汽车发动机节能技术-ok

1、车辆新科技主讲人：韩广伟2011.03汽车发动机节能新技术汽车发动机节能新技术 第一节 发动机节能技术的动力来源 第二节 影响汽车发动机性能的因素 第三节 提高充量系数的技术 第四节 汽油机稀薄燃烧技术 第五节 废气涡轮增压发动机 第六节 汽油机燃油喷射与点火系统电子控制 第七节 柴油机燃油喷射系统电子控制 第八节 发动机其他节能技术 第一节 发动机节能技术的动力来源1、能源压力 根据世界石化巨头BP集团在2010 BP世界能源统计年鉴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1.33万亿桶万亿桶，以目前的开采速度计算可供全球石油生产40年年。 2、环保压力 据研究，目前大气

2、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.3、燃油经济性压力 目前内燃机效率非常低，只有25%的能量转化成动力，其余75%的能量以热能的方式散失掉。 燃油经济性低。 提高发动机效率的主要技术有：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。 其他发动机节能技术 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

3、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、。 第二节第二节 影响发动机性能的因素影响发动机性能的因素 体现发动机品质高低主要是看动力性和经济性，也就是说发动机要具有较好的功率、良好的加速性和较低的燃料消耗量。 影响发动机功率和燃料消耗量的因素有很多，其中影响最大的因素有排量、压缩比、配气机构。但这只是泛指而言。具体到发动机的比较，由于用途、设计、材料及制造工艺的差别，往往造成显著差别。真正能够反映发动机动力的指标是每升气缸工作容积所发出的功率，即“升功率”。【升功率】scamit

4、oLnlHP1式中：H燃料低热值；lo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。升功率 PL 。PL 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。 【提高升功率 主要的措施】 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动机每个气缸作功的次数； 采用增压技术，以增加进气密度 。 一、采用多气门技术。一、采用多气门技术。 增加进排气门流通面积，从而减小了进排气阻力

5、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；，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。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、可变进气技术。二、可变进气技术。 其功能是提高自然吸气的发动机的低、中、高转速时的转矩。在低其功能是提高自然吸气的发动机的低、中、高转速时的转矩。在低中转速时，空气必须经过细长的进气歧管，或仅使用一个进气道进中转速时，空气必须经过细长的进气歧管，或仅使用一个进气道进气；高转速时空气经过较短进

6、气道或使用两个进气道；用以提高各气；高转速时空气经过较短进气道或使用两个进气道；用以提高各转速下的转矩。转速下的转矩。三、可变气门正时技术。三、可变气门正时技术。 其功能主要是改变发动机气门开启和闭合的时间，以达到更合理其功能主要是改变发动机气门开启和闭合的时间，以达到更合理的控制相应发动机转速所需的空气量。可变正时只能改变气门打开的控制相应发动机转速所需的空气量。可变正时只能改变气门打开的时机，却并不能显著改变进气量，因此对于动力方面的提升作用的时机，却并不能显著改变进气量，因此对于动力方面的提升作用并不显著并不显著 。四、可变气门升程技术四、可变气门升程技术 。 其功能主要是改变发动机气门

7、开启的深度，以达到更合理的控制其功能主要是改变发动机气门开启的深度，以达到更合理的控制相应发动机转速所需的空气量。改变进气量，从而使燃烧更充分且相应发动机转速所需的空气量。改变进气量，从而使燃烧更充分且效率更高。效率更高。 （发动机配气技术）（发动机配气技术）第三节 提高充量系数的技术 【多气门技术】 多气门技术，是为了适应高转速发动机进排气的需求而产生的。比如，一般发动机的最高转速达到5000甚至6000时，单缸完成“进压爆排”循环的时间不会多于0.005秒，在这样短的时间里，两气门发动机的进排气速度会跟不上，不能够充分地吸入更多的混合气做功，所以功率受限。 多气门技术就是为了解决这个问题，

8、用更多的气门实现更大的进排气面积，用空间换取时间，让发动机在高转速下有更充分的进排气，所以多气门发动机的高速性能较两气门的要好。不同数量气门发动机的性能比较图33 四气门与二气门发动机的性能比较图34 五气门发动机与四气门发动机性能比较图35 二气门及四气门柴油机性能指标比较图 四气门； 二气门图36 二气门及四气门柴油机油耗及有害排放物对比图 二气门； 四气门转速/rmin1NOx 排放量g（kWh）1pme（0.1MPa）be/g（kWh）1be /g（kWh）1微粒 /g（kWh）1 烟度【可变进气技术】最先进的最先进的BMW745i的的N62发动机的连续可变长度进气管发动机的连续可变长

9、度进气管 【可变配气相位技术可变配气相位技术 】 控制发动机充量交换过程的特性参数主要是三个： 1、气门开启相位； 2、气门开启持续角度 3、气门升程。 进气门开启相位提前，一方面为进气过程提供了较多的时间，特别有利于解决高转速时进气时间不足的问题；另一方面，气门叠开角增大，有更多的废气进入进气管，随后又同新鲜充量一起返回气缸，造成了较高的内部排气再循环率，可降低油耗和 NOx 排放，但同时也导致起动困难、怠速不稳定和低速工作粗暴。 配气相位、升程对发动机的影响 进气门关闭相位推迟，一方面在高转速时有利于利用高速气流的惯性提高体积效率；另一方面在低转速时又会将已经吸入气缸的新鲜充量重又推回到进

