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发动机节能技术发动机节能技术第一节 概述1、能源压力 根据世界石化巨头BP集团在2004 BP世界能源统计年世界能源统计年鉴鉴中提供的数字表明，世界目前探明的石油总储量为1.15万亿桶万亿桶，以目前的开采速度计算，可供全球石油生产41年年。 2、环保压力 据研究，目前大气中大气中21.7%的HC、38.5%的CO、87.6%的NOx、11.7%的CO2、6.2%的SO2和32%的微粒来自汽车，而在城市大气中城市大气中，这一比例更高，大概87%的HC、61%的CO和55%的NOx来自于汽车。 图35 二气门及四气门柴油机性能指标比较图 四气门； 二气门图36 二气门及四气门柴油机油耗及有害排放物对比图 二气门； 四气门转速/rmin1NOx 排放量g（kWh）1pm e（0 . 1M Pa）be / g（kWh）1be /g（kWh）1微粒 /g（kWh）1 烟度图33 四气门与二气门发动机的性能比较图34 五气门发动机与四气门发动机性能比较二、采用可变配气系统技术二、采用可变配气系统技术 控制发动机充量交换过程的特性参数主要是三个：气门开启相位，气门开启持续角度和气门升程。 进气门开启相位提前，一方面为进气过程提供了较多的时间，特别有利于解决高转速时进气时间不足的问题；另一方面，气门叠开角增大，有更多的废气进入进气管，随后又同新鲜充量一起返回气缸，造成了较高的内部排气再循环率，可降低油耗和 NOx 排放，但同时也导致起动困难、怠速不稳定和低速工作粗暴。 进气门关闭相位推迟，一方面在高转速时有利于利用高速气流的惯性提高体积效率；另一方面在低转速时又会将已经吸入气缸的新鲜充量重又推回到进气管中。 气门升程增大，一方面在高负荷时有利于提高体积效率；另一方面在低负荷时又不得不将节气门关得更小，造成更大的泵气损失和节流损失。 思考： 为了提高标定功率、低速转矩、改善起动性能和提高怠速稳定性，应如何调整进气门特性参数？可变配气系统的效果 ： 提高标定功率。 提高低速转矩。 改善起动性能。 提高怠速稳定性。 提高燃油经济性达 15。 降低排放。 1. 可变气门正时图37 相位可变的凸轮轴构造示意l螺旋花键套；2回位弹簧；3凸轮轴；4驱动链轮凸轮轴的相位借助一个螺旋花键凸轮轴的相位借助一个螺旋花键套套 1 的移动来改变。花键套内孔的移动来改变。花键套内孔的直齿花键与凸轮轴的直齿花键与凸轮轴 3 端头的花端头的花键啮合，它的外螺旋花键与驱动键啮合，它的外螺旋花键与驱动链轮链轮 4 的螺旋花键孔啮合。当的螺旋花键孔啮合。当花键套花键套 1 在油压作用下克服回位在油压作用下克服回位弹簧弹簧 2 的弹力轴向移动时，的弹力轴向移动时，3 与与 4 相对角位移相对角位移c1020。油压用电磁阀控制，机油通过中油压用电磁阀控制，机油通过中空的凸轮轴供给。空的凸轮轴供给。 图38 VVT 对发动机性能的影响2. 气门升程可变 可变凸轮机构一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现气门升程与持续角的变化，即在高速时采用高速凸轮，气门升程与持续角都较大，而在低速时切换到低速凸轮，升程与持续角均较小。 图39 MIVEC的凸轮及摇臂机构a）高速凸轮模式；b）低速凸轮模式；c）气门不工作模式 发动机在高速工况，压力高的液压油进入摇臂轴的右端油道（图发动机在高速工况，压力高的液压油进入摇臂轴的右端油道（图39a），将其中活塞），将其中活塞H 向上推，使高速摇臂杆与摇臂轴卡紧在一起，于向上推，使高速摇臂杆与摇臂轴卡紧在一起，于是高速凸轮通过高速摇臂杆及是高速凸轮通过高速摇臂杆及 T 形杆，控制气门的开关。此时摇臂轴左端形杆，控制气门的开关。此时摇臂轴左端并无压力高的液压油进入，其中液压小活塞并无压力高的液压油进入，其中液压小活塞L并未被压上去，于是左端低并未被压上去，于是左端低速摇臂杆并未起作用。发动机低速工况，液压油则进入摇臂轴左端油孔，将速摇臂杆并未起作用。发动机低速工况，液压油则进入摇臂轴左端油孔，将其中小活塞向上压，使低速凸轮能带动左端低速摇臂杆工作。此时右端高速其中小活塞向上压，使低速凸轮能带动左端低速摇臂杆工作。此时右端高速摇臂杆中小活塞并无液压油将其压上去，因此不工作（图摇臂杆中小活塞并无液压油将其压上去，因此不工作（图39b）。当摇臂）。当摇臂轴两端都无高压液压油输入时，于是两个气门都不工作（图轴两端都无高压液压油输入时，于是两个气门都不工作（图39c）。）