汽车新技术

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1、JIU JIANG UNIVERSITY院系机械与材料工程学院专业(班级)汽车制造与装配技术(B0942) 姓名刘惜君二零一一年五月现代汽车发动机使用的新技术1、缸内直喷技术（GDI）缸内直喷技术（GDI），燃油以细微滴状的薄雾方式进入汽缸， 而不是以蒸汽的方式。这也就意味着当燃油雾滴吸收热量变为可燃蒸 汽时，实际上对发动机的汽缸起到了冷却的作用。这种冷却作用降低 了发动机对辛烷的需要，所以其压缩比可以有所增加。而且正如柴油 一样，采用较高的压缩比可以提高燃料的效率。采用GDI技术的另一 个优点是它能够加快油气混合气体的燃烧速度，这使得GDI发动机和 传统的化油器喷射发动机相比，可以很好地适应

2、废气再循环工艺。采用计算机来模拟进出燃烧室的燃料和空气流的情况是一项突 破性的技术。燃烧室和活塞的形状、喷油脉冲的能量和方向、活塞和 发动机热量的运动情况都会影响油气混合物雾滴的位置。这项技术采 用了指燃油分层喷射。燃油分层喷射技术是发动机稀燃技术的一种。 什么叫稀燃？顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空 气之比可达1： 25以上。大众FSI发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共 轨）到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生 可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充 的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。如果 稀燃技术

3、的混合比达到25： 1以上，按照常规是无法点燃的，因此必 须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围 形成易于点火的浓混合气，混合比达到12： 1左右，外层逐渐稀薄。 浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。FSI特点是：能够降低泵吸损失，在低负荷时确保低油耗，但需 要增加特殊催化转换器以有效净化处理排放气体。FSI发动机按照发动机负荷工况，基本上可以自动选择2种运行 模式。在低负荷时为分层稀薄燃烧，在高负荷时则为均质理论空燃比 （14.6-14.7）燃烧。在这两种运行模式中，燃料的喷射时间有所不 同，真空作动的开关阀进行开启/关闭。在高负荷中所进行的均质理 论空燃比燃烧中，燃油则

4、是在进气冲程中喷射。理论空燃比的均质混 合气易于燃烧，不必借助涡流作用，因此，由于进气阻力减少，开关 阀打开。而在全负荷以外，进行废气再循环，限制泵吸损失，由于直 喷化而使压缩比提高到12.1，即使在均质理论空燃烧比混合气燃烧 中，仍能降低燃油耗。进一步说，在FSI发动机中，在低负荷与高负 荷之间，作为第三运行模式而设定均质稀薄燃烧，在这种运行模式中， 燃油在进气冲程喷射，并且由于产生加速稀薄混合气燃烧的纵涡流， 开关阀被关闭。这时，阻碍燃烧的废气再循环（EGR）暂不进行。与 均质理论空燃比燃烧不同的是，吸入空气量超过燃油的喷射量.所以 实际上FSI发动机有三种工作模式：分层稀薄燃烧，均质稀薄

5、燃烧， 均质理论空燃比燃烧。2、共轨燃油喷射系统（CRS）共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来。共轨系统与之前 以凸轮轴驱动的柴油喷射系统不同，共轨式柴油喷射系统将喷射压力 的产生和喷射过程彼此完全分开。电磁阀控制的喷油器替代了传统的 机械式喷油器，燃油轨中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生， 压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定。共轨中的 燃油压力由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连 续压力调节。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的 喷射过程。喷油量的大小取决于燃油轨中的油压和电磁阀开启时间的 长短，及喷油嘴液体流动特性。最近2年，匹配直喷柴油

6、发动机的轿车在欧洲得到了显著发展， 有着高效和出色的燃油经济性，并降低了发动机噪音。直喷柴油发动 机使用的是泵喷嘴系统，国内生产的1.9TDI宝来就应用这一系统， 最高喷射压力可达到1800巴。泵喷嘴直喷系统好虽好，但燃油压力 不能保持恒定，随着排放控制的更加苛刻，就需要更高及恒定的柴油 喷射压力和更完善的电子控制，于是众多制造商们就把优点更多的柴 油共轨系统作为柴油发动机的发展方向。这一系统有很高的燃油压 力，并能提供弹性燃油分配控制，通过ECU灵活地控制燃油分配、燃 油喷射时间、喷射压力和喷射速率。通过对以上特性的控制，共轨已 经使柴油机的响应性和驾驶舒适性达到了汽油发动机水平，同时它具