10、气管中。 气门升程增大，一方面在高负荷时有利于提高充气效率；另一方面在低负荷时又不得不将节气门关得更小，造成更大的泵气损失和节流损失。使用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。 VVTi. 丰田公司的智能可变气门正时系统。VTC:日产公司可变气门正时系统的技术。VANOS 宝马公司可变凸轮轴控制技术。VTEC 本田公司电子控制可变气门正时与举升系统。【可变气门正时系统】 最新款的丰田轿车的发动机已普遍安装了VVTi系统。丰田的VVTi系统可连续调节气门正时，但不能调节气门升程。 它的工作原理是：当发动机由低

11、速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的螺旋花键套，这样，在压力的作用下，小齿轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。 丰田VVT-i发动机图37 相位可变的凸轮轴构造示意l螺旋花键套；2回位弹簧；3凸轮轴；4驱动链轮【螺旋槽式VVT-i控制器】 调节范围 当花键套当花键套 1 在油压在油压作用下克服回位弹簧作用下克服回位弹簧 2 的弹力轴向移动时，的弹力轴向移动时，3 与与 4 相对角位移相对角位移c1020。油压用电。油压用电磁阀控制，机油通过中磁阀控制，机油通过中空的凸轮轴供给。空的凸轮轴

12、供给。 【叶片式VVT-i控制器】 图38 VVT 对发动机性能的影响 宝马VANOS系统是由车辆液压和机械相结合的凸轮轴控制设备，该系统是调整进气凸轮轴与曲轴相对位置的调整机构。 当发动机转速较低时，系统将进气门正常开启以提高发动机怠速的平稳性；发动机处于中等转速时，进气门提前开启以增大扭矩并允许废气在燃烧室中进行再循环，从而减少耗油量和废气排放；发动机转速很高时，进气门将延迟开启，使发动机发挥出最大功率。宝马VANOS可变凸轮轴控制系统 宝马VANOS可变凸轮轴控制系统 转子与凸轮轴通过螺栓固定，正时链条将曲轴与VANOS单元的壳体连接在一起。转子上装有弹簧，弹簧把叶片压到壳体上。该转子上

13、有个凹口，锁止销以无压力方式嵌入此凹口中，当电磁阀把机油压力连通到VANOS单元，锁止销将被压回，从而对凸轮轴进行调节。压力通道A中的发动机机油压力压向叶片，并将转子压到另一个位置。由于凸轮轴是固定在转子上的，因此对转子调节时也就对配气相位进行了调节。如果VANOS电磁阀换向，转子通过压力通道B中的机油压力调节回初始状态。大众气门正时技术 可变气门正时系统主要由ECU（电子控制单元）、叶片槽式调节器、凸轮轴调整电磁阀以及传感器等部分组成。【可变气门升程技术可变气门升程技术 】 可变气门升程技术可变气门升程技术 其功能主要是改变发动机气门开启的深其功能主要是改变发动机气门开启的深度，以达到更合理

14、的控制相应发动机转速所度，以达到更合理的控制相应发动机转速所需的空气量。改变进气量，从而使燃烧更充需的空气量。改变进气量，从而使燃烧更充分且效率更高。分且效率更高。 【可变气门升程技术可变气门升程技术】可变气门升程技术可变气门升程技术本田本田VTECVTEC 本田可变气门升程技术：本田可变气门升程技术：VTEC、i-VTEC【Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System 】 可变气门正时及升程电子控制系统 应用车型：国内所有在售本田及讴歌车型应用车型：国内所有在售本田及讴歌车型可变气门升程技术可变气门升程技术本田本田VTECV

15、TEC可变气门升程技术可变气门升程技术本田本田VTECVTEC 本田是最早将可变气门升程技术应用到车载发动机上的厂本田是最早将可变气门升程技术应用到车载发动机上的厂商，而且不同于其它厂商先使用可变气门正时，后追加可商，而且不同于其它厂商先使用可变气门正时，后追加可变气门升程技术的做法，本田的工程师在研发项目之初就变气门升程技术的做法，本田的工程师在研发项目之初就将这两种技术同步进行。将这两种技术同步进行。 一般汽车发动机每个缸的气门组只由一组凸轮驱动，而一般汽车发动机每个缸的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系统的发动机却有中低速用和高速用两组不同的

16、气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的自动操纵，进行自门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的自动操纵，进行自动转换。动转换。 采用采用VTEC系统，保证了发动机中低速与高速不系统，保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何速率运同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何速率运转都达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。转都达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。 可变气门升程技术可变气门升程技术本田本田VTECVTEC思域搭载的思域搭载的R18A单顶置凸轮轴发动机单顶置凸轮轴发动机 只在进气气门端应用可变气门升程技术只在进气气门端应用可变气门升程技术可变气门升程

