發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣新技術(shù)

1、l一、發(fā)動(dòng)機(jī)的能量平衡1、在汽油機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的總能量，即使完全燃燒的話，33%35%為廢氣排出，30%32%為冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，7%9%為附件有效拖動(dòng)功率和輻射等額外消耗，只有25%30%為有效動(dòng)力輸出。l2、在柴油機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的總能量，即使完全燃燒的話，30%32%為廢氣排出，28%30%為冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，7%9%為附件有效拖動(dòng)功率和輻射等額外消耗，只有30%35%為有效動(dòng)力輸出。l二、合理利用能量的方式：l1、進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率l2、合理利用機(jī)外散失能量的再利用l三、提高發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率的途徑和方法l1)、能量利用的現(xiàn)狀 lA-能量完全利用lB-混合加熱理論循環(huán)熱效率(6

2、1.5%)lC-混合加熱理想循環(huán)熱效率(53.5)lD-相對(duì)熱效率（真實(shí)循環(huán)指示效率)（rel)(45%)lE-真實(shí)循環(huán)的有效效率（有效輸出）l(38%)(1)、過(guò)程分析：A-C該過(guò)程是真實(shí)工質(zhì)特性所付出的代價(jià)，不以人的意志所轉(zhuǎn)移。C-指示功率D，表示真實(shí)動(dòng)力循環(huán)趨于理想循環(huán)的完滿程度， rel(相對(duì)熱效率）現(xiàn)一般為84%，已經(jīng)到較高水平。提高已經(jīng)很困難。lD-E有機(jī)械效率來(lái)反映，m=84%已達(dá)到很高的程度，繼續(xù)改善也是很不容易。l二、由以上可知，如果要提高發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能，只能從以著手：l a）改變循環(huán)方式（等容放熱模式為超膨脹發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)即米勒循環(huán)）。l米勒循環(huán)：即將等容放熱和等壓放熱相結(jié)合的

3、工作循環(huán)過(guò)程。這是需要?dú)飧椎墓ぷ魅莘e發(fā)生變化。l即我們經(jīng)常說(shuō)的可變進(jìn)氣門行程技術(shù)和可變壓縮比技術(shù)。l可變進(jìn)氣門行程技術(shù):l隨著發(fā)動(dòng)機(jī)氣門增多和轉(zhuǎn)速的增高，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門升程和正時(shí)如果不隨著變化，在一些工況下會(huì)出現(xiàn)難以解決的矛盾，例如如何保證低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩輸出和高轉(zhuǎn)速時(shí)的功率輸出及在這些工況下的燃油消耗等問題，用單個(gè)節(jié)氣門控制的燃油供給方式是難以完滿解決的。最好的方式就是采用多種可變化的形式“綜合治理”，因此就有可變進(jìn)氣管道、可變壓縮比和可變氣門的升程和正時(shí)來(lái)解決這個(gè)問題，其中可變氣門的升程和正時(shí)也就是可變式氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是目前汽車常見的一種新技術(shù)。 l近年生產(chǎn)的豐田轎車，大都裝配了標(biāo)注有“VVT

4、i”字樣的發(fā)動(dòng)機(jī)，VVT是英文縮寫，全稱是“Variable Valve Timing”，中文意思是“可變氣門正時(shí)”，由于采用電子控制單元（ECU）控制，因此豐田起了一個(gè)好聽的中文名稱叫“智慧型可變氣門正時(shí)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要控制進(jìn)氣門凸輪軸，又多了一個(gè)小尾巴“i”，就是英文“Intake”（進(jìn)氣）的代號(hào)。這些就是“VVTi”的字面含義了。l本田汽車公司在1989年推出了自行研制的“可變氣門配氣相位和氣門升程電子控制系統(tǒng)”，英文全稱“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System”，縮寫就是“VTEC”，是世界上第一個(gè)

