重交大汽车新能源与节能技术教案03汽车发动机节能技术

第三章汽车发动机节能技术教学目的和要求：理解发动机方面节能的技术现状及发展趋势，能分析影响汽车发动机节能的因素，掌握汽车发动机提高充量系数、稀薄燃烧、废气涡轮增压、燃油喷射与电子控制系统等节能新技术的基本结构，并能运用所学知识分析其节能的基本原理。本章重点：影响汽车发动机节能的因素；发动机提高充量系数的主要措施、结构及其节能原理；汽油机稀薄燃烧技术的主要实现形式及其对节能的影响；废气涡轮增压节能的原理，增压的实现方式，压力控制方法。本章难点：气门升程可变的实现机理；实现汽油机分层燃烧的主要燃烧方式；稀薄燃烧的控制策略；增压发动机增压压力的控制。教学时数：14学时教学内容要点：第一节概述1、能源压力根据世界石化巨头BP集团在《2004BP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1.15万亿桶，以目前的开采速度计算，可供全球石油生产41年。2、环保压力据研究，目前大气中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，大概87%的HC、61%的CO和55%的NOx来自于汽车。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。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：ε——压缩比；k——绝热指数；λ——压力升高比；ρ——预胀比。要提高发动机的热效率，应尽量提高压缩比ε和绝热指数k；在混合加热循环中，当加热量和压缩比不变时，应尽量提高压力升高比λ（此时预胀比ρ下降）。为了提高发动机的热效率，主要措施有：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。二、影响发动机轻量化的因素影响发动机产品制造过程中材料消耗多少的指标是比质量me（发动机质量功率比），而影响比质量大小的主要因素又是升功率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。升功率PL的表达式为：式中：Hμ——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；ηit——指示热效率；ηm——机械效率；Фa——过量空气系数；τ——行程数；Фc——充量系数；n——发动机转数；ρs——发动机进气管的空气密度。改善升功率PL的主要的措施有：通过合理组织燃烧过程，以降低过量空气系数Фa；改善发动机换气过程，提高充量系数Фc；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ρs。第三节提高充气效率充气效率的含义：充气效率是指在发动机进气行程进，实际进入气缸内的新鲜气体（空气或可燃混合气）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，用来表示。提高充气效率的措施主要包括：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1）