。 图311 进气门升程和曲线连续可变的凸轮机构l偏心轴；2杠杆；3凸轮轴；4杠杆的滚轮；5回位扭簧；6气门摆臂 一个特殊形状的杠杆一个特殊形状的杠杆 2插在凸轮轴插在凸轮轴 3 与气门摆臂与气门摆臂 6 之之间。杠杆受偏心轴间。杠杆受偏心轴1控制。通过偏心轴移动杠杆控制。通过偏心轴移动杠杆 2 的位置的位置即可改变气门升程曲线和开启持续角，从而改变发动机进即可改变气门升程曲线和开启持续角，从而改变发动机进气量和负荷高低，因而不必用节气门控制负荷。气量和负荷高低，因而不必用节气门控制负荷。 3. 电磁气门机构 电磁气门驱动（electromagnetic valve actuation）是利用电磁铁产生的电磁力驱动气门。 图312 电磁式气门驱动原理a）未通电； b）气门全闭； c）气门全开1气门；2、5线圈；3电磁铁；4街铁；6弹簧；7气门导管 电磁气门驱动机构主要由两个相同的电磁铁（共用一个衔铁）。两个相同的弹簧和气门组成（图312）。发动机不工作时，激磁线圈 2 和 5 均不通电，气门 1 半开半闭；发动机启动时，气门驱动装置初始化，控制系统根据曲轴转角，判定气门在这一时刻应有的开、关状态，使两线圈中的一个通电。电磁力克服弹簧力，将气门 1 关闭或开启。气门处于开启状态时，线圈 5 断电，线圈 2 通电，使电磁力等于或大于弹簧力，以保持气门开启。要使气门关闭时，线圈 2 断电，衔铁和气门在弹簧力的作用下向上运动；在气门接近关闭位置时，线圈 5 通电，电磁力帮助气门（衔铁）快速运动至关闭位置。此后线圈 5 继续通电，使气门保持在关闭状态。需要开启时，线圈 5 断电，衔铁和气门在弹簧力作用下向下运动。如此循环往复。 电磁气门驱动控制方便，结构较为简单，是比较容易想到的无凸轮轴气门驱动方式。它的主要问题是气门落座冲击大，电磁响应速度不够高，能量消耗及尺寸过大。 4. 电液气门驱动 电液气门驱动（electrohydraulic valve actuation）的工作原理，是将气门与一个液压活塞相连接，通过电磁阀控制液压缸内高压和低压液体的流入和流出，从而控制液压活塞气门的运动。 这种电液式无凸轮轴气门驱动系统，可使发动机的气门的定时、升程与速度连续变化。它既不需要凸轮也不需要弹簧，而利用压缩油液的弹性能，在气门的开启与闭合期间，使气门加速或减速，这就是液压摆或液压振动体的原理。 图313 Ford 公司的电液式气门驱动原理 1高压电磁阀；2高压单向阀； 3低压单向阀；4低压电磁阀该系统有高压油源和低压油源。一个该系统有高压油源和低压油源。一个双作用、单活塞杆的液压缸的活塞与双作用、单活塞杆的液压缸的活塞与发动机气门导杆顶部相连。活塞上腔发动机气门导杆顶部相连。活塞上腔既可以与高压油源相连，也可以与低既可以与高压油源相连，也可以与低压油源相连，活塞下腔始终与高压油压油源相连，活塞下腔始终与高压油源相通。活塞无杆腔的油压作用面积，源相通。活塞无杆腔的油压作用面积，比有杆腔的油压作用面要大。发动机比有杆腔的油压作用面要大。发动机气门开启由一个高压电磁阀控制，气气门开启由一个高压电磁阀控制，气门加速时开启，减速时关闭。低压电门加速时开启，减速时关闭。低压电磁阀的开关控制气门的闭合。该系统磁阀的开关控制气门的闭合。该系统还包括高压单向阀和低压单向阀。还包括高压单向阀和低压单向阀。 图315 Ford 公司的电液式气门驱动系统的气门运动过程a）高压电磁阀开启，气门开启加速；b）低压单向阀开启，气门开启减速；c）高、低压电磁阀和高、低压单向阀全关闭，气门全开；d）低压电磁阀开启，气门关闭加速；e）高压单向阀开启，气门关闭减速； f）低压电磁阀再次开启，气门落座三、合理利用进气动态效三、合理利用进气动态效应应 进气门的开启和活塞的运动是一种扰动，会在进气系统产生膨胀波。这个膨胀波从进气门出发，以当地声速传播到管端。因为进气系统的管端是敞开的，膨胀波在此膨胀变成压缩波并同样以当地声速反向传回进气门。如果这个压缩波传到进气门时进气门开启着，那么由于这个压缩波引起的质点振动方向与进气气流方向一致，进气气流因此而得到增强，气缸充量系数将会提高，转矩也将增大。这种效应称为进气管动态效应。 四冲程发动机要利用好这一效应必须满足下列条件： ncLse24L进气管长度（进气管长度（m）；）；c当地声速（当地声速（ms）；）；se进气有效持续角（进气有效持续角（A）；）；n发动机转速（发动机转速（r/min）。）。 