汽車發(fā)動機新技術淺析

摘要在當今汽車行業(yè)的不斷發(fā)展和汽車數(shù)量的不斷增加，在節(jié)能減排的國家大環(huán)境下，高效、節(jié)能、環(huán)保已成為現(xiàn)在汽車主要的發(fā)展方向。機動車在運行時氧氣不足會存在燃料燃燒不完全的問題，排放物中存在大量的顆粒物、CO、HC等一系列的有害物質(zhì)。汽車最重要的組成部分是發(fā)動機，發(fā)動機是汽車的動力源泉，世界各個大汽車企業(yè)及研討專門機構也投入了大量的經(jīng)費來研討發(fā)動機技術設備，給出了許多新的思緒及辦法，從不同的視角來解決整車的汽油經(jīng)濟性及有害氣體的排放難題，而且也獲得了一定的成效，對于汽車制造企業(yè)來說，把握汽車發(fā)動機最新技術設備是至關重要的，不但可以加強其商品的科技含量，并且可以提升其商品的消費市場競爭力，隨著汽車發(fā)動機技術的快速發(fā)展，發(fā)動機的電子控制、多氣門、可變氣門正時、可變氣門升程、雙渦輪增壓、高壓共軌等先進的發(fā)動機技術也都廣為人知，另外，為了適應汽車的多種情況運行，還有一類發(fā)動機的新技術——缸內(nèi)直噴、可變配比正時、稀燃發(fā)動機等應時而生。關鍵詞：發(fā)動機；分析技術；發(fā)展目錄TOC\o"1-3"\h\u270251前言 前言在當今汽車行業(yè)的不斷發(fā)展和汽車數(shù)量的不斷增加，在節(jié)能減排的國家大環(huán)境下，高效、節(jié)能、環(huán)保已成為現(xiàn)在汽車主要的發(fā)展方向。汽車最重要的組成部分是發(fā)動機，發(fā)動機是汽車的動力源泉。發(fā)動機的新技術水平代表著當今汽車行業(yè)的發(fā)展水平。汽車電子技術的快速發(fā)展和節(jié)能、減排的理念，促成了發(fā)動機新技術的發(fā)展，使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性有了極大的提高。經(jīng)過分析汽車發(fā)動機的新技術，有助于學生更好的理解汽車發(fā)動機的原理及汽車的新技術，掌握汽車發(fā)動機的發(fā)展趨勢，為以后的工作提供幫助。2汽車發(fā)動機的發(fā)展情況2.1汽車發(fā)動機的原理汽車發(fā)動機是將化學能轉化為機械能的機器。它的功能是將液體（氣體）的化學能通過燃燒以后轉化為熱能，再把熱能轉化為機械能后對外輸出強大動力。簡單來說，發(fā)動機就像一個能量的轉換機器，就是把汽油(柴油)或天然氣的熱能，經(jīng)過在密閉汽缸內(nèi)燃燒氣體的膨脹，再推動活塞的作功，從而轉變?yōu)闄C械能，這就是發(fā)動機的基本原理。2.2汽車發(fā)動機的組成因為發(fā)動機的工作原理類似，基本的結構也就大體相同。汽油車的發(fā)動機基本是由五大系統(tǒng)和兩大機構組成，柴油車的發(fā)動機基本是由四大系統(tǒng)和兩打機構組成(無點火系)。發(fā)動機總成曲柄連桿機構實現(xiàn)熱能轉換的主要核心，是發(fā)動機的基礎。配氣機構保證氣缸能適時換氣。燃料系統(tǒng)精準控制每一次循環(huán)投入氣缸燃油的數(shù)量，以此來調(diào)節(jié)發(fā)動機的輸出功率和轉速。冷卻系統(tǒng)控制發(fā)動機的正常工作溫度。潤滑系統(tǒng)減少磨損，可以有效延長發(fā)動機的使用壽命。點火系統(tǒng)及時的向汽油發(fā)動機供應電火花(柴油發(fā)動機無點火系)起動系統(tǒng)讓曲軸旋轉，使發(fā)動機完成起動的過程。