17、技术可变气门升程技术本田本田VTECVTEC单顶置凸轮轴发动机单顶置凸轮轴发动机可变气门升程技术可变气门升程技术本田本田VTEC VTEC 原理原理可变气门升程技术可变气门升程技术本田本田VTECVTEC 切换至高角度凸轮的时机，是在引擎达到4800转以上、水温高于60度，并在进气歧管内的负压指数符合原厂设定值后，便会开启VTEC电磁阀，将油压导入摇臂内以推动自由活塞，使高角度凸轮开始介入，延长进气门关闭时间，提高引擎于高转速时的进气量。 VTEC系统对于配气相位的改变仍然是阶段性的，也就是说其改变配气相位只是在某一转速下的跳跃，而不是在一段转速范围内连续可变。雅阁和思铂睿搭载的雅阁和思铂睿搭

18、载的2.4升升DOHC双顶置凸轮轴发动机双顶置凸轮轴发动机 进、排气端均进行气门升程的调节进、排气端均进行气门升程的调节 可变气门升程技术可变气门升程技术本田本田i-VTECi-VTEC i-VTEC系统是在系统是在VTEC系统的基础上，增加了一个称为系统的基础上，增加了一个称为VTC装装置。气门的正时与开启的重叠时间是可变的，由置。气门的正时与开启的重叠时间是可变的，由VTC控制，控制，VTC机构的导入使发动机在大范围转速内都能有合适的配气相位，机构的导入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。这在很大程度上提高了发动机的性能。 VTC机构的导入，使得机

19、构的导入，使得气门的配气相位能够气门的配气相位能够“智能化地智能化地”适应发动机负荷的改变。适应发动机负荷的改变。 VTC在发动机运转过程中配合在发动机运转过程中配合VTEC系统的作用主要运用在三个系统的作用主要运用在三个方面。方面。1、最佳怠速、最佳怠速/稀薄燃烧区域：稀薄燃烧区域： 在此区域内，在此区域内，VTC系统停止作用，此时气门重叠角最小，由于系统停止作用，此时气门重叠角最小，由于VTEC的作用，产生强大的涡流，从而使发动机怠速工作稳定。的作用，产生强大的涡流，从而使发动机怠速工作稳定。2、最佳油耗、排气控制区域、最佳油耗、排气控制区域 在此区域内，在此区域内，VTEC发挥作用，产生

20、强大的涡流，从而使可燃混发挥作用，产生强大的涡流，从而使可燃混合气混合更加均匀，同时合气混合更加均匀，同时VTC的作用使气门重叠角加大，将部分的作用使气门重叠角加大，将部分废气重新吸入气缸，起到了废气重新吸入气缸，起到了EGR的作用，以此达到最佳油耗和排的作用，以此达到最佳油耗和排气控制。气控制。3、最佳扭矩控制区域、最佳扭矩控制区域 在此区域内，通过在此区域内，通过VTC的控制，以最适当的气门重叠角，同时的控制，以最适当的气门重叠角，同时配合配合VTEC系统的作用，使得发动机的输出扭矩最大限度地提高。系统的作用，使得发动机的输出扭矩最大限度地提高。【本田AVTEC连续可变气门升程】【本田AV

21、TEC连续可变气门升程】可变气门升程技术日产VVEL 应用车型：英菲尼迪应用车型：英菲尼迪G37、英菲尼迪、英菲尼迪FX50 可变气门升程技术日产VVEL 2007年末，日产也终于发布了自己的可变气门升程技术VVEL，这项技术最先就被装备在G37的VQ37VHR发动机上，VQ37VHR也是2008年沃德十佳发动机的得主。 随后上市的FX50的那台VK50VE发动机是第二款使用VVEL的发动机。同时日产也有计划将VVEL普及到自己的低端车型上。 【沃德十佳发动机沃德十佳发动机】它们基本代表了当今量产燃油发动机制造业的最高水平，也它们基本代表了当今量产燃油发动机制造业的最高水平，也点明了未来一段时

22、间内此方面技术的发展趋势。所有参选的发动机都必须已经装点明了未来一段时间内此方面技术的发展趋势。所有参选的发动机都必须已经装备在美国市场上销售的，售价低于备在美国市场上销售的，售价低于5万美元的量产车万美元的量产车(价格允许有价格允许有5%的浮动，即的浮动，即不超过不超过52500美元美元)。另外，此排名不分先后。另外，此排名不分先后。可变气门升程技术日产VVEL可变气门升程技术日产VVELVVEL连续可变气门升程技术的独特摇连续可变气门升程技术的独特摇 臂结构臂结构 可变气门升程技术日产VVEL核核 心心 装装 置置 无无 级级 调调 节节 方方 式式 可变气门升程技术日产VVEL可变气门升

