汽车节能技术.ppt

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1、汽车节能技术2（1）,Automobile Energy Density Technology,第二章 汽车的节能技术,随着油价节节攀升和石油危机的到来，当今各国纷纷制定出汽车的油耗标准，有的国家规定汽车油耗率必须逐年降低，迫使汽车制造厂采取轿车小型化、减轻自重、减小空气阻力、柴油机化、稀薄燃烧技术、分层燃烧技术、润滑减磨、子午线轮胎、传动系统最佳匹配等许多节油措施，使汽车的油耗大大降低。对我国而言，随着汽车大规模进入家庭，私车保有量的日益增多，汽车节油也显得越来越迫切。,第一节 影响燃油经济性的因素,汽车燃油经济性是在保证汽车动力性、排放性的基础上，以尽可能少的燃油消耗行驶的能力。在我国和欧

2、洲，燃油经济性通常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量使汽车行驶的里程来衡量。它表示汽车在一定使用条件下，以最小的燃油消耗量完成一定行驶里程数的能力。车燃油经济性有两种测定法：一是行驶试验法；另一种是在平坦道路上和一定条件下进行等速油耗试验。,根据各国度量单位制及衡量习惯的不同，中国、日本和欧洲大多数国家一般采用升/百公里（L/100km）表示法，以行驶100公里所消耗的燃油量作为汽车燃油经济性的指标。美英等国一般采用英里/加仑（mile/gal）表示法，简称MPG，以消耗1加仑燃油量汽车所能够行驶的里程作为汽车燃油经济性的指标。附注加仑分为美加仑（）和英加仑（gal），1美

3、加仑=0.8327英加仑=3.7853升 1英里（mile）=1.609公里（km）,燃油经济性的指标 等速行驶燃油消耗量是指汽车在额定载荷下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100公里的燃油消耗量。一般乘用车的燃油经济性指标常以等速行驶的百公里耗油量来表示。循环行驶工况对汽车的速度、加速度、行驶时间和距离等作了详细的规定，这种循环行驶工况包括有多种工况条件下汽车的燃油消耗状况，例如轿车多工况燃油消耗的测定有25个工况循环，称为轿车25工况试验，包括怠速、加速、换档、匀速、减速、怠速等循环行驶工况，还有微型汽车10工况、载货汽车6工况试验等，它们比较客观地反映汽车的实际耗油量，因此通常以循环行

4、驶工况燃油消耗量作为汽车综合性评介指标。,kg/100km,汽车燃油消耗方程式,式中：ge 燃油消耗率，g/（kWh）Va 车速，km/（h）c 传动效率 G 汽车质量，kg 滚动系数 CD 空气阻力系数 A 迎风面积，m2 dVa 直线行驶加速度m/S2 dt,第一节 影响燃油经济性的因素,燃油经济性影响因素 各种汽车的燃油经济性是有差异的，影响汽车燃油经济性的重要因素是发动机性能，但还有其它因素影响，包括汽车的构造、驾驶技术和道路情况等。（1）目前国内的轿车发动机都是高速汽油发动机，发动机的热效率越高燃油利用率越高，也就越省油。而发动机的热效率随压缩比的增加而增加，现在轿车汽油发动机压缩比

5、一般在之间。同时，还采用配气系统可变装置（可变气门升程、可变凸轮轴转角、可变进气管长度等）和稀燃技术，来达到节油目的。,第一节 影响燃油经济性的因素,发动机的工作过程中影响油耗的两个最根本因素是空燃比和发动机负荷，这两个值都有一个理论上的最佳值，汽车在实际工作过程中，空燃比和发动机负荷的实际值越接近理论值，汽车就越省油。发动机在负荷为90%、过量空气系统为1.05时燃烧效率最高。发动机负荷大家都比较了解，我再稍微解释一下空燃比，这个参数实际上就是衡量混合器浓度的一个量，1为标准浓度混合气，大于1的为偏稀，小于1偏浓。,以上所述是理论，下面我们看看显示生活中的什么情况影响油耗。1、进气系统的故障

6、，会导致油耗的增加；如空气滤清器经久不换，导致进气不够，油耗一定会增加的；还有，节流阀体很久没有清理，也会让油耗增加。2、点火系统的故障比如火花塞有积碳。3、油路故障，比如喷油嘴脏了，供油系统有问题等。,第一节 影响燃油经济性的因素,4、磨合润滑不好，如车轮轴承部分缺少润滑油，致使磨擦系数增加，从而油耗也会增加等。新车一开始的油耗一般不如已跑了一段时间的车 5、另外，一些电喷的发动机的关键传感器，比如空气流量传感器、氧传感器若工作不正常也将影响ECU对喷油时间的控制，造成油耗增加。当然，这个检测比较困难。,第一节 影响燃油经济性的因素,发动机负荷率与节能 发动机的节能途径可以归纳为以下两大类：

