發(fā)動機新技術(shù)

發(fā)動機新技術(shù)介紹課時：30min講解人：郝永生目標(biāo)：了解發(fā)動機技術(shù)動態(tài)及先進技術(shù)5/14/20241目錄一、內(nèi)燃機發(fā)展史與分類二、汽車發(fā)動機的發(fā)展方向三、國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)四、總論2內(nèi)燃機的發(fā)展史與分類一、發(fā)展史內(nèi)燃機以其熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，機動性強，運行維護簡便的優(yōu)點著稱于世。一百多年以來，內(nèi)燃機的巨大生命力經(jīng)久不衰。目前世界上內(nèi)燃機的擁有量大大超過了任何其它的熱力發(fā)動機，在國民經(jīng)濟中占有相當(dāng)重要的地位?，F(xiàn)代內(nèi)燃機更是成為了當(dāng)今用量最大、用途最廣、無一與之匹敵的的最重要的熱能機械。內(nèi)燃機發(fā)展至今，約有一個半世紀(jì)的歷史了。同其他科學(xué)一樣，內(nèi)燃機的每一個進步都是人類生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的概括和總結(jié)。

最早的內(nèi)燃機——煤氣機

1860年，法國發(fā)明家萊諾制成了第一臺實用內(nèi)燃機（單缸、二沖程、無壓縮和電點火的煤氣機，輸出功率為0.74—1.47KW，轉(zhuǎn)速為100r/min，熱效率為4%）。法國工程師德羅沙認(rèn)識到，要想盡可能提高內(nèi)燃機的熱效率，就必須使單位氣缸容積的冷卻面積盡量減小，膨脹時活塞的速率盡量快，膨脹的范圍（沖程）盡量長。在此基礎(chǔ)上，他在1862年提出了著名的等容燃燒四沖程循環(huán)：進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣。

1876年，德國人奧托制成了第一臺四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機（單缸、臥式、以煤氣為燃料、功率大約為2.21KW、180r/min）。

3內(nèi)燃機的發(fā)展史與分類汽油機出現(xiàn)19世紀(jì)下半葉,隨著石油工業(yè)的興起,用石油產(chǎn)品取代煤氣作燃料已成為必然趨勢。1883年，戴姆勒和邁巴赫制成了第一臺四沖程往復(fù)式汽油機（轉(zhuǎn)速由200r/min升至800—1000r/min）汽油機發(fā)展經(jīng)歷了四個階段第一階段（20世紀(jì)初20年）提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速及功率，達到1500r/min，比功率由3.68W/Kg提高到441.3—735.5W/Kg；第二階段（20世紀(jì)20年代）解決燃燒問題，壓縮比提高到8，效率提高到20％）；第三階段（20世紀(jì)20～40年代）增壓器（1.4-1.6）的使用進一步提高功率及熱效率）第四階段（20世紀(jì)40年代至今）隨著電子技術(shù)的發(fā)展電噴技術(shù)開始投入使用）4內(nèi)燃機的發(fā)展史與分類柴油機——內(nèi)燃機家族的另一個明星

柴油機幾乎是與汽油機同時發(fā)展起來的，它們具有許多相同點。所以柴油機的發(fā)展也與汽油機有許多相似之處，可以說在整個內(nèi)燃機的發(fā)展史上，它們是相互推動的。

1897年制成了第一臺壓縮點火的“狄塞爾”內(nèi)燃機，即柴油機。柴油機發(fā)展主要圍繞增壓技術(shù)。20世紀(jì)20年代提出增壓，達到二戰(zhàn)后才開始受到重視采用；20世紀(jì)50年代，增壓度約為50%，四沖程機的平均有效壓力約為0.7—0.8MPa，無中冷；20世紀(jì)70年代增壓技術(shù)有了長足的發(fā)展增壓度達到200％，且普遍采用中冷技術(shù)；20世紀(jì)80年代仍以進氣系統(tǒng)為主攻方向，開始出現(xiàn)二級增壓，可變渦輪截面技術(shù)進一步提高了發(fā)動機功率及熱效率；20世紀(jì)80年代以后內(nèi)燃機電子技術(shù)已經(jīng)趨于成熟階段，柴油機的電控技術(shù)開始投入使用，發(fā)展至今出現(xiàn)了高壓共軌技術(shù)，實現(xiàn)了柴油機的超高壓噴射。