增大进气门直径，选择合适的排气门直径2）

增加节气门的数目3）

改善进气门处流体动力性能，减少气门处流动损失。4）

采用较小的S/D值（2）

减小整个进气管道的流动阻力1）

进气道2）

进气管3）

空气滤清器4）

化油器2、减小对新鲜充气量的加热3、减小排气系统的阻力4、合理地选择配气相位（1）

进气门迟关角（2）

进排气门重叠角的影响（3）

排气提前角（4）

配气相位的选择一、采用多气门机构优点：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；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。二、采用可变配气系统技术控制发动机充量交换过程的特性参数主要是三个：气门开启相位，气门开启持续角度和气门升程。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。1.可变气门正时实现过程：凸轮轴的相位借助一个螺旋花键套1的移动来改变。花键套内孔的直齿花键与凸轮轴3端头的花键啮合，它的外螺旋花键与驱动链轮4的螺旋花键孔啮合。当花键套1在油压作用下克服回位弹簧2的弹力轴向移动时，3与4相对角位移△φc＝10°～20°。油压用电磁阀控制，机油通过中空的凸轮轴供给。2.气门升程可变实现过程：发动机在高速工况，压力高的液压油进入摇臂轴的右端油道（图3–9a）），将其中活塞–H向上推，使高速摇臂杆与摇臂轴卡紧在一起，于是高速凸轮通过高速摇臂杆及T形杆，控制气门的开关。此时摇臂轴左端并无压力高的液压油进入，其中液压小活塞–L并未被压上去，于是左端低速摇臂杆并未起作用。发动机低速工况，液压油则进入摇臂轴左端油孔，将其中小活塞向上压，使低速凸轮能带动左端低速摇臂杆工作。此时右端高速摇臂杆中小活塞并无液压油将其压上去，因此不工作（图3–9b））。当摇臂轴两端都无高压液压油输入时，于是两个气门都不工作（图3–9c））。3.电磁气门机构实现过程：电磁气门驱动机构主要由两个相同的电磁铁（共用一个衔铁）。两个相同的弹簧和气门组成（图3–12）。发动机不工作时，激磁线圈2和5均不通电，气门1半开半闭；发动机启动时，气门驱动装置初始化，控制系统根据曲轴转角，判定气门在这一时刻应有的开、关状态，使两线圈中的一个通电。电磁力克服弹簧力，将气门1关闭或开启。气门处于开启状态时，线圈5断电，线圈2通电，使电磁力等于或大于弹簧力，以保持气门开启。要使气门关闭时，线圈2断电，衔铁和气门在弹簧力的作用下向上运动；在气门接近关闭位置时，线圈5通电，电磁力帮助气门（衔铁）快速运动至关闭位置。此后线圈5继续通电，使气门保持在关闭状态。需要开启时，线圈5断电，衔铁和气门在弹簧力作用下向下运动。如此循环往复。特点：电磁气门驱动控制方便，结构较为简单，是比较容易想到的无凸轮轴气门驱动方式。它的主要问题是气门落座冲击大，电磁响应速度不够高，能量消耗及尺寸过大。4电液气门驱动实现过程：该系统有高压油源和低压油源。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连，活塞下腔始终与高压油源相通。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向阀和低压单向阀。三、合理利用进气动态效应实现过程：该系统为每一个气缸的进气歧管装了一个活门1。活门开启时，空气通过活门以较短的路径进入气缸，如黑色箭头所示；活门关闭时，空气不得不绕道以较长的路径进入气缸，如白色箭头所示。活门只有全开和全闭两个位置，由膜片阀2控制。膜片将膜片阀分成两个空腔，靠近活门的空腔通大气；另一个空腔内装有弹簧顶着膜片，并通过一个电磁阀与真空泵相连（图3–17中未示出）。膜片通过拉杆与活门相连。发动机转速超过设定的门槛值时，ECU发信号给电磁阀，将真空泵与膜片阀的一个空腔连通，该空腔内的弹簧不抵另一个空腔内大气压力的作用，在大气压力作用下膜片得以通过拉杆开启活门，使进气管长度缩短。发动机转速低于这个门槛值时，电磁阀切断从真空泵到膜片阀的通路，膜片分隔开的两个空腔内都是大气压力，膜片在弹簧压力作用下通过拉杆关闭活门，使进气管长度加长。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α＞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。一、均质稀薄燃烧技术对于常规进气道喷射：为了防爆燃，需采用较低压缩比、导致热效率低；比热容比低、泵气损失大、NOX排放较高等缺点。使用稀燃，可以：提高压缩比、增大绝热指数、保证完全燃烧。1、火球高压缩比燃烧室2、碗开燃烧室二、分层燃烧技术（一）分层燃烧系统主要是在火花塞周围形成可燃混合气，其余地方为稀薄空气或者纯空气。分层燃烧可分为进气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）

轴向分层燃烧系统利用进气涡流和后期进气道喷射，使小汽缸上部为较浓混合气，下部为较稀混合气。（2）

横向分层燃烧系统两个进气道供气，一个为纯空气，另一个为混合气，利用滚流，把混合气导向火花塞。2、缸内直喷分层燃烧方式。主要有三种方式：壁面引导方式、气流引导方式、喷束引导方式GDI优点：1）经济性好2）瞬态响应好3）起动时间短4）冷起动HC排放改善（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2、丰田缸内直喷分层充量燃烧系统第五节废气涡轮增压发动机一、概述增压后进入气缸的新鲜空气量增多，故可以燃烧更多的燃料，提高发动机功率。提高平均有效压力是提高功率的主要因素而提高进气密度：一是提高进气压力，二是降低进气温度采用增压技术：一可以提高功率，二可以减少单位功率质量，三是降低油耗。二、废气涡轮增压发动机性能1、增压柴油机节能原理：柴油机增压后，平均指示压力大大增加，而其平均机械损失压力却增加不多，因此，机械效率ηm提高；由于增压适当加大了过量空气系数Фa，使燃烧过程得到一定改善，其指示热效率ηit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。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三、增压压力控制1、排气旁通，减少进入涡轮的排气及其能量工作原理：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3–37b）），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3–37c）），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。2、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。工作原理：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1／3开度，那么旁通进气道中的阀门打开（图3–38a）），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1／3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3–38b））。3、通过电脑自动控制工作原理：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。四、可变涡壳通道及喷嘴环流通截面的涡轮1、双涡轮壳通道的涡轮工作过程：涡轮的涡壳入口通道由壁板分隔成两个通道，然后再汇总到涡轮叶轮边缘入口处，发动机在低速工作时，排气仅通过截面为A1的通道流向涡轮，通截面较小，排气流速增加，并以接近90°的角度冲向涡轮的叶片，推动叶轮旋转的能量大，于是涡轮及压气机的转速都迅速增加。而在发动机转速较高时，平板阀门开启。排气经过A1及A2两个通道流向涡轮，气流速度较低，并以钝角射向叶片，于是涡轮及压气机保持在适度的转速上。2、可变涡壳通道的涡轮增压系统工作原理：控制器可以让增压空气的压力传递到膜片上，使曲面形阀开启，让通道打开。需要时，放走增压空气，让曲面形阀关掉部分通道。流通截面减小后排气流速及撞向涡轮叶片冲量增加，于是涡轮增压器轮转速及增压压力上升。如果流通道截面扩大，其结果则相反。3、可变喷嘴环流通截面的涡轮工作原理：在发动机低速、低负荷工况，叶片转动使流通截面变小，排气流速增加，并以较小的角度、较大的冲量推动涡轮高速旋转。而当发动机在高速及较大负荷工作时，叶片的转动使流通截面变大，于是排气流速减小，并以较大的角度、较小的冲量推动涡轮旋转。于是增压器的转速及增压压力被控制在适当的水平上。五、汽油机增压系统的常用措施1、电控汽油喷射系统2、电控爆燃控制3、增压中冷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1、化油器。结构简单、工作可靠和能满足稳态工况动力、经济性要求等优点，但却远不能满足当前对多种性能的综合要求。2、机械式汽油喷射装置20世纪初、中期，机械式汽油喷射装置就已用于航空活塞式汽油机和少量高级小轿车汽油机中。它基本上能克服化油器除排污一项之外的其它缺点，性能上有很大改进。但由于机械喷射系统结构复杂，成本高，不可能在大量生产的车用汽油机中得到推广。3、电控汽油喷射喷射装置的机械结构大为简化，可以利用氧传感器的反馈控制和三效催化转化器使各项气体排放污染物达到最低水平。二、复合功能的电控多点燃油喷射与点火系统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3—51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。（二）控制功能

