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第2章发动机节能原理与技术2.1发动机的工作性能及评价指标2.1.1发动机的工作性能动力性经济性运转性能可靠性2.1.2发动机的性能指标发动机的动力性和经济型指标又分为有效性能指标和指示性能指标指示性指标：以工质在气缸内对活塞所作之功为计算基准的指标，不受动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等因素影响。有效性能指标：以发动机曲轴输出功为计算基准的指标，可以直接作为评判发动机优劣的指标。有效功率、有效转矩、燃油消耗率有效功率指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的功率，通常用Pe表示，单位为kW。有效功率同样是曲轴对外输出的净功率。它等于有效扭矩和曲轴转速的乘积。发动机的有效功率可以在专用的试验台上用测功器测定，测出有效扭矩和曲轴转速，然后用下面公式计算出有效功率。式中：Te－有效扭矩，单位为N·m；n－曲轴转速，单位为r/min。3210kw609550eeeTnnPT转速指发动机曲轴每分钟的转数，单位为r/min。发动机产品铭牌上标明的功率及相应转速称为额定功率和额定转速。按照汽车发动机可靠性试验方法的规定汽车发动机应能在额定工况下连续运行300～1000小时。燃油消耗率是指单位有效功的燃油消耗量，也就是发动机每发出1kW有效功率在1小时内所消耗的燃油质量(以g为单位)，燃油消耗率通常用ge表示，其单位为g/kW·h，计算公式如下式中：Qt－每小时的燃油消耗量，kg/h；Pe－有效功率，kW。很明显，有效燃油消耗率越小,其经济性越好。通常发动机铭牌上给出的有效燃油消耗率ge是最小值。310teeQgP发动机的运转性能指标主要指排放性能包括排放烟度、有害气体(CO，HC，NOx)排放量、噪声等。如果把汽油发动机CO排放量当作1的话，则液化气发动机的CO排放量为1/2，而柴油发动机的CO排放量为1/100。可以看出，柴油发动机与其它发动机相比，其CO排出量要小得多。而且，柴油发动机的HC排出量也较少，但NOx排出量则和汽油机差不多，且会排出令人讨厌的黑烟。运转性能指标2.2发动机的节能原理与途径2.2.1提高充气效率充气效率=实际进入气缸内气体/理论充满气缸的气体量0100%vmm提高充气效率的结果？V一定、燃料供给量一定考虑提高充气效率的途径（结构上包括进、排气过程）一.减少进气系统的流动损失1.减少进气门座处的流动损失（1）增大进气门直径；（2）增加节气门的数目；（3）改善进气门处流体动力性能，减少气门出流动损失；（4）采取较小的S/D2.减小整个进气管道的阻力二.减少对新鲜充气量的加热三.减少排气系统的阻力四.合理地选择配气相位VVT（可变气门正时）技术可变气门升程技术：气门开启大小（气门升程）也可以时间可变调节的话，那么就可以针对不同的转速使用合适的气门升程，从而提升发动机在各个转速内的动力性能.2.2.2提高发动机的机械效率途径：降低机械损失，总摩擦减少17%~21%时，经济性提高3%~7%一.机械损失的组成机械损失：机械摩擦损失附件消耗损失泵气损失1.机械摩擦损失：活塞组件的摩擦;轴承摩擦;配气机构摩擦;其他损失。2.附件消耗损失：为维持发动机运作时所必须的辅助机构损失3.泵气损失：进排气过程中工质流动时节流和摩擦等造成的能量损失。二.影响机械效率的主要因素1.转速（活塞平均速度）的影响2.负荷的影响3.润滑条件的影响三.减小机械摩擦损失的途径1.降低活塞、活塞环、连杆等往复运动机件的摩擦和质量；2.降低滑动部件的滑动速度及高压面比；3.减少润滑油的搅拌阻力；4.润滑油的改良——低粘度化；5.合理选择摩擦零件的材料，提高摩擦表面的加工精度。2.2.3可燃混合气含量与发动机工况的合理匹配发动机的经济型主要取决于它的燃烧过程发动机对燃烧的要求：迅速、及时、完全一.