2.3汽車發(fā)動機技術的進展（1）汽油車發(fā)動機之前的探索時期，十八世紀中期，瓦特發(fā)明蒸氣機，以后人們開始想象把蒸汽機安裝到車子上面去載人。（2）1858年，里諾第一個發(fā)明煤氣發(fā)動機，并在1860年申請專利。發(fā)動機用煤氣與空氣的混合氣體取代了以往蒸汽機的蒸汽，開始使用電池與感應線圈產(chǎn)生電火花，再用電火花將混合氣點燃爆發(fā)。（3）四沖程發(fā)動機本來很早就由德國人奧托發(fā)明出來了。但是應用在汽車上不得不提戴姆勒,他因為幫助奧托研制四沖程發(fā)動機的原因，從而成為第一個將四沖程發(fā)動機安裝到汽車上的人。（4）化油器最早出現(xiàn)在1892年，化油器已經(jīng)分為了五部分:主供油系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、怠速系統(tǒng)、大負荷加濃系統(tǒng)(省油器)和加速系統(tǒng)。五部分的功能在于:依據(jù)發(fā)動機在不同情況下的需要，將汽油氣化，并且與空氣按定量的比例混合成可燃的混合氣，適時適量的進入發(fā)動機氣缸。（5）電噴提供最早誕生在1967年，是由保時捷汽車公司研制的D型電子噴射系統(tǒng)裝置,之后被用在大眾等德系轎車上。這種噴射裝置按進氣管里面的壓力作為參數(shù)，但它和化油器做相比，依然存在結構復雜、成本高、不穩(wěn)定的缺陷。對于這些缺陷，波許公司在不久后，又開發(fā)了一種名為L型電子控制的汽油噴射裝置，它按進氣管里面的空氣流量作為參數(shù)，可以立刻按照進氣的流量與發(fā)動機的轉速確定進氣量,以此噴射出所需的汽油。（6）缸內(nèi)直噴發(fā)動機，隨著歐美各大廠商認識到電噴技術的研究發(fā)展已經(jīng)到了瓶頸期，因此缸內(nèi)直噴技術成了世界各大廠商的發(fā)展方向。當今市場上關注的缸內(nèi)直噴發(fā)動機有：奧迪FSI缸內(nèi)直噴發(fā)動機、凱迪拉克SIDI雙模直噴發(fā)動機。與電噴發(fā)動機相比較，缸內(nèi)直噴發(fā)動機的噴油嘴被轉移到了汽缸的內(nèi)部，因此缸內(nèi)油氣的數(shù)量不會受到氣門開合的影響，而是直接由電腦自動決定噴油時機與數(shù)量,至于氣門則是僅掌管空氣的進入時程，兩者則是在進入到汽缸內(nèi)才能進行混合的動作。由于油、氣的混合空間、時間都比較短暫，所以缸內(nèi)直噴系統(tǒng)一定要依靠高壓將燃油從噴油嘴壓入汽缸內(nèi)，以此達到高度霧化的效果，從而更好的進行油氣混合。（7）連續(xù)可變的氣門正時系統(tǒng)(CVVT)、智能可變配氣正時系統(tǒng)(VVT-i)、缸內(nèi)直噴分層燃燒引擎(FSI)、可變排量發(fā)動機(MDS)、發(fā)動機渦輪增壓技術等現(xiàn)代化技術的發(fā)展。3汽車發(fā)動機的新技術3.1汽車發(fā)動機缸內(nèi)直噴技術發(fā)動機缸內(nèi)直噴就是大家耳熟能詳?shù)腣TEC系統(tǒng):平常的發(fā)動機每缸氣門組只由一組凸輪驅(qū)動，而VTEC系統(tǒng)的發(fā)動機卻是有中低速用和高速用兩組不同的氣門驅(qū)動凸輪，并且通過電子控制系統(tǒng)的自動操控，進行中低速用和高速用的自動轉換。采用VTEC系統(tǒng)，確保了發(fā)動機中低速和高速不同的配氣相位及進氣量的要求,使得發(fā)動機無論在什么速率運轉下都都達到動力性、經(jīng)濟性、低排放的統(tǒng)一和發(fā)動機的最佳狀態(tài)。