第二章车用发动机

1、第二章第二章 车用发动机车用发动机本章基本内容及要求本章基本内容及要求v了解车用发动机的分类了解车用发动机的分类v掌握车用汽油机与柴油机的主要区别掌握车用汽油机与柴油机的主要区别（结（结构、工作原理、性能、用途）构、工作原理、性能、用途）v掌握电控燃油喷射系统的分类、组成和掌握电控燃油喷射系统的分类、组成和工作原理工作原理v掌握汽油机点火系统的组成和工作原理掌握汽油机点火系统的组成和工作原理v掌握若干相关的重要概念掌握若干相关的重要概念v车用发动机新技术索引车用发动机新技术索引2.1 车用发动机的分类车用发动机的分类v普通型车用发动机普通型车用发动机 汽油机汽油机 柴油机柴油机v代用燃料发动机

2、代用燃料发动机 LPG、CNG、LNG、甲醇裂解燃料、乙醇裂解燃料、甲醇裂解燃料、乙醇裂解燃料、乙醇重整燃料、二甲醚（乙醇重整燃料、二甲醚（DME）、生物燃料、原）、生物燃料、原油油v新型车用发动机（动力系统）新型车用发动机（动力系统） ZEV：Zero-Emission vehicle FCEV：Fuel Cell Electric Vehicle HEV：Hybrid Electric Vehicle 太阳能太阳能: :车用发动机车用发动机2.2 四冲程汽油机工作原理四冲程汽油机工作原理n内燃机的整个工作过程是有若干个工作内燃机的整个工作过程是有若干个工作循环组成的；循环组成的；n一个工作

3、循环包括：一个工作循环包括：进气进气压缩压缩作功作功排气排气理论上，各历时一个活塞行程理论上，各历时一个活塞行程（180Crank-shaft Angle）以以p-vp-v示功图示功图（内燃机工作过程中，气缸容积与缸内气体内燃机工作过程中，气缸容积与缸内气体压力的变化关系压力的变化关系），说明内燃机的工作原理），说明内燃机的工作原理2.3 车用汽油机总体构造车用汽油机总体构造n曲柄连杆机构曲柄连杆机构n配气机构配气机构n供给系供给系n点火系点火系n冷却系冷却系n润滑系润滑系n起动系起动系 五五 系系 二二 机机 构构车用汽油机车用汽油机车用柴油机车用柴油机 四四 系系 二二 机机 构构2.4

4、汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系1.可燃混合气浓度的表示方法可燃混合气浓度的表示方法空燃比空燃比A/F （AF） 质量空燃比质量空燃比 (m/m) 体积空燃比体积空燃比(v/v)过量空气系数过量空气系数燃燃料料所所需需理理论论空空气气质质量量完完全全燃燃烧烧量量燃燃料料实实际际供供给给的的空空气气质质燃燃烧烧kgkgat11at柴油柴油：14.5汽油汽油：14.8 NG：16.75柴油柴油：84.2汽油汽油：58.4 NG：9.522.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系0.60.70.80.91.01.11.21.31.4AF8.910.4 11.8 13.3 14.8 16.3 17.8

5、19.2 20.7at =1 理论混合气理论混合气 1 稀混合气稀混合气 1 浓混合气浓混合气 =0.4 着火上限着火上限 =1.4 着火下限着火下限at 与与AF的数值的数值对应关系对应关系at2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系n汽油机燃料供给系统发展历程汽油机燃料供给系统发展历程化油器Carburetor电控燃油喷射EFIElectronic Fuel Injection汽油直接喷射GDIGasoline Direct Injection1893-1995-2001.9；机械；机械；AF：11-181957-美美- Bendix ；1967-德德- Bosch 至今；至今；电控；电控