7、有着显著的燃油经济性和低排放特性。由凸轮轴驱动控制的轴向柱塞式分配泵的发动机，燃油系统压力 与发动机转速呈线性关系，在发动机低转速时形成燃油压力不足，而 共轨系统能够在发动机的所有转速范围内获得非常高的燃油压力。灵 活的电子控制系统对正时和喷射压力的控制在发动机各种工况下都 能够获得低排放和高效率。由于压力的形成与喷射过程分离，使发动 机设计人员在研究燃烧和喷油过程时获得了更大的自由。可根据发动 机工况的要求调节喷射压力和喷射正时，使发动机在低速工况下也能 实现完全燃烧，所以既使是在很低的转速也能获得大扭矩。预喷射技 术的应用在降低排放和噪音方面取得了更大的进步。第一代共轨高压泵总是保持在最高

8、压力，导致能量的浪费和很高 的燃油温度。第二代可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷 射和后喷射功能。预喷射降低了发动机噪音：在主喷射之前百万分之 一秒内少量的燃油被喷进了气缸压燃，预加热燃烧室。预热后的气缸 使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加， 有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将 缸内温度增加200250C，降低了排气中的碳氢化合物。由于其强 大的技术潜力，今天各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代 压电式(piezo)共轨系统，压电执行器p代替了电磁阀，于是得到了 更加精确的喷射控制。没有了回油管，在结构上更简单。压力从200 2000

9、巴弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX 的排放。3、涡轮增压技术匹1=1当人们谈论赛车或高性能跑车时，涡轮增压器通常都是必谈的话题。 涡轮增压器也用于大型柴油机发动机中。涡轮可以显著提升发动机 的马力，而不会大幅度增加发动机重量，这也是涡轮增压器如此受欢 迎的一个重要因素。在本文中，我们将了解涡轮增压器在极端工作条件下如何增加发动机 的动力输出。同时我们也将了解“废气泄放阀”、陶瓷涡轮叶片以 及滚珠轴承如何帮助涡轮增压器提高性能。涡轮增压器是一种强制引导系统。它对流入发动机的空气进行压缩， 压缩空气可以使发动机能够将更多的空气压到气缸里，而更多空气就 意味着能向气缸内注

10、入更多的燃料。因此，每个气缸的燃烧冲程就 能产生更多动力。涡轮增压发动机产生的动力要比相同普通发动机 大得多。这样就可显著提高发动机的动力重量比。为了获得这种性 能上的提升，涡轮增压器使用发动机排出的废气带动涡轮旋转，而涡 轮则带动气泵旋转。涡轮在涡轮机中的最高转速为每分钟150,000 转一一这相当于大多数汽车发动机转速的30倍。同时由于与排气管 相连，涡轮的温度通常非常高。涡轮增压器基础知识增加发动机所能燃烧的燃料和空气是提升发动机动力最可靠的方法 之一。增加燃料和空气的方法之一是增加气缸数或增大气缸容积。有时这些方法并不可行。这时使用涡轮将是增加动力更简便、有效的 方法，尤其在购买后自行

11、改装时更是如此。涡轮增压器使发动机能将更多的燃料和空气注入气缸，从而使发动机 能够燃烧更多的燃料和空气。涡轮增压器通常能够产生41-55千帕 的气压。由于在海平面大气压力为1012.8千帕，因此发动机中注入 的空气会增加50%。从而发动机内部动力可增加50%。但上述过程 并不能完全实现，实际动力可能增加30-40%。在使用涡轮增加发动机动力过程中，有一个原因会导致涡轮效率低 下，那就是需要动力动涡轮旋转。将涡轮装在排气管内会增加排气 管内的空气阻力。这意味着，发动机在排气冲程时，不得不克服更 高的负压。这会稍微减少发动机在燃烧时产生的动力。涡轮增压器适用于高海拔涡轮增压器在空气较为稀薄的高海拔

12、地区很有用。在高海拔地区， 通常普通发动机的动力会减小，因为在活塞的每个冲程中，发动机都 只能获得少量的空气。涡轮增压发动机可能同样会减小动力，但减 小量会少很多，因为稀薄的空气会更容易被涡轮增压器抽入发动机。装有化油器的老式汽车为了适应气缸内增加的空气，会自动增加燃 料。使用燃料百喷技术的现代汽车一定程度上也会在作相同的调整。 燃料喷射系统通过装在排气管内的氧气含量传感器来判断空燃比是 否正确，因此加装涡轮后，系统会自动增加燃料。在采用燃料百喷技术的汽车中，如果涡轮增压器过多地增加空气压缩 率，系统可能无法提供足够的燃料（要么是控制器的软件程序不允许， 要么是燃料泵和喷射器无法提供如此多的燃

13、料）。在这种情况下， 为了最大程度地利用涡轮增压器，必须对车辆进行其他改进。涡轮增压器的工作原理涡轮增压器连接到发动机的排气歧管。气缸内排出的尾气带动涡轮 旋转，与燃气轮机类似。涡轮通过轴与安装在空气过滤器与吸气管 之间的压缩机相连。压缩机把空气压缩到气缸中。Garrett 供图涡轮增压器在汽车中的连接方式气缸排出的尾气流过涡轮叶片，使涡轮旋转。流过叶片的尾气越多， 涡轮旋转速度就越快。压缩机涡轮壳体轮气 涡废出涡轮奇分压席机轮曾涡轮外压缩机 排气口压殖机 进气口在连接涡轮的轴另一端，压缩机将空气抽到气缸中。压缩机是一种 离心泵，它在叶片的中心位置吸入空气，并在旋转时将空气甩到外面。为了适应高