23、程技术日产VVEL可变气门升程技术日产VVELLow Lift High Lift可变气门升程技术日产VVEL 日产的VVEL连续可变气门升程系统在一定范围内（这个范围的大小由螺杆的长度和输出凸轮的角度来决定）可实现无级连续调节，针对不同的发动机转速都有相应的气门升程，这种形式无疑更加灵活自主，不过目前VVEL系统只应用在进气端，因此还存在进化的余地。 可变气门升程技术宝马Valvetronic 应用车型：国内在售的除应用车型：国内在售的除M3和和M5外的宝外的宝马车型马车型 【Valvetronic电子气门】 在传统的发动机上，输出功率的控制几乎完全依靠节气门对进气进行“节流”而实现，在此过

24、程会不可避免地损失一部分动力。 Valvetronic电子气门控制技术能够使发动机负荷变化和循环管理需求降到最低，从而确保了极高的燃油利用率以及更出色的发动机响应速度。 在汽油发动机中宝马的Valvetronic技术可以说是现今最好的可变气门技术。 宝马Valvetronic技术的发动机是世界上第一个没有节气门发动机。各种测试结果都显示Valvetronic发动机可以比传统发动机节省7%以上的燃油消耗量。 【Valvetronic发动机为何省油 】 传统的发动机的油门是这样工作：当你踩油门加油时，你可能感觉到发动机加油了，但是事实你踩油门踏板并不是直接增加喷入发动机汽缸的油量，而是改变了进气管

25、节气门开关的大小，从而改变进入汽缸的空气量，汽车的喷射供油系统监测通过节气门的空气量的多少，才决定喷入多少油量，这就是油门控制发动机的方式 。 轻踩油门时，节气门只是稍微开启，然而同时活塞动作往下拉，企图从接近关闭的进气管吸入空气，这时节气门和活塞之间会形成真空，外界的大气压力对于活塞的动作形成很大的抵抗力，大大消耗能量，发动机转速越低，节气门就关得越紧，造成的能量损失就越大。所以Valvetronic发动机减去节气门就可以节省耗油量，特别是在低转速的时候。省掉节气门后，发动机直接由电子控制进气阀门的开启深度来控制进气量。 宝马的Valvetronic也是目前少数可以实现连续可变的气门升程技术

26、之一 可变气门升程技术宝马Valvetronic Valvetronic 修改进气门的正时与升程，Valvetronic 系统有一支与传统式引擎一样的凸轮轴，而且有还有一支偏心轴与滚轴及顶杆的机构，并由步进马达所带动著，藉由接收来自油门位置的信号，步进马达改变偏心凸轮的偏移量，经由一些机械传动间接地改变进气门的作动。 可变气门升程技术宝马Valvetronic 可变气门升程技术宝马Valvetronic 可变气门升程技术宝马Valvetronic 可变气门升程技术 总结：总结： 除了本文介绍的这三家厂商外，菲亚特、奥迪、保时捷、丰田、三菱以及斯巴鲁也通过自己的技术探索实现了发动机气门升程可变的

27、功能，但总体来看这项技术目前在国内还远远没有达到普及的程度。 【电磁气门机构】 电磁气门驱动（electromagnetic valve actuation）是利用电磁铁产生的电磁力驱动气门。 图312 电磁式气门驱动原理a）未通电； b）气门全闭； c）气门全开1气门；2、5线圈；3电磁铁；4街铁；6弹簧；7气门导管菲亚特在菲亚特在2009年推出的年推出的Fiat 500和和Alfa Romeo Junior上配备带有电磁阀控制气门技术的发动机。上配备带有电磁阀控制气门技术的发动机。这一技术飞跃，让菲亚特成为了首个将电磁阀控这一技术飞跃，让菲亚特成为了首个将电磁阀控制气门技术应用于量产车的制

28、造商。制气门技术应用于量产车的制造商。 Fiat 500 电磁阀替代凸轮轴，使得发动机省去了凸轮轴的重量，同时也消除了凸轮与气门头部的磨擦而导致的功率的损失。 发动机可变正时技术和可变气门升程都将实现无级调节，而不用再通过改变凸轮轴实现这些可变技术，并且通过电脑的控制，电磁阀可以实时进行调节，提高了发动机的功率又改善了发动机的燃油经济性。 VVTi和VTEC等技术的优势将被电磁阀控制气门技术所掩盖。 【电磁气门机构】【 电液气门驱动】 电液气门驱动（electrohydraulic valve actuation）的工作原理，是将气门与一个液压活塞相连接，通过电磁阀控制液压缸内高压和低压液体的

29、流入和流出，从而控制液压活塞气门的运动。 这种电液式无凸轮轴气门驱动系统，可使发动机的气门的正时、升程与速度连续变化。它既不需要凸轮也不需要弹簧，而利用压缩油液的弹性能，在气门的开启与闭合期间，使气门加速或减速，这就是液压摆或液压振动体的原理。 2009年日内瓦车展上，菲亚特正式发布了其在可变气门技术上的研究成果：Multiair电控液压进气系统。 Multi air最大的特点就是开创性的使用电控液压控制系统驱动气门正时和升程，它通过一套由凸轮轴驱动电磁液压阀，实现了进气门的升程和正时的无级可调。 Multiair取消了进气凸轮轴和节气门，由气门直接开启来控制进入汽缸的空气量，这个变化带来的优

