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摘要

近年来，随着经济不断发展，人民生活水平日益提高，汽车亦是出现在大街小巷。

作为汽车心脏的发动机，其性能好坏直接影响用户的感受，发动机的动力性能更是关乎汽车的驾驶乐趣。

汽车发动机动力性能的提高将使其有更强劲的动力，你就可以在绿灯亮起后第一个冲出，以最短的时间达到你想要的速度，并且可以在车内感受到强烈的推背感。

通过技术途径提高发动机动力性能是当代研究的重点，如采用增压技术，缸内直喷，采用二冲程提高升功率，改善换气过程等。

本文简单的介绍了发动机动力相关参数，同时介绍了提高发动机动力性能的技术途径，并进一步分析了工作原理及控制过程。

最后，对本论文进行了总结，对新技术的未来也进行了展望。

关键词：

动力性能；

技术途径；

研究

Abstract

Lately,withthedevelopmentofeconomy,people’slivesgetbetter,andvehiclesappearinthestreets.Astheheartofvehicle,engineperformanceaffectsusers’feelingdirectly,evenmoreaboutdrivingpleasure.

Theimportanceofengineperformancewillmakeithavestrongerpower.Youmustbefirstwhenthegreenlightonandspeedupasyouthinkimmediately.Moreover,youwillgetstrongpushback.It’sstillthekeyofcontemporaryresearchtoimprovetheengineperformancewithtechnicalmethods,suchasTurboBoost,FSI,TwoStrokes,improvetheventilationprocessandsoon.

Thisarticlesimplyintroducesthe 

parametersofengineperformance,themethodstoimprove,analyzetheworkingprinciplesandcontrollingprocess. 

Finally,summarizesthisthesis, 

for 

thefutureoftechnique 

is 

prospected.

Keywords：

engineperformance;

technicalmethods;

research

第1章绪论

动力是使车辆移动的根本条件，车辆拥有强劲的动力，你就可以在绿灯亮起后第一个冲出，以最短的时间达到你想要的速度，并且可以在车内感受到强烈的推背感。

驾驶动力更强的车辆，你在超车时会拥有更强的自信心，并可以在最短的时间内完成超车动作，减少危险的发生。

当在高速公路上巡游时，动力充沛的车辆可以使你更加轻松地达到别人不可能达到的速度，以最短的时间到达目的地，因此人们都希望自己的车拥有更强的动力性能，需要探究提高发动机动力性能的技术途径。

1.1研究背景

中国的汽车制造业发展迅猛，并且仍具有强大的发展空间，在汽车市场快速增长的拉动下，国内发动机市场近几年也呈现出蓬勃发展之势。

近年来，面对世界石油资源日趋枯竭以及对环保要求的不断提高，人们十分重视发动机代用燃料的研究，如天然气、二甲醇以及混合动力等新产品在发动机上得到逐步的研发及应用。

国内无论是整车企业还是专业的发动机制造企业都在加大研发力度，以求在激烈的市场上占据一席之地。

外资企业也蜂拥而至，试图在前景光明的中国发动机市场分一杯羹。

性能先进优良、稳定性能好的发动机技术将在汽车节能、环保技术开发中起着关键性的决定作用。

因此打造优良的汽车发动机，提高发动机动力性能成为提升汽车质量品牌的关键之举。

由于石油短缺和环保的双重压力，整车及发动机生产企业纷纷投入巨资进行各种高燃效、低能耗、低排放发动机的研发，因此，节能环保型并有良好动力性能的发动机将成为未来大发展趋势。

1.2研究意义

先进的发动机技术在汽车节能、环保技术开发中起着关键的决定性的作用。

纵观世界汽车产品技术的发展态势，汽车发动机技术正以优异的性能，更好的经济性和动力性为方向得到日益广泛的重视和发展，各种轻量化安全性高性能高环保低油耗的发动机将更加适应社会的发展，将成为发动机发展的主流方向。

1.3国内外研究现状

我国的汽车发动机以外资、合资品牌为主，自主品牌发展缓慢因历史原因，我国的汽车发动机生产起步晚，技术力量薄弱。

虽然自主品牌乘用车发动机，尤其是轿车、微型车和商用车的发动机产销量出现了明显增长，市场份额不断扩大，但发动机的核心技术，如涡轮增压技术、燃油电喷技术、高压共轨技术等核心仍掌握在外资手中。