VTEC的設計就像是采用了兩根不一樣的凸輪軸，一根用于低轉速，一根用于高轉速，但是VTEC發(fā)動機的不同，就是將這樣兩種不一樣的凸輪軸設計在一根凸輪軸上面。缸內(nèi)直噴技術,噴油嘴設置在進排氣門之間,高壓燃油直接注入燃燒室平順高效地燃燒，缸內(nèi)直噴所宣揚的是通過均勻燃燒和分層燃燒實現(xiàn)了高負荷、尤其是低負荷下的燃油消耗降低，動力還有很大提升。3.2汽車發(fā)動機可變配氣正時技術發(fā)動機可變配氣正時技術的原理是根據(jù)發(fā)動機的運行情況，調(diào)整進（排）氣的量、氣門開合時間和角度。使進入發(fā)動機的空氣數(shù)量達到最佳，提高燃燒效率。曲軸經(jīng)過齒狀的傳動裝置帶動凸輪軸的轉動，使氣門在做開啟和關閉的動作時會和曲軸的轉動角度形成一定的對應關系。而氣體的流動會隨發(fā)動機運轉速度的快慢而改變，如何使汽缸在不同的轉速下都能夠獲得良好的進氣效率？為此必須改變氣門開啟與關閉的時間。經(jīng)過安裝在凸輪軸前端的油壓裝置使得凸輪軸可以另外做一些小角度轉動，從而使進氣門在轉速升高的時候提早開啟。這就是汽車的可變配氣正時技術。3.3汽車稀燃發(fā)動機技術發(fā)動機的稀燃技術，稀燃是稀薄燃燒的簡稱，指發(fā)動機在實際空燃比大于理論空燃比的情況下的燃燒，空燃比可達25:1，甚至于更高。稀薄燃燒不僅能使燃料的燃燒更加完全，而且也減少了換氣的損失，同時輔以相應的排放控制措施，大大降低了汽油機的有害排放量，從而具有良好的經(jīng)濟性和排放性能。稀薄燃燒可以提高發(fā)動機燃料經(jīng)濟性的主要原因是，由于稀混合氣中的汽油分子有更多的機會與空氣中氧分子接觸，燃燒完全。采用稀混合氣，由于氣缸內(nèi)壓力低、溫度低，不易發(fā)生爆燃，則可以提高熱效率。燃用稀混合氣，由于其燃燒后最高溫度降低，一方面使通過汽缸壁的傳熱損失較小，另一方面燃燒產(chǎn)物的離解損失減少，使熱效率得以提高。且當采用稀薄混合氣燃燒時，由于進入缸內(nèi)空氣的量增加，減小了泵吸損失，這對汽油機部分負荷經(jīng)濟性的改善非常有利。4汽車發(fā)動機新技術的綜合應用4.1汽車發(fā)動機缸內(nèi)直噴技術的應用當今缸內(nèi)直噴的普遍運用，在近來各大廠商采用的發(fā)動機先進科技中，最炙手可熱的技術非缸內(nèi)直噴不可。這一套由柴油發(fā)動機衍生而來的科技目前已經(jīng)大量使用在VAG、BMW、Mercedes-Benz、GM和Toyota（Lexus）車系上。缸內(nèi)直噴技術在VAG集團中被普遍運用，由AudiRS4和R8共享的4.2升FSI發(fā)動機就是其中性能超強的代表作。其中VAG集團可以算是導入缸內(nèi)直噴科技最具象征性的例子，目前包含Audi和VW都已將名為FSI的缸內(nèi)直噴發(fā)動機列為旗下車款的高階動力來源，并且在Audi和VW車系的頂級車上，甚至更以FSI結合上渦輪增壓以增大動力。供油系統(tǒng)采用缸內(nèi)直噴設計的最大優(yōu)勢，就在于燃油是以極高壓力直接注入于燃燒室中，因此除了噴油嘴的構造和位置都異于傳統(tǒng)供油系統(tǒng)，在油氣的霧化和混合效率上也更為優(yōu)異。加上近來車上各項電子系統(tǒng)的控制技術大幅進步，計算機對于進氣量與噴油時機的判讀與控制也愈加精準，因此在搭配上缸內(nèi)直噴技術以使得發(fā)動機的燃燒效率大幅度的提升下，除了發(fā)動機可以得到更大的動力外，還可以對環(huán)保保護和節(jié)能減排上都有正面的幫助。