1.喷射控制1）稳定工况供油控制2）冷起动及起动后暖机的供油控制3）加、减速工况的供油控制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2.点火控制1）点火提前角控制2）点火闭合角的控制3）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存在三种不同的各缸喷射时间与顺序的安排方案，即同时喷射、分组喷射与顺序喷射。1）同时喷射在发动机一个循环的720°曲轴转角中，各缸喷油器同时喷油一次或两次。特点：不需要各缸的判别信号，结构简单，控制也较简易。其缺点是各缸喷油时刻距进气时间的间隔彼此差别较大；喷入的燃油在气道内停留的时间不同，导致各缸混合气品质不均，影响各缸工作均匀性。2）分组喷射将多缸机的喷油器分为二到三组，各组在一循环中同时喷射一次。特点：结构及控制程序均较同时喷射复杂一些，但各缸间的差异也小一些。各缸工作均匀性有所改善。3）顺序喷射各缸按发火顺序的先后都在进气初期进行喷射。特点：每缸都需要单独的控制线路，所以结构及控制方式都比较复杂，但各缸混合气品质最为均匀。这种方式正日愈获得广泛的应用。第七节柴油机燃油喷射系统电子控制

一、系统发展简述全球环境状态的日益恶化，能源危机意识的加强，以及CO2排放，都对柴油机的排污和经济性能提出了更高的要求。世界各国推出的排放法规和某些国家的能源法规都更加严格。为了应付这一挑战，改进柴油机燃油喷射系统是最关键的环节。当前，西方发达国家的大部分柴油轿车和轻型客车都使用了直列式或转子式电控柴油喷射系统，并正向更新型的电控高压共轨系统转化。与机械控制方式相比，柴油机电控喷射有以下优点：l）控制更为全面和精确2）能实现预喷射或多次喷射以及喷油率与喷油压力的精确控制。3）可实现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。二、类型与性能特点（一）位置控制式电控燃油喷射系统特点：不改变传统喷油系统的工作原理和基本结构，只是由电控装置取代机械调速器和提前器，对油量调节杆（直列泵）和溢流环套（VE分配泵）的位置以及油泵主、从动轴的相互位置进行低频连续调节，以实现油量和定时的控制，所以叫做位置控制系统。（二）时间控制式电控燃油喷射系统特点：利用安装在高压油路中的高速、强力电磁溢流阀来直接控制喷油始点和喷油量，与汽油机的电控喷油系统原理相似。不同点在于还可通过实时变更电磁阀升程或改变高压油路中的油压来实现喷油率和喷油压力的控制。它具有每缸一阀（直列泵）、能分缸调控和响应快等优点，已成为当前柴油机电控喷油系统的主要发展方向。1.时间控制式柱塞泵脉冲喷油系统此类系统仍保持传统的柱塞往复运动脉冲供油方式，直接由电磁溢流阀控制油量和定时，柱塞副只起加压、供油作用，没有油量调节功能。喷油泵机械系统的结构大为简化，油泵缸体及柱塞副的刚度加强，承压能力相应提高。（1）时间控制型电子控制分配式喷油泵控制原理：在柱塞泵油阶段，当电磁溢流阀断电时，溢流阀打开，高压燃油立即卸压，停止喷油。喷油始点并不取决于电磁溢流阀关闭的时刻，而是取决于分配泵平面凸轮的行程始点，电磁溢流阀打开越晚，喷油量越多。（2）电控单体泵分列式喷油泵，尤其是单缸分列式泵，即单体泵，具有下列主要优点：1）能承受很高的泵端压力。2）功率覆盖面大。（3）电控泵喷嘴工作原理：当泵油柱塞在顶置凸轮的驱动下，向下运动压油时，若此时菌状的电磁锥阀开启，则柱塞下腔并不能建立起高压油。当电磁阀通电，菌状锥阀关闭，柱塞下腔的油压才能升高，从而实现喷油。显然，这里电磁阀关闭的时刻，就基本上是喷油的开始。电磁阀关闭时间的长短就决定了喷油量的多少。因此，用一个两位两通电磁开关阀，就实现了喷油定时与喷油量的联合控制。2.时间控制式共轨喷油系统这种系统不再应用传统的柱塞脉动供油泵原理，而是先将柴油或者其它传递压力的工质，如机油，以高压（喷油压）或中压（10MPa左右）状态蓄集在被称为共轨（commonrail）的容器中，然后利用电磁三通阀将共轨中的压力油引到喷油器中完成喷射任务。l）共轨中若为与喷油压力相同的柴油，则此油直接进入喷嘴盛油槽（针阀腔）开启针阀进行喷射，这就是“高压共轨”系统。2）若泵入共轨腔中的是中压机油，则它进入喷油器后将类似传统泵喷嘴中的凸轮，对喷油器中的活塞上方施压。此活塞再通过柱塞压缩下方的柴油，使其增为喷射的高压而通到喷油嘴中类似常规喷嘴进行喷射。此种系统另有燃油供油及回油油路。此系统又称为“液压泵喷嘴系统”。三、以电控喷射为主的柴油机电子管理中心的主要功能