图316 进气管长度对进气波动效应的影响图317 Audi V6发动机的可变长度进气管1活门；2膜片阀 图319 长度无级可变进气系统示意图1可活动的圆筒（空气分配器）；2固定的壳体；3进气道；4侧壁（用于圆筒的支承）；5圆筒中的空气进口；6进气道中的空气进口；7密封垫（如弹簧片）；8进气门图318 可变进气管长度电子控制带来的转矩增益发动机转矩TTq / Nm 转矩进气管转矩进气管 功率进气管功率进气管第四节 汽油机稀薄燃烧技术 稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念，只要 17，且保证动力性能，就可以称为稀薄燃烧汽油机。 稀燃汽油机可分为两大类，一类是均质稀燃，另一类为分层稀燃。而分层稀燃又可分为：进气道喷射分层稀燃方式和缸内直喷分层稀燃方式。 图321不同燃烧方式的性能对比空燃比一、均质稀薄燃烧技术一、均质稀薄燃烧技术1. 火球高压缩比燃烧室火球高压缩比燃烧室 图322 火球燃烧室图323 各种发动机油耗比较2.碗形燃烧室 图324 碗形燃烧室图325 HRCC发动机与常规发动机油耗和排污的比较 实线HRCC；虚线常规二、分层燃烧技术二、分层燃烧技术（一）分层燃烧系统 为合理组织燃烧室内的混合气分布，即在火花间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气，空燃比在 1213.4 左右，而在燃烧室的大部分区域是较稀的混合气，两者之间，为了有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，这就是所谓的分层燃烧系统。 分层燃烧可分为进气道喷射的分层燃烧方式和缸内直喷分层燃烧方式 。分层燃烧方式又有轴向分层燃烧系统和横向分层燃烧系统 。 1. 进气道喷射的分层燃烧方式（1）轴向分层燃烧系统 图326 轴向分层燃烧系统 此燃烧系统利用强此燃烧系统利用强烈的进气涡流和进气过烈的进气涡流和进气过程后期进气道喷射，使程后期进气道喷射，使利于火花点火的较浓混利于火花点火的较浓混合气留在气缸上部靠近合气留在气缸上部靠近火花塞处，气缸下部为火花塞处，气缸下部为稀混合气，形成轴向分稀混合气，形成轴向分层，它可以在空燃比层，它可以在空燃比 22 下工作，燃油消耗率可下工作，燃油消耗率可比均燃降低比均燃降低 12。 （2）横向分层燃烧系统 图327 横向分层燃烧系统横向分层稀燃系统是利用滚流横向分层稀燃系统是利用滚流来实现的。在一个进气道喷射来实现的。在一个进气道喷射的汽油生成浓混合气，在滚流的汽油生成浓混合气，在滚流的引导下经过设置在气缸中央的引导下经过设置在气缸中央的火花塞，在其两侧为纯空气，的火花塞，在其两侧为纯空气，活塞顶做成有助于生成滚流的活塞顶做成有助于生成滚流的曲面。此燃烧系统经济性比常曲面。此燃烧系统经济性比常规汽油机提高规汽油机提高 68，NOx 含量（体积分数）下降含量（体积分数）下降80。 2. 缸内直喷分层燃烧方式 缸内直喷（GDI）燃烧系统可实现均质混合气燃烧、分层混合气燃烧以及均质混合气压燃燃烧（HCCI）。 缸内直喷分层混合气燃烧主要依靠由火花塞处向外扩展的由浓到稀的混合气，目前实现方法有三种，即借助于燃烧室形状的壁面引导方式，依靠气流运动的气流引导方式和依靠燃油喷雾的喷雾控制方式。前两种方式都有可能形成壁面油膜，是造成碳氢排放高的主要原因；后一种方式则与喷雾特性、喷射时刻关系密切，但控制起来比前两种要难。 GDI发动机具有以下优点： 由于稀混合气燃烧时 N2 和 O2 双原子分子增多，气体的比热容比增大，可使理论循环热效率有较大提高。 由于燃油在缸内气化吸热使压缩终点温度降低，因而爆燃可能性减小，压缩比可以提高，由此可使燃油消耗率改善 5 以上。 由于燃烧放热速率提高等，可使燃油消耗率改善 23，而怠速改善 10 以上。 由于取消了进气节流阀，泵气损失可降低 15。 中小负荷时，周边区域参与燃烧的程度较小，气体温度降低，使传热损失减小。 GDI发动机存在的主要问题： 难以在所要求的运转范围内使燃烧室内混合气实现理想的分层。分层燃烧对燃油蒸气在缸内的分布要求很高，通常喷油时刻、点火时刻、空气运动、喷雾特性和燃烧室形状配合必须控制得十分严格，否则很容易发生燃烧不稳定和失火。 喷油器内置气缸内，喷孔自洁能力差，容易结垢，影响喷雾特性和喷油量。 低负荷时 HC 排放高，高负荷时 NOx 排放高，有碳烟生成。 部分负荷时混合气稀于理论空燃比，三效催化器转化效率下降，需采用选择性催化转化 NOx 。 