4.2汽車發(fā)動機可變配氣正時技術的應用VVT技術至今已經(jīng)有30幾年的歷史，19世紀80年代，AlfaRomeo首次使用VVT技術；Honda，1989年，首次使用具有可變氣內(nèi)門升程能力的VVT技術；BMW，2001年，首次使用VVT技術取代了傳統(tǒng)的節(jié)氣門。韓系車的VVT是根據(jù)日本中的豐田的VVT-I和本田的VTEC技術模仿而來，但是相比豐田的VVT-I可變正時氣門技術，VVT僅僅是可變氣門技術，缺少正時技術，所以VVT發(fā)動機確實要比一般的發(fā)動機省油，但是趕不上日系車的豐田和本田車省油。BMW在之前的一代發(fā)動機中早已采用該技術，目容前如本田的VTEC、i-VTEC,豐田的VVT-i,日產(chǎn)的CVVT,三菱的MIVEC,鈴木的VVT,現(xiàn)代的VVT,起亞的CVVT,江淮的VVT,長城的VVT等也逐漸開始使用。總的說來其實就是一種技術，名字不同。4.3汽車稀燃發(fā)動機技術的應用系統(tǒng)依據(jù)汽車所在的不同行駛情況，根據(jù)DBW電子的線控系統(tǒng)對發(fā)動機節(jié)流閥進行支配，對兩個進氣門其中一個的關閉時機進行管控，讓汽車處在巡航行駛等低負荷狀態(tài)的時候，可以把泵氣的損失減少，讓車輛處在起步或者加速等需高輸出功率和需要大扭矩的時候，經(jīng)過管控使進氣的效率能最大化。因此，在汽車處于低負荷的行駛時，泵氣的減少有效的減緩了能效的惡化情況，因此實現(xiàn)汽車在高扭矩行駛的時候，使平均油耗水平達到全球最低的1.8L發(fā)動機。尤其是處在定速續(xù)航模式下行駛的時候，能讓它的平均油耗基本與1.5L發(fā)動機持平。經(jīng)過減緩發(fā)動機進氣門關閉的時機，減少了泵氣的損失，使車輛在定速巡航的模式下行駛時，平均油耗能有效降低。減緩發(fā)動機進氣門關閉的時機，讓它在壓縮開始的一段時間以后關閉，讓吸到氣缸里的一些混合以后的氣體再次回到發(fā)動機進氣管。如此，盡管節(jié)流閥不關小，發(fā)動機進氣量也能有效的限制住。發(fā)動機進氣阻壓降低，泵氣的損失能有效的控制在百分之十六以下，因此提高燃油經(jīng)濟性，經(jīng)過節(jié)流閥開啟程度的大小、車輛行駛速度、發(fā)動機的轉速和齒輪情況等測試汽車行駛的情況，可以對氣門的開關機會得到智能化的控制。對氣門開關時機管控是通過同步活塞對位于進氣一側的怠速/加速搖臂和定位巡航行駛搖臂進行連接和分離操作實現(xiàn)的。同步活塞的連接、分離操作中使用了可以在低轉速區(qū)進行切換的油壓回路。這個就是稀燃發(fā)動機控制的方案。5汽車發(fā)動機新技術對發(fā)動機綜合性能的影響和作用5.1汽車發(fā)動機新技術對發(fā)動機綜合性能的影響和作用因為石油需要開采，總有一天是要被采光的，那之后的發(fā)動機供與求的矛盾會越來越嚴重，這是當今社會普遍關注的問題。正常來講，這種矛盾是存在的。依據(jù)現(xiàn)在的情況顯示，全世界的石油儲量最少在以后的四十到五十年內(nèi)還不至于會出現(xiàn)全面短缺的情況。但到五十年之后，狀況就不一定了。自然的，隨著世界先進技術的不斷更新，還是會發(fā)現(xiàn)之前一直沒有探查到的資源。但是現(xiàn)在仍舊以石油作為汽車發(fā)動機的主要燃料。但是在當今節(jié)能和環(huán)保為主題的社會大環(huán)境下，即便是多點燃油噴射這樣的新技術也無法滿足我們的需求，然后就出現(xiàn)了一種更為先進的燃油噴射技術，那便是發(fā)動機缸內(nèi)直噴技術。