5、能同時(shí)控制氣門開閉時(shí)間及升程等兩種不同情況的氣門控制系統(tǒng)。與普通發(fā)動(dòng)機(jī)相比，VIEC發(fā)動(dòng)機(jī)同樣是每缸4氣門（2進(jìn)2排）、凸輪軸和搖臂等，不同的是凸輪與搖臂的數(shù)目及控制方法。 l可變壓縮比技術(shù):l其中氣門可變驅(qū)動(dòng)技術(shù)早已實(shí)現(xiàn)，做為重要參數(shù)的壓縮比也有人嘗試由固定不變改為“隨機(jī)應(yīng)變”，但由于涉及壓縮比必然要涉及到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改變，牽一而動(dòng)百，難度很大，長(zhǎng)期沒有進(jìn)展。現(xiàn)在這一難題已被瑞典的紳寶工程師克服。l近年紳寶（Saab）開發(fā)的SVC發(fā)動(dòng)機(jī)以改變壓縮比來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量。它的核心技術(shù)就是在缸體與缸蓋之間安裝楔型滑塊，缸體可以沿滑塊的斜面運(yùn)動(dòng)，使得燃燒室與活塞頂面的相對(duì)位置發(fā)生變化，改變

6、燃燒室的客積，從而改變壓縮比。其壓縮比范圍可從8：1至14：1之間變化。在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷時(shí)采用高壓縮比以節(jié)約燃油；在發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷時(shí)采用低壓縮比，并輔以機(jī)械增壓器以實(shí)現(xiàn)大功率和高扭矩輸出。紳寶SVC發(fā)動(dòng)機(jī)是1.6升5缸發(fā)動(dòng)機(jī)，每缸缸徑68毫米，活塞行程88毫米，最大功率166千瓦，最大扭矩305牛頓米，綜合油耗比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)降低了30%，并且滿足歐洲號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)。lb）汽油機(jī)向稀燃和缸內(nèi)直噴發(fā)展l和柴油機(jī)相比，易爆震，由火焰?zhèn)鞑サ娜紵绞經(jīng)Q定。l空燃比過(guò)大，易造成燃燒不完全，殘余廢氣過(guò)多，燃燒愈惡化，這樣和柴油機(jī)相比熱效率相差很多。l稀燃技術(shù)最初在柴油機(jī)上應(yīng)用，和缸內(nèi)直噴即可解決此類問題。l1、進(jìn)入9

7、0年代，三菱汽車公司研制出來(lái)的缸內(nèi)直噴技術(shù)使稀燃技術(shù)又進(jìn)了一步。目前，各大公司都擁有自己的稀燃技術(shù)，其共同點(diǎn)都是利用缸內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)，使聚集在火花塞附近的混合氣最濃，先被點(diǎn)燃后迅速向外層推進(jìn)燃燒，并有較高的壓縮比。 l比較著名的三菱缸內(nèi)噴注汽油機(jī)（GDI），可令混合比達(dá)到40:1l2、本田最新的VTEC發(fā)動(dòng)機(jī)也將采用稀燃技術(shù)。這款取名為VTECi 2.0升發(fā)動(dòng)機(jī)將比一般本田發(fā)動(dòng)機(jī)省油20%，其特點(diǎn)是將VTEC技術(shù)與稀燃技術(shù)相結(jié)合，也是當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速時(shí)令其中一組進(jìn)氣門關(guān)閉，在燃燒室內(nèi)形成一道稀薄的混合氣體渦流，層狀分布集結(jié)在火花塞周圍作點(diǎn)燃引爆，從而起到稀薄燃燒作用。 lC）汽、柴油機(jī)的電子控制與可變技術(shù)

8、l可變壓縮比、可變配氣相位與氣門升程、可變缸內(nèi)旋流、可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度、可變?cè)鰤簻u輪噴嘴截面等。l1）、發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)形式可分為渦流、擠流、滾流和湍流四種形式。希望能用這幾種形式把燃料和空氣混合的更好。使其充分燃燒。l各種氣流運(yùn)動(dòng)形式對(duì)加速混合氣的形成和燃燒有重要的意義，但是會(huì)帶來(lái)進(jìn)氣沖量損失，泵氣功損失或能量損失。l最大的困難在于氣流運(yùn)動(dòng)在高速和低速時(shí)，強(qiáng)度相差過(guò)大使其在寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不能良好的工作。l氣流對(duì)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)比較敏感，難以精確控制，易造成各缸工作狀態(tài)不均勻。l可變旋流：大眾的直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（FSI），則是采用了一個(gè)高壓泵，汽油通過(guò)一個(gè)分流軌道（共軌）到達(dá)電磁控制的高壓噴射氣門。