气缸和燃油系统磨损增加。（二）典型缸内直喷燃烧系统1. 三菱缸内直喷分层充量燃烧系统 图328 三菱公司 GDI 发动机结构图图329 三菱公司 GDI 发动机性能改善效果空燃比b）空燃比c）空载转速rmina）NOx燃料消耗量Lhbeg（kWh）转 矩变 动%2.丰田缸内直喷分层充量燃烧系统 图230 丰田D-4缸内直喷式稀燃汽油机VVT-i图331 丰田 D-4 燃烧室混合气形成a）燃气混合过程；b）缸内混合气浓度分布a）b）图332 D-4稀燃发动机控制方法转矩Nm发动机转速rmin低速低负荷时，在压缩低速低负荷时，在压缩行程后期喷油，形成明行程后期喷油，形成明显的分层燃烧，而在高显的分层燃烧，而在高速大负荷时，进气行程速大负荷时，进气行程就开始喷油，以形成完就开始喷油，以形成完全的均质化学计量比燃全的均质化学计量比燃烧。在分层燃烧与均质烧。在分层燃烧与均质化学计量比燃烧领域之化学计量比燃烧领域之间，有弱分层燃烧和均间，有弱分层燃烧和均质燃烧两个区域。质燃烧两个区域。 第五节 废气涡轮增压发动机一、废气涡轮增压发动机性能一、废气涡轮增压发动机性能1. 增压柴油机 转矩（Nm）功率（kW）Be（g/kWh）图333 增压后发动机性能的提高NA自然吸气；TC涡轮增压；TC+IC增压加中冷发动机转速（r/min）经济性： 柴油机增压后，平均指示压力 大大增加，而其平均机械损失压力 却增加不多，因此，机械效率m 提高； 由于增压适当加大了过量空气系数 a，使燃烧过程得到一定改善，其指示热效率i t往往也会有所提高； 增压机大多作泵气正功，也会使指示热效率提高； 如果增压和非增压发动机功率相同，则增压发动机可以减少排量，显然，这样使机械损失减少，燃油消耗率降低。另外，由于发动机排量减少，整台发动机体积、质量都会减少，这样降低整车油耗也有利； 发动机采用增压后，还可以在保证原有功率和一定转矩下，适当降低转速。这样，由于机械损失和磨损减少，对改善燃料经济性有利。 排气污染和噪声 ： 由于增压柴油机有较充足的过量空气系数，有害气体排放量（HC、CO）一般为非增压机的1/31/2 ； 由于增压适当加大了过量空气系数 a，使燃烧过程得到一定改善，其指示热效率i t往往也会有所提高； 如果采用增压中冷技术，可显著减少 NOx 排放 ； 由于增压后，柴油机着火延迟期缩短，压力上升率降低，可以使燃烧噪声减少 ； 由于涡轮增压器的设置，使进、排气噪声也有所减少 缺点： 主要体现在低速转矩特性和加速性下降等方面。 低速时，由于增压压力下降，转矩 TTq 的增量明显比高速时低，这就使转矩特性的低速段很不理想，影响汽车加速性能及爬坡性能。 起动时，由于未建立增压压力，而增压机的压缩比又比较低，所以起动、着火有一定困难。 此外，动态过程中，气体压力反应缓慢，增压器叶片也有较大惯性，致使各种响应都变慢，不仅进一步影响了加速及起动性能，也因过渡过程拖长而使此时的排放和经济性能变差。 2. 增压汽油机 存在的主要问题：汽油机增压后，压缩终点和温度都加大，爆燃倾向加剧，热负荷更加严重。若燃料辛烷值不提高，就必须采取降低压缩比，推迟点火等相应措施，其结果会导致热效率的下降。此外，汽油机增压同样存在低速转矩特性和加速性能下降的问题。 可采取的措施：电子可变涡轮喷嘴环截面控制、电控增压压力控制等技术的应用可以有效改善低速转矩特性和动态特性；电控燃油喷射技术，实现了定时和转矩特性（油量特性）的优化；特别是电控爆燃控制、电控废气再循环控制以及增压中冷技术 二、增压压力控制二、增压压力控制 发动机增压时要防止增压器超速及增压压力过高。涡轮增压器超速可能损坏压气机及涡轮旋转零部件，造成严重事故。增压压力过高则可能使汽油机发生爆燃；使柴油机机械负荷及热负荷过高。 控制增压压力有三种办法： 排气旁通，减少进入涡轮的排气及其能量； 部分增压空气返回到压气机入口或大气中，减少入缸的空气量； 通过电脑自动控制。 l. 排气旁通 涡轮增压发动机的离心式压气机，通常在 14 发动机额定转速以下的转速范围内，出口空气压力增加甚微。高于该转速后，压力逐步上升，如果不采用排气旁通，则压力沿着虚线上升，会超过发动机能承受的最高增压压力。因此要采取排气旁通或别的措施，使其压力控制在允许值以下。在一定具体条件下，采用大的涡轮及涡壳，也可以使压力较低，如图中虚线所示，但这是不经济的。 为了防止涡轮增压器的超速及增压压力过高，可以采用提升阀等措施来控制排气旁通的通道。 