6、；AF：14.71952-德德- Bosch；1996-日日-Mitsubishi、Toyota、大众、大众、Ford、Benz；分层分层-超稀薄；超稀薄；AF：13-402.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系2.电控燃油喷射系统电控燃油喷射系统-EFIvEFI的优点的优点（与化油器相比）（与化油器相比）能实现各稳定工况的最佳能实现各稳定工况的最佳AF控制控制充气效率高，动力性好充气效率高，动力性好油耗低、有害排放低油耗低、有害排放低起动容易，过渡工况性能良好起动容易，过渡工况性能良好为其它新技术的进一步应用提供了可能为其它新技术的进一步应用提供了可能2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系

7、vEFI概况概况n1957年，年，美美Bendix发明；发明； 德德Bosch公司购买其专利生产公司购买其专利生产nEFI的核心：以的核心：以ECU为控制中心，以为控制中心，以多个传多个传感器感器检测到的发动机参数为基础，按检测到的发动机参数为基础，按ECU控控制程序制程序闭环闭环控制喷油量，从而得到各种工况控制喷油量，从而得到各种工况的最佳的最佳AFn目前，所有的汽油发动机均采用了目前，所有的汽油发动机均采用了EFI2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系vEFI分类分类n按喷油器数量分：按喷油器数量分： 单点喷射（单点喷射（SPI）多多点喷射（点喷射（MPI）n按喷射方式分：按喷射方式分：

8、 连续喷射连续喷射间隙喷射间隙喷射n按喷射时序分：按喷射时序分： 同时喷射同时喷射逐缸（次逐缸（次序）喷射序）喷射分组喷射分组喷射2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系n按喷射部位分：按喷射部位分： 向进气歧管内（向进气歧管内（朝进气门朝进气门）喷）喷 向缸内喷（向缸内喷（GDI）n按控制方式分：按控制方式分： 机械控制（机械控制（K-Jetronic） 机械电子控制（机械电子控制（KE-Jetronic） 电子控制（电子控制（EFI）D-EFIL-EFILH-EFIMONO-EFI开环控制开环控制闭环控制闭环控制2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系v典型典型EFI系统介绍（系统介绍（三

9、大类三大类）n机械控制汽油喷射系统（机械控制汽油喷射系统（ K-Jetronic ）2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系K-Jetronic要点：要点：德德Bosch公司公司1967年生产年生产两大特点：两大特点：l以机械液力方式控制混合气的调节和配制以机械液力方式控制混合气的调节和配制l采用定压多点连续喷射采用定压多点连续喷射应用情况：应用情况： Benz 200系列、一汽系列、一汽Audi 100五缸机、五缸机、 Audi 2001B2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系n机械电子控制汽油喷射系统（机械电子控制汽油喷射系统（ KE-Jetronic ）2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃

10、料供给系KE-Jetronic要点：要点：德德Bosch公司公司1982年生产年生产主要特点：主要特点：机械液力控制机械液力控制+电子开环或闭环控制电子开环或闭环控制应用情况：应用情况： Benz 380sel、500sl、190E、 Audi 400S2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系n电子控制汽油喷射系统（电子控制汽油喷射系统（ EFI）lD-EFI（D-Jetronic）2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系主要特点：主要特点：电子控制电子控制多点间隙分组喷射多点间隙分组喷射脉宽控制脉宽控制以发动机进气管压力和转速作为基本控制参数，控制基本循以发动机进气管压力和转速作为基本控制参

11、数，控制基本循环喷油量环喷油量结构简单、工作可靠。但控制精度稍差（结构简单、工作可靠。但控制精度稍差（开环开环）应用情况：应用情况：最早（最早（1967年）年）目前汽车上使用的是改良型（目前汽车上使用的是改良型（闭环闭环）的）的D-JetronicVolkswagen 1600、Benz 250CE、280SE、 TOYOTA HIACE、CROWN、CAMRY、ACCORD 2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系lL-EFI2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系主要特点：主要特点：电子控制电子控制多点间隙分组喷射多点间隙分组喷射脉宽控制脉宽控制以发动机进气量和转速作为基本控制参数以发动机