我国的轿车发动机大多是改革开放后从引进、合资开始起步的。

例如一汽与德国大众、上汽与美国通用、一汽与日本丰田、北京与现代以及北京与奔驰等。

而自主品牌，如奇瑞、吉利、华晨等企业，基本都是2000年以后发展起来的，特别在最近的5年之中，才进入迅速发展时期，但与合资进入中国市场的跨国汽车巨头相比，明显起步晚了。

因此，不论从技术还是产量上，与外资、合资品牌相比，国产自主品牌都存在着明显的差距。

1.4研究内容

本论文研究了提高发动机动力性能的主要方法和常见的技术途径。

根据现状，简单介绍发动机动力性相关参数，如功率和扭矩、。

同时，本文介绍了几种提高发动机动力性能的主要方法及基本理论，如采用增压技术提高进气量、合理组织燃烧过程，提高循环指示效率、改善换气过程，提高气缸的充量系数和采用二冲程发动机提高升功率，并比较分析各种途径的应用范围及实际可行性；

同时介绍了常见的技术途径，如涡轮增压技术、稀薄燃烧技术、缸内直喷技术和可变配气相位技术。

第2章发动机动力性能相关参数的介绍

我们以影响车辆动力性能的参数为依据，进行运算、比较，全面准确地反映车辆的动力性能。

下面是这些参数的简单的解释以及它们对动力性能的影响。

2.1功率

功率是指物体在单位时间内所做的功的多少，即功率是描述做功快慢的物理量。

功的数量一定，时间越短，功率值就越大。

求功率的公式为功率=功/时间。

功率表征作功快慢程度的物理量。

单位时间内所作的功称为功率，用P表示。

故功率等于作用力与物体受力点速度的标量积。

功率大小是发动机动力输出的最直接反映，功率的大小影响到车辆可以达到的最高时速高低。

燃料燃烧产生的热量是通过气缸内所进行的工作循环转化为机械能的，即气缸中工质的燃烧压力作用在活塞顶上，通过曲柄连杆机构，在克服了内燃机内部各种损耗后，对外做功。

因此，要研究内燃机的动力性能和经济性能，应首先对内燃机一个工作循环中热功转换的质和量两方面加以分析。

内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的，为获得正确反映气缸内部实际情况的试验数据，通常利用不同型式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得的结果如图2-1,图2-2.即为p—V示功图和p—φ示功图。

p—V图和p—φ图两者可以互相转换。

图2-1四冲程内燃机的p—φ图

图2-2四冲程内燃机的p—V图

上面所讨论的指示性能指标只能评定工作循环进行的好坏，发动机发出的指示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱动气门机构、风扇、机油泵、发电机等附件所消耗的功率后才能变为曲轴的有效输出，所有这些消耗功率的总和称为机械损失功率Pm，从而有效功率:

Pe=Pi-Pm（公式2-1-1）

有效功率与指示功率之比称为机械效率：

ηm=Pe/Pi（公式2-1-2）

内燃机的有效功率Pe（kW）可以利用各种型式的测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩Ttq及在同一工况下的发动机转速，按以下公式求得:

（公式2-1-3）

2.2扭矩

扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩。

发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩。

在功率固定的条件下它与发动机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了汽车在一定范围内的负载能力。

对于家用轿车而言，扭矩越大加速性越好；

对于越野车，扭矩越大其爬坡度越大；

对于货车而言，扭矩越大车拉的重量越大。

车子的扭矩越大就越好，在行驶的时候也是这样，在排量相同的情况下，扭矩越大说明发动机越好。

在开车的时候就会感觉车子随心所欲，想加速就可加速，“贴背感”很好。

扭矩是评价一款车性能的主要参数之一。

评价一款车有一个重要数据，就是该车在0－100公里/小时的加速时间。

而这个加速时间就取决于汽车发动机的扭矩。

一般来讲，扭矩的最高指数在发动机转速相对比较低的情况下能够达到，就说明这款车的发动机工艺较好，力量也好。

有些汽车在5000/分的转速左右才达到该车扭矩的最高指数这说明“力量”就不是此车所长。

可以这样说，我们追求的驾驶乐趣主要来自扭矩，也就是所谓的“推背感”如果某台车的发动机最大扭矩出现在我们经常使用的转速范围内，那么这样的车绝对可以带给你非凡的驾驶乐趣。

