发动机新技术

2020/12/281发动机新技术介绍课时：30min讲解人：郝永生目标：了解发动机技术动态及先进技术2目录一、内燃机发展史与分类二、汽车发动机的发展方向三、国内外发动机采用的新技术四、总论3内燃机的发展史与分类一、发展史内燃机以其热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维护简便的优点著称于世。一百多年以来，内燃机的巨大生命力经久不衰。目前世界上内燃机的拥有量大大超过了任何其它的热力发动机，在国民经济中占有相当重要的地位。现代内燃机更是成为了当今用量最大、用途最广、无一与之匹敌的的最重要的热能机械。内燃机发展至今，约有一个半世纪的历史了。同其他科学一样，内燃机的每一个进步都是人类生产实践经验的概括和总结。最早的内燃机——煤气机1860年，法国发明家莱诺制成了第一台实用内燃机（单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机，输出功率为0.74—1.47KW，转速为100r/min，热效率为4%）。法国工程师德罗沙认识到，要想尽可能提高内燃机的热效率，就必须使单位气缸容积的冷却面积尽量减小，膨胀时活塞的速率尽量快，膨胀的范围（冲程）尽量长。在此基础上，他在1862年提出了著名的等容燃烧四冲程循环：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气。1876年，德国人奥托制成了第一台四冲程往复活塞式内燃机（单缸、卧式、以煤气为燃料、功率大约为2.21KW、180r/min）。4内燃机的发展史与分类汽油机出现19世纪下半叶,随着石油工业的兴起,用石油产品取代煤气作燃料已成为必然趋势。1883年，戴姆勒和迈巴赫制成了第一台四冲程往复式汽油机（转速由200r/min升至800—1000r/min）汽油机发展经历了四个阶段第一阶段（20世纪初20年）提高发动机转速及功率，达到1500r/min，比功率由3.68W/Kg提高到441.3—735.5W/Kg；第二阶段（20世纪20年代）解决燃烧问题，压缩比提高到8，效率提高到20％）；第三阶段（20世纪20～40年代）增压器（1.4-1.6）的使用进一步提高功率及热效率）第四阶段（20世纪40年代至今）随着电子技术的发展电喷技术开始投入使用）5内燃机的发展史与分类柴油机——内燃机家族的另一个明星柴油机几乎是与汽油机同时发展起来的，它们具有许多相同点。所以柴油机的发展也与汽油机有许多相似之处，可以说在整个内燃机的发展史上，它们是相互推动的。1897年制成了第一台压缩点火的“狄塞尔”内燃机，即柴油机。柴油机发展主要围绕增压技术。20世纪20年代提出增压，达到二战后才开始受到重视采用；20世纪50年代，增压度约为50%，四冲程机的平均有效压力约为0.7—0.8MPa，无中冷；20世纪70年代增压技术有了长足的发展增压度达到200％，且普遍采用中冷技术；20世纪80年代仍以进气系统为主攻方向，开始出现二级增压，可变涡轮截面技术进一步提高了发动机功率及热效率；20世纪80年代以后内燃机电子技术已经趋于成熟阶段，柴油机的电控技术开始投入使用，发展至今出现了高压共轨技术，实现了柴油机的超高压喷射。6内燃机的发展史与分类二、内燃机的分类按所用的燃料的不同，分为汽油机，柴油机、煤油机、煤气机（包括各种气体燃料内燃机）等；按每个工作循环的行程数不同，分为四冲程和二冲程；按着火方式不同，分为点燃式和压燃式；按冷却方式不同，分为水冷式和风冷式；按气缸排列形式不同，分为直列式、V型、对置式、星型等；按气缸数不同，分为单缸内燃机和多缸内燃机等；按内燃机的用途不同，分为汽车用、农用、机车用、船用以及固定用等等。7汽车发动机的发展方向一、汽车能源发展方向方向：清洁、可再生能源步骤：1、以石油为基础的传统发动机发展节能技术产品2、替代石油的多种能源及混合动力技术产品3、以氢为燃料的新能源技术•石油•混合动力•氢能源8汽车发动机的发展方向二、发动机技术发展方向1、目标提高燃油效率降低燃油消耗提高机内净化水平适应能源发展要求9汽车发动机的发展方向2、主要发展的动力产品高效率，大马力柴油机和乘用车用先进柴油机各种代用燃料（压缩天然气、液化天然气、醇醚类）发动机各种适应欠发达地区和农村的动力产品高效率、节能、低污染发动机10汽车发动机的发展方向3、以节能、环保、安全可靠为核心的重点技术⑴.