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1、第二章 发动机新技术,现代汽车新技术,白云学院 机电工程学院 韩 伟,第一节 发动机系技术概述,发动机机电技术发展现代汽车发动机新技术的发展方向现代汽车发动机新技术的应用发动机可变压缩比新技术,一、发动机机电技术发展,1、发动机机电技术发展概况：汽车诞生至今的历程中，它集中体现了现代科技成果，20世纪70年代后，微型计算机在性能和价格方面进入实用阶段，以微处理器为控制单元的数字式电子控制装置在汽车上找到了广阔的应用前景。其电子控制装置开始用于燃油喷射、电子点火控制等。（1）机电技术发展进程：1953年美国Bendix公司着手开发汽油电喷装置，这是电子控制汽油喷射发展的起点。,车用发电机的出现,
2、从1960年起，美国克莱斯勒汽车公司和日本日产汽车公司便开始采用结构紧凑、故障少、成本低的二极管整流式交流发电机。我国采用交流发电机始于70年代，现已取代了直流发电机。,电子装置和集成电路的广泛应用,1960年美国通用汽车公司采用了IC调节器。60年代中期，汽车上开始采用晶体管电压调节器和晶体管点火装置，接着又逐步实现其集成化。从20世纪70年代到80年代，大规模集成电路的广泛应用。特别是8位、16位微处理器的广泛应用，更提高了电子系统的可靠性和稳定性。另外，应用电子装置还解决了机械装置所无法解决的复杂的自动控制问题。,燃油电喷装置使发动机的效率极大提高：,电喷装置以进气管内的空气流量做参数，
3、可以直接按照进气流量与发动机转速的关系确定进气量，据此喷射出相应的汽油。,能源和环保问题使发动机采用电子控制成为必然趋势,1976年克莱斯勒汽车公司首创了由模拟计算机对发动机点火时刻进行控制的电控点火系统。使用了模拟计算机和一系列电子传感器，可根据输入的空气温度、进气温度、转速和负荷，计算出最佳点火时刻。1977年通用公司开始采用数字式点火时刻控制系统。该系统体积小，由中央处理器、存储器和数模转换器组成，是一种真正的电子控制系统。1979年德国博世公司推出LH系统，美国通用公司推出C4系统，美国福特汽车公司推出EEC-3系统。同时开发了能综合控制点火时刻、废气再循环、空燃比和怠速转速，并具有自
4、我诊断功能的电子式发动机集中控制系统。,（2）20世纪80年代到90年代，发动机机电控制技术初步形成。,1980年日本开发了能综合控制节油、点火时刻和怠速转速、并具有自我诊断功能TCCS系统；还开发了使用卡尔曼涡旋式空气流量计，并具有自我诊断功能和后备电路的系统。1990年以后美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司生产的汽车全部采用电控汽油喷射方式供油。欧洲和日本除出口东南亚的汽车有化油器供油外，其他均采用电控汽油喷射方式供油。,从90年代以来汽车电子控制技术日趋成熟,广泛应用16位或32位微处理器进行控制，控制技术向智能化方向发展。主要有发动机管理系统、牵引力控制系统、控制器区域网络CAN通讯
5、系统、四轮转向控制系统、轮胎气压控制系统、声音合成与识别系统、自动防追尾碰撞系统、汽车自动导航系统和自动驾驶系统等。,汽车电子应用现状,汽车上70%的创新来源于汽车电子。国外每台汽车采用汽车电子装置的费用1990年为672美元，2000年已达到2000美元。在一些豪华轿车上，电子产品占到整车成本的50以上.,汽车电子增长速度的对比,2、现代汽车发动机新技术的发展方向,低排放汽车发动机的开发日益受到高度重视。节能、环保技术的运用成为未来汽车发动机技术发展的主旋律。现代汽车发动机迈入电子时代，汽车控制更加智能化。智能巡航控制 也称为自适应巡航控制(ACC)可自动完成驾驶、制动等。操作智能安全保护系
