第十章汽车发动机新技术.

第一节汽油机的新型燃烧室第二节电控汽油喷射系统第三节电控电子点火系统第四节柴油机的电子控制第五节可变配气机构与可变进气管第六节工程应用实例一(文摘)第七节电控气体燃料喷射系统第八节工程应用实例二(文摘)第十章汽车发动机新技术稀薄燃烧及缸内直喷式汽油机稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念，只要17，就可以称为稀薄燃烧汽油机。稀燃汽油机分可为两类，一类是非直喷式稀燃汽油机，包括均质稀燃和分层稀燃式汽油机，一般只能在25的范围内工作。而另一类是缸内直喷式稀燃汽油机，可在≥25～50范围内稳定工作。稀薄燃烧汽油机有良好的排放特性和燃油经济性。图6–64不同燃烧方式的性能对比第一节汽油机的新型燃烧室1.均质稀混合气的燃烧室1)高压缩比紧凑型燃烧室(1)火球高压缩比燃烧室如图１０-１所示，燃烧室主要部分位于气缸盖凹入的排气门下方，直径很小，结构紧凑，有一定的挤气面，可形成较强的挤气紊流。(2)碗形燃烧室(ＨＲＣＣ)如图１０-２所示，采用很紧凑的活塞顶凹坑，火焰传播距离短，挤气面积大，紊流强，火花塞位于凹坑内。图１０-１火球燃烧室布置图１０-２碗形燃烧室简图2)TGP燃烧室燃烧室中设有一个预燃室，火花塞位于通道中。在压缩过程中，新鲜混合气进入预燃室，产生适当的涡流，并对火花塞间隙进行扫气，促进着火。火焰核心进入预燃室，引起迅速燃烧，结果形成火焰束喷入主燃烧室，使主燃烧室气体产生强烈紊流，促进了主燃烧室燃烧。图１０-３ＴＧＰ燃烧室1—进气口2—火花塞3—4—孔道5—主燃烧室()图１０-４放热率比较(ｎ＝２０００ｒ／ｍｉｎ，Ａ／Ｆ＝１５，排量：４缸２０００ｍＬ)图１０-５(ｎ＝２４００ｒ／ｍｉｎ，排量：4缸１６００ｍＬ)3)双火花塞燃烧室离半球形燃烧室中心两边等距离处各布置一个火花塞，因而火焰传播距离仅为缸径的一半，点火提前角可减小，提高了点火时混合气的压力和温度，使着火性能得到改善，燃烧持续时间缩短，提高了发动机的性能。图10-6双火花塞燃烧室2.分层给气燃烧室分层充气燃烧，即在火花塞附近形成具有良好着火条件的较浓的可燃混合气，而在周边区域是较稀混合气或空气。如图6–64所示，分层燃烧的汽油机可稳定工作在=20～25范围内。分层往往是通过不同的气流运动和供油方法实现。1)美国德士古分层燃烧系统(TCCS)此系统吸入气缸的是空气，由螺旋进气道或导气屏组织强进气涡流。在压缩上止点前30°左右，喷油嘴顺气流方向将汽油喷人气缸，燃油随气流流动，火花塞位于喷嘴下方边缘，此处混合气浓，容易着火。着火后，火焰、燃气随气流扩展，被气流带离火花塞、喷油嘴，新鲜空气又被涡流带到燃油喷射区。图10-7德士古TCCS燃烧室2)CVCC燃烧系统CVCC燃烧系统是一种分区燃烧方式，有主、副两个燃烧室和两个化油器。工作时，向主燃烧室供给较稀混合气，而向副燃烧室供给少量浓混合气，在压缩过程中，副燃烧室内形成的易于着火的混合气。火花塞首先点燃副燃烧室中的混合气，由副燃烧室喷出的火焰点燃主室的稀混合气。图10-8CVCC燃烧系统3)轴向分层燃烧系统进气过程早期只有空气进入气缸，进气组织较强的涡流；当进气门开启接近最大升程时，通过安装在进气道上的喷油器将燃料对准进气阀喷入缸内；燃料在涡流的作用下，沿气缸轴向发生上浓下稀分层。压缩过程维持这种轴向分层，在火花塞附近存在较浓的混合气，而其余部分混合气较稀。图10-9轴向分层工作原理4)滚流(纵涡)分层稀燃系统滚流(纵涡)分层稀燃烧系统在进气道中设置两块薄的垂直隔板，使进气在气缸内形成三股独立的滚流，外层的两股涡流仅由空气组成，中间的一股是浓de的混合气，这样强的空气和燃料线型气流，大大抑制了水平涡流的形成，同时防止它们彼此混合，使燃料和空气在压缩过程维持分层，保证火花塞附近形成浓混合气，向缸壁逐渐稀化。图10-10三菱纵涡流旋转系统5)四气门分层稀燃系统四气门高压缩快速燃烧中有一个切向进气道l和一个中性进气道2分别独立地通往各自的进气门。