14、达150,000转/分的转速，必须小心支撑涡轮轴。大部分 轴承在这样的高速下会爆炸，所以绝大多数的涡轮增压机使用的是液 压轴承。这类轴承能使轴浮于一层薄薄的油膜上，这些油从轴四周 恒定抽入。这可以起到两个作用：一方面能够降低轴和一些其他涡 轮增压机部件的温度，另一方面能够减小轴在旋转时遇到的摩擦。在为发动机设计涡轮增压机时，需要权衡许多利弊。在下一节，我 们将了解一些需要权衡的因素，并说明其如何影响涡轮增压机的性 能。4、可变配气正时技术首先谈一下普通发动机配气机构，大家都知道气门是由发动机的曲 轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。在发动机运转的时候，我们需要让更多的新鲜空气

15、进入到燃烧室，让废气能 尽可能的排出燃烧室，最好的解决方法就是让进气门提前打开，让排 气门推迟关闭。这样，在进气行程和排气行程之间，就会发生进气门 和排气门同时打开的情况，这种进排气门之间的重叠被称为气门叠加 角。在普通的发动机上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的， 气门叠加角也是固定不变的，是根据试验而取得的最佳配气定时，在 发动机运转过程中是不能改变的。然而发动机转速的高低对进，排气 流动以及气缸内燃烧过程是有影响的。转速高时，进气气流流速高， 惯性能量大，所以希望进气门早些打开，晚些关闭，使新鲜气体顺利 充入气缸，尽量多一些混合气或空气。反之在在发动机转速较低时， 进气流速低，流动惯

16、性能量也小，如果进气门过早开启，由于此时活 塞正上行排气，很容易把新鲜空气挤出气缸，使进气反而少了，发动 机工作不稳定。因此，没有任何一种固定的气门叠加角设置能让发动 机在高低转速时都能完美输出的，如果没有可变气门正时技术，发动 机只能根据其匹配车型的需求，选择最优化的固定的气门叠加角。例 如，赛车的发动机一般都采用较小的气门叠加角，以有利于高转速时 候的动力输出。而普通的民用车则采用适中的气门叠加角，同时兼顾 高速和低速是的动力输出，但在低转速和高转速时会损失很多动力。 而可变气门正时技术，就是通过技术手段，实现气门叠加角的可变来 解决这一矛盾。如90年代初，日本本田公司推出一种即可改变配气

17、定时，又能 改变气门运动规律的可变配气定时一升程的控制机构，是世界上第一 个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统。 就是现在大家耳熟能详的VTEC机构：一般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自动操纵，进行自动转换。 采用VTEC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转都达到动力性、经济性与低排 放的统一和极佳状态。需要说明的是，发动机采用可变配气定时技术 获得上述好处的同时，没有任何负面影响，换句话说，就是没有对于 发动机的工作强度提出更

18、高的要求。VTEC的设计就好像采用了两根不同的凸轮轴似的，一根用于低 转速，一根用于高转速，但是VTEC发动机的不同之处就在于将这样 两种不同的凸轮轴设计在了一根凸轮轴上。本田发动机进气凸轮轴中，除了原有控制两个气门的一对凸轮（主凸轮和次凸轮）和一对摇臂（主摇臂和次摇臂）夕卜，还增加了一 个较高的中间凸轮和相应的摇臂（中间摇臂），三根摇臂内部装有由 液压控制移动的小活塞。发动机低速时，小活塞在原位置上，三根摇臂分离，主凸轮和次凸轮 分别推动主摇臂和次摇臂，控制两个进气门的开闭，气门升量较少， 情形好像普通的发动机。虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂 之间已分离，其它两根摇臂不受它的控制，所

19、以不会影响气门的开闭 状态。发动机达到某一个设定的高转速时，电脑即会指令电磁阀启动 液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成一体，一起由中间 凸轮c驱动，由于中间凸轮比其它凸轮都高，升程大，所以进气门开 启时间延长，升程也增大了。当发动机转速降低到某一个设定的低转 速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位， 三根摇臂分开。整个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、水温等）的参 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。本田的VTEC发动机技术已经推出了十年左右了， 事实也证明这种设计是可靠的。它可以提高发动机在各种转速下的性 能，无论是低速下的燃油经济性和运转平顺性还是高速下的加速性。 可以说，在电子TEC技术在目前可以说是一种很好的方法.使汽车技 术的高科技含量增大，是汽车飞速发展的又一里程碑。