关键技术分类关键技术分类新型混合动力系统匹配技术及各种代用燃料发动机技术各种电控技术及各种新型发动机零部件技术保证产品可靠性，一致性的专业化，大批生产的工艺技术发动机节能及低排放技术11汽车发动机的发展方向3、以节能、环保、安全可靠为核心的重点技术⑵.重点技术•车用柴油机高压喷射技术（包括电控高压泵技术、电控高压共轨系统、电控单体•泵技术及喷油特性的研究等）•汽油机缸内直接喷射技术（包括气流的组织、燃烧室设计优化和喷射系统设计等•发动机电控可变技术（包括可变进气管道、可变气门定时、可变空燃比和可变压•缩比系统等，怠速停机、电动机辅助驱动的混合动力）•电控发动机与汽车匹配技术•发动机可变涡轮增压和增压中冷技术•车用发动机排气后处理技术（包括汽油机稀燃催化转化剂、柴油机连续再生型微粒捕集器、选择性催化还原系统、四效催化器技术等）•混合动力装置设计和匹配技术•发动机电控集成管理系统及电磁兼容技术研究等•继续加强新能源（清洁能源）汽车产品的研发和产业化准备工作12汽车发动机的发展方向3、以节能、环保、安全可靠为核心的重点技术⑵.重点技术电控高压泵技术喷油特性的研究电控高压共轨系统电控单体泵技术等等…车用柴油机高压喷射技术13汽车发动机的发展方向3、以节能、环保、安全可靠为核心的重点技术⑵.重点技术汽油机缸内直接喷射技术气流的组织燃烧室设计优化喷射系统设计…等等…14汽车发动机的发展方向3、以节能、环保、安全可靠为核心的重点技术⑵.重点技术•可变进气管道•可变气门定时•可变空燃比、压缩比系统怠速停机、电动机辅助驱动的混合动力发动机电控可变技术15汽车发动机的发展方向3、以节能、环保、安全可靠为核心的重点技术⑵.重点技术柴油机连续再生型微粒捕集器四效催化器技术汽油机稀燃催化转化剂选择性催化还原系统等等……车用发动机排气后处理技术16汽车发动机的发展方向3、以节能、环保、安全可靠为核心的重点技术⑵.重点技术•电控发动机与汽车匹配技术•发动机可变涡轮增压和增压中冷技术•混合动力装置设计和匹配技术•发动机电控集成管理系统及电磁兼容技术研究等•继续加强新能源（清洁能源）汽车产品的研发和产业化准备工作•等等…….17国内外发动机采用的新技术一、六冲程发动机1）特点：1.比普通发动机多两个冲程；2.热效率高40％；3.节油效率高；2）工作原理在普通四冲程发动机的“进气-压缩-燃烧做功-排气”四个冲程之后，第五个冲程开始的时候，把水喷进炽热的气缸里面，水马上就变成了温度高达816度的蒸汽，体积急剧膨胀1600倍，同时气缸内压强急剧增大，推动活塞再次做功——如此一来，每6个冲程中就出现2个做功冲程，而消耗的燃油却没有变化。到了第6个冲程，发动机把水蒸气排放到一个冷却器，水蒸气在那里重新变成水。18国内外发动机采用的新技术一、六冲程发动机3）发动机构造水泵的出口，高压水泵进水管接水箱的出口，改变油咀的喷油角度，改变排气角度，增加喷水角度，使活塞产生六个冲程，即三个冲程后增加一个气门开放排气冲程，增加一个喷水汽化作功冲程，增加一个排汽冲程排汽。六冲程节油内燃发动机，涉及现有内燃发动机的高压油油泵、喷油咀、冷却循环管路、活塞、活塞缸，其特征在于在缸盖上设两个喷咀，一个喷油咀、一个喷水咀在发动机一边安装一个高压水泵，喷水咀的进水管接高压19国内外发动机采用的新技术二、增压中冷技术影响发动机功率的方面很多主要表现以下方面：pe∝i·Vs·Hu·φc·ηit·ρb·1/L0·1/τ·1/αpe：有效功率；i：缸数；Vs：气缸工作容积；Hu：燃料低热值；φc：充量系数；ηit：指示热热效率；ρb：发动机进气管密度；L0：化学计量比；τ：冲程数；α：空燃比；内燃机增压可以有效的改善发动机的热效率、提高发动机功率、提高经济性、减少排放中的有害成分，降低噪音，目前柴油机增压技术已经十分纯熟，汽油机也进入日益成熟阶段；增压可分为：机械增压、排气增压、惯性增压、气波增压等排气增压分为：单级涡轮增压、多级涡轮增压20国内外发动机采用的新技术二、增压中冷技术在我国发动机中普遍采用单级涡轮增压，单级涡轮增压按照排气管与增压器的连接方式又可分为：定压增压（将各缸排气汇入一个管中在与涡轮连接）脉冲增压（各缸排气分别进入涡轮）1.