7、第一，提高发动机本身的燃油经济性。这是指降低发动机在各种工况下的比油耗。从热力学角度来看，有几条途径可循：提高过量空气系数（提高热效率）；提高压缩比（提高热效率）；提高进气管压力（减少泵气损失）；优化燃油喷射（使燃烧更加完全）；优化汽油机点火定时或柴油机喷油定时（提高热效率）；减少热损失（提高热效率）；降低摩擦损失（提高机械效率）。,第一节 影响燃油经济性的因素,第一节 影响燃油经济性的因素,第二，优化和转移发动机的工况点。这是指尽可能地使发动机运行在最低比油耗的工况区域。此举的节能潜力不可小看。混合动力车之所以节能效果明显，也与此有关。从BMW公司2001年产320d手动变速轿车4缸2.0升

8、TDI柴油机的万有特性曲线可见：在整个工况范围内，只有一个极小的区域能够 达到最低燃油消耗率；在同一台发动机中，最高燃油消耗率可以达到 最低燃油消耗率的一倍，甚至更多；,第一节 影响燃油经济性的因素,最佳燃油经济性出现在柴油机和汽油机的较高负荷率区域，因为此时的泵气损失较小。负荷率定义为在一个确定的发动机转速下实际负荷跟该转速下的最大负荷的比值；最佳燃油经济性出现在一个很小的发动机转速区域内，而在此区域内燃油经济性最佳的负荷率大致为80-90%；燃油经济性最佳的转速区域，在现代轿车柴油机中是2500r/min上下的中速范围，在汽油机中则在较低的转速范围，即2000r/min左右；一般来说，提高

9、发动机负荷率可以提高燃油经济性。,第一节 影响燃油经济性的因素,普及型轿车对最高车速的要求较低，那怕是装备一台标定功率只有30kW左右的发动机也可以勉强过得去，可是豪华型轿车对最高车速要求很高，甚至超过220km/h，所以后者装备的发动机功率可达前者的十倍，某些豪华型轿车装备了12缸V型或W型发动机，功率超过300kW。但是，在城巿行驶工况中，汽车怠速时间长，平均车速低，不可能达到最高车速。即使是大功率豪华型轿车，在都巿中行驶时的功率需求也只有7.5kW左右。此时，豪华型轿车只利用了发动机标定功率的很小部分，甚至只有四十分之一。,第一节 影响燃油经济性的因素,要解决豪华型轿车在低工况下的燃油经

10、济性问题，最有效的办法是缩小低工况下发动机实际功率和标定功率之间的差别，从而提高发动机的负荷率。,第一节 影响燃油经济性的因素,（2）汽车质量越大滚动阻力越大，滚动阻力越大耗油越大，这是一个常识。减少汽车装备重量，提高汽车装载重量，可以减少运载物体单位重量的燃油消耗，也就是提高了汽车的燃油经济性。这里的“重量”也就是指汽车技术指标中的“质量”概念，常见的汽车“装备质量”和“装载质量”，也就是指重量。减少汽车尺寸和质量是提高燃油经济性的有效措施，汽车要合理设计和精心地计算分析，要采用高强度材料和轻质材料。统计表明，整车质量为1360kg的汽车，当汽车总质量减少10%，油耗降低8.8%。,第一节

11、影响燃油经济性的因素,（3）由于现代汽车速度的增高，汽车的外型对燃油经济性也有重要影响，车速越快影响越大，这就是人们常说的“风阻”。减小空气阻力主要是通过减少汽车的迎风面积和空气阻力系数来实现，一般而言迎风面积取决于汽车的体积，空气阻力取决于车身造型。为此，汽车车身紧凑化和流线型是提高燃油经济性的途径。目前许多轿车的空气阻力系数在左右，对减少燃油消耗起到很大作用。,第一节 影响燃油经济性的因素,（4）汽车的传动系对汽车的燃油经济性有重要影响。变速器档位越多，不但汽车换档平顺，而且使发动机增加了处于经济工况下运行的机会，有利于提高燃油经济性。因此现代汽车都是趋向于5档或以上变速器，或者采用无极变