6、统：是将安全带、安全气囊、乘员感知系统和碰撞预测系统集成在一起。,1）电控燃油喷射技术。燃油喷射适时、适量。2）进气增压技术。提高进气密度，满足燃烧，提高效率3）可变气门正时技术（VVT)。提高燃油经济性，增加功率。4）废弃再循环（EGR)技术。5）燃料蓄电池与混合动力。6）生物燃油与代用燃料。,3、现代汽车发动机新技术的应用,汽车电子新技术产品分类,第二节 汽油发动机新技术,汽油发动机的电子控制系统按其功能分为：电子控制汽油喷射系统电子控制点火系统辅助控制系统,一、电子控制汽油喷射系统,电控汽油喷射系统按其功能又分为：空气供给系统；燃油供给系统；电子控制系统；,电控汽油喷射系统工作循环示意图
7、,汽油机对燃油供给系统的要求,混合气成分,1kg 14.9kg,混合气中空气与燃油的比例（质量比），称为空燃比（A/F）。1kg的汽油完全燃烧需要14.9kg的空气，因此最佳的空燃比应为14.9（也称为理论空燃比）。,1、空气供给系统,关于过量空气系数,燃烧1kg燃油实际提供的空气量与理论上所需要的空气量之比，称之为过量空气系数：,=1；标准混合气。1；稀混合气，=1.031.1；功率混合气。=0.40.5；燃烧下限；=1.31.4；燃烧上限。,混合气的形成,空气计量器（课本29页）：,空气计量器的作用是对进入气缸的空气质量进行计量，并将空气计量信息反馈给电控单元。空气计量器主要有四种：翼片式
8、、卡门旋涡式、热线式和热膜式,2、燃油供给系统,电控汽油机燃油供给系统由油箱、电动汽油泵、燃油滤清器、燃油分配管、喷油器和油压调节器等组成。,理想供油特性曲线,汽油喷射系统中可以由计算机精确地控制。,混合气的混合状态,理想的混合气应是燃料蒸气和空气均匀混合。实际上燃料并不一定完全以蒸气状态混合，而很可能以油雾（细小油粒）、油滴（大油粒），甚至以油膜状态存在。,燃油供给系统应尽可能使燃料以蒸气的形式与空气均匀混合。,混合气的分配 混合气的分配是指气缸内的各个区域（单缸机）以及进入各个气缸的混合气的数量、混合气的浓度及混合气中所含燃料的组成成分等的分布（多缸机）。,发动机电子控制系统的发展发动机电
9、子控制（电控汽油喷射与电控点火）的迅猛发展并得到广泛应用，主要是因为：1）燃油经济性的要求；2）排放法规的现实需要；,3、电子点火系统,电子点火系统：电子点火系统是指利用半导体器件(如三极管、可控硅)替代传统点火系的机械开关，接通或断开初级电流的点火系统。电子点火系统根据储能方式不同可以分为电感点火系统和电容放电点火系统两大类。两者又各有无触点和有触点两种类型。无触点电子点火系统在分电器内没有断电触点，而由各种形式的点火信号发生器(或称传感器)所代替。,点火信号发生器按其工作原理又可分为磁电式、光电式、笛尔元件式、电磁振荡式点火信号发生器等。其中磁电式和笛尔元件式应用较多。按所用电子器件不同，
10、又可分为分立元件、集成电路、微电脑构成的电子点火系统。,触点式断电器已经被取代,(1)磁电式无触点电子点火系统 磁电式无触点电子点火系统应用广泛，现以日本丰田汽车为例说明其工作原理。磁电式元触点电子点火系统由点火信号发生器、电子组件、分电器、点火线圈、及火花塞等组成。点火信号发生器由转子、永久磁铁、铁心和绕在铁心上的信号线圈组成。转子由分电器轴带动，其上齿数与发动机气缸数相同。磁电式点火信号发生器是利用电磁感应原理，当通过信号线圈的磁通发生变化时。在信号线圈内便产生感应电动势。经放大作为控制点火线圈的初级绕组的通和断，在次级绕组产生点火用高电压。,集成式电子点火组件,(2)有触点电子点火系统：
11、该系统又叫半导体辅助点火系统，与无触点电子点火系统唯一不同的是用一个机械开关代替上述信号发生器，其他部分基本相同。它仍有有触点自身结构所带来的缺点。但它的触点只流过较小的控制电流，所以延长了触点寿命，并减少了触点的维护和调整时间，同时比一般点火提高了点火性能。,(3)电脑控制点火系统 汽油发动机电火花点火后，混合气需要先经诱导期，然后才进入猛烈的明显燃烧期，即混合气在发动机气缸内的燃烧不是瞬时，而需要一定的时间，所以要使发动机发出最大功率，混合气不应在压缩行程上止点处点火，而应适当地提早一些点火，即发动机应在最有利的时刻最佳点火提前角点火。通常把发动机发出功率最大和油耗最少的点火提前角称为最佳