可燃混合气的成分及对发动机性能的影响空燃比：质量可燃混合气中所含燃料质量可燃混合气中所含空气A欧美、日本使用理论上1kg汽油完全燃烧需要空气14.8kg，所以：空燃比A=14.8时的混合气为理论混合气空燃比A14.8时的混合气为浓混合气空燃比A14.8时的混合气为稀混合气过量空气系数=1，理论混合气过量空气系数1，浓混合气过量空气系数1，稀混合气量燃料所需的理论空气质完全燃烧质量燃料所实际供给的空气燃烧kg1kg1我国及俄罗斯等国家，可燃混合气的成分通常用过量空气系数而不同成分的混合气，对发动机的动力性和经济性的影响，是通过试验获知的，右图所示过量空气系数=0.88（空燃比为13.2）此时，混合气中汽油含量多，易于同空气中氧原子结合，燃烧迅速，释放热量大，功率最大，但经济性差。过量空气系数=1（空燃比为14.7）此时，混合气中汽油含量减少，与空气中氧原子结合变慢，燃烧速度降低，功率有所下降，但燃料利用好转，经济性好转。过量空气系数=1.1（空燃比为16.6）此时，混合气中汽油成分更少，氧分子较多，燃烧速度变慢，释放热量少而损失多，功率变小，但燃料能充分利用，经济性最好。过量空气系数0.88（空燃比小于13.2）此时，混合气中的空气量相对不足，燃烧不完全，发动机功率大为降低，经济性很差。同时，由于燃烧不完全，析出许多炭质，沉附在各零件上，是排气管冒黑烟。严重时产生“放炮”现象。过量空气系数0.4（空燃比小于6）此时，发动机可能着火，但火焰无法传播，很快熄火，（值为燃烧上限）过量空气系数1.1（空燃比大于16.6）此时，混合气中汽油分子过少，燃烧速度缓慢，释放热量更少，功率大为降低，经济性差。“回火”—燃烧缓慢，容易引起发动机过热，燃烧延续到下一个工作循环进气开始，进气门打开时，火焰传入进气歧管。过量空气系数1.4（空燃比大于21）此时，发动机虽然着火，但火焰无法传播，燃烧下限。为兼顾动力性和经济性，在节气门全开的情况下，0.8过量空气系数1.1二.发动机各种工况对可燃混合气含量的要求1.发动机工作过程：冷启动—暖机—怠速和小负荷—中等负荷—大负荷和全负荷以及加速工况（1）冷启动工况：转速极低—节气门开度小—喷入燃油不易企划—可燃混合气过稀解决办法：喷油量由微电脑根据发动机水温、进气温度和启动转速来确定。如果启动发动机时环境温度很低，属于冷启动，微电脑会按冷启动工况进行控制，由延长冷启动喷油器喷油时间或各缸喷油器额外喷入一部分燃油。（2）暖机工况：发动机气缸运转—温度上升（直到正常值）；此时发动机稳定的进行怠速工作解决办法：混合气过量空气系数随温度逐渐加大到正常值。（3）怠速和小负荷工况：发动机保持最低转速稳定运行-进入气缸的可燃混合气少、雾化不良（进气管真空度高）-当进气门开启（废弃膨胀进入进气管稀释可燃混合气）解决办法：提供较浓混合气（过量空气系数0.6~0.8）设置怠速油孔（提供额外浓混合燃气）进入小负荷工况：节气门少量打开进入小负荷工况（可燃气混合度改善）—过量空气系数减少=0.7~0.9（4）中等负荷工况：发动机大部分工作时间，此时燃油经济性为首要目标—过量空气系数=0.9~1.1（燃料消耗量最少），其中主要是供给过量空气系数1的混合气设置装置为渗入空气矫正系统（改变主供油系统的供油）（5）大负荷和全负荷工况：供油使得节气门全开—化油器供给汽车最大功率的混合气（过量空气系数=0.85~0.95）采用满负荷加浓装置（又称省油器）。（6）加速工况：节气门突然加大—空气流量突然增加，但此时燃油进入喉管后的速度落后于来不及加热的冷空气—燃料蒸发量减少不能满足突然加大功率的目的。解决办法：额外添加供油量—使得混合气浓度加大利用加速泵额外供给一部分汽油三.燃油供给装置对混合气含量的校正用来校正不同工况下所喷入的燃油量（汽油机）当发动机处于进气行程时，气缸内产生真空，新鲜空气被吸入发动机气缸内。汽油机通过发动机控制单元控制喷油器，将一定压力、一定量的燃油以雾状喷入靠近气门的进气歧管内或直接喷射到气缸内与空气混合形成可燃气体。对汽油机喷油时间的修正分两大类：发动机启动后运行控制发动机启动时控制启动时（1）ECU直接控制喷油器，延长喷油器喷油时间控制；（2）通过冷起动喷油器对气缸喷入附加燃油来实现。