12、速，保证在任何条件下具有使发动机在最经济工况下工作的可能性。在速度不变的情况下，接合高速档时，传动比小发动机转速低，接合低速档时，传动比大相应的发动机转速高。由发动机负荷特性可知，当发动机负荷相同时，一般是转速越低燃油消耗率越小。在一定的行驶条件下，传动系的速比越小，汽车的燃油经济性越高，因此汽车的经济行驶都在高档位。,第一节 影响燃油经济性的因素,（5）轮胎对汽车燃油经济性也有影响，因为在一定道路条件下轮胎结构和表面形式对滚动阻力影响很大。现在汽车绝大多数都用子午线轮胎，问题是胎纹和尺寸。现在兴用宽胎，宽胎对汽车的平稳和驾控比窄胎好，但因滚动阻力比窄胎大，因此耗油也大。（6）汽车的技术状况、

13、行驶路面环境及驾驶技术，都对汽车燃油经济性有重大影响。例如以手动档为例，据资料表明驾驶者如果能够根据汽车的运行条件合理操作，及时选定适合的档位，节油幅度可达1025。,第二节 发动机节能技术,2.2.1 发动机节能原理,1、汽油机的理想循环-等容加热循环1-2的压缩过程绝热压缩；2-3的燃烧过程等容加热；3-4的膨胀过程绝热膨胀；4-1的排气过程等容放热。,第二节 发动机节能技术,2、车用柴油机的理想循环-混合加热循环1-2的压缩过程绝热压缩；2-3的燃烧过程等容加热；3-4的燃烧过程等压加热；4-5的膨胀过程绝热膨胀；5-1的排气过程等容放热。混合加热循环的热效率:,=V1/V2-压缩比,=

14、P3/P2-压力升高比，=V4/V3-预胀比，k-绝热指数.,第二节 发动机节能技术,3.压缩比的影响 压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。由热效率公式可知：，T。当压缩比较小时，热效率随压缩比的增加显著增大；当压缩比较大时，热效率随压缩比的增加增大较少。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,为了提高发动机的热效率,关键是组织好进、排气过程、喷油过程、燃烧过程，减少各种损失。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，电控喷射技术，高压共轨技术，绝热发动机技术等。

15、,第二节 发动机节能技术,2.2.2 汽油机电控喷射系统 电控汽油喷射系统（Electronic Fuel Injection System）简称为EFI。它利用各种传感器检测发动机的各种状态，经微处理器的判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。1.汽油喷射的基本概念（1）汽油喷射 一定数量和压力的汽油经过喷油器直接喷入气缸或进气岐管。,第二节 发动机节能技术,（2）汽油喷射系统组成,电控汽油喷射系统主要由下列四部分组成：进气系统 供油系统 控制系统 点火系统,第二节 发动机节能技术,2.汽油喷射的优点（1）能实现空燃比的高精度控制。（2）充气效率高。（3）瞬时响应快。（4

16、）起动容易，暧机性能好。（5）节油和排放净化效果明显。（6）减速断油功能，亦能降低排放，节省燃油。（7）便于安装。一般而言，与传统的化油器发动机相比，装用电控燃油喷射系统的发动机功率提高5一10。燃料消耗降低5一15，废气排放量减少20；由于扭矩特性的明显改善，瞬时响应快，汽车的加速性能大大提高，怠速平稳,冷车起动更容易，暖机更迅速。,第二节 发动机节能技术,2.2.3 稀燃技术 车用汽油机稀燃及实现技术稀燃是指发动机在空燃比/大于理论空燃比情况下的燃烧.稀燃时,燃料可以燃烧完全,有害排放物,和2 都较少.由于稀燃时燃烧室内的主要成份为2和2,它们的比热比较小,多变指数较高,因而热效率高,燃油

17、经济性好.实现稀燃技术的关键是点火瞬时在火花塞处形成易于着火的浓混合气,空燃比/=1 2 1 3.5,其余处为稀薄混合气.可以提高稀燃能力,缩短火焰发展期和燃烧持续时间,但稀燃使火焰传播速度变慢.因此,应采取相应的措施来促进缸内混合气分层及加快火焰的传播。,第二节 发动机节能技术,1.着火极限问题和解决措施 均质混合气（）1.4或A/F 20.85时,过稀的混合气便达到了着火极限.稀薄燃烧发动机的空燃比可以高达50100,远远大于着火极限,主要措施有加强雾化、组织一定的气流运动，改进点火系统和采用分层燃烧技术。加强雾化 任务是使燃油的颗粒细化，使油粒均匀分布，目的是增加蒸发气化面积以增大燃烧率

18、。组织燃烧室内气流速度 组织进气涡流和挤气涡流。改进点火系统 高能点火,第二节 发动机节能技术,2.分层燃烧技术 点火瞬时在火花塞处形成易于着火的浓混合气,空燃比/=1 2 1 3.5,着火后其它区域的混合气即使很稀，也能点燃、传播火焰并继续燃烧。分层燃烧：在火花塞附近的混合气浓一点，其他的混合气稀一点。均质燃烧：混合气浓度基本不变的。通过分层燃烧，可A/F值，大多数稀燃发动机都采用分层燃烧方式。一般在中小负荷工况时采用分层燃烧，在大负荷时采用弱分层燃烧。,第二节 发动机节能技术,分层燃烧的方案：1）单室式 单室式主要利用喷油嘴喷油所形成的旋转气流，火花塞、喷油器与燃烧室的匹配，以及供油方式和