对于家用轿车来说，完美的发动机最大扭矩应该在很低转速出现，而最大功率在相对比较高的转速出现。

在某些场合能真正反映出汽车的“本色”，例如启动时或在山区行驶时，扭矩越高汽车运行的反应便越好。

以同类型发动机轿车做比较，扭矩输出愈大承载量愈大，加速性能愈好，爬坡力愈强，换挡次数愈少，对汽车的磨损也会相对减少。

尤其在轿车零速启动时，更显示出扭矩高者提升速度快的优越性。

扭矩和功率一样，是汽车发动机的主要指数之一，它反映在汽车性能上，包括加速度、爬坡能力等。

它的准确定义是位矢（L）和力（F）的叉乘（M），物理学上指使物体转动的力乘以到转轴的距离，它能表示发动机所输出的力的大小（因为发动机中曲轴的半径一定）。

通俗点讲，扭矩是衡量一个汽车发动机好坏的重要标准，一辆车扭矩的大小与发动机的功率成正比。

最大扭矩：

与功率相同，是衡量发动机动力输出的参数。

扭矩大小影响者车辆的加速以及爬破性能的好坏。

第3章提高发动机动力性能的主要方法

提高发动机动力性能的方法有很多，下面简单介绍4种。

3.1采用增压技术提高进气量

四冲程引擎的工作步骤，进气-压缩-燃烧（产生动力）-排气。

由于物理定律的限制（热力学第二定律）：

分子有规则运动的机械能可以完全转化为分子无规则运动的热能，热能却不能完全转化为机械能。

这样为了提高引擎动力的输出，增加引擎的缸数提高排气量，也就是浪费更多的能量，而工程师们做能做的只是仅有的一点改良。

既然有物理定律的限制，那么压缩-燃烧-排气这部分已经不能有大突破了，只能在进气上下文章了。

一般来说，对进气的改良就是增加进气量，一般来说有涡轮增压和机械增压这两种。

图3-1涡轮增压装置（左为涡轮室，右为增压器，刚性轴连接）

汽油机由于受爆燃限制，压缩行程终了时的压力和温度不宜过高，这就限制了增压压力不宜过高。

增压后，一般功率的提高也仅在30％~40％之间。

内燃机的增压技术还可以用来恢复在高原使用的内燃机的功率，因为随海拔高度的增加，进气密度下降，燃烧恶化，装备增压发动机的汽车，其动力性与经济性可以得到明显改善。

3.2合理组织燃烧过程，提高循环指示效率

提高指示效率不仅改善了内燃机的动力性能，同时也改善其经济性能，因此，需要从研究内燃机理论循环和实际循环入手，深入分析在整个热功转换过程中，各种热力损失的大小及其分布，掌握各种因素对热力损失的影响程度，从而寻找减少这些损失的技术措施。