5內(nèi)燃機的發(fā)展史與分類二、內(nèi)燃機的分類

按所用的燃料的不同，分為汽油機，柴油機、煤油機、煤氣機（包括各種氣體燃料內(nèi)燃機）等；按每個工作循環(huán)的行程數(shù)不同，分為四沖程和二沖程；按著火方式不同，分為點燃式和壓燃式；按冷卻方式不同，分為水冷式和風(fēng)冷式；按氣缸排列形式不同，分為直列式、V型、對置式、星型等；按氣缸數(shù)不同，分為單缸內(nèi)燃機和多缸內(nèi)燃機等；按內(nèi)燃機的用途不同，分為汽車用、農(nóng)用、機車用、船用以及固定用等等。6汽車發(fā)動機的發(fā)展方向一、汽車能源發(fā)展方向

方向：清潔、可再生能源步驟：1、以石油為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)發(fā)動機發(fā)展節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品2、替代石油的多種能源及混合動力技術(shù)產(chǎn)品3、以氫為燃料的新能源技術(shù)石油混合動力氫能源7汽車發(fā)動機的發(fā)展方向二、發(fā)動機技術(shù)發(fā)展方向1、目標(biāo)提高燃油效率降低燃油消耗提高機內(nèi)凈化水平適應(yīng)能源發(fā)展要求8汽車發(fā)動機的發(fā)展方向2、主要發(fā)展的動力產(chǎn)品高效率，大馬力柴油機和乘用車用先進柴油機各種代用燃料（壓縮天然氣、液化天然氣、醇醚類）發(fā)動機