目标喷油量控制

目标喷油定时控制

油量及喷油定时的补偿控制

冷起动及怠速稳定性控制

过渡性能与烟度控制

喷油规律与喷油压力的控制

其它参数及性能的控制第八节发动机其他节能技术一、分缸断油（闭缸技术）1、微机自控闭缸节油的依据部分负荷时ECU通过设在燃油系统中的阀门切断右面3个气缸的燃油供应，只有左面3个气缸得到燃油供应并点火工作，一部分废气被送回进气管。进气总管中设有ECU控制的阀门，可将这两组气缸的进气歧管分隔开，所以回流废气可经进气管流入已经断油的3个气缸，再经过专门为这一组气缸设置的排气管排出。全负荷时，各缸一起工作。进气总管中的阀门将两组气缸的进气歧管接通，各缸都得到新鲜空气和燃油供应。2、微机自控闭缸节油装置的组成一般由往复离合器式的气门挺杆、弹性离合选择器、化油器调节油针、组合气路驱动器和微机控制系统组成。二、与变速器换档相关的发动机控制变速器换档控制所需的输入信号由发动机负荷传感器7、发动机转速传感器8、节气门开关6以及变速器输出轴转速传感器9、变速器档位开关2、程序模块开关3和加速踏板终端开关4等提供。执行器是变速器液压系统压力调节器、电磁阀14和故障信号灯15。为了实现某一车速，发动机功率和转速可以有不止一种的组合，由变速器速比决定。每一种组合对应于发动机的一个工况点和一个有效燃油消耗率。ECU会选择其中比油耗最低的一种组合所对应的变速器速比。三、进气量电子控制1、进气量电子控制的必要性1）通过节气门以外的装置调节进气量的场合：不用节气门，只要通过调节进气门升程和开启相位也可调节进气量。2）某些电子控制项目中为了改善平顺性而要求逐步改变转矩的场合。3）为了迅速加热三元催化器而在暖机阶段推迟点火的场合。4）牵引力电子控制、发动机限速控制和汽车限速控制的场合5）现代汽油直接喷射发动机。2、进气量电子控制系统的组成四、停车-起动运行电子控制汽车在城市行驶工况中，停车时常常不关闭发动机，怠速运行时间占总运行时间的比例可高达20％～30％，而怠速油耗占总油耗的5％左右。当离合器脱开、汽车停住或只是以大约2km/h的速度爬行时，发动机在几秒钟内就自动关闭。这种情况主要发生在都市交通信号灯前面或堵车时。借此可节省燃油并减少排放。重新起动发动机时只要将离合器踏板踩到底，并将加速踏板踩下达其行程1／3以内就可以了。停车–起动运行虽然节省了怠速燃油，但增加了起动燃油的消耗。五、发动机冷却风扇控制据实验资料，汽车在