启动后的控制：（1）以发动机温度为参数修正；（2）加减速时的修正；（3）理论空燃比的反馈修正；（4）空燃比的学习控制修正；（5）大负荷、高转速时燃油增量修正；（6）无效喷射时间修正。柴油机对可燃混合气含量的校正发动机在进气行程时，新鲜空气被吸入气缸，在压缩行程接近终了时，由喷油泵将高压柴油喷射到燃烧室中，喷入的柴油迅速雾化、蒸发，与空气混合形成可燃混合气。柴油机喷油调节时依靠调速器完成的，根据负荷的变化自动调节供油量，以调节可燃混合气的含量，达到稳定怠速、限制超速，或保证发动机在工作转速范围内的任一选定的转速下稳定工作的目的。机械离心式调速器2.2.4提高循环热效率燃料化学能——输出功的能量转换燃烧效率、循环热效率、机械效率组成由理想热循环到真实循环引起热效率的损失：1.工质向外传热的损失：活塞顶面、气缸底面和缸套壁面2.早燃损失及后燃损失：汽油机通过调整点火提前角；柴油机通过调整供油提前角ctm3.换气损失：排气门开启时自由排气损失；进排气过程中泵气损失4.不完全燃烧损失：燃料、空气混合不良，燃烧组织不完善引起的燃料能量不能完全释放5.缸内流动损失：压缩、燃烧、膨胀过程中，缸内气流所形成的损失6.工质泄露损失：工作过程中活塞环向外泄露以上为真实循环与理论循环的六个差距通过学者研究围绕以上各方面改善动力、经济性的方法如下：（1）提高压缩比来提高内燃机热效率（2）当燃料在上止点燃烧时，其热工转换负荷高（3）稀混合气的采用有利于提高热效率2.2.5提高发动机的压缩比压缩比：活塞在下止点时活塞上部的容积与活塞在上止点时活塞上部的容积之比定容加热循环热效率与压缩比的关系:111kt——发动机压缩比——等熵指数k提高压缩比：1.气缸内混合气压缩终了时温度、压力随之升高，改善燃烧条件减少不完全燃烧和传热顺时。2.被燃烧气体膨胀充分，燃烧完全3.有利于燃烧稀混合气体。因此，同升量的发动机，选择较大的压缩比，不但可以获得较大的热效率，同时可以使用燃料更加经济。但在实际工况中不能随意增加压缩比汽油机：汽油一定辛烷值下，提高压缩比容易导致爆燃。（压缩比选择以不发生爆燃为前提）柴油机：压缩比过大使得零件负荷过大，加速零件磨损并降低机械效率，同时燃油消耗率也会提高。（压缩比选择以保证柴油机冷启动和最大负荷以及气体的污染排放有关）爆燃一般是发生在大负荷或则全负荷运转时，为了满足全负荷的要求，则需要汽车降低自身压缩比，是否可以根据不同工况选择不同的压缩比？采用可变压缩比的方法：改变活塞行程；改变燃烧室容积根据工况不同选择双燃料供给系统：在部分负荷时，供给不含铅的低辛烷值汽油，减少燃料费用和排放污染；全负荷时供给高辛烷汽油2.3发动机节能技术2.3.1发动机稀燃技术稀燃：稀薄燃烧的简称，指发动机在实际空燃比大于理论空燃比的情况下的燃烧，空燃比可达25：1，甚至更高。稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念，只要空燃比＞17，且保证动力性能，就可以称为稀薄燃烧汽油机。稀燃技术在理论上可以节能，但在实际工作过程中却存在问题…A.混合气过稀燃烧速度过慢—燃烧速度下降—补燃增加，热工转换的效率下降—热效率低B.燃烧速度降低—混合气发热量渐小—指示功渐小，机械效率下降C.混合气过稀—发动机对混合气的分配及混合气成分的均匀性更加敏感—循环变动率增加，缸失火率增加。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。一.燃用稀混合气的技术途经（1）使汽油充分雾化并保证混合气混合均匀及各缸混合气分配均匀。解决途经：在预热；增加进气流速度、扰动；增加汽油乳化度；汽油分子磁化等方面。（2）采用结构紧凑的燃烧室。（3）加快燃烧速度解决途径：组织缸内的气体运动；提高压缩比第三气门喷射系统（4）提高点火能量，延长点火持续时间解决途径：高能点火；宽间隙火花塞；双火花塞；多火花塞（5）采用分层燃烧技术二.分层燃烧（充气）技术分层燃烧：火花塞附近局部区域内，供给适宜点火