12、点火提前角。一般点火装置是无法达到最优控制的，只有用微机及自动控制技术才能使点火提前角控制在最佳状态。,电控点火原理图,电控燃油喷射（EFI）电控点火装置（ESA）怠速控制（ISC）排放控制进气控制增压控制警告提示自诊断备用功能与失效保护,发动机电子控制,电子控制汽油喷射（EFI）装置,电子控制汽油喷射（Electronic Fuel Injection缩写为EFI）装置与传统的化油器式供油系统相比具有以下优点：1）能提高发动机的比功率；2）耗油量低，燃油经济性好；3）能有效控制排放污染；4）在低速时仍可以输出较大扭矩；5）汽车的加速性能好；6）体积小、无机械驱动、安装方便、便于布置。,4.电
13、子控制燃油喷射装置,电子控制汽油喷射的基本原理,电子控制汽油喷射示意图,L型汽油喷射系统示意图（BOSCH公司）,D型汽油喷射系统,反馈式微机控制燃油喷射装置 典型的反馈式微机控制燃油喷射装置，它由传感器、微机控制装置和执行机构三部分组成。1)传感器 可动叶片式空气流量传感器 曲轴转角及位置传感器 氧传感器 温度传感器 开关型号传感器 霍尔条纹同步信号传感器2)微机控制装置 微机控制装置由集成电路组成，目前国外CPU多采用 8位通用型芯片。3)执行机构,霍尔效应是美国约翰?霍普金斯大学物理学家霍尔博士(DrEHHall)于1879年首先发现的。霍尔式曲轴位置传感器是利用霍尔效应的原理，产生与曲
14、轴转角相对应的电压脉冲信号的，经放大整形后即为曲轴位置传感器的输出信号。霍尔式传感器主要由触发叶轮、霍尔集成电路、导磁钢片(磁轭)与永久磁铁等组成。触发叶轮安装在转子轴上，叶轮上制有叶片(在霍尔式点火系统中，叶片数与发动机气缸数相等)。当触发叶轮随转子轴一同转动时，叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动。,帕萨特轿车使用的霍尔条纹同步信号传感器,5.空燃比电子控制装置 汽油机的性能指标与空燃比、负荷、转速、点火正时、配气相位、大气状况、燃油品质、磨损及调整状况有关，其中空燃比是最重要的调整因素。空燃比的自适应控制系统是采用搜索的方法，不断地自动寻找系统当时所能达到的最优运行点，并使系统保持在最
15、优点附近运行。按控制的方式不同又可分为下列几种：直接修正供油的方式 间接修正供油的方式,1)采用微机自适应控制汽油机的空燃比控制原理 自寻最优控制的基本原地是：在每个知道被控系统的数学模型情况下微机在系统远行过程中采用搜索的分法，不断地自动寻找系统当时所能达到的最优运行点，并使系统维持在这一点附近远行。控制系统的硬件和软件(i)控制系统的硬件：制系统硬件由传感器、微机控制和执行机构三部分组成(ii)控制系统软件采用汇编语言编写，包含开环控制程序及其数据表、自适应控制子程序和主程序，总共2K字节，全部固化在ROM中。,6.柴油机的电子控制特征 电子控制化会使成本增加，因此，如果没有与成本增加相称
16、的性能提高，生产企业是不会决定采用的。要是能够凭借电子控制化改善柴油机的弱点，或者予以有效地解决，那么成本和性能之间就可以获得平衡。（1）冷起动性 由于柴油机是压燃式，发动机在冷状态时，着火相当困难，为此需使用预热塞。起动时，驾驶员先使发动机减压以提高转速，再返回压缩状态，启动预热塞使之迅速着火，这一系列操作十分麻烦。如果操作不熟练，在起动反复失败的过程中，很容易导致蓄电池把电放完。电子控制能够以最佳的程序替代驾驶员进行这种麻烦的起动操作。,2)控制NOx的排放 柴油机的HC与NOx的排放量比汽油机少，由于过量空气系数大，无法使用能够有效减少NOx的3元催化剂。因此，为了减少NOx，有必要采用
17、EGR(排气再循环)。而EGR会使烟度增加，其控制方法比汽油机要难得多。但是，若由电子控制承担，则将变得非常容易。3)涡轮增压控制 柴油机的转速不易提高，要提高其输出功率，必须增大柴油机的转矩。因此，涡轮增压作为一种有效的手段而出现。可是，为了用好增压柴油机，有必要对排气旁通进行细致的控制。,平时在车的尾部都可以看到诸如1.4T、2.0T等字样，这说明了这辆车的发动机是带涡轮增压的。涡轮增压（Turbocharger）简称Turbo或T。涡轮增压是利用发动机的废气带动涡轮来压缩进气，从而提高发动机的功率和扭矩，使车更有劲。,关于涡轮增压,4)抑制烟度 油滴扩散燃挠时，燃料暴露在局部高温缺氧的环
