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1、汽车发动机节能技术课程教案教学目的和要求：理解发动机方面节能的技术现状及发展趋势，能分析影响汽车发动机节能的因素，掌握汽车发动机提高充量系数、稀薄燃烧、废气涡轮增压、燃油喷射与电子控制系统等节能新技术的基本结构，并能运用所学知识分析其节能的基本原理。本章重点：影响汽车发动机节能的因素；发动机提高充量系数的主要措施、结构及其节能原理；汽油机稀薄燃烧技术的主要实现形式及其对节能的影响；废气涡轮增压节能的原理，增压的实现方式，压力控制方法。本章难点：气门升程可变的实现机理；实现汽油机分层燃烧的主要燃烧方式；稀薄燃烧的控制策略；增压发动机增压压力的控制。教学时数：14学时教学内容要点：第一节概述1、能
2、源压力根据世界石化巨头BP集团在2004BP世界能源统计年鉴中提供的数字表明，世界目前探明的石油总储量为L15万亿桶，以目前的开采速度计算，可供全球石油生产41年。2、环保压力据研究，目前大气中21.7%的HC38.5%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，这一比例更高，大概87%的HC、61%的CO和55%的NO,来自于汽车。3、发动机节能技术发展在汽油机方面主要应用电子控制燃油喷射系统（EFI）；为了提高发动机充气效率，增加气门数量，并应用可变配气相位装置，VVT-i发动机、同时采用涡轮增压系统、进气谐波增压系统；稀薄混合气
3、燃烧，缸内直喷;灵活燃料发动机等。此外还有发动机柴油机化。第二节影响汽车发动机节能的因素一、影响汽车发动机热效率的因素汽油机定容加热循环的热效率：；低速柴油机定压加热循环的热效率：；高速柴油机混合加热循环的热效率：;式中：压缩比；k-绝热指数；4压力升高比；P预胀比。要提高发动机的热效率，应尽量提高压缩比E和绝热指数4；在混合加热循环中，当加热量和压缩比不变时，应尽量提高压力升高比A（此时预胀比P下降）。为了提高发动机的热效率，主要措施有：提高压缩比，稀燃技术，直喷技术，增压、中冷技术，可变进气技术，改善进排气过程，改善混合气在气缸中的流动方式，改进点火配置提高点火能量，优化燃烧过程,电控喷射
4、技术，高压共轨技术，绝热发动机技术等。二、影响发动机轻量化的因素影响发动机产品制造过程中材料消耗多少的指标是比质量We（发动机质量功率比），而影响比质量大小的主要因素又是升功率Pl。PL越高，表面发动机工作容积利用率越高；发出一定数量的有效功率的发动机尺寸就越小。升功率PL的表达式为:式中：HJ燃料低热值；Zo一化学计量空燃比，即燃烧Ikg燃料所需的理论空气质量；rlit指水热效率；机械效率；a一-过量空气系数；T-行程数；C充量系数；n发动机转数；Ps一一发动机进气管的空气密度。改善升功率PL的主要的措施有：通过合理组织燃烧过程，以降低过量空气系数Oa；改善发动机换气过程，提高充量系数Oc；
5、提高转速，以增加发动机单位时间内发动机每个气缸作功的次数；采用增压技术，以增加进气密度Pso第三节提高充气效率充气效率的含义：充气效率是指在发动机进气行程进，实际进入气缸内的新鲜气体(空气或可燃混合气)的质量m与在进气行程进口状态下充满气缸工作容积的气体质量mo的比值，用来表示。提高充气效率的措施主要包括：1、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，选择合适的排气门直径2) 增加节气门的数目3) 改善进气门处流体动力性能，减少气门处流动损失。4) 采用较小的S/D值(2) 减小整个进气管道的流动阻力1) 进气道2) 进气管3) 空气滤清器4) 化油器2、减小
6、对新鲜充气量的加热3、减小排气系统的阻力4、合理地选择配气相位(1) 进气门迟关角(2) 进排气门重叠角的影响(3) 排气提前角(4) 配气相位的选择一、采用多气门机构优点：增加进排气门流通面积，从而减小了进排气阻力,提高了充气效率；可以使火花塞中央布置，以缩短火焰传播距离，提高发动机的抗爆性，因而可以采用更高的压缩比，提高汽油机的燃油经济性。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。可变配气系统的效果：A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%。A降低排放。L可变气门正时实现过程：
7、凸轮轴的相位借助一个螺旋花键套1的移动来改变。花键套内孔的直齿花键与凸轮轴3端头的花键啮合，它的外螺旋花键与驱动链轮4的螺旋花键孔啮合。当花键套1在油压作用下克服回位弹簧2的弹力轴向移动时，3与4相对角位移C=I(T20。油压用电磁阀控制，机油通过中空的凸轮轴供给。2 .气门升程可变实现过程：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3-9a),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，于是左端低速摇臂杆并未起作用。发动机低速工况，液压油则进入摇臂