各種適應(yīng)欠發(fā)達地區(qū)和農(nóng)村的動力產(chǎn)品高效率、節(jié)能、低污染發(fā)動機新產(chǎn)品9汽車發(fā)動機的發(fā)展方向3、以節(jié)能、環(huán)保、安全可靠為核心的重點技術(shù)⑴.關(guān)鍵技術(shù)分類關(guān)鍵技術(shù)分類新型混合動力系統(tǒng)匹配技術(shù)及各種代用燃料發(fā)動機技術(shù)各種電控技術(shù)及各種新型發(fā)動機零部件技術(shù)保證產(chǎn)品可靠性，一致性的專業(yè)化，大批生產(chǎn)的工藝技術(shù)發(fā)動機節(jié)能及低排放技術(shù)10汽車發(fā)動機的發(fā)展方向3、以節(jié)能、環(huán)保、安全可靠為核心的重點技術(shù)⑵.重點技術(shù)車用柴油機高壓噴射技術(shù)（包括電控高壓泵技術(shù)、電控高壓共軌系統(tǒng)、電控單體泵技術(shù)及噴油特性的研究等）汽油機缸內(nèi)直接噴射技術(shù)（包括氣流的組織、燃燒室設(shè)計優(yōu)化和噴射系統(tǒng)設(shè)計等發(fā)動機電控可變技術(shù)（包括可變進氣管道、可變氣門定時、可變空燃比和可變壓縮比系統(tǒng)等，怠速停機、電動機輔助驅(qū)動的混合動力）電控發(fā)動機與汽車匹配技術(shù)發(fā)動機可變渦輪增壓和增壓中冷技術(shù)車用發(fā)動機排氣后處理技術(shù)（包括汽油機稀燃催化轉(zhuǎn)化劑、柴油機連續(xù)再生型微粒捕集器、選擇性催化還原系統(tǒng)、四效催化器技術(shù)等）混合動力裝置設(shè)計和匹配技術(shù)發(fā)動機電控集成管理系統(tǒng)及電磁兼容技術(shù)研究等繼續(xù)加強新能源（清潔能源）汽車產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備工作11汽車發(fā)動機的發(fā)展方向3、以節(jié)能、環(huán)保、安全可靠為核心的重點技術(shù)⑵.重點技術(shù)電控高壓泵技術(shù)噴油特性的研究電控高壓共軌系統(tǒng)電控單體泵技術(shù)等等…車用柴油機高壓噴射技術(shù)12汽車發(fā)動機的發(fā)展方向3、以節(jié)能、環(huán)保、安全可靠為核心的重點技術(shù)⑵.重點技術(shù)汽油機缸內(nèi)直接噴射技術(shù)氣流的組織燃燒室設(shè)計優(yōu)化噴射系統(tǒng)設(shè)計…等等…13汽車發(fā)動機的發(fā)展方向3、以節(jié)能、環(huán)保、安全可靠為核心的重點技術(shù)⑵.重點技術(shù)可變進氣管道可變氣門定時可變空燃比、壓縮比系統(tǒng)怠速停機、電動機輔助驅(qū)動的混合動力發(fā)動機電控可變技術(shù)14汽車發(fā)動機的發(fā)展方向3、以節(jié)能、環(huán)保、安全可靠為核心的重點技術(shù)⑵.重點技術(shù)柴油機連續(xù)再生型微粒捕集器四效催化器技術(shù)汽油機稀燃催化轉(zhuǎn)化劑選擇性催化還原系統(tǒng)等等……車用發(fā)動機排氣后處理技術(shù)15汽車發(fā)動機的發(fā)展方向3、以節(jié)能、環(huán)保、安全可靠為核心的重點技術(shù)⑵.重點技術(shù)電控發(fā)動機與汽車匹配技術(shù)發(fā)動機可變渦輪增壓和增壓中冷技術(shù)混合動力裝置設(shè)計和匹配技術(shù)發(fā)動機電控集成管理系統(tǒng)及電磁兼容技術(shù)研究等繼續(xù)加強新能源（清潔能源）汽車產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備工作等等…….16國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)一、六沖程發(fā)動機1）特點：1.比普通發(fā)動機多兩個沖程；2.熱效率高40％；3.節(jié)油效率高；2）工作原理在普通四沖程發(fā)動機的“進氣-壓縮-燃燒做功-排氣”四個沖程之后，第五個沖程開始的時候，把水噴進熾熱的氣缸里面，水馬上就變成了溫度高達816度的蒸汽，體積急劇膨脹1600倍，同時氣缸內(nèi)壓強急劇增大，推動活塞再次做功——如此一來，每6個沖程中就出現(xiàn)2個做功沖程，而消耗的燃油卻沒有變化。到了第6個沖程，發(fā)動機把水蒸氣排放到一個冷卻器，水蒸氣在那里重新變成水。17國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)一、六沖程發(fā)動機3）發(fā)動機構(gòu)造水泵的出口，高壓水泵進水管接水箱的出口，改變油咀的噴油角度，改變排氣角度，增加噴水角度，使活塞產(chǎn)生六個沖程，即三個沖程后增加一個氣門開放排氣沖程，增加一個噴水汽化作功沖程，增加一個排汽沖程排汽。六沖程節(jié)油內(nèi)燃發(fā)動機，涉及現(xiàn)有內(nèi)燃發(fā)動機的高壓油油泵、噴油咀、冷卻循環(huán)管路、活塞、活塞缸，其特征在于在缸蓋上設(shè)兩個噴咀，一個噴油咀、一個噴水咀在發(fā)動機一邊安裝一個高壓水泵，噴水咀的進水管接高壓18國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)二、增壓中冷技術(shù)影響發(fā)動機功率的方面很多主要表現(xiàn)以下方面：pe∝i·Vs·Hu·φc·ηit·ρb·1/L0·1/τ·1/αpe：有效功率；i：缸數(shù)；Vs：氣缸工作容積；Hu：燃料低熱值；φc：充量系數(shù)；ηit：指示熱熱效率；ρb：

