车用汽油机和柴油机国内外技术现状、发展趋势

车用汽油机和柴油机国内外技术现状、发展趋势在能源危机的加剧和汽车尾气排放法规越来越严格的形势下，有越来越多的发动机新技术来解决汽车动力性、经济性和环保性三方面的矛盾。提高能量利用率和降低污染物的排放是车用发动机发展的目标。FSI发动机结构车用汽油机和柴油机新技术1.大众FSI/TSI/TFSI技术2.发动机自动启停系统3.汽油机缸内直喷技术4.柴油机高压共轨电控燃油喷射系统5.可变气门正时技术1.大众FSI/TSI/TFSI技术首先大众的这三项技术有其共同点，FSI(FuelStratifiedInjection)燃油分层喷射技术是TSI/TFSI的基础。与进气歧管的发动机相比，FSI发动机的主要优势有：动态响应好、功率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低。缸内直喷发动机的燃烧效果图FSI的特点：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。TSI（TwinchargerStratifiedInjection）涡轮-机械增压发动机和TFSI(TwinchargerFuelStratifiedInjection)涡轮增压燃油分层喷射发动机都是在FSI的基础上开发出来的。TSI是在FSI技术的基础上，安装了一个涡轮增压器和一个机械增压器，鉴于涡轮增压和机械增压的特性，机械增压可以从怠速开始就能为发动机提供增压效果，弥补了涡轮增压系统的延时点，所以TSI是一种及高效率的发动机形式，会是动力性和燃油经济性的完美统一。TFSI是在FSI的基础上增加涡轮增压技术。涡轮增压式利用排气的高温高压推动废气涡轮高速转动，在带动进气涡轮压缩进气，提高空气密度，同时电脑控制增大喷油量，配合高密度的进气，因此可以在排量不变的条件下提高发动机工作效率。由于废气涡轮是靠排气推动的，因此在发动机转速低时不启动，只有发动机转速（1500转以上）涡轮增压器才开始工作。2.发动机自动启停系统发动机自动启停系统，顾名思义，就是在车辆行驶过程中临时停车（例如等红灯）的时候，自动熄火。当需要继续前进的时候，系统自动重启发动机的一套系统。在拥挤的城市道路上行驶，汽车难免要走走停停，有时红灯一等就是两三分钟，这时如果发动机一直在怠速工作，既浪费了燃油又污染了环境。而且这种现象也受到各国政府的高度重视，美国、日本、英国、法国、德国、意大利、台湾等国家和地区都已有立法监管停车熄火，中国香港特别行政区政府于2011年3月5日审议通过了《汽车引擎空转定额罚款草案》，按照规定，除巴士、混合动力车型等豁免情形之外，怠速三分钟之后必须熄火，否则将定额罚款320港元。发动机自动启停系统是在车辆行驶过程中临时停车（例如等红灯）的时候，自动熄火。当需要继续前进的时候，系统自动重启发动机的一套系统。行驶中只要直接踩制动踏板，车辆完全停止大概两秒钟后发动机就会自动熄火，一直踩着制动踏板，发动机就会保持关闭。只要一松开刹车，或者转动方向盘，发动机又会马上自动点火，立即又可以踩油门起步，整个过程都处于D档状态。对装备自动起停系统的发动机的几点要求：1.缸内直喷发动机更适合装备该系统。直喷发动机可以直接通过喷油器雾化汽油，原理上可以在一个工作循环内完成启动。启动时间比进气管发动机快的多，这就降低了对启动机的要求。2.需要耐用的发动机。由于发动机要经常启停，而起动机的工作电流又很大，所以起动机经常工作就容易因过热而发生热损坏。所以要求起动机的耐用性要很好。3.对机油的品质要求严格。我们知道，发动机在正常工作工况下磨损是极小的，因为当发动机进入正常工作温度后，零件之间的配合间隙和机油润滑都进入了最理想的状态。而经常启停的发动机，润滑油的温度、流动等都不能保持在最佳状况，所以润滑效果大大降低，导致发动机磨损量增大。博世公司为自动启停系统开发的起动机3.汽油机缸内直喷技术6孔喷油嘴现代缸内直喷式汽油机应用的汽油泵的供油压力已高达5~12MPa，又采用带旋流的喷油嘴，雾化性能得以提高，喷油的油滴直径约为20μm，喷雾锥角可达50~100°，常压下的贯穿度约为100mm。此时一滴20μm的油滴在200℃的空气中仅需3.4ms或31°CA就能完全蒸发，因而汽油的蒸发和空气的混合可主要依靠喷雾来实现，再加上缸内空气运动的辅助，变工况（如车辆加速时）和冷启动时不再需要过量喷油，冷启动喷油量得以大大减少，从而有害物排放也将大为降低。缸内直喷既有利于降低油耗，又能达到节能和减少温室气体二氧化碳排放的目标。汽油在缸内直接喷射时油滴主要依靠从缸内空气中吸热而非从壁面吸热，因而能使混合汽的温度降低和体积减小，从而有利于提高充气效率，降低爆震倾向和提高压缩比。