8、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。此时右端高速摇臂杆中小活塞并无液压油将其压上去，因此不工作（图3-9b）。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3-9c）o3 .电磁气门机构实现过程：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3-12）。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
9、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。特点：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电液气门驱动实现过程：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，也可以与低压油源相连，活
10、塞下腔始终与高压油源相通。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。三、合理利用进气动态效应实现过程：该系统为每一个气缸的进气歧管装了一个活Hlo活门开启时，空气通过活门以较短的路径进入气缸，如黑色箭头所示；活门关闭时，空气不得不绕道以较长的路径进入气缸，如白色箭头所示。活门只有全开和全闭两个位置，由膜片阀2控制。膜片将膜片阀分成两个空腔，靠近活门的空腔通大气；另一个空腔内装有弹簧顶着膜片，并通过一个电磁阀与真空泵相连（图3-17中未示出）。膜片通过拉杆
11、与活门相连。发动机转速超过设定的门槛值时，ECU发信号给电磁阀，将真空泵与膜片阀的一个空腔连通，该空腔内的弹簧不抵另一个空腔内大气压力的作用，在大气压力作用下膜片得以通过拉杆开启活门，使进气管长度缩短。发动机转速低于这个门槛值时，电磁阀切断从真空泵到膜片阀的通路，膜片分隔开的两个空腔内都是大气压力，膜片在弹簧压力作用下通过拉杆关闭活门，使进气管长度加长。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。一、均质
12、稀薄燃烧技术对于常规进气道喷射：为了防爆燃，需采用较低压缩比、导致热效率低；比热容比低、泵气损失大、Nc）X排放较高等缺点。使用稀燃，可以：提高压缩比、增大绝热指数、保证完全燃烧。1、火球高压缩比燃烧室2、碗开燃烧室二、分层燃烧技术（一）分层燃烧系统主要是在火花塞周围形成可燃混合气，其余地方为稀薄空气或者纯空气。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） 轴向分层燃烧系统利用进气涡流和后期进气道喷射，使小汽缸上部为较浓混合气，下部为较稀混合气。（2） 横向分层燃烧系统两个进气道供气，一个为
13、纯空气，另一个为混合气，利用滚流，把混合气导向火花塞。2、缸内直喷分层燃烧方式。主要有三种方式：壁面引导方式、气流引导方式、喷束引导方式GDl优点：1）经济性好2）瞬态响应好3）起动时间短4）冷起动HC排放改善（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2、丰田缸内直喷分层充量燃烧系统第五节废气涡轮增压发动机一、概述增压后进入气缸的新鲜空气量增多，故可以燃烧更多的燃料，提高发动机功率。提高平均有效压力是提高功率的主要因素而提高进气密度：一是提高进气压力，二是降低进气温度采用增压技术：一可以提高功率，二可以减少单位功率质量，三是降低油耗。二、废气涡轮增压发动机性能1、增压柴油机节能
14、原理：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。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
15、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三、增压压力控制1、排气旁通，减少进入涡轮的排气及其能量工作原理：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3-37b）,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3-37c）,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。2、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。工作原理：将化油器