發(fā)動機進氣管密度；L0：化學(xué)計量比；τ：沖程數(shù)；α：空燃比；內(nèi)燃機增壓可以有效的改善發(fā)動機的熱效率、提高發(fā)動機功率、提高經(jīng)濟性、減少排放中的有害成分，降低噪音，目前柴油機增壓技術(shù)已經(jīng)十分純熟，汽油機也進入日益成熟階段；增壓可分為：機械增壓、排氣增壓、慣性增壓、氣波增壓等排氣增壓分為：單級渦輪增壓、多級渦輪增壓19國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)二、增壓中冷技術(shù)在我國發(fā)動機中普遍采用單級渦輪增壓，單級渦輪增壓按照排氣管與增壓器的連接方式又可分為：定壓增壓（將各缸排氣匯入一個管中在與渦輪連接）脈沖增壓（各缸排氣分別進入渦輪）定壓增壓脈沖增壓20國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)二、增壓中冷技術(shù)

隨著汽車發(fā)動機的要求越來越高單級增壓已經(jīng)無法滿足需求，現(xiàn)在多級增壓、復(fù)合增壓已經(jīng)開始應(yīng)用到汽車發(fā)動機上，多級增壓就是將兩個渦輪增壓器串連在一起，復(fù)合增壓就是在發(fā)動機上采用機械增壓與渦輪增壓相結(jié)合，分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種；串聯(lián)并聯(lián)21國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)三、汽油機直噴分層、稀燃技術(shù)（GDI)1.原理：缸內(nèi)直噴汽油機稀薄燃燒技術(shù)可以分為均質(zhì)稀燃和分層燃燒兩種燃燒模式。中小負(fù)荷時，在壓縮行程后期開始噴油，在火花塞附近形成較濃的可燃混和氣，在遠離火花塞的區(qū)域，形成稀薄分層混和氣；大負(fù)荷及全負(fù)荷時，在早期進氣形成中將燃油噴入氣缸，形成完全的均質(zhì)化學(xué)計量比進行燃燒。另外，也有采用分段噴油技術(shù)分層混合氣，即在進氣早期開始噴油，使燃油在氣缸中均勻混合，在進氣后期再次噴油，最終在火花塞附近形成較濃的可燃混和氣。

22國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)三、汽油機直噴分層、稀燃技術(shù)（GDI)

2.先對于PFI發(fā)動機優(yōu)缺點：

優(yōu)點:1)GDI發(fā)動機的絕熱指數(shù)增加和傳熱損失較少，取消節(jié)流降低了泵吸損失，燃油蒸發(fā)引起的缸內(nèi)溫度降低提高了汽油機可工作的壓縮比，燃油在進氣沖程中對進氣的冷卻提高了充氣效率，使得它的燃油經(jīng)濟性有進一步改善，燃油消耗下降率高達35％。動力輸出也比PFI發(fā)動機增加了大約10％。

2)瞬態(tài)反應(yīng)快。

3)起動快。

4)冷起動時未燃碳?xì)渑欧派佟?/p>

缺點

1)GDI適用的NOx稀燃催化劑的開發(fā)尚未成熟，目前商品化的GDI難以滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。

2)GDI燃燒系統(tǒng)的設(shè)計較為復(fù)雜，開發(fā)成本昂貴23國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)三、汽油機直噴分層、稀燃技術(shù)（GDI)3.目前采用的車型1）直噴系統(tǒng)博世公司：MotronicMED7汽油直噴系統(tǒng)；奧迪公司：開發(fā)了FSI系統(tǒng)；奔馳公司：開發(fā)了CGI系統(tǒng)；菲亞特：開發(fā)了JTS系統(tǒng)；2）車型奧迪R8，它匹配著帶雙增壓的V8FSI直噴發(fā)動機；奧迪A21.6FSI發(fā)動機、A42.0LFSI發(fā)動機；奔馳：C200CGI的1.8LCGI發(fā)動機；邁騰：TSI發(fā)動機(雙增壓的燃油分層直噴)。24國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)四、轉(zhuǎn)子發(fā)動機