與那些把汽油噴入進氣歧管的發(fā)動機相比，F(xiàn)SI發(fā)動機就是“缸內(nèi)直噴發(fā)動機”，它的優(yōu)點在于可把汽油直接噴到發(fā)動機燃燒室，不需要節(jié)氣門，減少了發(fā)動機熱能的損耗，因此增加輸出功率，并且降低燃油損耗。隨著世界汽車技術的逐步發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的發(fā)動機技術，發(fā)動機可變氣門正時技術(VVT，VariableValveTiming)就是其中一種，它的工作原理就是當發(fā)動機由低速到高速轉換時，電子計算機就會自動地將機油壓向進氣凸輪軸驅(qū)動齒輪內(nèi)的小渦輪，如此，在壓力的作用下，小渦輪就相對于齒輪殼旋轉一定的角度，從而使凸輪軸在60度的范圍內(nèi)向前或向度后旋轉，從而改變進氣門開啟的時刻，達到連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時的目的。所以在上述結構的作用下，可以保證發(fā)動機按照不同的路況改變氣門開啟、關閉時間，在保證輸出足版夠牽引力的同時提高燃油經(jīng)濟性。所以汽車的新技術都有以下五點對于發(fā)動機綜合性能的影響:（1）污染排放驟減；（2）發(fā)動機的最大功率明細提高；（3）油耗低，燃油經(jīng)濟性好；（4）在低溫狀態(tài)下，啟動更穩(wěn)定；（5）靈活，怠速轉速穩(wěn)定。5.2未來汽車發(fā)動機的發(fā)展方向5.2.1改善發(fā)動機結構，提升發(fā)動機的機內(nèi)凈化技術改善發(fā)動機的結構設計，運用多項技術的組合,如:電控噴射技術、廢氣循環(huán)技術、多氣門技術、廢氣旁通技術和高效增壓中冷技術等等，可以經(jīng)過對噴射的時間、噴射的位置、噴射的區(qū)域、噴射方式的智能管控，讓燃油經(jīng)濟性再次得帶提升，降低污染氣體的排放。5.2.2發(fā)展發(fā)動機的后處理技術當今社會對汽車的排放要求越來越嚴格，研發(fā)改進發(fā)動機的機內(nèi)凈化技術也變的刻不容緩了。要研發(fā)動力性、燃油經(jīng)濟性、環(huán)保性于一身的發(fā)動機也就更難，成本也會越來越高。所以，一些老的廢氣后處理凈化技術還是很活躍，還得到了一定的進步，但是隨著新技術的不斷研發(fā)，排氣系統(tǒng)中肯定會研發(fā)出很多新的凈化裝配，運用化學和物理的辦法有效降低廢氣當中污染物的排放。5.2.3復合動力技術的應用現(xiàn)代社會汽車的不斷增加，提高汽車的燃油經(jīng)濟性和環(huán)保性就顯得更加重要。很多國家都制定了未來汽車的發(fā)展計劃，更改了燃油經(jīng)濟性指標。像歐洲和美洲各國正在開發(fā)的新型汽車，與現(xiàn)在使用的汽車作比較，在消耗相同燃油的情況下，新型汽車的行駛里程數(shù)基本能提升百分之五十，也可以說在行駛相同的里程，新型汽車能減少消耗燃油百分之40左右。最有可能實現(xiàn)這一目標的方案是運用柴油機和電動機作為動力的復合技術。因此，復合動力技術也是汽車發(fā)動機研究的重中之重。5.2.4燃料電池技術的推廣想要更進一步的追求環(huán)保性，甚至于最后想要實現(xiàn)的零排放，相對現(xiàn)實可行的技術方案就是運用燃料電池作為動力源驅(qū)動電動機，因此發(fā)展燃料電池技術也是之后的一個發(fā)展方向。5.2.5傳統(tǒng)的潤滑理論的改變用燃