发动机新技术毕业论文

1、 设计（论文）题目：汽车发动机新技术的概况与结构原理 学 院 名 称：内蒙古大学交通学院 专 业：汽 车 运 用 技 术 班 级：汽 车 （15） 班 姓 名：郭 建 平 学 号：5 1 0 3 0 1 9 指 导 教 师：李 春 芾 2013年 04 月 07 日34内蒙古大学交通学院专科毕业论文 目录绪论：一.汽车发电机发展历史回顾 1.1 汽车的起步阶段 1.2 汽油机之前的摸索阶段 1.3 奔驰的单缸二冲程汽油发动机 1.4 四冲程发动机的应用 1.5 化油器发动机的淘汰 1. 6 电喷发动机的应用二.发动机进排气控制技术 2.1 可变气门 2.2 可变气门正时 2.3 可变进气系统三

2、.汽油缸内直喷技术 3.1 缸内直喷技术概念简述 3.2 缸内直喷的优点分析 3.3 缸内直喷的广泛运用 四.发动机均质充量压缩燃烧技术 4.1 发动机均质充量压缩燃烧技术概述 4.2 HCCI的燃烧机理 4.3 HCCI 的优点 4.4 HCCI缺点 4.5 HCCI特点及其重要意义 五 .柴油机电控高压共轨燃油喷射技术 5.1柴油机电控高压共轨燃油喷射技术 5.2电控柴油喷射系统组成 5.3电控高压共轨燃油系统工作原理 5.4电控高压共轨燃油系统的特点六.结论7. 参考文献正文绪论： 21世纪的内燃机将面临来自各方面的挑战,它将义无返顾地朝着节约能源、燃料多样化、提高功率、延长寿命、提高可

3、靠性、降低排放和噪声、减轻质量、缩小体积、降低成本、简化维护保养等方向迅猛发展。 在21世纪,天然气、醇类、植物油及氢等代用燃料将为内燃机增添新的活力,而内燃机电子控制技术在提高品质的同时也延长了内燃机行业的“生命”。新材料、新工艺的技术革命,为21世纪内燃机的发展产生了新的推动力。21世纪的内燃机,将在造福人类的同时不断弥补自身缺陷,以尽可能完美的形象为人类作出新的贡献。一.汽车发电机发展历史回顾1.1 汽车的起步阶段汽车的起步阶段，那时的汽车被马车嘲笑，污染严重，但起步的意义却非同寻常。汽车整体技术日新月异，而作为汽车的心脏发动机技术的进步显得更受关注。如今介绍一辆汽车的发动机时：可变气门

4、正时技术，双顶置凸轮轴技术，缸内直喷技术，VCM汽缸管理技术，涡轮增压技术，等等都已经运用的相当广泛；在用料上也是往轻量化的方向发展：全铝发动机目前的应用已经非常广泛；汽车的污染也是不可避免，于是新能源技术，包括柴油机的高压共轨，燃料电池，混合动力，纯电动，生物燃料技术也已经有普及的趋向，但回顾一下发动机的历史或许更能理解这一百多年来汽车技术所发生的巨大变革。 1.2 汽油机之前的摸索阶段 18世纪中叶，瓦特发明了蒸气机，此后人们开始设想把蒸汽机装到车子上载人。法国的居纽（N.J.Cugnot）是第一个将蒸汽机装到车子上的人。1770年，居纽制作了一辆三轮蒸汽机车。这辆车全长7.23米，时速为

5、3.5公里,是世界上第一辆蒸汽机车。1771年古诺改进了蒸汽汽车，时速可达9.5千米，牵引4-5吨的货物。1858年，定居在法国巴黎的里诺发明了煤气发动机，并于1860年申请了专利。发动机用煤气和空气的混合气体取代往复式蒸汽机的蒸汽，使用电池和感应线圈产生电火花，用电火花将混合气点燃爆发。这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等。煤气机是内燃机的初级产品，因为煤气发动机的压缩比为零。1867年，德国人奥托（Nicolaus August Otto）受里诺研制煤气发动机的启发，对煤气发动机进行了大量的研究，制作了一台卧式气压煤气发动机，后经过改进，于1878年在法国举办的国际展览会上展出了他制作的样

6、品。由于该发动机工作效率高，引起了参观者极大的兴趣。在长期的研究过程中，奥托提出了内燃机的四冲程理论，为内燃机的发明奠定了理论基础。德国人奥姆勒和卡尔本茨根据奥托发动机的原理，各自研制出具有现代意义的汽油发动机，为汽车的发展铺平了道路。1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机，并取得了制造这种发动机的专利权。 1.3 奔驰的单缸二冲程汽油发动机 1886年被视为汽车的诞生日，那辆奔驰一直为人所津津乐道。但是其动力单元却实在“寒酸”：第一辆“三轮奔驰”搭载的卧式单缸二冲程汽油发动机，最高时速16KM每小时。这就是第一辆汽车的发动机，那时勇敢卡尔奔驰的夫人驾驶这辆奔驰1

