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1、汽车发动机新技术的论文汽车发动机新技术的论文发动机新技术 - 缸内直喷式姓名：吴山林 学号： 5902111009 班级：热能 111 近年来，当代汽车汽车飞速发展，汽车新技术不断涌现和应用， 带动汽车性能不断改善。 下面就现代缸内直喷式汽油机进行简单介绍。汽油机的发展经历了 100 多年的漫长历史，其中具有里程碑意义 的发展阶段无不是以油气混合方式和机理的变迁为标志的。但是，随着世界工业化的发展，汽车成为不可或缺的主要交通工 具，而作为汽车主要动力的这种化油器式汽油机废气中的有害成分 （C O H C和N 0 X等）对大气造成了污染，而燃烧产物二氧化碳又产生 “温室效应”导致全球气候变暖。随

2、着汽车数量的与日俱增，对人类 生存环境的危害日趋加剧， 因此汽车的节能减排已成为全球刻不容缓 需要解决的重要问题。汽油缸内直接喷射从油气混合机理上可以解决变工况 （ 如车辆加 速时）和冷启动时油气混合不足的问题。早期的缸内直喷式汽油机因 喷射技术水平的限制，喷雾油滴的直径约为 80卩m。计算表明，一滴 这样大小的油滴在200C空气中需要大约55ms才能完全蒸发。如果 发动机的转速为1500r/min的话，这段时间相当于495 CA（曲轴转 角）。显然，蒸发时间过长，在这种情况下油气混合不能主要依靠喷 雾来实现。 随着汽油喷射技术的进步， 现代缸内直喷式汽油机应用的 汽油泵的供油压力已达到512

3、MPa又采用带旋流的喷油嘴，雾化 性能得以提高，喷雾的油滴直径约为20卩m喷雾锥角可达50100 常压下的贯穿度约为100mm。此时一滴20卩m的油滴在上述同样情 况下仅需3.4 ms或31 CA就能完全蒸发，因而汽油的蒸发和与空气 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 （图 1），有害物排放也将大为降低。同时，由 于汽油直接喷入汽缸内，消除了进气道喷射时形成壁面油膜的弊病， 特别是在发动机尚未暖机的状态下， 因而能改善变工况时对空燃比的 控制，不但能改善车辆的加速响应性， 而且还能降低此时的

4、有害物排 放。此外，缸内直接喷射还可带来很多其它好处，从而有利于降低燃 油耗，达到节能和减少温室气体二氧化碳排放的目标。例如：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。 计算表明， 在汽油油滴蒸发完全依靠从空 气中吸热或者完全依靠从壁面吸热这两种极端情况下， 缸内混合汽的 体积在空燃比为 12.5 时将相差大约 7，而混合汽的温度在上止点 前将相差大约50C。因此，与进气道喷射汽油机相比，缸内直喷式 汽油机的充气效率提高了 10，同时爆震倾向也大为降低，表现在 受爆震限制的点

5、火时刻可提前若干曲轴转角，因而压缩比可提高1.52,有利于提高汽油机的热效率，降低燃油耗（约2%）。特别是 有利于汽油机采用增压， 并应用较高的压缩比， 克服了由于增压汽油 机压缩比较小而对部分负荷燃油耗所带来的不利影响, 同时提高了增 压汽油机在 2500r/min 以下低转速范围内的增压压力， 1200r/min 时 的扭矩能够提高 25%，大大改善汽油机的低速扭矩特性和车辆的行驶 性能。此外，由于汽油直接喷入汽缸内， 可实现稀薄混合汽分层燃烧， 使得低负荷工况时的空燃比可提高到 40 以上，从而无需关小节气门 来限制进气量， 采用像柴油机那样的质调节方式， 基本上避免了发动 机在换气过程

6、中的泵气损失，有利于降低燃油耗。同时，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。 由于汽车发动机经 常在低负荷工况下运行，因此分层混合汽燃烧的直喷式汽油机可使平均燃油耗降低1520%。在欧洲机动车排放组合循环（MVEG行驶 试验中，其燃油耗明显低于进气道喷射汽油机已达到了相当于非直喷 式柴油机的燃油耗水平 （图2）。图3 示出了现代汽油机各种技术改进措施的节油潜力。可以清楚 地看出，作为单一措施汽油缸内直接喷射蕴藏着最大的节油 （ 即降低 CO2排放量）的潜力。这种效果一方面是由于发动机的无节流运行降 低了换气损