9、它的特點(diǎn)是在進(jìn)氣道中已經(jīng)產(chǎn)生可變渦流，使進(jìn)氣流形成最佳的渦流形態(tài)進(jìn)入燃燒室內(nèi)，以分層填充的方式推動(dòng)，使混合氣體集中在位于燃燒室中央的火花塞周圍。l2）可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度l多缸汽油機(jī)工作時(shí)各缸之間的燃燒差異要比柴油機(jī)大得多，各缸間的混合氣充量不均勻、混合氣成分不均勻等因素是其主要原因。各缸間最大不均勻度有時(shí)可達(dá)20%。l由于各缸不均勻性的存在，很難找到對(duì)各缸都是最佳的點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數(shù)，使得動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等整機(jī)指標(biāo)難以優(yōu)化，同時(shí)噪聲和振動(dòng)也會(huì)增加。l原因：（1）、各缸進(jìn)氣充量的不均勻。由于進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)、進(jìn)氣管動(dòng)態(tài)效應(yīng)、以及各缸進(jìn)氣重疊干涉等原因，使各缸的實(shí)際充氣系數(shù)不均勻。如果汽油

10、機(jī)進(jìn)的是油氣混合氣，則會(huì)造成進(jìn)入各缸的燃料絕對(duì)量不同。l（2）、當(dāng)使用廢氣再循環(huán)時(shí)，各缸的廢氣進(jìn)入量也會(huì)有差異，會(huì)造成進(jìn)入各缸的混合氣的量和質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生差別。也會(huì)造成各缸工作不均勻。l（3）、寶馬745i和735i使用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣參數(shù)可調(diào)v8發(fā)動(dòng)機(jī)，三個(gè)主要參數(shù)：排氣閥開啟時(shí)間、進(jìn)氣閥升程、進(jìn)氣道長(zhǎng)度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況的改變而自動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)氣道可調(diào)為全球首創(chuàng)?，F(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)在passet，audi a4等車都有應(yīng)用。l3、可變?cè)鰤簻u輪噴嘴截面l噴嘴截面可調(diào)的增壓器 廢氣渦輪增壓技術(shù)是上世紀(jì)60年代后得到大量應(yīng)用的技術(shù)，不僅可以大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，而且可以相應(yīng)地減少燃油消耗。目前這一技術(shù)在柴油機(jī)上得

11、到廣泛應(yīng)用。歐美的柴油機(jī)約95%都采用廢氣渦輪增壓。但是增壓器自身的質(zhì)量使加速響應(yīng)和低速性能受到影響，造成低速扭矩下降、排煙增加。要想彌補(bǔ)這一缺陷，簡(jiǎn)單的方法是犧牲高速性能或犧牲一定的經(jīng)濟(jì)性，變截面噴嘴技術(shù)便解決了這個(gè)難題。采用這項(xiàng)技術(shù)，低速時(shí)減少噴嘴截面減小排氣阻力，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性得到大幅度提高，廢氣排放品質(zhì)也相應(yīng)得到改善。l4、多氣門措施l氣門口是進(jìn)氣流道中截面最小、流速最高之處，而且截面隨氣門升程急劇變化，這樣會(huì)造成流動(dòng)損失嚴(yán)重，對(duì)c的影響也最大。l降低氣門口流速，可以使流動(dòng)阻力以平方關(guān)系下降，還可以避免高速氣流壅塞的不利影響，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況的轉(zhuǎn)速。l1）、氣門口平均進(jìn)

12、氣馬赫數(shù)及其對(duì)c的影響。l進(jìn)氣過(guò)程中存在以下關(guān)系:lMam=Vtm/a l其中：Mam-平均進(jìn)氣馬赫數(shù)lVtm-氣門口平均流速la-當(dāng)?shù)匾蛩豯根據(jù)進(jìn)氣過(guò)程缸內(nèi)質(zhì)量的平衡關(guān)系有：l（s*fa）m*Vtm=Fp*Vml式中：Fp-活塞面積lVm-活塞平均速度 Vm=2ns n-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 s-活塞行程ls-進(jìn)氣口流量系數(shù)lfa-進(jìn)氣門開啟的通路面積l（s*fa）m-進(jìn)氣門平均有效開啟通路面積l把上式代入可得：lMam=2nsFp/a* （s*fa）mlFp/ （s*fa）m經(jīng)近似推導(dǎo)出Fp/ （s*fa）m與（D/d）的平方成正比。l其中D、d分別為活塞機(jī)進(jìn)氣門盤的直徑。l這樣可以得到Mam和D、