7、号上坡还需要儿子推车，当然沿途不停的熄火，转向也不灵，回娘家100公里的路程硬是走了一整天。 1.4 四冲程发动机的应用 四冲程发动机其实早就由德国人奥托研制出来了。但应用的汽车上不得不提戴姆勒，他由于协助奥托研制四冲程发动机的原因而成为了第一个将四冲程发动机装上汽车的 人。显然，从四冲程到二冲程是个巨大的进步。四冲程发动机的平衡性与燃烧效率都更加好。如今的汽车发动机技术已经基本全部用的是四冲程技术。而在发动机的基本运行方式确定后，却有人又向传统发出了挑战。1957年，德国人汪克尔发明了转子活塞发动机，这是汽油发动机发展的一个重要分支。转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相

8、结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动。它的零件数比往复活塞式汽油少40%，质量轻、体积小、转速高、功率大。1958年汪克尔将外转子改为固定转子为行星运动，制成功率为22.79千瓦、转速为5500转/分的新型旋转活塞发动机。该机具有重要的开发价值，因而引起各国的重视。日本东洋公司（马自达公司）买下了转子发动机的样机，并把转子发动机装在汽车上，可以说，转子发动机生在德国，长在日本。如今转子发动机依然只是马自达一家公司在用，不知道马自达这门独门技术何时能全面开花。 1.5 化油器发动机的淘汰 发动机的工作形式确定后，就是发动机技术的完善了，随着时间的推移，好多发动机的

9、经典设计都已经不能满足人们的需求了。例如：化油器发动机的淘汰就是一个特例，化油器分为五部分：主供油系统、起动系统、怠速系统、大负荷加浓系统（省油器）和加速系统。五部分的作用在于：根据发动机在不同情况下的需要，将汽油气化，并与空气按一定比例混合成可燃混合气，及时适量进入气缸。化油器的优点有：能够将内燃机的油气比控制在理想的水平上，不论天候、温度，永远进行着一成不变的工作。而且化油器的成本低、可靠度高，维修、保养容易。当然化油器也存在许多弱点：比如，在冷车启动、怠速运转、急加速或低气压环境等，这样固定的供油方式实际上并无法全面满足引擎的运转需求，甚至可能因而产生黑烟、燃烧不全与马力不足等状况。因此

10、，2002年起，中国已经明令禁止销售化油器轿车，此后所有车型都改用电喷发动机。当然目前在马路上跑的还有化油器式的发动机，随着时间的推移，化油器式发动机将彻底退出历史的舞台。 1. 6 电喷发动机的应用.什么是电喷发动机？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）来控制发动机的供油过程。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

11、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。.电喷发动机与化油器式发动机的比较汽油喷射发动机与化油器式发动机相比，突出的优点是能准确控制混合气的质量，保证气缸内的燃料燃烧完全，使废气排放物和燃油消耗都能够降得下来，同时它还提高了发动机的充气效率，增加了发动机的功率和扭矩。电子控制燃油喷射装置的缺点就是成本比化油器高一点，因此价格也就贵一些，故障率虽低,一旦坏了就难以修复(电脑件只能整件更换)，但是与它的运行经济性和环保性相比，这些缺点就微不足道了。 喷射型式分为机械式和电子控制式两种。机械式汽油喷射装置是一种以机械液力

12、控制的喷射技术，早在30年代就应用在飞机发动机，50年代开始应用在德国奔驰300BL轿车发动机上。集成电路的出现使电子技术能在发动机上得到应用，一种更好的汽油喷射装置电子控制汽油喷射技术也就应运而生了。 结构任何一种电子控制汽油喷射装置，都是由喷油油路，传感器组和电子控制单元(微型电脑)三大部分组成。当喷射器安装在原来化油器位置上，称为单点电控燃油喷射装置；当喷射器安装在每个气缸的进气管上，称为多点电控燃油喷射装置。原理喷油油路由电动油泵，燃油滤清器，油压调节器，喷射器等组成，电控单元发出的指令信号可将喷射器头部的针阀打开，将燃油喷出。传感器好似人的眼耳鼻等器官，专门接受温度，混合气浓度，空气

13、流量和压力，曲轴转速等数值并传送给“中枢神经”的电子控制单元。电子控制单元是一个微计算机，内有集成电路以及其它精密的电子元件。它汇集了发动机上各个传感器采集的信号和点火分电器的信号，在千分之几十秒内分析和计算出下一个循环所需供给的油量，并及时向喷射器发出喷油的指令，使燃油和空气形成理想的混合气进入气缸燃烧产生动力。 历史从60年代起，随着汽车数量的日益增多，汽车废气排放物与燃油消耗量的不断上升困扰着人们，迫使人们去寻找一种能使汽车排气净化，节约燃料的新技术装置去取替已有几十年历史的化油器，汽油喷射技术的发明和应用，使人们这一理想能以实现。早在1967年，德国波许公司成功地研制了D型电子控制汽油