在高空燃比情况下，由于混合汽物性的改变、绝热指数的增加以及混合汽分层致使热损失减少，使得发动机的热效率进一步提高。由于发动机经常在低负荷工况下运行，因此分层混合燃烧的直喷式汽油机可使平均油耗降低15~20%。4.柴油机高压共轨电控燃油喷射系统高压共轨技术是指在高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种共有方式，由高压油泵把高压燃油送到公共油管，通过对公共油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺点。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。高压共轨的优点：(1)高压共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。(2)可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷油压力（120MPa~200MPa），可同时控制NOx和微粒在较小的数值内，以满足排放要求。(3)柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机NOx排放，又能保证优良的动力性和经济性。(4)由电磁阀控制喷油，控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压力为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。5.可变气门正时技术可变气门正时技术使得发动机的设计者无需再在低速扭矩与高速功率之间做出选择，实时的气门定时调整可以同时顾及低速扭矩与高速功率。连续可变气门定时技术加上先进的发动机控制策略，可以巧妙的实现可变压缩比。可变气门正时技术分为三种：可变相位（phase）技术，可变升程（lift）技术，以及可变相位和升程技术。该技术以本田的VTEC(VariableValveTimingandValveLiftElectronicControlSystem)即可变气门正时和气门升程电子控制系统和丰田的VVT-i（VariableValveTimingintake）即智能可变配气正时最为代表性。发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。它的特点是在大幅提高了燃油的经济效率的同时增加发动机的功率。如在大负荷时，发动机容易发生自然引起的爆震，通过推迟进气门关闭的时间来达到降低有效压缩比的目的，从而避免爆震。而在中小负荷时，爆震不再是个问题，可以通过调整气门关闭时间达到提高有效压缩比的目的，从而使发动机在中小负荷时有优异的热效率。当发动机在中、低转速时，三根摇臂处于分离状态，普通凸轮推动主摇臂和副摇臂来控制两个进气门的开闭，气门升量较小。此时虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间是分离的，所以两边的摇臂不受它控制，也不会影响气门的开闭状态。发动机达到某一个设定的转速时，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，一起由高角度凸轮驱动，这时气门的升程和开启时间都相应的增大了，使得单位时间内的进气量更大，发动机动力也更强。这种在一定转速后突然的动力爆发极大的提升了驾驶乐趣。当发动机转速降到某一转速时，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。VTEC系统的作用主要运用在三个方面最佳怠速/稀薄燃烧区域在此区域内，VTC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。最佳油耗、排气控制区域在此区域内，VTEC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VTC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EGR的作用，以此达到最佳油耗和排气控制。最佳扭矩控制区域在此区域内，通过VTC的控制，以最适当的气门重叠角，同时配合VTEC系统的作用，使得发动机的输出扭矩最大限度地提高。汽车发动机的发展趋势：1.优化发动机的结构设计，采用多种技术组合，进一步提高发动机的机内净化技术。2.发展发动机的后处理技术，如EGR。3.复合动力技术的应用，如丰田普锐斯。4.燃料电池技术的推广。5.新材料、新技术的应用，进一步降低发动机自重并提高自身强度。谢谢观赏WPSOfficeMakePresentationmuchmorefun@WPS官方微博@kingsoftwps