30、势显而易见：取消了进气凸轮轴，可以精简缸盖结构并减轻发动机自重。而取消了节气门之后，大大降低了泵气损失，并提高了发动机的响应速度。n 相比传统可变气门结构，气门电液控制结构简单且优势明显相比传统可变气门结构，气门电液控制结构简单且优势明显 。n 取消节气门，节省了能力损耗的同时更提升了动力响应速度取消节气门，节省了能力损耗的同时更提升了动力响应速度 。n Multilift多重升程能够有效改善低负荷下的燃油效率多重升程能够有效改善低负荷下的燃油效率 。【FIAT Multi air 】排气门由凸轮轴直接推动，而进气门则通过一组电磁液压系统进行精确控制气门。气门上方有一个液压腔，液压腔一端与电磁

31、阀相连，电磁阀则通过ECU信号，根据工况的不同适时调节流向液压腔内的油量。凸轮轴驱动的活塞通过推动液压腔内的油液，控制气门的开启。 【Multi air 原理图】实际结构实际结构实际结构 当工作开始时，电磁阀通过ECU信号向液压腔内供给适量的油量，然后电磁阀关闭。这时，液压腔内的油的体积恒定，与液压腔相连的活塞就可以将排气凸轮轴施加的压力传递到进气门，从而完成气门的开启。气门的开度大小则取决于流向液压腔内油量的多少。 当电磁阀开启时，液压腔内的油液就会顺高压油腔进入低压油腔。气门则不再跟随排气凸轮轴运动，而是在气门弹簧的作用下完成关闭。阀门关闭的最后一步，则由专用的液压制动装置控制，从而使得气

32、门的每次闭合过程都能做到舒缓而规律。MULTIAIR技术工作原理技术工作原理MULTIAIR控制策略 气门全开full lift模式； 进气门早关IEVC模式； 进气门晚开LIVO模式； 同一冲程内多起开启 气门Mulilift多重升程模式 ；1、气门全开Full lift ：全负荷输出（full load）的时候，电磁阀会保持关闭的状态，气门每次开启则维持在最大开度，从而使发动机在高速运转时最大限度提升功率和扭矩。 2、进气门早关IEVC：电磁阀会在凸轮轴运动周期的末段打开，此时进气门则在气门弹簧作用下提前关闭。这样就能有效减小气门重叠角，从而避免因废气过多泻入进气岐管而造成的充气不足和气流

33、紊乱。 进气门晚开LIVO：电磁阀也会根据发动机所需的进气量，在凸轮轴开始运动之后关闭，使进气门推迟开启，从而改善启动性能并提高怠速稳定性。 当发动机部分负荷的时候，系统会结合进气门早关IEVC和进气门晚开LIVO两项进气策略，根据需要调整气门的打开和关闭时机，从而达到改变气门正时的目的。合理的进气门正时还能有效提升发动机低转速时的扭矩表现。Mulilift多重升程：Mulilift多重升程模式则是指在一次冲程内多次开启气门，从而在负荷极低的情况下增加燃烧室内湍流，显著提高燃烧效率。在城市拥堵走走停停的状态下，Mulilift多重升程能够很好的改善燃油经济性。图313 Ford 公司的电液式气

34、门驱动原理 1高压电磁阀；2高压单向阀； 3低压单向阀；4低压电磁阀 该系统有高压油源和低压油该系统有高压油源和低压油源。一个双作用、单活塞杆的液源。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连，活塞下腔始终与高压油源相通。通。 活塞无杆腔的油压作用面积，活塞无杆腔的油压作用面积，比有杆腔的油压作用面要大。发比有杆腔的油压作用面要大。发动机气门开启由一个高压电磁阀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

35、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门的闭合。该系统还包括高压单向阀和低压单向阀。向阀和低压单向阀。 Ford 公司的电液式气门技术图315 Ford 公司的电液式气门驱动系统的气门运动过程a）高压电磁阀开启，气门开启加速；b）低压单向阀开启，气门开启减速；c）高、低压电磁阀和高、低压单向阀全关闭，气门全开；d）低压电磁阀开启，气门关闭加速；e）高压单向阀开启，气门关闭减速； f）低压电磁阀再次开启，气门落座四、合理利用进气动态效应四、合理利用进气动态效应 进气门的开启和活塞的运动是一种扰动，会在进气系统产生膨胀波。这

36、个膨胀波从进气门出发，以当地声速传播到管端。因为进气系统的管端是敞开的，膨胀波在此膨胀变成压缩波并同样以当地声速反向传回进气门。如果这个压缩波传到进气门时进气门开启着，那么由于这个压缩波引起的质点振动方向与进气气流方向一致，进气气流因此而得到增强，气缸充量系数将会提高，转矩也将增大。这种效应称为进气管动态效应。 四冲程发动机要利用好这一效应必须满足下列条件： ncLse24L进气管长度（进气管长度（m）；）；c当地声速（当地声速（ms）；）；se进气有效持续角（进气有效持续角（A）；）；n发动机转速（发动机转速（r/min）。）。 图316 进气管长度对进气波动效应的影响图317 Audi V