14、喷射装置，用在大众轿车上。这种装置是以进气管里面的压力做参数，但是它与化油器相比，仍然存在结构复杂，成本高，不稳定的缺点。针对这些缺点，波许公司又开发了一种称为L型电子控制汽油喷射装置，它以进气管内的空气流量做参数，可以直接按照进气流量与发动机转速的关系确定进气量，据此喷射出相应的汽油。这种装置由于设计合理，工作可靠，广泛为欧洲和日本等汽车制造公司所采用，并奠定了今天电子控制燃油喷射装置的邹型。至1979年起美国的通用，福特，日本的丰田，三菱，日产等汽车公司都推出了各自的电子控制汽油喷射装置，尤其是多气门发动机的推广，使电子控制喷射技术得到迅速的普及和应用。到目前为止，欧美日等主要汽车生产大国

15、的轿车燃油供给系统，95%以上安装了燃油喷射装置。从99年1月1日起，只有采用电子控制汽油喷射装置的轿车才能准予在北京市场上销售。 现在电喷发动机(电子控制汽油喷射式发动机)的使用在轿车中越来越普遍，有消息称化油器式发动机轿车在我国各大城市将很快被“消灭”。因此车主对电喷发动机的了解变得越来越重要，只有了解了电喷发动机的“脾气”，您才能更好地使用和养护爱车。 电喷发动机与化油器式发动机有很大的区别，在使用操作方法上也颇有不同。起动电喷发动机时(包括冷车起动)，一般无需踩油门。因为电喷发动机都有冷起动加浓、自动冷车快怠速功能，能保证发动机不论在冷车或热车状态下顺利起动；在起动发动机之前和起动过程

16、中，像起动化油器式发动机那样反复快速踩油门踏板的方法来增加喷油量的做法是无效的。因为电喷发动机的油门踏板只操纵节气门的开度，它的喷油量完全是电脑根据进气量参数来决定；在油箱缺油状态下，电喷发动机不应较长时间运转。因为电动汽油泵是靠流过汽油泵的燃油来进行冷却的。在油箱缺油状态下长时间运转发动机，会使电动汽油泵因过热而烧坏，所以如果您的爱车是电喷车，当仪表盘上的燃油警告灯亮时，应尽快加油；在发动机运转时不能拔下任何传感器插头，否则会在电脑中显现人为的故障代码，影响维修人员正确地判断和排除故障。 另外要注意的是，尽量不要在电喷车上装用大功率的移动式无线电话系统及无线电设备，以防止无线电信号对电脑工作

17、产生干扰。二.发动机进排气控制技术 2.1 可变气门随着当今世界科技的迅猛发展，汽车领域发展也日新月异，许多新技术、新科技被大量运用在了汽车上。这些技术不断被更新，并趋于日臻完善！其中发动机进气系统部分新就显得尤为重要！进气系统包含了空气滤清器、进气歧管、进气门机构。空气经空气滤清器过滤掉杂质后，流过空气流量计，经由进气道进入进气歧管，与喷油嘴喷出的汽油混合后形成市适当比例的油气，由进气门送入汽缸内点火燃烧，产生动力。 可变气门正时技术几乎已成为当今发动机的标准配置，为了进一步挖掘传统内燃机的潜力，工程人员又在此基础上研发出可变气门升程技术，当二者有效的结合起来时，则为发动机在各种工况和转速下

18、提供了更高的进、排气效率。提升动力的同时，也降低了油耗水平。 2.2 可变气门正时可变气门正时亦称可变配气相位。在发动机运转过程中，有部分工况将会出现一些难以解决的矛盾，比如：如何保证低转速时的扭矩输出、高转速时的功率输出以及在这些工况下的燃油耗量等问题；如果只采用节气门控制的燃油供给方式是难以圆满解决的！现在可以通过可变气门正时和升程、可变进气管道和可变压缩比这些方式来有效地解决。比较典型的是丰田汽车公司的可变配气正时控制机构（VVTi）、本田汽车公司的可变气门正时升程电子控制系统（VTEC）及萨博汽车公司（SAAB）的可变压缩比技术。 丰田可变配气正时控制机构（VVTi）：它能够在维持发动