7、失，另一方面由于充量分层运行， 燃烧在燃烧室中央进行， 周围有隔热的空气层而减少了壁面热损失， 同时全负荷时的爆震倾向 降低，因而发动机能够以较高的压缩比运行。这些措施在发动机整个特 性曲线场范围内对燃油耗都起到了有利的作用。 而燃烧室内的充量运动也使得在以化学计量比混合汽运转的范围内具有较高的 EGF兼容性，因而在该 运转范围内也能够获得节油效果。综上所述，无论是从节能和减排的角度，还是从提高汽油机动力 性能的角度来看，现代缸内直喷式汽油机在进气道喷射技术的基础上， 又将汽油机技术向前推进了一大步， 从而成为世界汽油机发展历史上 又一个重要的里程碑， 不言而喻同样是我国汽车汽油机的重要的发展

8、 方向。1991 年 2 月 13 日下午 4 点，伊拉克巴格达阿米里亚防空洞。幻 影工作室设计的“掩体粉碎机”穿透几十米的地面和钢筋水泥墙体， 将防空洞炸出一个大洞， 火光伴着爆炸产生的巨大压力把人体撕成碎 片甩到墙壁上。五分钟后，第二颗“掩体粉碎机”从炸开的大洞直接 钻进防空洞内， 剧烈的爆炸产生冲天大火， 将烧焦的尸体在墙壁上形 成人形图案。大火造成 4500度的高温，转眼间把没炸死的老人、孩 子烧成灰烬。防空洞的自动灭火装置自行启动，喷出了高压水龙，大 水瞬间被高温加热至沸腾，将防空洞下一层受伤的人全部烫死。既然油气混合物能有如此惊人的杀伤力，那在汽车上引入显然也 会获得更高的动力和更

9、省油的表现。 根据云爆弹原理， 大众为高压泵 设计了一个非常精巧的结构， 通过进气阀的凸轮轴来为油泵提供动力， 这样很好的解决了油泵和进气阀之间的正时问题， 也提高了燃油效率； 同时作为一个纯机械的结构， 这个高压泵具备了非常高的可靠性， 大 众（博世）甚至还设计了一个内部保护回路防止油压过高。 可惜的是， 大众和博世的设计尽管确保了机械自身的可靠性，但高压燃油轨 （Rail） 里的高压燃料是无法保护的，为了保证发动机运转的顺畅性， 燃油轨中必须保持一定的压力。 这个在平时是没有问题的， 问题就出 在了碰撞上。 当发动机受到巨大的外力撞击时， 位于发动机前部的高 压共轨喷射系统就成了发动机首先

10、受到撞击的部分。未来汽车设计的发展必然随着汽车技术的进步而日新月异，众多 设计师的艺术风格也会更广泛更强烈地体现在汽车设计之中， 而给予 人们更加广泛的选择。高科技下，个性鲜明、更加人性化的汽车将是 21 世纪汽车产业发展的必然，因为它符合人类对文化、个性的追求 和需要。因此， 加大对概念汽车的设计的重视和投入，将对我国汽车 产业的发展起到极大的推进作用。浅谈汽车发动机新技术 - 缸内直喷式 近年来，当代汽车汽车飞速发展，汽车新技术不断涌现和应用， 带动汽车性能不断改善。 下面就现代缸内直喷式汽油机进行简单介绍。汽油机的发展经历了 100 多年的漫长历史，其中具有里程碑意义 的发展阶段无不是以

11、油气混合方式和机理的变迁为标志的。早期的化油器式汽油机依靠化油器喉口气流流速增加所产生的真 空度将汽油吸出被高速进气空气流雾化以及汽油油滴本身的蒸发而 与空气形成可燃混合汽。油气混合比 （空燃比=进气空气质量 / 燃油质 量）取决于化油器喉口的设计和量孔直径，负荷的调节是由节气门的 开度来调节进入汽缸的油气混合汽量来实现的， 因此属于混合汽外部 形成的量调节方式，且没有任何反馈控制。由于汽油 - 空气混合汽能 在相当宽的空燃比范围内点燃， 这种不太精确的控制对早期汽油机的 正常运行并不存在什么问题。但是，随着世界工业化的发展，汽车成为不可或缺的主要交通工 具，而作为汽车主要动力的这种化油器式汽