37、6发动机的可变长度进气管1活门；2膜片阀 图319 长度无级可变进气系统示意图1可活动的圆筒（空气分配器）；2固定的壳体；3进气道；4侧壁（用于圆筒的支承）；5圆筒中的空气进口；6进气道中的空气进口；7密封垫（如弹簧片）；8进气门图318 可变进气管长度电子控制带来的转矩增益发动机转矩TTq / Nm 转矩进气管转矩进气管 功率进气管功率进气管第四节 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。 图321

38、不同燃烧方式的性能对比空燃比一、均质稀薄燃烧技术一、均质稀薄燃烧技术1. 1. 火球高压缩比燃烧室火球高压缩比燃烧室 图322 火球燃烧室图323 各种发动机油耗比较2.碗形燃烧室 图324 碗形燃烧室图325 HRCC发动机与常规发动机油耗和排污的比较 实线HRCC；虚线常规二、分层燃烧技术二、分层燃烧技术（一）分层燃烧系统 为合理组织燃烧室内的混合气分布，即在火花间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气，空燃比在 1213.4 左右，而在燃烧室的大部分区域是较稀的混合气，两者之间，为了有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，这就是所谓的分层燃烧系统。 分层燃烧可分为进气

39、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 图326 轴向分层燃烧系统 此燃烧系统利用强此燃烧系统利用强烈的进气涡流和进气过烈的进气涡流和进气过程后期进气道喷射，使程后期进气道喷射，使利于火花点火的较浓混利于火花点火的较浓混合气留在气缸上部靠近合气留在气缸上部靠近火花塞处，气缸下部为火花塞处，气缸下部为稀混合气，形成轴向分稀混合气，形成轴向分层，它可以在空燃比层，它可以在空燃比 22 下工作，燃油消耗率可下工作，燃油消耗率可比均燃降低比均燃降低 12。 （2）横向分层燃烧系统 图32

40、7 横向分层燃烧系统横向分层稀燃系统是利用滚流横向分层稀燃系统是利用滚流来实现的。在一个进气道喷射来实现的。在一个进气道喷射的汽油生成浓混合气，在滚流的汽油生成浓混合气，在滚流的引导下经过设置在气缸中央的引导下经过设置在气缸中央的火花塞，在其两侧为纯空气，的火花塞，在其两侧为纯空气，活塞顶做成有助于生成滚流的活塞顶做成有助于生成滚流的曲面。此燃烧系统经济性比常曲面。此燃烧系统经济性比常规汽油机提高规汽油机提高 68，NOx 含量（体积分数）下降含量（体积分数）下降80。 2. 缸内直喷分层燃烧方式 缸内直喷（GDI）燃烧系统可实现均质混合气燃烧、分层混合气燃烧以及均质混合气压燃燃烧（HCCI）

41、。 缸内直喷分层混合气燃烧主要依靠由火花塞处向外扩展的由浓到稀的混合气，目前实现方法有三种，即借助于燃烧室形状的壁面引导方式，依靠气流运动的气流引导方式和依靠燃油喷雾的喷雾控制方式。前两种方式都有可能形成壁面油膜，是造成碳氢排放高的主要原因；后一种方式则与喷雾特性、喷射时刻关系密切，但控制起来比前两种要难。 GDI发动机具有以下优点： 由于稀混合气燃烧时 N2 和 O2 双原子分子增多，气体的比热容比增大，可使理论循环热效率有较大提高。 由于燃油在缸内气化吸热使压缩终点温度降低，因而爆燃可能性减小，压缩比可以提高，由此可使燃油消耗率改善 5 以上。 由于燃烧放热速率提高等，可使燃油消耗率改善

42、23，而怠速改善 10 以上。 由于取消了进气节流阀，泵气损失可降低 15。 中小负荷时，周边区域参与燃烧的程度较小，气体温度降低，使传热损失减小。 GDI发动机存在的主要问题： 难以在所要求的运转范围内使燃烧室内混合气实现理想的分层。分层燃烧对燃油蒸气在缸内的分布要求很高，通常喷油时刻、点火时刻、空气运动、喷雾特性和燃烧室形状配合必须控制得十分严格，否则很容易发生燃烧不稳定和失火。 喷油器内置气缸内，喷孔自洁能力差，容易结垢，影响喷雾特性和喷油量。 低负荷时 HC 排放高，高负荷时 NOx 排放高，有碳烟生成。 部分负荷时混合气稀于理论空燃比，三效催化器转化效率下降，需采用选择性催化转化 N

43、Ox 。 气缸和燃油系统磨损增加。（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 图328 三菱公司 GDI 发动机结构图图329 三菱公司 GDI 发动机性能改善效果空燃比b）空燃比c）空载转速rmina）NOx燃料消耗量Lhbeg（kWh）转 矩变 动%2.丰田缸内直喷分层充量燃烧系统 图230 丰田D-4缸内直喷式稀燃汽油机VVT-i图331 丰田 D-4 燃烧室混合气形成a）燃气混合过程；b）缸内混合气浓度分布a）b）图332 D-4稀燃发动机控制方法转矩Nm发动机转速rmin低速低负荷时，在压缩低速低负荷时，在压缩行程后期喷油，形成明行程后期喷油，形成明显的分层燃烧，而