最高发动机转速的百分率（%） 图334 控制增压压力与发动机转速增压压力（bar） 用软管将压气机涡壳空腔与膜片作用器的空腔连接起来，传递压气机出口处空气压力变化信号。当发动机在正常的稳定状态下工作，增压压力不高，提升阀是关闭的。当增压压力超过某一规定值时，提升阀打开，部分排气不进入涡轮，而由旁通管直接排入大气中，因此涡轮转速不会上升，压气机出口压力也保持在限定值以下。 图335 排气旁通增压系统a）旁通阀关； b）旁通阀开a）b） 提升阀的阀杆较长而且与排气直接接触，因此壳体外部应设计散热翅片，以提高散热效果。提升阀杆的上部有中心孔通道，将从压气机出口有压力的空气引入旁通阀的壳体内，冷却阀后排出。另一方面，从阀杆与阀导向管间隙渗入的排气，也由压缩空气从排气旁通管路中压到排气管中，减轻旁通阀及膜作用器的热负荷。 图336 旁通阀及膜片作用器的冷却 在用排气背压及压气机入口处真空度联合控制时，当发动机在中等转速部分负荷工作时，排气背压通过钢管传递，作用在膜片作用器的膜片上，使旁通阀部分打开（图337b），实现控制增压压力的目的。如果发动机在中速、高速大负荷工况工作，输入涡轮的排气能量增加，使压气机转速及出口压力进一步上升，此时压气机入口处真空度增大，其影响与排气背压同时作用在膜片作用器上；使旁通阀打开（图337c），更多的排气从旁通阀排入大气中，使增压压力保持在一定范围内。 图337 排气背压及压气机入口处真空度控制的增压系统a）旁通阀关；b）旁通阀部分打开；c）旁通阀全开c）a）2. 空气旁通 将化油器的节气门通过杆件与空气直接进入气缸的旁通进气道中一阀门连接在一起。当节气门开度很小，例如小于13开度，那么旁通进气道中的阀门打开（图338a），大部分空气不经过压气机直接进入气缸中。当节气门开度大于13开度时，旁通进气道中阀门关闭，空气进入压气机，从而发动机在一定增压压力下工作（图338b）。 图338 空气旁通的增压系统a）低速轻负荷工况；b）高速重负荷工况a）b） 该系统主要由微处理机、压力传感器、转速传感器（图中表示通过分配器提供转速变化信号）及敲缸传感器组成。输入信号经过处理后，微处理器给电磁线圈发出指令，控制旁通阀开或者关。 由于采用了微处理器控制，在发生敲缸征兆时，可以自动推迟点火提前角，避免爆燃，因此采用这种控制系统的汽油机增压后，可以不降低压缩比，采用原先使用的汽油。 3. 自动控制 三、可变涡壳通道及喷嘴环流通截面的涡轮三、可变涡壳通道及喷嘴环流通截面的涡轮1. 双涡壳通道的涡轮双涡壳通道的涡轮图339 双通道涡壳增压系统a）低速轻负荷工况；b）高速重负荷工况a）b）2. 可变涡壳通道的涡轮增压系统可变涡壳通道的涡轮增压系统 a）b）图340 可变涡壳通道截面的增压系统a）低速运转闸阀关；b）高速运转闸阀开3. 可变喷嘴环流通截面的涡轮可变喷嘴环流通截面的涡轮图341 喷嘴环流通截面可变的涡轮 a）喷嘴叶片接近关闭状态；b）喷嘴叶片接近全开状态a）b）四、汽油机增压系统的常用措施四、汽油机增压系统的常用措施 电控汽油喷射系统 成功地摆脱了增压器与化油器匹配的困难，为汽油机增压技术奠定了基础。还为在汽油机增压系统中实现爆燃控制、放气控制、排放控制、增压器可变技术的应用等综合控制带来了方便。 电控爆燃控制 采用爆燃控制以后，可以在避免发生爆燃的前提下，最大限度地发挥整机潜力 增压中冷 增压空气进行中冷，对增加充量、降低热负荷、消除爆燃均十分有利。 1. 电控汽油喷射系统图343 增压汽油机的电子控制系统1空气滤清器；2空气流量计；3涡轮增压器；4放气阀；5爆燃传感器；6水温传感器；7增压压力传感器；8节流阀位置传感器；9EGR阀；10中冷器；11喷嘴；12点火线圈；13火花塞；14比例式压力控制电磁阀；15电动汽油泵；16变速器空档位；17车速传感器；18点火正时控制信号；19曲轴转角传感器2. 电控爆燃控制图346 爆燃控制过程的波形图图347 点火时刻和爆燃的关系l爆燃范围；2余量幅度；3无爆燃控制时；4有爆燃控制时； MBT最大转矩的点火提前角转速103（r/min）转矩点火时刻3. 增压中冷增压空气温度tk（）图348 tk对pk、a、燃料辛烷值的影响pk（MPa）图349 增压空气温度对发动机性能的影响Pe（kW）beg /（kWh）tk（）（）第六节 汽油机燃油喷射与点火系统电子控制一、系统发展简述一、系统发展简述 化油器 ： 1）排污严重，难于同时消除各种气体排放污染物。2）油和气的响应速度都较慢，而且彼此间还有差别，致使动态过程时各种性能恶化。