19、机怠速性能的情况下，有效改善全负荷性能。它可以保持进气门开启的持续角度不变，改变进气门开闭时刻来增加充气量。它由VVT-i控制器、凸轮轴正时机油控制阀和传感器三部分组成，其中传感器有曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器和VVT传感器。丰田VVT-i16气门4缸发动机 在工作过程中，排气凸轮轴由凸轮轴齿形皮带轮驱动，其相对于齿形皮带轮的转角不变。曲轴位置传感器测量曲轴转角，向发动机电子控制单元提供发动机转速信号；凸轮轴位置传感器测量齿形带轮转角；VVT传感器测量进气凸轮轴相对于齿形带轮的转角。它们的信号输入发动机电子控制单元（ECU），ECU根据转速和负荷的要求控制进气凸轮轴正时控制阀，控制器根据指

20、令使进气凸轮轴相对于齿形带旋转一个角度，达到进气门延迟开闭的目的，用以增大高速时的进气迟后角，从而提高气缸的充气效率。 本田可变气门正时升程电子控制系统（VTEC）：VTEC系统由发动机电子控制单元（ECU）控制，ECU接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温）的数据、参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。 一般情况下，汽车发动机每缸气门组只由一组凸轮驱动，而VTEC系统的发动机却有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的智能控制，进行自动转换。它保证了发动机中低

21、速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机不论在任何转速情况下运转均能达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。 MIVEC全称为“Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system”，中文解释为三菱智能可变气门正时与升程管理系统。 装备MIVEC系统的发动机与普通发动机一样采用每缸四气门，两进两排的设计，但不同的是它可以控制每缸两个进气门的开闭大小。如在低速行驶时，MIVEC系统发出指令此时两个进气门中的其中一个升程很小，这时基本就相当于一台两气门发动机。由于只有一个进气门工作，吸入的空气不会通过汽缸中心，所以能产生

22、较强的进气涡流，对于低速行驶，尤其是冷车怠速条件下能增大燃烧速率，使燃烧更充分从而也大大提高了经济性。在我们日常行车中，经常会遇到这种情况，比如堵车时，这时装备了MIVEC系统的发动机比普通发动机能节省不少的燃料。而另一种情况就是当我们需要加速或高转速行驶时，这时MIVEC系统会让两个进气门同时以同样的最大升程开启，这时的进气效率能显著提高，令发动机在高转速运转时能有充足的储备。 当然MIVEC并不是只有这两种可变的工作状态，它可以根据各传感器传来的发动机工况信号来适时调整最合理的配气正时，总而言之 MIVEC可以令发动机时刻处在最佳燃烧状态。萨博（SAAB）可变压缩比技术：一般情况下，发动机

23、气缸的压缩比是不可变动的，原因是燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，在设计中已经确定。不过，为了使得现代发动机能在各种不断变化的工况中发挥更高的效率，来改善发动机的运行性能；气门可变驱动技术已经实现，压缩比这一重要参数虽然过去也曾经有人尝试过，试图由固定不变改为随机应变，但由于改变气缸压缩比必然会涉及到整个发动机结构的改变，难度非常大，因此，这一技术革新进展得非常缓慢。 绅宝（SAAB）开发的SVC发动机以改变气缸压缩比的方式来达到控制发动机的燃油消耗量的目的。它的核心就是在缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的容积，从而

24、改变气缸压缩比。其压缩比可从8:1至14:1之间范围变化。在发动机小负荷时采用高压缩比以实现节约燃油；在发动机大负荷时采用低压缩比，并辅以机械增压器以实现大功率和高转矩输出。SVC发动机采用5缸1.6排量，气缸缸径68mm，冲程88mm，最大功率166kw，最大扭矩305Nm，综合工况油耗比常规发动机降低30%，并能够满足苛刻的欧洲排放标准。 BMW开发的双凸轮轴可变气门正时系统，这是宝马技术发展领域中的又一项成就：Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统根据油门踏板和发动机转速控制扭矩曲线，进气和排气气门正时则根据凸轮轴上可控制的角度按照发动机的运行条件进行无级的精准调节。 在低发动

25、机转速时，移动凸轮轴的位置，使气门延时打开，提高怠速质量并改进功率输出的平稳性。在发动机转速增加时，气门提前打开：增强扭矩，降低油耗并减少排放。高发动机转速时，气门重新又延时打开，为全额功率输出提供条件。 双凸轮轴可变气门正时系统还控制循环返回进气歧管的废气量以增强燃油经济性。系统在发动机预热阶段使用一套专用参数以帮助三元催化转换器更快达到理想工作温度并降低排放。整个过程由车辆的汽油发动机电子控制系统控制。 2.3 可变进气系统若要提高发动机动力性能只有提高充气效率，提高充气效率的途径除了采用增压之外，可以采用适当的配气相位并能随发动机转速不同而变化，也可以利用进气的惯性及谐振效应；这些都是提