而其中最重要的一个方面就是对内燃机燃烧过程的改进。

随着柴油机的不断强化，增压程度和转速的不断提高，都要求燃烧过程能够高效率进行，要求对柴油机的混合气形成、燃烧以及供油系统方面进行深入的工作。

对于汽油机，由于向较高压缩比和高转速方向发展，促使爆燃燃烧、表面点火等不正常燃烧倾向加强；

由于环境保护要求，对内燃机噪声、排放的限制越来越严格。

为了改善汽油机的排放品质和经济性，要求应用电控汽油喷射、应用稀燃、速燃、层燃等技术及发展汽油机缸内直接喷射等，这些都对汽油机的混合气形成和燃烧提出许多新课题。

合理组织内燃机燃烧过程一直是内燃机工作过程研究的核心问题之一

内燃机缸内空气运动对混合气的形成和燃烧过程有决定性影响，因而深刻地影响着发动机的动力性，经济性，燃烧噪声和有害废气的排放。

组织良好的缸内空气运动对提高汽油机的火焰传播速率，降低燃烧循环运动有重要作用。

对柴油机而言，它可以促进燃烧过程中空气与未燃烧燃料的混合，提高燃烧速率。

燃烧室设计直接影响到发动机的性能，应满足下列要求：

燃料经济性高：

生成污染物少；

动力性高；

不出现爆燃与表面点火等不正常燃烧；

燃烧循环变动小；

工作柔和，燃烧噪声小；

启动性好。

3.3改善换气过程，提高气缸的充量系数

同样大小的气缸容积，在相同的进气状态下若能吸人更多的新鲜空气，则可容许喷入更多的燃料，在同样的燃烧条件下可以获得更多的有用功。

改善换气过程，不仅可以提高充量系数φc，而且可以减少换气损失。

为此，必须对换气过程进行深入研究，分析产生损失的原因，然后从改善配气机构、凸轮廓线及管道流体动力性能等方面着手进行研究。

内燃机充量系数是指内燃机每循环实际吸人气缸的新鲜充量m1与以进气管内状态充满气缸工作容积的理论充量Msh之比。

内燃机的充量系数反映了进气过程的完善程度，是衡量发动机性能的重要指标。

发动机进气管状态下气体的压力与温度为Ps、Ts，若为自然吸气发动机，Ps、Ts应为当地大气状态。

理论上每循环可吸人气缸的新鲜充量Msh为

（公式3-2）

式中，Vs为气体体积，Rs为气体常数。

在进气门关闭时，缸内气体的状态为Pa、Va、Ta,此时缸内气体总质量ma为

（公式3-3）

式中，缸内气体总质量ma=m1+mr，由每循环吸入气缸的新鲜充量m1和上一循环缸内残余废气质量mr两部分组成。

发动机的充量系数可表达为：

（公式3-4）

由于内燃机的换气过程是一动态过程，因此提高充量系数φc的措施可以归结为：

1）降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力Pa。

2）降低排气系统的阻力损失，减小缸内的残余废气系数φr。

3）减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度Ta。

4）合理的配气正时和气门升程规律，在减小mr的同时增加m1，即增加Pa，减小φr。

研究表明，在上述影响因素中，以第一个因素最为重要，换言之，降低进气过程的流动阻力损失，提高进气终了压力，是提高充量系数最有效的措施。

（一）降低进气系统的流动阻力

由于现代发动机的转速越来越高，即使在进气过程中也可能发生气体流动的阻塞现象，导致进气阻力增加，充量系数大大降低，影响发动机的高速性能。

研究发现，可以用进气门处于气体流动的平均马赫数来衡量考察气门座处的流动情

况。

结合增均流量方程，平均进气马赫数为Ma

（公式3-5）

式中，Vs为进气门座处的气流总平均速度；

D为气缸直径；

（公式3-6）为进气门流通截面的气体声速；

为进气门喉口直径；

为进气门在开启期间的平均流量系数，一般以气门座圈内孔面积为参考面积，通过稳流吸风试验，测得在不同的曲轴

转角（即不同升程）下的流量系数，

再求出其平均值，即

（公式3-7）

可见，进气平均马赫数Ma综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等影响因素，并且其大小与发动机的转速成正比。

大量的试验表明，当马赫数Ma超过0.5后，无论是增压还是非增压发动机，充量系数开始急剧下降。

这一结论对于进气系统的设计和评价具有重要的应用价值。

（二）采用可变配气系统技术

如图所示，配气相位和发动机转速对充量系数有较大的影响。

为获得最大的充量系数，减少泵气损失，比较理想的进气系统，应满足以下要求：

1）低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加低速转矩，提高燃油经济性。

2）高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大程度减小流动阻力，并充分利用过后充气，提高充量系数，满足发动机高速时动力性的要求。

3）配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应的调整，以实现最佳进气正时，将泵气损失降到最低。

图3-3发动机转速和进气迟闭角对充量系数的影响

3.4采用二冲程发动机提高升功率

理论上，采用二冲程相对于四冲程可以提高升功率一倍，但由于二冲程发动机在组织热力过程和结构设计上的特殊问题，在相同工作容积和转速下，Pme往往达不到四冲程的水平，升功率只能提高50％一60％，与此同时还得采用一些较复杂的结构；

否则，若仍保持简单的结构，其升功率不易超过四冲程，而燃油消耗率却显著上升。

目前，在大型低速船用柴油机和小型风冷汽油机（2.0kW以下）中二冲程占绝对优势外，在其他的领域中，四冲程在机型数量上还是占绝大多数，但是，近年来国外不少公司又在大力进行车用二冲程发动机的研究。