12、进气量和转速作为基本控制参数采用翼子板采用翼子板 （叶片）式空气流量计，精度较高（叶片）式空气流量计，精度较高应用情况：应用情况：（主要用在（主要用在中低档中低档车上）车上）广泛被欧洲、日本汽车公司采用广泛被欧洲、日本汽车公司采用如：如： 德德BMW、OPEL（奥贝尔、欧宝）（奥贝尔、欧宝） 意意ALFA ROMEO、FIAT 法法RENAULT 日日TOYOTA、NISSAN、MAZDA2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系lLH-EFI（L-EFI的变型系统）的变型系统）2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系主要特点：主要特点：(与与L型不同之处型不同之处)电子控制电子控制多点间隙分组

13、喷射多点间隙分组喷射脉宽控制脉宽控制采用热线式或热膜式空气流量计，采用热线式或热膜式空气流量计，测量精度高测量精度高采用大规模数字集成电路，运算速度快、采用大规模数字集成电路，运算速度快、控制范围广，控制范围广，功能更完善功能更完善应用情况：应用情况：（主要是（主要是中高档中高档轿车）轿车）德德BENZ 600SE 瑞瑞VOLVO 240系列系列 日日NISSAN、MAZDA 626、LS400（凌志）（凌志）如怠速控制、如怠速控制、 传感器闭环排传感器闭环排放控制放控制2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系lSPI TBI系统系统 GM公司公司 CFI系统系统 FORD公司公司 ECI系统

14、系统 MITSUBISHI公司公司 Mono-Jetronic BOSCH公司公司 典型的典型的SPI有有Throttle Body Injection 节气门体(燃油)喷射Center Fuel Injection 中央燃油喷射Electronically Controlled Injection 2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系主要特点：主要特点：用一个或二个安装在节气门体上的喷油器，向节气门前用一个或二个安装在节气门体上的喷油器，向节气门前方进气管喷方进气管喷控制原理与多点喷射系统相似控制原理与多点喷射系统相似喷射压力低喷射压力低(0.1MPa左右左右)，对燃油系统要求低，对燃油

15、系统要求低性能上优于电控化油器但不及性能上优于电控化油器但不及MPI应用情况：应用情况：（主要用在（主要用在中、普及型中、普及型轿车上）轿车上）美美GM 塞维利亚塞维利亚V8 FORD 马克马克7型型V8 CHRYSLER 帝国帝国L4 日日TOYOTA 光冠光冠L4 MITSUBISHI 华丽格兰特华丽格兰特L42.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系lMotronic （Bosch-M型）型）2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系主要特点：主要特点：L-EFI + 电子点火系统电子点火系统（一个一个ECUECU同时控制两个系统同时控制两个系统）具有良好的起动性、怠速稳定性、加速性、经济性

16、、排具有良好的起动性、怠速稳定性、加速性、经济性、排放性放性（含（含传感器闭环控制、超速运转切断供油、发动传感器闭环控制、超速运转切断供油、发动机输出扭矩动态控制、爆震控制、机输出扭矩动态控制、爆震控制、EGREGR、排温监视等）、排温监视等）应用情况：应用情况：（主要用在（主要用在高级高级轿车上）轿车上）美美FORD日日TOYOTA、NISSAN 德德Audi 五缸五缸20气门、气门、 Audi V8 / 32气门气门 BMW535i2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系vEFI系统的组成及其主要装置EFI系统空气供给子系统燃油供给子系统电子控制子系统2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给

17、系n空气供给子系统空气供给子系统F作用作用 向发动机提供最佳空燃比所需的洁净空气。向发动机提供最佳空燃比所需的洁净空气。F组成组成进气歧管空气滤清器空气流量计空气流量计*节气门进气总管空气供给子系统2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系*空气流量传感器空气流量传感器AFS（Air Flow Sensor）间接测量间接测量法法直接测量直接测量法法热膜式翼片式Karman涡流式热线式空气流量传感器AFS进气管绝对压力传感器空气流量计2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系l翼片式翼片式AFS 组成组成:工作原理工作原理:2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系 主要特点主要特点:结构简单、工作可