轉(zhuǎn)子發(fā)動機又稱為米勒循環(huán)發(fā)動機。它采用三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動來控制壓縮和排放，與傳統(tǒng)的活塞往復(fù)式發(fā)動機的直線運動迥然不同。這種發(fā)動機由德國人菲加士·汪克爾發(fā)明。轉(zhuǎn)子發(fā)動機的運動特點是：三角轉(zhuǎn)子的中心繞輸出軸中心公轉(zhuǎn)的同時，三角轉(zhuǎn)子本身又繞其中心自轉(zhuǎn)。在三角轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,以三角轉(zhuǎn)子中心為中心的內(nèi)齒圈與以輸出軸中心為中心的齒輪嚙合，齒輪固定在缸體上不轉(zhuǎn)動,內(nèi)齒圈與齒輪的齒數(shù)之比為3:2。上述運動關(guān)系使得三角轉(zhuǎn)子頂點的運動軌跡(即汽缸壁的形狀)似"8"字形.三角轉(zhuǎn)子把汽缸分成三個獨立空間，三個空間各自先后完成進氣,壓縮,做功和排氣，三角轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)一周,發(fā)動機點火做功三次。由于以上運動關(guān)系，輸出軸的轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)速度的3倍，這與往復(fù)運動式發(fā)動機的活塞與曲軸1:1的運動關(guān)系完全不同。25國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)四、轉(zhuǎn)子發(fā)動機工作原理26國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)四、轉(zhuǎn)子發(fā)動機優(yōu)點：第一、運行噪音更小：轉(zhuǎn)子發(fā)動機平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動非常小，由于它沒有氣門結(jié)構(gòu)，因此能更平穩(wěn)和安靜地運行。雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的安靜和平穩(wěn)性相當(dāng)于直列六缸往復(fù)式發(fā)動機。

第二、扭矩很均勻：

曲線，兩轉(zhuǎn)子的設(shè)計中運行扭矩波動與直列六缸發(fā)動機具有相同水平，三轉(zhuǎn)子發(fā)動機則更勝于轉(zhuǎn)子發(fā)動機在整個速度范圍內(nèi)有相當(dāng)均勻的扭矩V8發(fā)動機往復(fù)發(fā)動機。

第三、精簡結(jié)構(gòu)，動力不亞于往復(fù)式發(fā)動機：

轉(zhuǎn)子發(fā)動機不需要設(shè)置連桿結(jié)構(gòu)，沒有配氣機構(gòu)(包括通常往復(fù)式發(fā)動機必備的正時齒帶、凸輪軸、搖臂、氣門、氣門彈簧等等)，同等輸出功率條件下，轉(zhuǎn)子發(fā)動機的設(shè)計重量是往復(fù)式的三分之二。

第四、可靠性和耐久性比較好：

前文提到，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是發(fā)動機轉(zhuǎn)速的三分之一，因此轉(zhuǎn)子的磨損情況并不是很大，另外，由于沒有搖臂，連桿等高轉(zhuǎn)速運動機械部件，所以在高負(fù)荷運動中更可靠和更耐久。27國內(nèi)外發(fā)動機采用的新技術(shù)四、轉(zhuǎn)子發(fā)動機缺點：

1、工藝和成本要求高

任何事情都不可能魚和熊掌兼得，由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機技術(shù)比較尖端，制作工藝要求比較高，成本比較貴，現(xiàn)在馬自達公司對這項技術(shù)比較了解和把握，所以，這項技術(shù)還沒有