deactivation）目前持续飙升的汽油价格和油耗的强制性法规促使停缸技术受到人们的重视，它用低速下停止大排量发动机部分气缸工作的方法达到节省油耗的目的，而在高速下迅速激活所有气缸工作，恢复大排量发动机的澎湃动力。停缸技术早在上世纪70年代就被提出，但因为当时停缸系统增加的成本高于油耗节省下来的费用，技术没有被市场承认。以2005年投放市场采用停缸技术的57升HEMI V8发动机为例，配备了8个可调式滚子挺杆，当车速不超过每小时三十公里，发动机转速在3000转以下时，发动机停止四个气缸工作，相应的配气机构喷油点火系统都被关闭，工作气缸承担更高的负荷，从而减少节气门损失，并且达到更经济的油耗水平。而当加速或需要更大功率时，被停掉了的气门和燃油喷射系统被瞬间激活，恢复V8发动机的强劲动力。11 全铝发动机及轻量化研究表明，汽车整备质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.30.6L。为了减少燃油消耗和降低二氧化碳排放，轿车的轻量化越来越被人们所关注，全铝发动机及轻量化设计的发动机进人了人们的视线。全铝发动机是指缸盖和缸体都是铝合金制造的发动机，轿车汽油机的铝合金缸盖已经被广泛采用了多年，所以现在所谓的全铝发动机就是特指在此基础上缸体采用铝合金材料+铸铁缸套的发动机,甚至还有采用铝质缸套代替铸铁缸套，或者以高硅材料及镀层工艺实现无缸套技术，以及采用胀裂连杆大头等减轻质量的措施。目前汽油发动机上已大多采用的进气模块集成了树脂进气歧管、电控节气门、空气滤清器、燃油管和喷油器等部件；将机油滤清器和机油冷却器集成为