26、高充气效率的最佳方式。进气惯性及谐振效应是随着发动机转速、进气管长度及管径大小的变化而变化。在不同转速下，进气管长度应有所不同，才能获得良好的进气惯性效应。因此，只有结合可变配气相位控制，可变进气系统才能适应不同工况的要求，比较全面的提高发动机性能。可变进气系统分为两类：多气门分别投入工作和可变进气道系统；目的都是为了改变进气涡流强度、提高充气效率；或是为了形成谐振及进气脉冲惯性效应，以适应低速及中高速工况都能提高性能的需要。多气门分别投入工作：多气门分别投入工作的方式有以下两种：一是通过凸轮或摇臂控制气门按时开或关；二是在气道中设置旋转阀门，按需要打开或关闭该气门的进气通道；后者比采用凸轮、

27、摇臂控制简单。 可变进气道系统：可变进气道系统是根据发动机不同工况，采用不同长度及容积的进气管向气缸内充气，以便能形成惯性充气效应及谐振脉冲波效应，从而提高充气效率及发动机动力性能。它有三种工作形式：双脉冲进气系统、四气门二段进气系统和三段进气系统。 （1）双脉冲进气系统：双脉冲进气系统由空气室及两根脉冲进气管组成，空气室的入口处设置节气门，与两根直径较大的进气管相连接，作用是在于防止两组（每三缸一组）进气管中谐振空气柱的相互干扰。每根脉冲管子成为形成谐振空气波的通道，分别连接两组气缸。将六缸机的进气道分成前后两组，这就相当于两个三缸机的进气管，每个气缸有240的进气冲程，各气缸之间不会产生进

28、气脉冲波的相互干扰。该系统能够使每个气缸都会产生空气谐振波的动力效应，而直径较大的空气室、中间产生谐振空气波的通道与歧管一起，形成脉冲波谐振循环系统。它的工作分为两段：即低速段（转速4400r/min）。 （2）四气门二段进气系统：二段即低中速段（转速3800r/min）；该进气系统由弯曲的长进气管和短的直进气管与空气室相连接，分别连接到缸盖的两个进气门上。在发动机低、中速工况，动力阀关闭短进气管的通道，空气通过长的弯曲气道向气缸供气，使气流速度增加，并且形成较强的涡流，促进良好混合气的形成。而在高速工况，动力阀打开，额外的空气从空气室经过短进气管进入气缸，改善了容积效率，并且由另一气门进入气

29、缸的这股气流，将低、中速工况形成的涡流改变成滚流运动，更能满足高速高负荷时改善燃烧的需要。可提高气缸充气率，实现提高发动机动力性能的目的。另外，进气管的长度能够在进气门即将关闭时，形成较强的反射压力波峰，增加进入气缸的空气量。这都有助于提高发动机低速时的转矩。 （3）三段进气系统：三段即低速段（转速4000r/min）和高速段（转速5000r/min）；与两段进气系统不同，它由末端连在一起的两根空气室管组成，并布置在V形夹角之间。每根空气室通过三根单独的脉冲管连接到左侧或者右侧的气缸上。每一侧气缸形成独立的三缸机，各缸的进气冲程相位为均匀隔开的240。两根空气室的入口处有各自的节流阀，在两根空

30、气室中部有用阀门控制的连接通道，在空气室末端U形连接管处布置有两个蝶形阀门，在发动机低速工况，两空气室管之间的阀及高速工况用阀关闭。每根空气室管及与其相连接的三根脉冲进气管形成完整的谐振系统，将在一定转速工况下（转速3500r/min），将惯性及波动效应综合在一起，从而使充气效率及转矩达到峰值。 当发动机转速高于3500r/min时，谐振压力波的波幅值变小，因此可变系统的效果也变差，相应地每个气缸的充气效率也会变小。当发动机转速处于40005000r/min之间，即中速工况时，连接两根空气室的阀门打开，因此部分损坏了低速工况谐振压力波频率，然而却在转速为4500r/min的工况下，形成新的谐振

31、压力波峰，从而使更多的空气或混合气进入气缸。当发动机转速进一步提高，如达到5000r/min以上时，短进气道中蝶阀打开，在两个空气室之间的短的及直接通道的空气流动，影响了第二阶段的惯性及脉冲效应。然而在高速范围（50006000r/min）内，通过各缸进气管的脉冲及谐振作用，建立了新的脉冲压力波及效果。于是三阶段的可变进气系统在三段转速范围内都能形成一个高的转矩峰值，从而提高了整个转速范围内的转矩，使转矩特性更平坦，数值更高。 气缸燃烧所必需的空气通过进气歧管进入气缸。较长的进气歧管能使发动机在低转速时获得较大转矩，但在高转速时却会出现较低的最大输出功率这一矛盾；而较短的进气歧管可以使发动机在