切向进气道产生绕气缸中心线旋转的进气涡流；同时，中性进气道末端与气缸中心线的夹角较小，产生向下的气流，该气流与活塞运动相配合，产生一种其旋转轴线平行于曲轴中心线的滚流。安置在中性进气道中的涡流控制阀3控制着两个进气道中的流量比，进而决定缸内充量运动的涡流比。涡流控制阀下游的进气道上开有一个“窗口”，双束喷油器4通过这个“窗口”将两支油束分别喷人两个进气道。两支油束的燃油流量相等、持续时间相同。当涡流控制阀3不是完全开启时，中性进气道的混合气较浓，切向进气道的混合气较稀，造成分层充气。AVL四气门高压缩快速燃烧系统3.缸内直喷式稀薄燃烧方式（均质稀混合气的燃烧室）1)福特缸内直喷燃烧系统(PROCO)福特缸内直喷燃烧系统如图6–74所示，喷油器直接把汽油喷入燃烧室，利用涡流和滚流进行燃油一空气的混合。图10-11福特缸内直喷燃烧系统优点：充量系数提高；压缩比较大，发动机压缩比达11.5；可大幅度降低冷起动时的HC排放,稳定工作的最大空燃比可达25。2)4G系列缸内直喷式稀薄燃烧燃烧系统主要工作特点是利用立式进气道在气缸中产生逆向翻滚气流；利用一个高压(喷射压力5MPa)的旋流式电磁喷油器，使得喷出的燃油有好的贯穿度和合适的雾化；可实现小负荷时分层燃烧；可以实现两段燃烧(二段燃烧法是指在怠速运转时，不仅在压缩行程后期喷油，还在膨胀行程的后期补充喷油的燃烧技术)；在全工况范围内，可以实现均质、分层、二段混合燃烧等。图10-12三菱GDI燃烧系统3)丰田D-4缸内直喷稀燃发动机D-4缸内直喷式稀燃系统通过安装在进气道上的电子涡流控制阀，形成不同斜向角度的进气涡流。燃烧室为半球屋顶形，活塞顶部设有唇型深皿凹坑，与进气涡流旋向以及高精度的喷油时间和喷油方向控制相配合，在火花塞周围形成较浓的易点燃混合气区域。图１０-１４丰田D—4燃烧室混合气形成ａ)燃烧混合过程ｂ)缸内混合气浓度分布(A/F)图１０-１３丰田D—4缸内直喷式稀燃汽油机一、汽油喷射供给系统的优点1)可以对混合气空燃比进行精确控制，使发动机在任何工况下都处于最佳工作状态，特别是对过渡工况的动态控制，更是传统化油器式发动机所无法做到的。2)由于进气系统不需要喉管，减少了进气阻力，加上不需要对进气管加热来促进燃油的蒸发，所以充气效率高。3)由于进气温度低，使得爆燃得到了有效控制，从而有可能采取较高的压缩比，这对发动机热效率的改善是显著的。4)保证各缸混合比的均匀性问题比较容易解决，并且发动机可以使用辛烷值低的燃料。5)发动机冷起动性能和加速性能良好，过渡圆滑。第二节电控汽油喷射系统1.D型电控汽油喷射系统原理：以进气管压力和发动机转速控制喷油量，速度密度方式。二、电控汽油喷射供给系统的主要型式图１０-１５D型EFI1—电磁喷油器2—冷起动阀3—燃油压力调节器4—电控单元(ECU)5—节气门位置传感器6—怠速空气调整器7—歧管压力传感器8—燃油泵9—燃油滤清器10—水温传感器11—热限时开关2.L型电控汽油喷射系统原理：以吸入的空气量作为控制喷油量的主要因素。L型测量准确程度高于D型图１０-１６L型EFI3.Mono系统低压中央喷射系统，即单点喷射系统，在原来化油器的基础上仅用一只电磁喷油器进行集中喷射。图１０-１７Ｍｏｎｏ系统1—中央喷射组件2—起动电动机3—点火装置4—电子控制器5—温度传感器6—转速／触发7—燃油滤清器8—电动燃油泵9—氧传感器•一)、空气流量计•空气流量计用于L型EFI系统。根据测量原理不同，空气流量计有热线式、热膜式、卡门涡旋式、翼片式等几种类型。•热线式空气流量计有两种形式：•主流测量式和旁通测量式。三、电控汽油喷射系统的组成(一)进气系统•热线式空气流量计工作原理是由4个热敏电阻组成了一个电桥，其中的热线和冷线在取样管中，取样管在进气管的中央或一侧。发动机运转，空气流过时，带走热量，热线的电阻值变小(PTC)，冷线电阻值变大(NTC)，电桥失去平衡。测量两端的电压降，即可得知流过空气量的多少，ECU就能确定所需空燃比的喷油量。