18、靠结构简单、工作可靠测量精度恒定（不随测量板转角而变化）测量精度恒定（不随测量板转角而变化）有一定的进气阻力，动态响应慢、易磨损有一定的进气阻力，动态响应慢、易磨损所测量的是空气的所测量的是空气的体积流量体积流量，需对温度和压力进行，需对温度和压力进行修正修正应用情况应用情况: 中、低档轿车（中、低档轿车（L-EFI上）上）2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系lKarman涡流式涡流式AFS 组成组成:工作原理工作原理:2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系 主要特点主要特点:Karman涡流频率的检测方式有涡流频率的检测方式有反光镜式反光镜式和和超声波超声波式式两种两种信号反应快信号反

19、应快所测量的是空气的所测量的是空气的体积流量体积流量，需对温度和压力进行，需对温度和压力进行修正修正应用情况应用情况: 中、高档轿车（中、高档轿车（LH-EFI上），现少用！上），现少用！2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系l热线式热线式AFS 组成组成:铂金热线电阻RH温度补偿电阻Rc精密电阻RA电桥（高阻值）电阻RB控制电路（混合电路）惠斯登电桥2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系 工作原理工作原理: 流经的空气质量流量流经的空气质量流量 被带走的热量被带走的热量 ，此时电桥失去平衡此时电桥失去平衡 必须必须 通过通过RH的电流的电流IH。即。即 aHHaQIIfQ其中，要维持电桥

20、平衡再通过再通过RA转变为转变为电压降，并作电压降，并作为电压输出信为电压输出信号传给号传给ECU2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系 主要特点主要特点:结构简单结构简单进气阻力小、响应快、测量精度高进气阻力小、响应快、测量精度高所测量的是空气的所测量的是空气的质量流量质量流量，无需进行温度和压力，无需进行温度和压力修正修正ECU中设有中设有“自洁电路自洁电路”（发动机熄火后，自动将铂热发动机熄火后，自动将铂热线加热至线加热至10001000，并维持，并维持1s1s2s2s，烧掉沾附在铂热线上的灰，烧掉沾附在铂热线上的灰尘，维持高的测量精度尘，维持高的测量精度）应用情况应用情况: 中、高档

21、轿车（中、高档轿车（LH-EFI上）上） 应用越来越广泛应用越来越广泛2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系l热膜式热膜式AFS 结构和工作原理：结构和工作原理： 与与热线式热线式AFS基本相同。只是将基本相同。只是将热线热线换成换成热膜热膜 （由由发热金属铂固定在薄的树脂上制成发热金属铂固定在薄的树脂上制成） 主要特点主要特点:使用寿命比热线式长使用寿命比热线式长不会被空气中的灰尘不会被空气中的灰尘 所沾附所沾附2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系n燃油供给子系统燃油供给子系统F作用作用 向发动机供给燃烧向发动机供给燃烧所需的汽油所需的汽油F组成组成 电动燃油泵电动燃油泵* 滤清器滤清

22、器 燃油压力调节器燃油压力调节器* 喷油器喷油器* 2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系*电动燃油泵电动燃油泵 作用作用: 提供提供0.20.3Mpa的的汽油汽油 结构与工作原理结构与工作原理: 滚柱泵滚柱泵 齿轮泵齿轮泵 涡轮泵涡轮泵 双级泵双级泵2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系*燃油压力调节器燃油压力调节器 作用作用: 保证喷油器喷油压力保证喷油器喷油压力与进气管压力之差为恒与进气管压力之差为恒定值。定值。 结构：结构： 2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系工作原理：工作原理：P+pxF 时： 阀开 回油 油压P+pxF 时： 阀关 回油量 油压P+px= F 时： 阀开度