18、境中，产生热分解，不可避免地出现游离碳。在低负荷时，游离碳不以黑碳的形态排出，因为它在膨胀过程中重新烧掉 加速时供油量较大，踩加速踏板时会冒黑烟。依靠电子喷射，则可以配合速度的上升，把明油量控制在不超过冒烟界限的适当范围内，同时调节喷油时刻，在加速性不致过分恶化的前提下，尽可能抑制排烟。5)游车 当发动机在负荷急剧变动和轻负荷低速运转时，会产生游车。这是由于喷油泵调速器的反馈控制系统的响应特性差而引起的。电子式反馈控制电路的响应特性很好，故不会产生游车。,6)怠速控制：,怠速控制是在保证发动机排放要求且运转稳定的前提下尽量使发动机的怠速转速保持最低,以降低怠速的燃油消耗。发动机怠速运行时，节气
19、门处于全关位置，即进入发动机的空气量不再由节气门进行调节。怠速控制的实质就是通过怠速执行器调节进气量，同时配合喷油量及点火提前角的控制，改变怠速工况燃料消耗所发出的功率，以稳定或改变怠速转速。在电子控制的情况下，无论负荷怎样增减，都能把怠速转速保持在最低的状态，从而能够改善柴油机的经济性,8）废气再循环控制系统,废气再循环（EGR）是为了减少排气中的氮氧化物。直喷系统的缸内温度相对较高，而且柴油机工作在富氧的环境下，因此排气中产生大量的氮氧化物。部分的排气通过EGR阀与新鲜空气混合进入发动机，这样缸内混合气的含氧量就降低，从而降低氮氧化物排放。废气再循环率要受到限制，因为过多的废气会使碳氢、一
20、氧化碳和微粒排放恶化。,二、汽车柴油机发动机新技术,1、柴油机电控技术的特点：柴油机电控系统由传感器、电控单元和执行器三大部分组成。柴油机电控技术的关键和难点是柴油机喷射电控执行器，其主要控制量是喷油量和喷油正时。柴油机电控技术具有以下两个明显的特点：（1）柴油机电控技术关键和难点是柴油机喷射电控执行器（2柴油机电控喷射系统具有多样化特点。,2、现代柴油机燃油喷射控制的主要内容,（1）在各种工况下对循环喷油量进行精确的控制，并保证各缸喷油量的均匀。（2）在各种工况下对喷油正时进行控制。（3）在各种工况下对喷油速率和喷油规律进行精确的控制，以获得燃烧过程理想的放热率。（4）在各种工况下对喷油压力
21、进行精确地控制，以得到足够高的燃油喷出的初速度，使燃油雾化质量提高并加快燃烧速度。,3、柴油机燃油喷射系统的分类：,（1）位置控制系统。用执行机构（电磁液压或电磁式）控制油量调节和喷油提前器。实现喷油正时和喷油量电子控制。（2）时间控制系统。是指用高速电磁阀直接控制高压燃油的适时喷射。（3）时间-压力控制系统。即电控共轨式喷油系统。,高压共轨喷油量控制系统工作过程,电控单元分析发动机转速、加速踏板位置和冷却水温等传感器的信号，确定所需喷油量，并发相应控制信号给喷油泵中的油量调节器通过安装在油量调节器上的活塞位移传感器的反馈，实现油量的闭环控制。高压油泵并不控制喷油，而是仅仅向共轨供油维持所需的
22、共轨压力，通过调节压力，利用电磁阀的开闭控制燃油喷射过程，喷射压力完全独立于发动机转速，能实现理想喷射。,高压共轨喷油控制系统示意图,高压共轨喷油系统的增压压力控制系统,控制单元根据进气管压力传感器、进气管温度传感器和海拔传感器等信号确定增压压力控制电信号，传给增压压力控制阀。增压压力控制阀把电信号转化成真空度信号，传给废气涡轮增压器上的增压压力调节阀，控制增压压力沿理想的特性曲线运行。,4、电控泵喷油系统,电控泵喷油系统的喷油循环一般包括：进油过程、泵油过程、喷油过程和停油过程。（1）当泵油柱塞向上移动时，压油腔容积增大形成真空，电控泵喷油器进油。（2）当泵油柱塞向下移动时，电控泵喷油器泵油。（3）泵油过程中，ECU对高速电磁阀发出指令，喷油器的针阀在高压作用下喷油。（4）喷油过程中，一旦令断油，喷油器的针阀立即停止喷油。,5、电控单体泵（课本51页）,