发动机；2排气管；3.涡轮；1.发动机；2排气管；3.涡轮；定压增压脉冲增压21国内外发动机采用的新技术二、增压中冷技术随着汽车发动机的要求越来越高单级增压已经无法满足需求，现在多级增压、复合增压已经开始应用到汽车发动机上，多级增压就是将两个涡轮增压器串连在一起，复合增压就是在发动机上采用机械增压与涡轮增压相结合，分为并联和串联两种；第一级压气机；2第二级压器机；3发动机；4排气涡轮第一级压气机；2第二级压器机；3发动机；4排气涡轮串联并联22国内外发动机采用的新技术三、汽油机直喷分层、稀燃技术（GDI)1.原理：缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术可以分为均质稀燃和分层燃烧两种燃烧模式。中小负荷时，在压缩行程后期开始喷油，在火花塞附近形成较浓的可燃混和气，在远离火花塞的区域，形成稀薄分层混和气；大负荷及全负荷时，在早期进气形成中将燃油喷入气缸，形成完全的均质化学计量比进行燃烧。另外，也有采用分段喷油技术分层混合气，即在进气早期开始喷油，使燃油在气缸中均匀混合，在进气后期再次喷油，最终在火花塞附近形成较浓的可燃混和气。23国内外发动机采用的新技术三、汽油机直喷分层、稀燃技术（GDI)2.先对于PFI发动机优缺点：优点:1)GDI发动机的绝热指数增加和传热损失较少，取消节流降低了泵吸损失，燃油蒸发引起的缸内温度降低提高了汽油机可工作的压缩比，燃油在进气冲程中对进气的冷却提高了充气效率，使得它的燃油经济性有进一步改善，燃油消耗下降率高达35％。动力输出也比PFI发动机增加了大约10％。2)瞬态反应快。3)起动快。4)冷起动时未燃碳氢排放少。缺点1)GDI适用的NOx稀燃催化剂的开发尚未成熟，目前商品化的GDI难以满足严格的排放法规要求。2)GDI燃烧系统的设计较为复杂，开发成本昂贵24国内外发动机采用的新技术三、汽油机直喷分层、稀燃技术（GDI)3.目前采用的车型1）直喷系统博世公司：MotronicMED7汽油直喷系统；奥迪公司：开发了FSI系统；奔驰公司：开发了CGI系统；菲亚特：开发了JTS系统；2）车型奥迪R8，它匹配着带双增压的V8FSI直喷发动机；奥迪A21.6FSI发动机、A42.0LFSI发动机；奔驰：C200CGI的1.8LCGI发动机；迈腾：TSI发动机(双增压的燃油分层直喷)。25国内外发动机采用的新技术四、转子发动机转子发动机又称为米勒循环发动机。它采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放，与传统的活塞往复式发动机的直线运动迥然不同。这种发动机由德国人菲加士·汪克尔发明。转子发动机的运动特点是：三角转子的中心绕输出轴中心公转的同时，三角转子本身又绕其中心自转。在三角转子转动时,以三角转子中心为中心的内齿圈与以输出轴中心为中心的齿轮啮合，齿轮固定在缸体上不转动,内齿圈与齿轮的齿数之比为3:2。上述运动关系使得三角转子顶点的运动轨迹(即汽缸壁的形状)似8字形.三角转子把汽缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气,压缩,做功和排气，三角转子自转一周,发动机点火做功三次。由于以上运动关系，输出轴的转速是转子自转速度的3倍，这与往复运动式发动机的活塞与曲轴1:1的运动关系完全不同。26国内外发动机采用的新技术四、转子发动机工作原理27国内外发动机采用的新技术四、转子发动机优点：第一、运行噪音更小：转子发动机平稳的运转产生的振动非常小，由于它没有气门结构，因此能更平稳和安静地运行。双转子发动机的安静和平稳性相当于直列六缸往复式发动机。第二、扭矩很均匀：曲线，两转子的设计中运行扭矩波动与直列六缸发动机具有相同水