23、一定，油压恒定。2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系 作用：作用：根据根据ECU指令将汽油在恒指令将汽油在恒 压下（压下（0.25Mpa）定）定 时、定量地以雾状喷入进时、定量地以雾状喷入进 气门上方的进气管中气门上方的进气管中 结构：结构：电磁电磁/轴针式轴针式 注意：注意：每缸一个每缸一个 为一次性使用，不可拆！为一次性使用，不可拆！主喷油器主喷油器还有球阀式和片阀式结构*喷油器喷油器分为分为主喷油器主喷油器 & 冷起动喷油器冷起动喷油器2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系 作用：作用：冷起动时，额外冷起动时，额外加大喷油量加大喷油量，使混合气变，使混合气变 浓，改善冷起动

24、性能浓，改善冷起动性能 结构：结构： 注意：注意：只有一个！安装在总进气管上、节气门后方只有一个！安装在总进气管上、节气门后方 由热限时开关控制由热限时开关控制冷起动喷油冷起动喷油器器一般持续10s。水温 加浓时间2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系n电子控制子系统电子控制子系统F作用作用 检测发动机工作状况，检测发动机工作状况，精确控制喷油量、喷油精确控制喷油量、喷油正时和点火正时正时和点火正时F组成组成 传感器传感器* ECU* 执行器执行器* 2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系空气流量传感器空气流量传感器AFS（Air Flow Sensor）进气歧管压力传感器进气歧管压力传感

25、器MAP（Manifold Absolute Pressure）曲轴位置传感器曲轴位置传感器CPS（Crankshaft Position Sensor）节气门位置传感器节气门位置传感器TPS（Throttle Position Sensor ）转速传感器转速传感器SP（Speed）水温传感器水温传感器CTS（Coolant Temperature Sensor ）进气温度传感器进气温度传感器ATS（Air Temperature Sensor ）氧传感器氧传感器车速传感器车速传感器VSS（Vehicle Speed Sensor）爆震传感器爆震传感器KS（Knock Sensor）* 传传

26、感感 器器2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系 中央处理器中央处理器（CPU） 随机存储器随机存储器（RAM） 只读存储器只读存储器（ROM） 输入、输出回路输入、输出回路 输入输入/输出接口输出接口（I/O）* E C U2.4 汽油机燃料供给系汽油机燃料供给系电动燃油泵电动燃油泵FP（Fuel Pump）油压调节器油压调节器电磁喷油器电磁喷油器怠速空气调节器怠速空气调节器IAC（Idle Air Controller）废气再循环废气再循环EGR（Exhaust Gas Recirculation）点火器点火器* 执执 行行 器器2.5 汽油机点火系汽油机点火系1. 点火系的作用点火系的

27、作用n点燃混合气点燃混合气n点火顺序必须满足汽油机的工作顺序点火顺序必须满足汽油机的工作顺序n点火时间（点火时间（ ）必须满足汽油机不同工况）必须满足汽油机不同工况的要求的要求 ig关键：如何才能点燃混关键：如何才能点燃混合气？合气？思考思考2.5 汽油机点火系汽油机点火系2. 点火系分类点火系分类传统蓄电池点火系传统蓄电池点火系电子点火系电子点火系微机控制的电子点火系微机控制的电子点火系有触点晶体管点火系有触点晶体管点火系无触点晶体管点火系无触点晶体管点火系电子感应式电子感应式霍尔效应式霍尔效应式光电效应式光电效应式有分电器式有分电器式无分电器式无分电器式2.5 汽油机点火系汽油机点火系3.