32、低转速时获得较小的转矩，但在高转速时却会出现较高的最大输出功率的矛盾。这些矛盾可以通过双级可变进气歧管来解决，可以保证在相应的转速范围内始终具有一定的有效长度，保证低转速时具有较大转矩的同时，在高转速时也具有较高的最大输出功率，保证发动机在高速行驶时具有较好的加速性。可变进气歧管长度控制技术能兼顾高速及低速的不同工况，改善发动机怠速及低速时的性能及稳定性；提高发动机的动力性和经济性；降低发动机的排放。三.汽油缸内直喷技术3.1 缸内直喷技术概念简述缸内直喷又称FSI(Fuel Stratified Injection)，即燃料分层喷射技术，代表着传统汽油引擎的一个发展方向。传统的汽油发动机是通

33、过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，所以希望喷油嘴能够直接将燃油喷入汽缸。在近来各汽车厂商采用的发动机科技中，最炙手可热的技术非缸内直喷莫属。这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含大众（含奥迪）、宝马、梅赛德斯-奔驰、通用以及丰田车系上。3.2 缸内直喷的优点分析汽油缸内直接喷射从油气混合机理上可以解决变工况(如车辆加速时)和冷启动时油气混合不足的问题。早期的缸内直喷式汽油机因喷射技术水平的限制，喷雾油滴的直径约为80m。计算

34、表明，一滴这样大小的油滴在200空气中需要大约55ms才能完全蒸发。如果发动机的转速为1500r/min的话，这段时间相当于495CA(曲轴转角)。显然，蒸发时间过长，在这种情况下油气混合不能主要依靠喷雾来实现。随着汽油喷射技术的进步，现代缸内直喷式汽油机应用的汽油泵的供油压力已达到512MPa，又采用带旋流的喷油嘴，雾化性能得以提高，喷雾的油滴直径约为20m，喷雾锥角可达50100，常压下的贯穿度约为100mm 。此时一滴20m 的油滴在上述同样情况下仅需3.4 ms或31CA就能完全蒸发，因而汽油的蒸发和与空气的混合可主要依靠喷雾来实现，再加上缸内空气运动的辅助，变工况(如车辆加速时)和冷

35、启动时不再需要过量喷油，冷启动喷油量得以大大减少(图1)，有害物排放也将大为降低。同时，由于汽油直接喷入汽缸内，消除了进气道喷射时形成壁面油膜的弊病，特别是在发动机尚未暖机的状态下，因而能改善变工况时对空燃比的控制，不但能改善车辆的加速响应性，而且还能降低此时的有害物排放。此外，缸内直接喷射还可带来很多其它好处，从而有利于降低燃油耗，达到节能和减少温室气体二氧化碳排放的目标。例如：汽油在缸内直接喷射时油滴主要依靠从缸内空气中吸热而非从壁面吸热，因而能使混合汽的温度降低和体积减小，从而有利于提高充气效率，降低爆震倾向和提高压缩比。计算表明，在汽油油滴蒸发完全依靠从空气中吸热或者完全依靠从壁面吸热

36、这两种极端情况下，缸内混合汽的体积在空燃比为12.5时将相差大约7，而混合汽的温度在上止点前将相差大约50。因此，与进气道喷射汽油机相比，缸内直喷式汽油机的充气效率提高了10，同时爆震倾向也大为降低，表现在受爆震限制的点火时刻可提前若干曲轴转角，因而压缩比可提高1.52，有利于提高汽油机的热效率，降低燃油耗(约2%)。特别是有利于汽油机采用增压，并应用较高的压缩比，克服了由于增压汽油机压缩比较小而对部分负荷燃油耗所带来的不利影响，同时提高了增压汽油机在2500r/min以下低转速范围内的增压压力，1200r/min时的扭矩能够提高25%，大大改善汽油机的低速扭矩特性和车辆的行驶性能。此外，由于

37、汽油直接喷入汽缸内，可实现稀薄混合汽分层燃烧，使得低负荷工况时的空燃比可提高到40以上，从而无需关小节气门来限制进气量，采用像柴油机那样的质调节方式，基本上避免了发动机在换气过程中的泵气损失，有利于降低燃油耗。同时，在高空燃比情况下，由于混合汽物性的改变、绝热指数的增加以及混合汽分层致使热损失减少，使得发动机的热效率进一步提高。由于汽车发动机经常在低负荷工况下运行，因此分层混合汽燃烧的直喷式汽油机可使平均燃油耗降低1520。在欧洲机动车排放组合循环(MVEG)行驶试验中，其燃油耗明显低于进气道喷射汽油机已达到了相当于非直喷式柴油机的燃油耗水平 。3.3 缸内直喷的广泛运用 在近来各厂采用的发动