图6–23热线式空气流量计图6–24热线式空气流量计工作原理如图二)、进气管压力传感器半导体压敏电阻式进气压力传感器:在单晶半导体上，通过扩散的方法加入一些不纯物质，就会形成了一定的电阻值。在此电阻值的基础上，施加一定的应力应变，其阻值会发生变化，这种现象就称为半导体的压电效应，半导体压力传感器就是应用了这个原理。观看动画图6–25半导体的压电电阻效应图6–26压敏电阻式进气压力传感器三)、节流阀体节流阀由油门踏板控制，以便控制发动机的进气量。怠速通道：节流阀体上，当怠速时可提供少量的空气。通过流量板转角的变化来计量吸入的空气量，并将转角的变化转变为电压信号输送到电脑。图6–27怠速时空气流量•作用：供给发动机燃烧过程所需的燃油。•组成：燃油泵、燃油滤清器、油压调节器、喷油器、燃油脉动衰减器、油箱、油管等。图6–28燃油供给系统1-燃油箱2—燃油泵3—燃油滤清器4—回油管5—燃油压力调节器6—输油管7—冷启动喷油器8—稳压箱9—喷油器10—各缸进气歧管(二)燃料供给系统燃油管油箱汽油滤清器汽油泵空气滤清器化油器桑塔纳轿车汽油供给系示意图输油管冷起动喷油器油压调节器喷油器油压脉动衰减器燃油滤清器油箱供油装置燃油泵1.燃油泵•作用：把燃油从油箱吸出并通过喷油器供给发动机各气缸。电动燃油泵装在油箱内，涡轮泵由电机驱动。当泵内油压超过一定值时，燃油顶开单向阀向油路供油。当油路堵塞时，卸压阀开启，泄出的燃油返回油箱。2、油压调节器•作用：使油压保持在某一规定值不变，确保喷油压力恒定。•工作原理：当发动机工作时，若进气歧管负压增加，可使作用在调节器膜片弹簧室侧的压力减小，在系统油压作用下，膜片上移，打开阀门，使多余部分的燃油从回油管流回油箱，系统油压随之相应减小，从而使得喷油器的喷油绝对压力不随进气歧管真空度的变化而发生变化，即保持恒定。图6–30燃油压力调节器3、燃油压力脉动阻尼器•作用：减小燃油压力脉动。•工作原理：燃油压力脉动阻尼器的弹簧室密封，等于是一个空气弹簧。全部输油量通过阻尼器流向燃油总管。当燃油压力升高时，弹簧室容积变小而燃油容积扩大，使油压升高峰值减小。反之，油压降低时弹簧室容积变大而燃油容积减小，又使油压降幅减小。图6–30燃油压力脉动阻尼器4、喷油器•功用：喷油。•工作原理：当ECU发出命令使电磁线圈通电后，在电磁线圈磁场的作用下，衔铁和针阀被吸起，汽油从喷孔喷出。当电源切断后，针阀在回位弹簧作用下关闭喷孔。图6–32球阀式电磁喷油器5、冷起动喷油器•功用：冷起动时，额外加大喷油量，使混合气瞬时加浓，便于着火起动。•工作原理：当冷车起动时，电磁线圈通电，产生磁力，将衔铁吸起，汽油通过旋流式喷嘴喷出。图6–33冷起动喷油器图6–34燃油滤清器6、燃油滤清器功用：清除汽油中的杂质，防止堵塞喷油器等部件，减少运动部件的磨损。工作原理：燃油滤清器与普通的滤清器一样，采用过滤形式，壳体内有一个纸滤芯，滤芯的微孔平均直径为10μm，并串接一个棉纤维制成的过滤筛。滤芯的形式通常有两种，即菊花形和涡卷形。一)、传感器1温度传感器进气温度传感器和冷却水温度传感器都采用热敏电阻式温度传感器。热敏电阻式温度传感器:把传感器与一个精密电阻串联接到一个稳定的电源上，就能够用串联电阻的分压输出放映温度的变化。图6–36水温度传感器(三)电子控制系统2曲轴位置传感器1）磁脉冲式曲轴位置传感器2）霍尔传感器图6–37磁脉冲式曲轴位置传感器图6–38霍尔传感器3节气门位置传感器可动触点可沿导向凸轮沟槽移动，导向凸轮由固定在节气门轴上的控制杆驱动。当发动机怠速工作时，传感器可动触点与怠速触点接触，怠速工况信号线输出为高电平；当发动机节气门开度大于50％时，另一对功率触点闭合，功率信号线输出为高电平；当发动机节气门开度在怠速和50％之间时，活动触点处于两个触点间，传感器输出线均为低电平。图6–39简单开关式节气门位置传感器4车速传感器1）舌簧开关式2）光电耦合式图6–41舌簧开关型车速转速传感器图6–42光电耦合型