12、油机废气中的有害成分 （C O H C和N 0 X等）对大气造成了污染，而燃烧产物二氧化碳又产生 “温室效应”导致全球气候变暖。随着汽车数量的与日俱增， 对人类生存环境的危害日趋加剧，因此汽车的节能减排已成为全 球刻不容缓需要解决的重要问题。汽油缸内直接喷射从油气混合机理上可以解决变工况 （ 如车辆加 速时）和冷启动时油气混合不足的问题。早期的缸内直喷式汽油机因 喷射技术水平的限制，喷雾油滴的直径约为 80卩m。计算表明，一滴 这样大小的油滴在200C空气中需要大约55ms才能完全蒸发。如果 发动机的转速为1500r/min的话，这段时间相当于495 CA（曲轴转 角）。显然，蒸发时间过长，在

13、这种情况下油气混合不能主要依靠喷 雾来实现。 随着汽油喷射技术的进步， 现代缸内直喷式汽油机应用的 汽油泵的供油压力已达到512MPa又采用带旋流的喷油嘴，雾化 性能得以提高，喷雾的油滴直径约为20卩m喷雾锥角可达50100 常压下的贯穿度约为100mm。此时一滴20卩m的油滴在上述同样情 况下仅需3.4 ms或 31 CA就能完全蒸发，因而汽油的蒸发和与空气 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（图 1） ，有害物排放也将大为降低。同时，由于汽油直接喷入 汽缸内，消除了进气道喷射时形成

14、壁面油膜的弊病， 特别是在发动机 尚未暖机的状态下， 因而能改善变工况时对空燃比的控制， 不但能改 善车辆的加速响应性，而且还能降低此时的有害物排放。此外，缸内直接喷射还可带来很多其它好处，从而有利于降低燃 油耗，达到节能和减少温室气体二氧化碳排放的目标。例如：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。 计算表明， 在汽油油滴蒸发完全依靠从空 气中吸热或者完全依靠从壁面吸热这两种极端情况下， 缸内混合汽的 体积在空燃比为 12.5 时将相差大约 7，而混合汽的温度在上止点 前

15、将相差大约50C。因此，与进气道喷射汽油机相比，缸内直喷式 汽油机的充气效率提高了 10，同时爆震倾向也大为降低，表现在 受爆震限制的点火时刻可提前若干曲轴转角，因而压缩比可提高1.52,有利于提高汽油机的热效率，降低燃油耗（约2%特别 是有利于汽油机采用增压， 并应用较高的压缩比， 克服了由于增压汽 油机压缩比较小而对部分负荷燃油耗所带来的不利影响,同时提高了增压汽油机在 2500r/min 以下低转速范围内的增压压力, 1200r/min 时的扭矩能够 提高 25%,大大改善汽油机的低速扭矩特性和车辆的行驶性能。 此外, 由于汽油直接喷入汽缸内, 可实现稀薄混合汽分层燃烧, 使得低负荷 工

16、况时的空燃比可提高到 40以上,从而无需关小节气门来限制进气 量，采用像柴油机那样的质调节方式， 基本上避免了发动机在换气过 程中的泵气损失，有利于降低燃油耗。同时，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。 由于汽车发动机经常在低负荷 工况下运行，因此分层混合汽燃烧的直喷式汽油机可使平均燃油耗降 低1520%。在欧洲机动车排放组合循环（MVEG行驶试验中，其燃 油耗明显低于进气道喷射汽油机已达到了相当于非直喷式柴油机的 燃油耗水平 （ 图2）。图3 示出了现代汽油机各种技术改进措施的节油潜力。可以清楚 地看出，作为

17、单一措施汽油缸内直接喷射蕴藏着最大的节油 （ 即降低 CO2排放量）的潜力。这种效果一方面是由于发动机的无节流运行降 低了换气损失，另一方面由于充量分层运行， 燃烧在燃烧室中央进行， 周围有隔热的空气层而减少了壁面热损失， 同时全负荷时的爆震倾向 降低，因而发动机能够以较高的压缩比运行。 这些措施在发动机整个 特性曲线场范围内对燃油耗都起到了有利的作用。 而燃烧室内的充量 运动也使得在以化学计量比混合汽运转的范围内具有较高的 EGF兼容性，因而在该 运转范围内也能够获得节油效果。综上所述，无论是从节能和减排的角度，还是从提高汽油机动力 性能的角度来看， 现代缸内直喷式汽油机在进气道喷射技术的基