38、机科技中，最炙手可热的技术非缸内直喷莫属。这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含VAG、BMW、Mercedes-Benz、GM以及Toyota(Lexus)车系上。缸内直喷技术在VAG集团中被广泛运用，由Audi RS4和R8共享的4.2升FSI发动机即是其中性能强悍的代表作。其中VAG集团可以算是导入缸内直喷科技最具代表性的例子，目前包含Audi和VW都已将名为FSI的缸内直喷发动机列为旗下车款的高阶动力来源，而且在Audi和VW车系的顶级车上，甚至更以FSI结合上涡轮增压以增大动力。供油系统采用缸内直喷设计的最大优势，就在于燃油是以极高压力直接注入于燃烧室中，因此除了喷油嘴

39、的构造和位置都异于传统供油系统，在油气的雾化和混合效率上也更为优异。加上近来车上各项电子系统的控制技术大幅进步，计算机对于进气量与喷油时机的判读与控制也愈加精准，因此在搭配上缸内直喷技术以使得发动机的燃烧效率大幅提升下，除了发动机得以产生更大动力，对于环保和节能也都有正面的帮助。但是缸内直喷科技也并非无敌，因为从经济层面来看，采用缸内直喷的供油系统除了在研发过程必须花费更大成本，在部品构成复杂且精密的情况下，零组件的价格也比起传统供油系统来得昂贵，因此这些也都是未来缸内直喷发动机尚待克服的要素。四.发动机均质充量压缩燃烧技术4.1 发动机均质充量压缩燃烧技术概述依靠预混合燃烧 形成的均匀混合气

40、和低温燃烧较低的缸内温度来同时降低碳烟和 NOX 排放。这种燃烧方式被称作均质充量压缩燃烧,即 HCCI。均质混合气压燃燃烧方式的出现, 有效地解 决了传统均质稀薄点燃燃烧速度慢的缺点, 是有 别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非 均质压燃扩散燃烧和 GDI 发动机分层稀薄燃烧方式的第四种燃烧方式.4.2 HCCI的燃烧机理 HCCI燃烧的能量释放过程是受多种化学动力学因素支配的，这些因素进而又受流体静力学和热力学状态历程的影响。普遍认为，燃烧的引发受化学动力学的控制，因为缸内的混合气受到压缩，温度和压力上升。温度和压力的时间历程、压缩冲程结束时的缸内温度和压力、燃油的自燃特性和残余废气

41、量，连同O2的浓度、不同的燃油含量和燃烧产物，共同支配着燃烧开始的方式。因此，HCCI燃烧具有非常小的循环偏差，而且不存在火焰传播过程。 为了获得HCCI燃烧，要考虑各种不同的参数。压缩冲程结束时的缸内温度和压力、燃油的自燃特性和残余废气量都会影响HCCI的点燃过程。与火花点燃式发动机相比，HCCI发动机压缩冲程结束时的温度必须更高一些，以便使得传统的用于火花点燃式发动机的燃油也能够自燃。4.3 HCCI 的优点装备HCCI技术的发动机的技术结构比一般发动机要复杂(相比那些“经典”发动机)，当汽油机的压缩冲程快结束时，汽油通过直喷油咀喷进汽缸，HCCI发动机压缩比比普通的汽油机高，所以喷出的小

42、油滴在压缩冲程完成时有时间在汽缸内形成均匀的分布，这时汽缸的压力足够使均匀分布的油滴自动压燃，所有的燃料都在同一时间点燃，所以提高了燃油的使用效率（传统的汽油和柴油机都是非均匀的扩散式燃烧，在扩散的同时浪费了部分的能量）而且由于它采用压缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。HCCI发动机的燃烧温度低，对燃烧室壁的传热很低，能够减少辐射热的传递，还能大幅降低氮氧化合物的形成。另一个特点是燃烧周期很短。因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程的支配，能够使得燃烧周期比传统的柴油机短。而且它采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的

43、范围内变动。可以采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法。但也有人试图用柴油作为HCCI燃料，效果远不及汽油，为什么呢？因为汽油有较高的挥发性，能够在汽缸内尽快与空气混合形成均匀的油气混合气，而柴油沸点高，与空气较难混合均匀。4.4 HCCI缺点 那HCCI技术那么好，为什么还不马上推广大量是用呢？原来现在的HCCI技术还有一些技术难关。 一在然烧时刻的控制上，HCCI发动机靠汽缸的压力和温度自燃，油气混合气的密度，汽缸的温度和压力都需要进行精确的检测和控

44、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，所以必须降低混合气的空燃比（低于传统的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。 三也就由于刚才我们讲到的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

45、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。 实际运用在HCCI技术的研发上，奔驰和GM走在了前列，以奔驰的07年的F700概念车为例，其DiseOtto 1.8T直4 CGI直喷发动机在采用HCCI技术后，输出功率达到238hp，最大扭矩达到400。 HCCI 燃烧方式综合了传统的压燃式发动机 和传统的火花点火式发动机的优点。热效率高HCCI 燃烧与传统的柴油机相比,可以减少