13、d的關(guān)系。l結(jié)論：對(duì)于小型的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，Mam0.5之后，充量系數(shù)c會(huì)加速下降。具體表現(xiàn):只要轉(zhuǎn)速不斷上升。缸內(nèi)壓力將不斷的下降，發(fā)動(dòng)機(jī)功率不僅不會(huì)增大，反而因機(jī)械損失的增大而下降。l這種現(xiàn)象叫做壅塞。l按照氣體動(dòng)力學(xué)孔口流動(dòng)定律，當(dāng)空口上游滯止壓力不變時(shí)，在孔口流速到達(dá)音速后，無(wú)論孔口下游的壓力降到何等程度，孔口的流量都保持不變。當(dāng)平均馬赫數(shù)Mam達(dá)到0.5左右時(shí)，雖然未達(dá)到音速，但是小升程段的氣流已接近壅塞。l2）、有效降低Mam的多氣門措施l采用多氣門措施，4氣門可達(dá)活塞面積的30%，比二氣門方案加大30%-50%，這樣既可使Mam遠(yuǎn)離0.5的限值，可使功率加大的百分率遠(yuǎn)超過(guò)轉(zhuǎn)矩的增大

14、值。l五氣門一般是3進(jìn)2排。l優(yōu)點(diǎn)：多氣門方案可使火花塞或噴油器垂直布置在氣缸中心線上，有利于提高壓縮比和混合氣形成的質(zhì)量；還可以減小系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量以適應(yīng)轉(zhuǎn)速提高的要求；兩個(gè)以上進(jìn)氣門還是與靈活控制進(jìn)氣旋流，有利于燃燒合理組織和排放控制。l缺點(diǎn)：多氣門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頂置凸輪結(jié)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)總結(jié)構(gòu)增加?？梢娎笥诒?。l5、雙火花塞技術(shù)：l為了防止異常燃燒，有些風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)也裝用了雙火花塞。這種每個(gè)氣缸裝有兩個(gè)火花塞的叫雙火花塞方式。雙火花塞能在氣缸內(nèi)形成兩個(gè)火源，使混合氣快速燃燒。但是采用4氣門或更多氣門的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)不宜采用兩個(gè)火花塞，因?yàn)闆]有足夠的空間布置雙火花塞。 6、電子油門（EGAS）傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)

15、機(jī)節(jié)氣門操縱機(jī)構(gòu)是通過(guò)拉索（軟鋼絲）或者拉桿，一端聯(lián)接油門踏板（加速踏板），另一端聯(lián)接節(jié)氣門連動(dòng)板而工作。但這種傳統(tǒng)油門應(yīng)用范疇受到限制并缺乏精確性，在日新月異的汽車電子技術(shù)發(fā)展形勢(shì)下，一種電子油門（EGAS）應(yīng)運(yùn)而生。 l區(qū)別：與傳統(tǒng)油門比較，電子油門明顯的一點(diǎn)是可以用線束（導(dǎo)線）來(lái)代替拉索或者拉桿，在節(jié)氣門那邊裝一只微型電動(dòng)機(jī)，用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門開度。即所謂的“導(dǎo)線駕駛”，用導(dǎo)線代替了原來(lái)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 l電子油門控制系統(tǒng)主要由油門踏板、踏板位移傳感器、ECU（電控單元）、數(shù)據(jù)總線、伺服電動(dòng)機(jī)和節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。位移傳感器安裝在油門踏板內(nèi)部，隨時(shí)監(jiān)測(cè)油門踏板的位置。當(dāng)監(jiān)測(cè)到油門踏板高度位置有變化，會(huì)瞬間將此信息送往ECU，ECU對(duì)該信息和其它系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出一個(gè)控制信號(hào)，通過(guò)線路送到伺服電動(dòng)機(jī)繼電器，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線則是負(fù)責(zé)系統(tǒng)ECU與其它ECU之間的