18、础上， 又将汽油机技术向前推进了一大步，从而成为世界汽油机发汽车发动机新技术河北工业大学 / 内燃机/ 韩超【内容提要】 汽车的诞生发展已经经历的一个多世纪， 汽车技术 的发展已成为带动整个社会科技进步的重要标志， 对人类文明有着不 可忽视的影响， 而汽车的心脏发动机的科学技术水平起着重中之 重的作用，随着信息、机械和电子等技术的快速发展，发动机电子控 制、多气门、可变气门正时、可变气门升程、双涡轮增压、高压共轨 等先进技术也已经深入人心，此外，为适应汽车的多变工况运行，还 有一些特别的新技术可变压缩比、 缸内直喷、 自动启停等应运而 生。【关键字】汽车发动机、可变压缩比、缸内直喷、自动启停

19、伴随汽车工业近百年的连续进步 , 汽车发动机技术也综合了大量 的高新技术使其具有更高的功率密度、 更好的燃油经济性、 更低的排 放污染，如发动机电子控制、 多气门、可变气门正时、 可变气门升程、 双涡轮增压、高压共轨、可变压缩比、 BlueDIRECT缸内直喷、自动启停等等。下面我们就后四种作详细介绍。一、可变压缩比(Variable Compression Ratio )可变压缩比(VCR)的目的在于提高增压发动机的燃油经济性。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。 在增压压力低时热效率 降低使燃油经济性下降。 特别在涡轮增压发动机中由于增压度上升缓 慢在低压缩比条件下扭

20、矩上升也很缓慢形成增压滞后现象。 即发动机 在低速时，增压作用滞后， 要等到发动机加速至一定转速后增压系统 才起到作用。解决这个问题，可变压缩比是重要方法。即在增压压力 低的低负荷工况使压缩比提高到与自然吸气式发动机压缩比相同或 超过，在高增压的高负荷工况下适当降低压缩比。 换言随着负荷的变 化连续调节压缩比以便能够从低负荷到高的整个工况范围内有提高 热效率。多连杆VCR系统VCR 系统使用一种新的活塞 - 曲轴系统并入一个多连杆机制来改变 活塞在上止点的移动并因此获得了与工况相匹配的最佳的压缩比。这一多 连杆可变压缩比机构可以在不提高发动机尺寸和重量的情况下安装。 运动规律： 活塞与曲轴通过

21、上连杆与下连杆连在一起。 下连杆也通过 控制连杆连接到了控制轴偏心轴颈中心。 曲轴的旋转导致了下连杆围 绕着主轴颈的中心旋转，同时围绕着曲柄销的中心转动。 压缩比改 变的原理： 移动偏心轴的中心向上使下连杆顺时针倾斜， 因此使活塞 的上止点和下止点的位置同时下降以降低压缩比。 相反，偏心轴的中 心向下移动可以提高压缩比。在低速低负荷时采用高压缩比 14：1 以获得提高燃油经济性的 最佳效果；随着负荷的增加，减小压缩比以防止爆震发生；为了在全负荷时采用高增压，将压缩比设为最低值 & 1。结果发现：通过在发动机低负荷下应用废气再循环并提高压缩比、 在高负荷下采用更高的增压压力并降低压缩比， 这样都

22、可以提高发动 机的燃油经济性和输出功率。二、缸内直喷技术( BlueDirect 、TFSI、EcoBoost、SIDI ) 缸内 直喷就是将燃油喷嘴安装于气缸内， 直接将燃油喷入气缸内与进气混 合。喷射压力也进一步提高，使燃油雾化更加细致，真正实现了精准地按比例控制喷油并与进 气混合，并且消除了缸外喷射的缺点。同时，喷嘴位置、喷雾形状、 进气气流控制， 以及活塞顶形状等特别的设计， 使油气能够在整个气 缸内充分、均匀的混合，从而使燃油充分燃烧，能量转化效率更高。缸内直喷结构BlueDIRECT 是奔驰的第三代汽油缸内直喷技术，这一技术的核心 主要是能够在一毫秒内连续四次放电的多火花点火技术(

