第1章---汽油发动机新技术综述

汽车工程学院•汽油缸内直喷（GDI：GasolineDirectInjection）是指汽油机采用与柴油机燃料喷射相同的方式将燃料通过安装在缸盖上的喷油器直接喷到缸内使之燃烧的一种新型技术。GDI发动机传统PFI发动机汽车工程学院•当燃油直接喷到缸内时，可自由控制燃烧室内的燃油分布，利用优化设计的进气道与活塞形成空气流动，实现混合气在缸内分层分布，由此可获得在传统发动机中不可达到的稀空燃比（如40:1）（理想空燃比14.7：1），实现超稀薄混合气稳定燃烧。这种系统主要的目的是降低汽油机的燃油消耗率，特别是低负荷工况下的燃油消耗率，同时也能够实现较好的缸内排放。汽车工程学院•GDI的优点：•GDI相对于传统燃料喷射（PFI）方式而言，有如下优点：•1）可进一步改善燃油经济性，最大燃油消耗改善率可达25%。这主要是由于不会在发动机起动时在进气门处形成油膜，影响发动机喷油量精确控制（传统发动机的启动会有4-10个不稳定循环，排放变差，燃油经济性变差）。汽车工程学院•3）可以更精确的控制空燃比；•4）允许用较大的废气再循环EGR率；•5）冷起动时未燃碳氢（UBHC）排放少。这主要是由于GDI不会在进气道表面形成油膜。•6）燃烧采用的是稀混合气，可减少CO2排放；•7）起动迅速。GDI通常在第二个循环就可着火，而PFI则至少需要10个循环以上才能着火。汽车工程学院1.2汽油机废气再循环•废气再循环技术：•工作过程是将部分排气引入进气管，以提高混合气中废气成分，主要通过三个方面减少NO化合物的形成。（高温富氧生成NO化合物）•1）降低最高温度（废气中含有水蒸气和二氧化碳等气体，比热容大，可有效降温）•2）降低氧浓度（废气稀释）•3）降低燃烧速度（废气中含有大量的惰性气体，稀释了新鲜空气，降低反应速率）•缺点是大负荷时会造成动力性及经济性下降。汽车工程学院•外部EGR：将部分废气经外部管路引入进气系统来实现EGR。EGR冷却系统•EGR冷却系统的功用：对EGR气体进行冷却，这不仅使发动机的燃烧温度比用通常EGR的更低，从而进一步减少NOX的排放，而且还能有效地提高进气密度，使燃烧更完全，对减少PM等污染物排放也非常有利。汽车工程学院1.3汽油机可变配气相位技术•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，这种固定不变的正时很难兼顾到发动机不同转速的工作需求，可变气门正时就是解决这一矛盾的技术。汽车工程学院•压缩比提高（燃料蒸发（在气缸内）能够降低混合气温度，同时混合气在缸内的停留时间较短，相比同压缩比条件下直喷发动机发生爆震的倾向小，要求燃料辛烷值较低。）•2）瞬态工况响应性有改善；汽车工程学院•一般来说，进气门迟闭角对发动机充气效率影响较大大。充气效率在某一转速下达到最大值，当发动机转速高于此转速时，气流惯性增加，一部分本来可以进入气缸的空气被关在气缸之外。当转速低于此转速时，气流惯性减小，压缩行程初期可能有一部分空气被推回进气管，导致充气效率下降。汽车工程学院•采用了可变气门正时技术，发动机在整个工作范围内的转速和负荷下，可以提供适当的气门开启及关闭时刻，从而改善发动机的进排气性能，较好的满足高转速和低转速、大负荷和小负荷是的动力性和经济性等。汽车工程学院•可变进气系统优点：•1）提高发动机功率•2）提高发动机低速扭矩•3）改善启动性能•4）提高怠速稳定性•5）提高燃油经济性汽车工程学院•在发动机运转的时候，我们需要让更多的新鲜空气进入到燃烧室，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，推后关闭，让排气门推迟关闭。汽车工程学院•可变配气相位分类：（1）无凸轮轴可变配气相位机构例如：FEV电磁控制气门机构电控液压配气机构（2）变换凸轮型线的可变配气相位机构。例如：锥形凸轮轴，本田VTEC（3）改变凸轮轴与气门之间连结的可变配气相位机构汽车工程学院可变气门正时和升程控制系统：本田汽车公司VTEC技术（变换凸轮型线）本系统是利用三个不同型线的凸轮及三个不同的摇臂组合产生可变配气效果，实现在低速，中速以及高速时的发动机性能优化。（有两个进气门）低速时：各个摇臂独立工作，高速凸轮不起作用，中速时：主次摇臂连接在一起工作，只有中速凸轮起作用。高速时:三个摇臂连接在一起，高速凸轮起作用。汽车工程学院•改变凸轮与气门之间连结的可变配气相位机构电控液压挺柱式可变配气相位机构1.凸轮；2.第一挺柱；3.挺柱室；4.储油室；5.电磁阀；6.气门基本原理：电磁阀关闭时，凸轮推动第一挺柱，由于挺柱室里的液压油不能溢出，油压推动第二挺柱工作。打开电磁阀，就可以改变挺柱室离得液压油，进而改变配气正时。汽车工程学院1.4发动机进气管长度可变系统传统发动机的进气通道长度是不变的，只能保证发动机在某一工况下具有良好的性能，无法再运行过程中进行调节。进气管长度对于发动机的充气效率影响较大，采用可变进气管长度，可以利用气体的波动效应来增大进气量，增加转矩，提高功率，同时可降低排放，实现发动机性能优化。汽车工程学院•进气管长度可变系统原理：•发动机进气门时开始关，这使得进气管内的气体流动处于波动状态。进气门关闭时，进气管内的气体因急速停止而受到压缩，进气门附近产生一个正压力波，向进气管入口传播，到进气道入口处返回，这样导致发动机进气道里有正负压力波交替往返传播，直到下一个循环进气门打开。如果下一循环开始时进气正好和压力波同向，则提高了充气效率，反之则降低。汽车工程学院•为了提高充气效率进而提高发动机的性能，希望发动机进气时进气正好和压力波同向。•根据研究，要实现这一目标，进气管长度满足以下条件：2L=at•L表示进气管长度，a当地声速，T,进气门相继两次开启所经历的时间。•由此可见：为了提高低速转矩，应该增大进气管长度，反之，为了提高发动机高速转矩，应缩短进气管长度。汽车工程学院•此项新技术的出发点：节油•发动机压缩比越大，其循环效率越高，经济性越好，因此在中小负荷采用较大的压缩比，可以显著提高经济性。而在高负荷时，可以适当降低压缩比，避免汽油机爆震或是柴油机压力过高，工作粗暴。汽车工程学院•主要应用于增压汽油机。•在大负荷时适当降低压缩比，避免爆燃，；部分负荷时适当高些，并应用涡轮增压技术。可提高燃油经济性和输出功率。汽车工程学院•在增压发动机中，为了防止爆震，其压缩比低于自然吸气式发动机，但当发动机转速较低时，增压压力较小（此时比自然吸气发动机有所下降），燃油经济性下降，只有当发动机转速达到一较高水平后，增压系统才能发挥其作用，为了解决这个问题，可变压缩比技术是重要的方法。