3）存在化油器喉管，致使进气系统阻力加大，充量系数降低。4）由于难兼顾各缸进气和油膜分配的均匀性，以致各缸工作不均匀性较为严重。5）增加了汽油机增压的困难等 电控汽油喷射 ： 能准确控制混合气的质量，保证气缸内的燃料燃烧完全，使废气排放物和燃油消耗都能够降得下来，同时它还提高了发动机的充气效率，增加了发动机的功率和扭矩。 二、二、 复合功能的电控多点燃油喷射与复合功能的电控多点燃油喷射与点火系统点火系统电控汽油喷射系统分为单点喷射与多点喷射。 图350 汽油机单点与多点电控燃油喷射系统a）单点喷油系统示意图；b）多点喷油系统示意图l燃油入口；2空气入口；3节气门；4进气歧管；5喷油器；6发动机a）b） 多点燃油喷射与电子点火相结合，使用同一电控单元（ECU）控制，并且具有发动机和动力传动系统的管理功能，这种系统就叫复合功能的电控多点复合功能的电控多点燃油喷射与点火系统燃油喷射与点火系统。 （一）工作原理 各传感器及有关的信息都输送到图上 21 所示的电控单元 ECU 中。ECU 接受信号后，根据系统中储存的数据（软件），求出对应于该工况的点火提前角、喷油持续时间（供油脉宽）和点火闭合角等参数，再命令执行器完成上述指令而进行正常运行。而本系统的执行器，就是图351 上的电动汽油泵 2、喷油器 11、油箱通风阀 6 、怠速调整器 9 、点火线圈 16 、压力调节器 17 和废气再循环阀 18等件。 图352 Motronic特性场1点火提前角；2闭合 角 ； 3 燃 空 比（1/）；4怠速调节器开度；5废气再循环阀门位置；6加速加浓（二）控制功能1. 喷射控制 1）稳定工况供油控制 2）冷起动及起动后暖机的供油控制图353 起动时冷却水温度与喷油时间的关系水温喷油时间图354 暖车加浓系数 F 随时间的变化a时间因素占主要部分；b发动机温度因素有关的部分ts加浓系数F 3）加、减速工况的供油控制 图355 加速增量示意图增量持续时间s增量比4）怠速转速与怠速油量控制 5）大气状态及蓄电池电压的油量修正 温度修正 进气量与进气温度有关，高于 20 要减油，低于 20 则要加油。 大气压力修正 大气压力下降，空气稀薄要减油。这对高原行车有较大意义。 蓄电池电压修正 电压下降会引起喷油率下降，故要增大喷油脉宽来补偿。 2. 点火控制 点火提前角控制 点火闭合角的控制 爆燃控制 3. 其它参数的控制 油箱通风调节。 进行废气再循环控制。 其它如凸轮轴控制（配气相位）、离合器控制、灭缸控制等。 三、多点燃油喷射系统的喷射时序对性能的影响三、多点燃油喷射系统的喷射时序对性能的影响 图356 喷油定时示意图a）同时喷射方式；b)分组喷射方式；c)顺序喷射方式第七节 柴油机燃油喷射系统电子控制一、系统发展简述一、系统发展简述环境污染环境污染能源危机能源危机CO2柴油机电喷系统柴油机电喷系统直列式直列式 喷油嘴型喷油嘴型 转子式转子式 高压共轨高压共轨单体泵型单体泵型 与机械控制方式相比，柴油机电控喷射有以下优点： 电控技术能使控制更为全面和精确，比之原有的机械或机、液控制更易实现性能优化并对相互矛盾的要求进行合理的折中，这样就能使燃油消耗率和有害物的排放量大幅度下降。 由于机械或机、液控制在结构、工艺上的复杂性和局限性，很多已被证明是有效的改善性能的措施，如预喷射或多次喷射、喷油率与喷油压力的精确控制等均难以实现，采用电控后有助于满足这些控制要求。 采用电控技术后，控制对象和目标大为扩展，除常规稳态性能调控外，还可扩展到各种过渡过程的优化控制、故障自动监测与处理、操作过程自动化以及自适应控制等，最终发展成为整机的电脑管理系统，从而使整机性能与可靠性得到大幅度的提高。 图357 柴油机燃油消耗与相应的技术措施二、二、 类型与性能特点类型与性能特点 （一）位置控制式电控燃油喷射系统图358 日本电装公司ECDV1电控喷油系统1溢油控制电磁线圈；2溢油环位置传感器；3断油线圈；4供油定时控制阀；5供油提前器位置传感器；6发动机转速传感器 在电子控制系统中，在定时活塞的高、低压腔之间用了一个定时控制阀，如图359 所示。该控制阀是一个二位二通的电磁开关阀，该阀根据电控单元的指令实现开、关，从而实现喷油定时控制。定时活塞位移传感器检测定时活塞的位置，并将此位置反馈给电控单元，以实现喷油定时的闭环控制。该位移传感器也是差动变压器式位移传感器。图359 定时控制阀（二）时间控制式电控燃油喷射系统1. 