23、 Multi-spark ignition )和能够在一个行程内最多喷射五次燃油的压电式喷油嘴， 再加上优化的缸内涡流设计， 带来了混合更充分的混合气和更充分的 燃烧效果， 使燃料的燃烧效率进一步提高， 同时达到了更高的排放标 准。搭载这一技术的发动机于 xx 年正式亮相，目前该技术已经较广泛 的应用于奔驰的新 V6、 V8 以及直列四缸发动机上，他们分别服役于 奔驰的S级、E级以及最新的奔驰B级和新ML车型上。多火花点火技术TFSI 代表的是 Twincharger Fuel Stratified Injection 这几个单词首字母的缩写， 通过字母表面意思可以理解为双增压 +分层燃烧 +

24、 喷射的意思。TSI发动机是在FSI技术的基础之上，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 的延时缺点，所以TFSI是一种极高效率的发动机形式，会是动力性与 燃油燃油经济性的完美统一。EcoBoost 是福特对于未来使用涡轮增压和缸内直喷两项核心技术 发动机的总称。在传统汽油发动机的基础上， EcoBoost 发动机进一 步添加了燃油缸内直喷、 涡轮增压和双独立可变气门正时系统这三大 关键技术优势， 不仅保证了澎湃的动力输出， 而且优化了燃油经济性 高达 20%，并降低 15%的二氧化碳

25、排放。福特 EcoBoost 发动机融合了三大关键技术的协同优势： 燃油高压 直喷、先进涡轮增压器和双独立可变气门正时系统。每项技术各有所长，三大技术的整合体现了 EcoBoost发动机设计理念，包括：优化的发动机效率 - 有效提升燃油经济 20%，同时降低二氧化 碳排放 15%。 更丰富的驾驶乐趣 - 低转速下的强大扭矩和宽转速 范围内的优异响应。 小排量带来的优势 - 享受传统高排量发动机 的输出动力，却拥有小排量发动机体积小、重量轻和油耗低的好处。福特 EcoBoostSIDI 是 Spark Ignition Direct Injection 的缩写，直译为火花点燃直接喷射技术。 其实

26、现的原理和一般的直喷发动机并无二致： 凸 轮轴驱动的燃油泵为供油系统提供高压燃油， 共轨喷油嘴将高压燃油 直接注入汽缸， 点火时间就可以得到精确的控制， 而且高压喷射和极 细的喷嘴设计则保证了喷油量的精确计算。 缸内直喷技术代替了传统 MPF（I 多点电喷） 技术之后，发动机在低转速下燃烧效率被进一步提 升。另外，通用的 SIDI 技术依靠的是缸内均质燃烧来提升效率，并 没有使用稀薄分层燃烧技术。六孔喷嘴由于国内油品的限制， 引入国内的直喷发动机均不使用分层燃烧， 通用的 SIDI 也没有例外。不过没有使用分层燃烧也是 SIDI 发动机拥 有不挑食的优势，官方产品手册上也并没有对 SIDI 发

27、动机做出任何 特殊的养护要求，这也是它相比大众系直喷发动机最大的优势所在。三、发动机自动启停 发动机自动启停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。系统在得知驾驶员意图后会自动重启发动机 发动机自动启停系统是这几年来发展最迅猛的汽车环保技术，特 别适用于走走停停的城市路况。预计到 xx 年，欧洲新上市的车中将 有 50配备起步停车系统。据介绍，这套系统能在城市工况下达到 15%的节油能力。使用方法：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

28、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。个人见解： 汽车发动机新技术的应用可使内燃机的各项性能在整个使用工况 变化范围内得到优化。 如果说活塞式内燃机经过百余年的研究与发展 在技术上已达到相当高的水平 , 那么可变机构、高压共轨、缸内直喷、 双涡轮增压、可变进气管长度等新技术就是使其性能进一步取得重大 突破的途径。因而发展前景十分诱人。可变技术的广泛应用需解决两个关键问题 : 其一是研制出可改变 参数的结构 ; 其二是确保这种结构在工作过程中的可靠性。缸内直喷开发有两个目标：一是使现有汽油机燃料经济性有大幅度的改善；二是控制排放，主要是 HC和NOx的排放。电子技术的发展 , 使改变结构参数的调控过程更易实施 , 有些新 技术已在车用发动机上使用并取得了较好的效果 , 我国应加大在此 方面的投入, 优化内燃机设计 , 使可变技术在内燃机上获得普遍应 用, 进一步提高内燃机的综合性能。另外，可变进气管长度、双涡轮增压、多气门等技术是为了充分 提高充气效率，为提高发动机升功率做贡献。内容仅供参考