28、传统蓄电池点火系的工作原理传统蓄电池点火系的工作原理 2.5 汽油机点火系汽油机点火系关键知识点：关键知识点：（2个）个）n点火能量的影响因素（点火能量的影响因素（8个方面个方面）F 自感电流自感电流 ！容电器的作用？！容电器的作用？F 发动机转速发动机转速F 点火线圈温度点火线圈温度 ！热敏电阻的作用？！热敏电阻的作用？F 断电器张开间隙断电器张开间隙-提高次级电压提高次级电压-保护断电触点不被烧蚀保护断电触点不被烧蚀保持任何转速下初级电保持任何转速下初级电流的基本稳定流的基本稳定2.5 汽油机点火系汽油机点火系F 发动机缸数发动机缸数F 蓄电池（电瓶）电压蓄电池（电瓶）电压F 火花塞积炭火

29、花塞积炭F 其它其它 如：断电器凹凸不平、火花塞间隙等如：断电器凹凸不平、火花塞间隙等检查方法：走检查方法：走“吊火吊火”主要问题主要问题：点火能量不够，点火不可靠点火能量不够，点火不可靠！与与“触点触点”关系密切关系密切2.5 汽油机点火系汽油机点火系n点火提前角点火提前角F 何谓点火提前角？何谓点火提前角？ 在压缩过程中，当火花塞跳火时，活塞顶部在压缩过程中，当火花塞跳火时，活塞顶部距上止点之间的距离所对应的曲轴转角。距上止点之间的距离所对应的曲轴转角。F 点火提前角需要多大？点火提前角需要多大？ 过大：过大：？ 过小：过小：？合适合适 的应是：的应是：使使 出现在上止点后出现在上止点后1

30、015CAigigmaxpig2.5 汽油机点火系汽油机点火系F 的影响因素的影响因素（3个）个）转速转速 n n 离心式点火提前角自动调节装置离心式点火提前角自动调节装置负荷负荷 Pe n一定，一定， Pe ？ 节气门开度一定，节气门开度一定， Pe ？汽油的品质（辛烷值）汽油的品质（辛烷值） 辛烷值辛烷值 抗暴性抗暴性 辛烷值效正器辛烷值效正器igig真空式点火提前角自动调节装置真空式点火提前角自动调节装置igig2.5 汽油机点火系汽油机点火系离心式点火提前角自动调节装置离心式点火提前角自动调节装置2.5 汽油机点火系汽油机点火系真空式点火提前角自动调节装置真空式点火提前角自动调节装置2

31、.5 汽油机点火系汽油机点火系4. 电子点火系电子点火系无触点点火器无触点点火器微处理器微处理器点火线圈点火线圈火花塞火花塞2.5 汽油机点火系汽油机点火系5. 微机控制的电子点火系微机控制的电子点火系(MCI)曲轴位置（转速）传感器（CPS）凸轮轴位置传感器（GIS）车速传感器（VSS）空气流量传感器（AFS）进气温度传感器（IATS）冷却液温度传感器（CTS）爆震传感器（KS）蓄电池电压信号接口电路A/D转换器ROMRAM接口电路驱动器点火线圈分电器火花塞CPU2.6 车用发动机新技术索引车用发动机新技术索引先进热机技术先进热机技术新能源技术新能源技术新型动力系统新型动力系统燃烧控制技术燃

32、烧控制技术燃料供给技术燃料供给技术进排气技术进排气技术电控点火技术电控点火技术智能化技术智能化技术n气体燃料气体燃料n含氧燃料含氧燃料n生物燃料生物燃料n氢氢p电力推进电力推进p混合动力混合动力p燃料电池燃料电池p风帆动力系统风帆动力系统2.6 车用发动机新技术索引车用发动机新技术索引均质混合气压燃（均质混合气压燃（HCCI）Homogeneous ChargeCompression Ignition可控燃烧速率（可控燃烧速率（CBR）Controlled Burn Rate 可变压缩比（可变压缩比（VCR）Variable Compression Ratio燃燃 烧烧 控控 制制 技技 术术稀薄燃烧；高压缩比稀薄燃烧；高压缩比根据转速控制进气气流组织形式根据转速控制进气气流组织形式（低速（低速- -涡流；高速涡流；高速- -滚流），以滚流），以获得理想的速燃期获得理想的速燃期低负荷低负荷- -高压缩比；高压缩比；高负荷高负荷- -低压缩比低压缩比2.6 车用发动机新技术索引车用发动