时间控制式柱塞泵脉冲喷油系统 1）时间控制型电子控制分配式喷油泵图360 日本电装公司 ECDV3 系统1发动机转速传感器；2溢油控制阀；3发火定时传感器；4发动机；5喷油定时控制阀图361 油量控制原理图l泵角度脉冲发生器；2泵驱动轴；3泵角位移传感器；4电子控制器；5电磁溢流阀；6高压腔；7柱塞；8平面凸轮；9滚轮图363 喷油定时控制时的泵油角度与柱塞行程图1泵角位移传感器；2滚轮环；3提前器活塞；4泵角度脉冲发生器图365 电磁溢流阀的工作原理a）压缩喷射；b）辅助喷射；c）主溢流 2）电控单体泵 主要优点： 能承受很高的泵端压力。 由于分列泵的结构特点，泵体具有很好的刚度； 单体泵可以分别安装在距喷油器的最近处；只需很短的高压油管，因此油管的刚度很好 可以减小高压系统的有害容积； 凸轮和轴承受力较大的部件，都有一定的空间进行加强。 功率覆盖面大。 3）电控泵喷嘴 泵喷嘴就是将泵油柱塞和喷油嘴合成一体，安装在缸盖上。泵喷嘴由于无高压油管，所以可消除长的高压油管中压力波和燃油压缩的影响，高压容积大大减少，因此喷射压力可很高。它的驱动机构比较特殊，必须是顶置式凸轮驱动机构。电控泵喷嘴则像电控单体泵一样，也是采用一个两位两通的高速电磁开关阀。 图368 DDEC 电控泵喷嘴喷射系统1转速和曲轴位置传感器；2喷油定时传感器 ；3电控泵喷嘴；4控制电磁阀；5电子分配器；6加速踏板位置；7传感器图369 DDEC 系统电控泵喷嘴结构和工作原理a）结构； b）工作原理l锻造壳体；2电磁阀阀芯；3燃油通道；4衔铁；5接线柱；6电磁铁；7柱塞图370 电磁阀关闭点检测图371 电信号和喷射之间的关系2. 时间控制式共轨喷油系统 这种系统不再应用传统的柱塞脉动供油泵原理，而是先将柴油或者其它传递压力的工质，如机油，以高压（喷油压）或中压（10MPa 左右）状态蓄集在被称为共轨（ commonrail ）的容器中，然后利用电磁三通阀将共轨中的压力油引到喷油器中完成喷射任务。 l）共轨中若为与喷油压力相同的柴油，则此油直接进入喷嘴盛油槽（针阀腔）开启针阀进行喷射，这就是“高压共轨”系统。 图373 ECDU2 系统示意图1加速踏板位置传感器；2油泵压力控制阀（PCV）；3电控装置；4燃油压力传感器；5共轨管；6三通阀（TWV）；7燃油箱；8节流孔；9控制室；10液压活塞；11喷嘴；12喷油器；13高压供油泵；14发动机转速传感器；15气缸识别传感器 高压输油泵的结构如图374 所示，和传统系统的直列泵结构相似，通过凸轮和柱塞机构使燃油增加，各柱塞上方配置控制阀。凸轮有单作用型、双作用型、三作用型及四作用型等多种。图374 中所示为三作用型。采用三作用型凸轮，可使柱塞单元减少到 l3 。向共轨中供油的频率和喷油频率相同，这样可使共轨中的压力平稳。 图346 ECDU2 系统的高压输油泵结构l三次工作凸轮；2挺柱体；3柱塞弹簧；4柱塞；5柱塞套；6油泵压力控制阀（PCV）；7接头；8出油阀；9溢流阀 供油泵的基本工作原理见图375。柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀 PVC 流入柱塞腔；柱塞上行，但控制阀中尚未通电，控制阀仍处于开启状态，吸进的燃油并未升压，经控制阀又流回低压腔；满足必要的供油量定时，控制阀通电使其关闭，则回油流路被切断，柱塞腔内燃油被升压。因此，高压燃油经出油阀（单向阀）压入共轨内。控制阀关闭后的柱塞行程与供油量对应。如果使控制阀的开启时间（柱塞的预行程）改变，则供油量随之改变，从而可以控制共轨压力；凸轮越过最大升程后，则柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低。这时出油阀关闭，压油停止。控制阀处于断电状态，控制阀开启，低压燃油将被吸入柱塞腔内，既恢复到状态。 图375 高压输油泵的控制 共轨将供油泵输出的高压燃油经稳压、滤波后，分配到各个气缸的喷油器中去。在共轨上装有共轨压力传感器、液流缓冲器和高压溢流阀。液流缓冲器和高压油管相连，将高压燃油送入喷油器中。和高压溢流阀相连的油管可使燃油流回油箱。液流缓冲器也可使共轨内和高压管路内的压力波动减小，以稳定的压力将高压燃油供入喷油器。而且一旦发生流出的油量过多等情况时，为了不至于损坏发动机，液流缓冲器可将燃油通路切断，停止供油。 图376 共轨部件l封套；2高压溢流阀；3共轨压力传感器；4液流缓冲器 喷油器控制喷油量和喷油定时，通过二位二通电磁阀的开启和关闭进行控制。