46、90%98%的 NOX 排放。 HCCI燃烧会产生低水平的烟雾和微粒排放。然而, HCCI 燃烧方式也具有 运行范围有限。发动机采用 HCCI 方式运行受到失火(混合气过稀)和敲缸(混合气过浓)的限制.HC 和 CO 排放较高。4.5 HCCI特点及其重要意义 HCCI发动机是一种全新的内燃机燃烧概念，既不同于柴油机（非均质充量压缩点燃），又不同于汽油机（均质充量火花点燃），是一种火花点燃式发动机和压缩点燃式发动机概念的混合体。1 采用均质混合气。空气和燃油在HCCI发动机的进气系统中预混合，形成均质的空气/燃油混合气，然后吸入气缸进行压缩。也有燃油直接喷入气缸、在气缸内与空气进行预混合的。

47、2 采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气温度升高，达到自燃温度而自燃；也就是说，不需要任何点火系统。 3 采用比火花点燃式发动机高得多的压缩比，且允许压缩比在一个广阔的范围内变动。 4 为了使均质混合气能够通过压缩而点燃，必要时需对吸入空气进行加热。 5 由于压缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。 6 既然均质混合气是自燃的，所以燃烧大体上是整个气缸内同时开始的。可以采用过量空气或者残余废气达到高度稀释的混合气。 7 HCCI发动机采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油

48、作为主要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法。也有人试图用柴油作为HCCI燃料，但效果远不及汽油。 HCCI燃烧具有超低的NOX和PM排放，具有很高的能量转换率，这对传统柴油机来说，不但保留了原有的节能优势，还大大降低了排放，使其性能更加完美，这无疑具有很大的发展前景。不过，柴油机HCCI燃烧的HC和CO排放偏高，有待进一步降低。另外，影响柴油HCCI燃烧的因素多，使得难以控制，必然要采用双模式运行方案。即中、低负荷时，采用HCCI燃烧方式；高负荷时，使用传统模式。随着发动机技术的进步，柴油机HCCI

49、燃烧的控制将更加完善，真正达到实用化的目的。5.1柴油机电控高压共轨燃油喷射技术 20世纪40年代电控共轨燃油喷射技术首先在航空发动机上应用，20世纪50年代在赛车发动机上广泛应用。20世纪90年代，柴油机的电控供油系统开始在实际应用中大量使用。主要有日本电装公司和丰田汽车公司ECD-U2系统、博世公司和D-C公司电控共轨式燃油喷射系统。国外在柴油机电控高压共轨燃油喷射系统方面的研究开展得较早而且比较深入，有多种共轨系统已经投产，并与整车进行了匹配应用。日本电装公司的ECD-U2系统是电控高压共轨燃油喷射系统的典型代表，该系统还能实现预喷射和靴型喷射。因柴油机的喷射系统形式多样，国外柴油机的电

50、控系统也形式多样，有直列泵和分配泵的可变预行程 TICS 系统，有基于时间控制泵喷嘴系统，有蓄压共轨系统和高压共轨系统等。各种技术方案都在原有的基础上发展，但高压共轨系统是总的发展方向。电控燃油共轨技术现在已经是柴油和汽油发动机的主要发展趋势，但是在新技术的使用过程中，根据不同发动机的使用特点，使得电控燃油共轨技术在不同的使用条件下，在与发动机系统的匹配上还有很大的发展空间，尤其是在共轨技术的研究与开发方向上。 根据国内到 2000 年实行欧洲 I 号排放法规， 2005 年实行欧洲 II 号排放法规， 2010 年实行欧洲 III 号法规的进度要求，对主要国产喷油泵进行电控系统的开发，包括硬

51、件和软件的开发，并尽快实现产业化，同时要专门组织力量，对主要在中、重型车上使用的高压共轨系统和在轻、轿车上使用的时间控制式 VE 分配泵系统进行联合开发、攻关，到 2005 年前后实现产业化。 5.2电控柴油喷射系统组成 电控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、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与已储存的参数值进行比较，经过处理计算，按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统使柴油机运行状态达到最佳。该柴油机喷油控制是由发动机转速和加速

52、踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。因此，其基本原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信息，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制位置传感器的信号进行反馈修正，从而确定最佳喷油量。 5.3电控高压共轨燃油系统工作原理 柴油机喷油技术经历了传统的纯机械操纵式喷油和现代的电控操纵式喷油两个发展阶段。现代电控燃油喷油技术的崛起，则是计算机技术和传感检测技术迅猛发展的结果。目前，电控喷油技术已从初期的位置控制型发展到时间控制型。共轨式电控燃油喷射技术正是属于后者。共轨电喷技术是指在由高压油泵、压力传感器和电子控制装置（）组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度，因此，也就减少了传统柴油机的缺陷。控制喷油器的喷油量，其大小取决于燃油轨道（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是通过供轨直接或间接的形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的启闭，定时定量的控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