在美国，高速车用柴油机采用四排气门、直流换气高压喷射、直喷燃烧室，已成为另一种提高车用柴油机升功率的技术措施。

第4章提高发动机动力性能常见的技术途径

4.1可变配气相位技术

用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。

进气配气相位为180°

+进气提前角α+进气迟后角β，排气配气相位为180°

+排气提前角γα+排气迟后角δ。

试验证明：

在进、排气门早开、晚关的过程中，进气门的晚关，对充气效率影响最大，其次是重叠角的大小，人们多在进气门方面改善性能指标。

通过试验证明，两种进气迟后角的充气效率（ηv）和功率（Ne）变化规律是：

1、低速时，晚关60°

的充气效率ηv低、发动机功率Ne升高迟后。

2、高速时，超过2300~2500r/min后，晚关60°

的充气效率ηv和功率Ne，明显优于40°

的相位角。

本田车系可变气门相位VTEC

VTEC机构在本田轿车车系许多车上采用，VTEC是英文缩写，其全称为：

VarbleValveTiming&

ValveLiftElecctronicControl，意思是可变气门相位与升程电子控制。

VTEC机构的工作原理

1、发动机低速运转时

ECM无工作指令，油道内无控制油压，各摇臂中的柱塞都在各自的柱塞孔中，各摇臂独自摆动，互不影响。

主摇臂随主凸轮开闭主进气门，次凸轮推动次摇臂微开次进气门；

中间摇臂只是“空转”。

2、发动机高速运转时

当发动机转速达到2300~2500r/min时，车速达到10km/h以上时；

节气门开度达到25%以上时；

冷却液温度在60℃以上时。

ECM指令VTEC电磁阀开启液压油道，油压推动正时柱塞、同步柱塞和限位柱塞移动，将三个摇臂栓为一体。

由于中间凸轮的升程大于另外两个凸轮，且凸轮的相位角也加大，主次进气门都大幅度地同步开闭。

此时，发动机处于“双进双排”工作状态，功率明显的加大。

可见栓联时有轻微噪音，是正常现象。

3、汽车在静止状态空转时

VTEC机构不投入工作。

4、VTEC机构技术状态的好坏，除电控部件外，主要决定于滑润系统的特设油道油压值。

对机油品质、润滑系统相关部件和曲轴的轴承配合间隙要求严格（0.02～0.04mm）,必须使用本田车系的专用纯正机油。

5、另外本田系列的采用可调气门间隙的配气机构，气门间隙的调整必须在冷态下进行。

6、VTEC机构的正时柱塞处，尚有惯性锁止片，用扭簧控制，片端插入正时柱塞的锁止槽中，该锁止片依靠高速时的惯性力解脱。

图4-1VTEC机构的组成

大众车系可变气门正时机构VVT

采用双顶置凸轮轴、4气门结构。

排气凸轮轴通过正时齿形皮带与曲轴相连接，进、排气土林轴之间采用链条驱动，链条上装有油压张紧器。

低速时—早开、早关，重叠角加大；

高速时—晚开、晚关，重叠角减小

图4-2链条式配气相位工作原理图

可变相位调节器是在液压紧链器的基础上，加装了用ECU控制的电磁阀，形成了一个“配气相位调节总成”部件

图4-3大众车系链条式配气相位调节机构

工作原理

1）当发动机转速低于1300r/min时，电磁控制阀不通电，进气凸轮轴即反向转动一定角度θ，进气门早开角度变小，进、排气门的重叠角变小，防止发动机回火，低速运转平稳。

2）当发动机转速高于1300r/min时，电磁控制阀通电，进气门早开角度变大，进、排气门的重叠角变大，废气排出率加大，提高了容积效率和转矩值。

3）当发动机转速高于3600r/min时，电磁控制阀又断电，调节工作结束，进气门又回到不提前的位置，晚开和晚关角度加大，可利用气体的惯性能量，提高功率值。

大众车系可变气门正时机构的特点是只改变进气门开、关时间的早晚，配气相位角值不变（时间平移—即早开、早关；

晚开、晚关），不改变进气门升程的大小。

丰田车系智能可变气门正时系统VVT-i

图4-4智能可变气门正时系统结构图

VVT-i（VariableValveTimingintelligent）系统用来控制进气凸轮轴在40°

曲轴转角范围内，保持最佳的气门正时，以适应发动机工作状况，从而实现在所有速度范围提高转矩和燃油经济性，减少废气排放量。

这种结构只是改变进气门开、关时间的早晚，配气相位角值不变（时间平移—即早开、早关；

4.2缸内直喷技术

缸内直喷（FSI）就是直接将燃油喷入气缸内与进气混合的技术。

优点是油耗量低，升功率大，压缩比高达12，与同排量的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10%。

缸内直喷式汽油发动机的优点是油耗量低，升功率大。

空燃比达到40:

1（一般汽油发动机的空燃比是15:

1），也就是人们所说的“稀燃”。

机内的活塞顶部一半是球形，另一半是壁面，空气从气门冲进来后在活塞的压缩下形成一股涡流运动，当压缩行程即将结束时，在燃烧室顶部的喷油嘴开始喷油，汽油与空气在涡流运动的作用下形成混合气，这种急速旋转的混合气是分层次的，越接近火花塞越浓，易于点火作功。

在近来各厂采用的发动机科技中，最炙手可热的技术非缸内直