当二位二通阀开启时（图379a），控制腔内的高压燃油经出油节流孔流入低压腔中，控制室中的燃油压力降低，但是，喷油嘴压力腔的燃油压力仍是高压。压力室中的高压使针阀开启，向气缸内喷射燃油。当二位二通阀关闭时（图379b），共轨高压油经控制室的进油节流孔流入控制室，控制室的燃油压力升高，使针阀下降，喷油结束。 图379 二位二通高速电磁阀控制的喷油器a）二位二通高速电磁阀开启状态； b）二位二通高速电磁阀闭合状态2）若泵入共轨腔中的是中压机油，则它进入喷油器后将类似传统泵喷嘴中的凸轮，对喷油器中的活塞上方施压。此活塞再通过柱塞压缩下方的柴油，使其增为喷射的高压而通到喷油嘴中类似常规喷嘴进行喷射。此种系统另有燃油供油及回油油路。此系统又称为“液压泵喷嘴系统”。 图381 美国 Caterpillar 公司 HEUI 系统1高压机油泵；2机油油管；3高压机油共轨；4HEUI 喷油器；5燃油滤清器；6输油泵；7燃油箱；8燃油回油管；9ECU 电控模块；10RPCV 压力控制阀；11机油箱；12机油泵；13机油冷却器；14机油滤清器图 383 HEUI 响应特性图图384 HEUI 系统的预喷射结构l控制阀；2增压活塞；3活塞套；4喷油嘴；5进油孔；6精密回油孔三、以电控喷射为主的柴油机三、以电控喷射为主的柴油机电子管理中心的主要功能电子管理中心的主要功能 目标喷油量控制 目标喷油定时控制 油量及喷油定时的补偿控制 冷起动及怠速稳定性控制 过渡性能与烟度控制 喷油规律与喷油压力的控制 其它参数及性能的控制 发动机转速rmin1图385 ECDU2 电控系统油量控制特性循环喷油量 mm3图386 定时控制脉谱（MAP）图图例发动机转速rmin1提前角PA（）第八节 发动机其他节能技术一、分缸断油（闭缸技术）一、分缸断油（闭缸技术） 部分负荷时ECU通过设在燃油系统中的阀门切断右面 3 个气缸的燃油供应，只有左面 3 个气缸得到燃油供应并点火工作，一部分废气被送回进气管。进气总管中设有ECU控制的阀门，可将这两组气缸的进气歧管分隔开，所以回流废气可经进气管流入已经断油的 3 个气缸，再经过专门为这一组气缸设置的排气管排出。全负荷时，各缸一起工作。进气总管中的阀门将两组气缸的进气歧管接通，各缸都得到新鲜空气和燃油供应。 图387 分缸断油电子控制1空气；2燃油；3废气二、与变速器换档相关的发动机控制二、与变速器换档相关的发动机控制图388 变速器电子控制系统1档位选择杆；2档位开关；3程序模块开关；4加速踏板终端开关；5牵引力控制开关；6节气门开关；7发动机负载传感器；8发动机转速传感器；9变速器输出轴转速传感器；10电子控制单元；11变速器控制；12点火控制；13喷油控制；14换档阀和变矩器阀；15故障信号灯三、进气量电子控制三、进气量电子控制1. 进气量电子控制的必要性 通过节气门以外的装置调节进气量的场合 某些电子控制项目中为了改善平顺性而要求逐步改变转矩的场合 为了迅速加热三元催化器而在暖机阶段推迟点火的场合 牵引力电子控制、发动机限速控制和汽车限速控制的场合 现代汽油直接喷射发动机中 2. 进气量电子控制系统的组成 进气量电子控制俗称电子油门（EGAS），又称导线驾驶（DrivebyWire）。目前一般都采用节气门调节进气量，用节气门作为进气量电子控制的执行器，见图389。所以称之为节气门电子控制（Electronic Throttle Control，缩写成 ETC）。 图389 进气量电子控制系统1加速踏板模块；2各种传感器；3发动机 ECU；4各种执行器；5节气门装置；6监测模块 四、停车四、停车起动运行电子控制起动运行电子控制 汽车在城市行驶工况中，怠速运行时间占总运行时间的比例可高达 2030，而怠速油耗占总油耗的 5 左右。因此，如果停车时关闭发动机，取消怠速，对改善整车燃料消耗损失大有好处。 使用停车-起动电子控制时，离合器脱开、汽车停住或只是以大约 2km/h 的速度爬行时，发动机在几秒钟内就自动关闭。重新起动发动机时只要将离合器踏板踩到底，并将加速踏板踩下达其行程 13 以内就可以了。 停车起动运行虽然节省了怠速燃油，但增加了起动燃油的消耗。 五、发动机冷却风扇控制五、发动机冷却风扇控制 据实验资料，汽车在 90% 以上的运行时间仅靠迎面风就能保证正常冷却，并不需要风扇冷却。但是，传统的结构，只要发动机运转，风扇就被驱动，而驱动风扇消耗的功率与转速的三次方成正比，通常约占发动机有效功率的 510%，并且产生较大的风扇噪声。 机械式风扇离合器。图390 所示是以形状记忆合金作为温控和驱动元件的机械式自动