44、在高显的分层燃烧，而在高速大负荷时，进气行程速大负荷时，进气行程就开始喷油，以形成完就开始喷油，以形成完全的均质化学计量比燃全的均质化学计量比燃烧。在分层燃烧与均质烧。在分层燃烧与均质化学计量比燃烧领域之化学计量比燃烧领域之间，有弱分层燃烧和均间，有弱分层燃烧和均质燃烧两个区域。质燃烧两个区域。 第五节 废气涡轮增压发动机一、废气涡轮增压发动机性能一、废气涡轮增压发动机性能1. 增压柴油机 转矩（Nm）功率（kW）Be（g/kWh）图333 增压后发动机性能的提高NA自然吸气；TC涡轮增压；TC+IC增压加中冷发动机转速（r/min）经济性： 柴油机增压后，平均指示压力 大大增加，而其平均机械

45、损失压力 却增加不多，因此，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。 排气污染和噪声 ： 由于增压柴油机有较充足的过量空气系数，有害气体排放量（HC、CO）一般为非增压机的1/

46、31/2 ； 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； 如果采用增压中冷技术，可显著减少 NOx 排放 ； 由于增压后，柴油机着火延迟期缩短，压力上升率降低，可以使燃烧噪声减少 ； 由于涡轮增压器的设置，使进、排气噪声也有所减少 缺点： 主要体现在低速转矩特性和加速性下降等方面。 低速时，由于增压压力下降，转矩 TTq 的增量明显比高速时低，这就使转矩特性的低速段很不理想，影响汽车加速性能及爬坡性能。 起动时，由于未建立增压压力，而增压机的压缩比又比较低，所以起动、着火有一定困难。 此外，动态过程中，气体压力反应缓慢，增压器叶片也有较大惯

47、性，致使各种响应都变慢，不仅进一步影响了加速及起动性能，也因过渡过程拖长而使此时的排放和经济性能变差。 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 二、增压压力控制二、增压压力

48、控制 发动机增压时要防止增压器超速及增压压力过高。涡轮增压器超速可能损坏压气机及涡轮旋转零部件，造成严重事故。增压压力过高则可能使汽油机发生爆燃；使柴油机机械负荷及热负荷过高。 控制增压压力有三种办法： 排气旁通，减少进入涡轮的排气及其能量； 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； 通过电脑自动控制。 l. 排气旁通 涡轮增压发动机的离心式压气机，通常在 14 发动机额定转速以下的转速范围内，出口空气压力增加甚微。高于该转速后，压力逐步上升，如果不采用排气旁通，则压力沿着虚线上升，会超过发动机能承受的最高增压压力。因此要采取排气旁通或别的措施，使其压力控制在允许值以下。在一定

49、具体条件下，采用大的涡轮及涡壳，也可以使压力较低，如图中虚线所示，但这是不经济的。 为了防止涡轮增压器的超速及增压压力过高，可以采用提升阀等措施来控制排气旁通的通道。 最高发动机转速的百分率（%） 图334 控制增压压力与发动机转速增压压力（bar） 用软管将压气机涡壳空腔与膜片作用器的空腔连接起来，传递压气机出口处空气压力变化信号。当发动机在正常的稳定状态下工作，增压压力不高，提升阀是关闭的。当增压压力超过某一规定值时，提升阀打开，部分排气不进入涡轮，而由旁通管直接排入大气中，因此涡轮转速不会上升，压气机出口压力也保持在限定值以下。 图335 排气旁通增压系统a）旁通阀关； b）旁通阀开a）

50、b） 提升阀的阀杆较长而且与排气直接接触，因此壳体外部应设计散热翅片，以提高散热效果。提升阀杆的上部有中心孔通道，将从压气机出口有压力的空气引入旁通阀的壳体内，冷却阀后排出。另一方面，从阀杆与阀导向管间隙渗入的排气，也由压缩空气从排气旁通管路中压到排气管中，减轻旁通阀及膜作用器的热负荷。 图336 旁通阀及膜片作用器的冷却 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

51、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。 图337 排气背压及压气机入口处真空度控制的增压系统a）旁通阀关；b）旁通阀部分打开；c）旁通阀全开c）a）2. 空气旁通 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13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13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）。 图338 空

52、气旁通的增压系统a）低速轻负荷工况；b）高速重负荷工况a）b） 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。 3. 自动控制 三、可变涡壳通道及喷嘴环流通截面的涡轮三、可变涡壳通道及喷嘴环流通截面的涡轮1. 1. 双涡壳通道的涡轮双涡壳通道的涡轮图339 双通道涡壳增压系统a）低速轻负荷工况；b）高速重负荷工况a）b）2.

53、 2. 可变涡壳通道的涡轮增压系统可变涡壳通道的涡轮增压系统 a）b）图340 可变涡壳通道截面的增压系统a）低速运转闸阀关；b）高速运转闸阀开3. 3. 可变喷嘴环流通截面的涡轮可变喷嘴环流通截面的涡轮图341 喷嘴环流通截面可变的涡轮 a）喷嘴叶片接近关闭状态；b）喷嘴叶片接近全开状态a）b）四、汽油机增压系统的常用措施四、汽油机增压系统的常用措施 电控汽油喷射系统 成功地摆脱了增压器与化油器匹配的困难，为汽油机增压技术奠定了基础。还为在汽油机增压系统中实现爆燃控制、放气控制、排放控制、增压器可变技术的应用等综合控制带来了方便。 电控爆燃控制 采用爆燃控制以后，可以在避免发生爆燃的前提下，

54、最大限度地发挥整机潜力 增压中冷 增压空气进行中冷，对增加充量、降低热负荷、消除爆燃均十分有利。 1. 电控汽油喷射系统图343 增压汽油机的电子控制系统1空气滤清器；2空气流量计；3涡轮增压器；4放气阀；5爆燃传感器；6水温传感器；7增压压力传感器；8节流阀位置传感器；9EGR阀；10中冷器；11喷嘴；12点火线圈；13火花塞；14比例式压力控制电磁阀；15电动汽油泵；16变速器空档位；17车速传感器；18点火正时控制信号；19曲轴转角传感器2. 电控爆燃控制图346 爆燃控制过程的波形图图347 点火时刻和爆燃的关系l爆燃范围；2余量幅度；3无爆燃控制时；4有爆燃控制时； MBT最大转矩的

55、点火提前角转速103（r/min）转矩点火时刻3. 增压中冷增压空气温度tk（）图348 tk对pk、a、燃料辛烷值的影响pk（MPa）图349 增压空气温度对发动机性能的影响Pe（kW）beg /（kWh）tk（）（）第六节 汽油机燃油喷射与点火系统电子控制一、系统发展简述一、系统发展简述 化油器 ： 1）排污严重，难于同时消除各种气体排放污染物。2）油和气的响应速度都较慢，而且彼此间还有差别，致使动态过程时各种性能恶化。3）存在化油器喉管，致使进气系统阻力加大，充量系数降低。4）由于难兼顾各缸进气和油膜分配的均匀性，以致各缸工作不均匀性较为严重。5）增加了汽油机增压的困难等 电控汽油喷射

56、： 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。 二、二、 复合功能的电控多点燃油喷射与点火系统复合功能的电控多点燃油喷射与点火系统电控汽油喷射系统分为单点喷射与多点喷射。 图350 汽油机单点与多点电控燃油喷射系统a）单点喷油系统示意图；b）多点喷油系统示意图l燃油入口；2空气入口；3节气门；4进气歧管；5喷油器；6发动机a）b） 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复合功能的电控多点燃油喷射

57、与点火系统喷射与点火系统。 （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。 图352 Motronic特性场1点火提前角；2闭合 角 ； 3 燃 空 比（1/）；4怠速调节器开度；5废气再循环阀门位置；6加速加浓（二）控制功能1. 喷

58、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图353 起动时冷却水温度与喷油时间的关系水温喷油时间图354 暖车加浓系数 F 随时间的变化a时间因素占主要部分；b发动机温度因素有关的部分ts加浓系数F 3）加、减速工况的供油控制 图355 加速增量示意图增量持续时间s增量比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 温度修正 进气量与进气温度有关，高于 20 要减油，低于 20 则要加油。 大气压力修正 大气压力下降，空气稀薄要减油。这对高原行车有较大意义。 蓄电池电压修正 电压下降会引起喷油率下降，故要增大喷油脉宽来补偿。 2. 点火控制 点火提前角控制

59、 点火闭合角的控制 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三、多点燃油喷射系统的喷射时序对性能的影响 图356 喷油定时示意图a）同时喷射方式；b)分组喷射方式；c)顺序喷射方式第七节 柴油机燃油喷射系统电子控制一、系统发展简述一、系统发展简述环境污染环境污染能源危机能源危机CO2柴油机电喷系统柴油机电喷系统直列式直列式 喷油嘴型喷油嘴型 转子式转子式 高压共轨高压共轨单体泵型单体泵型 与机械控制方式相比，柴油机电控喷射有以下优点： 电控技术能使控制更为全面和精确，

60、比之原有的机械或机、液控制更易实现性能优化并对相互矛盾的要求进行合理的折中，这样就能使燃油消耗率和有害物的排放量大幅度下降。 由于机械或机、液控制在结构、工艺上的复杂性和局限性，很多已被证明是有效的改善性能的措施，如预喷射或多次喷射、喷油率与喷油压力的精确控制等均难以实现，采用电控后有助于满足这些控制要求。 采用电控技术后，控制对象和目标大为扩展，除常规稳态性能调控外，还可扩展到各种过渡过程的优化控制、故障自动监测与处理、操作过程自动化以及自适应控制等，最终发展成为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。 图357 柴油机燃油消耗与相应的技术措施二、二、 类型与性能特点类型