19、热处理等各种方式进行分层稀燃。喷油嘴在火花塞附近造成较浓的混合气，并在气流的扰动下，产生较好的效果。A/F值可达100。如三菱的GDI、丰田的D4和大众的FSI均为单室式。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,2）双室式 双室式由主副双室构成，其空燃比可达到A/F=37。,第二节 发动机节能技术,3、稀薄燃烧控制 稀薄燃烧发动机只在部分负荷工况范围实行稀薄燃烧，而在起动、怠速、加速和全负荷下都不采用稀薄燃烧。各种有关参数必须根据工况进行控制，如进气涡流比、喷油正时、点火正时和过量空气系数。1）进气涡流比控制 组织适当的缸内空气运动，以促使油束雾化和加速燃烧。稀薄燃烧汽油机普遍采用多

20、气门技术。缸内空气运动主要有翻滚气流和进气涡流。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,（1）一个螺旋进气道和一个直进气道控制涡流比 在直进气道中装上涡流控制阀（Swirl Control Valte，缩写为SCV）以调整直进气道流量，便可控制两个进气门的流量比，进而控制进气涡流比，见图2-5。,第二节 发动机节能技术,图2-6 AVL四气门高压缩快速燃烧系统1.切向进气道;2.中性进气道;3.涡流控制阀;4.双束喷油器;5.两支油束,(2)一个切向进气道和一个中性进气道控制涡流比 AVL四气门高压缩快速燃烧系统(High Compression Fast Burn,缩写为HCFB)

21、,第二节 发动机节能技术,(3)降低进气门升程控制涡流比 HONDA公司VTEC-E系统燃烧实际上是一种可变气门电子控制系统,用于四气门稀薄燃烧发动机,有一个主进气门和一个副进气门.,主气门升程为8mm，不可变；副进气门升程：发动机低工况时，为0.65mm，生成进气涡流；发动机高工况时，为8mm，不产生涡流。双束喷油器往两个进气道等量喷油。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,该系统只有两种涡流比：2.5和0。全负荷时在n=2500r/min切换，部分负荷时在n=3200r/min切换，见图2-9。,喷油正时对稀薄燃烧的燃烧速率和燃烧稳定性有一定的影响，如图2-10所示，在进气冲程

22、中，相对推迟喷油可提高燃烧稳定性，喷油过早会使浓混合气集中在燃烧室的底部，而在顶部形成稀混合气区域，使燃烧恶化，NOX增大。,2）喷油正时控制,N=2000r/min；Pe=0.2MPa;=1.3ig=15A;涡流控制阍开。,第二节 发动机节能技术,3）点火正时控制,混合气变稀,则着火落后期和速燃期都长,实现最佳转矩的最小点火提前角(MBT)将增大,随着缸内空气运动的增强,MBT明显减小,燃烧速率将变得对点火正时十分敏感.点火正时还要考虑、空气运动状况和喷油正时等因素。总之，随着的增大，点火提前角应增大。,第二节 发动机节能技术,4）闭环控制,稀薄燃烧发动机的过量空气系数超出常规，的大小影响着

23、发动机的性能和排放，给发动机工作带来困难，所以要用闭环控制。（1）目标 过稀造成燃烧不稳定，不能超越燃烧极限，为了提高发动机的动力性，在高工况时不能实行稀薄燃烧。（2）实施 采用片式宽带氧化传感器（线性氧传感器），从0.82.5。（3）切换控制策略 ECU根据汽车工况切换发动机工作中的混合气浓稀，从加速到巡航切换回混合气浓度的过程中迅速跳过为控制NOX所设的禁区。,第二节 发动机节能技术,图2-11 两台稀薄燃烧发动机的A/F特性场,第二节 发动机节能技术,5）燃烧极限控制,混合气浓度接近稀燃极限时，燃烧开始不稳定，平均指示压力的波动明显增大。可用两个步骤检测并控制稀燃极限：（1）利用脉冲盘感

24、应传感器检测曲轴角速度。调整各缸喷油量。（2）在一个气缸内装有燃烧压力传感器，以检测稀燃极限。采集压力数据，如循环之间转矩波动过大，便可知该缸混合气已超过稀燃极限，必须增加喷油量，以免发生缺火；如果转矩波动过小，应当减少喷油量，使混合气变稀，以节油和降低NOX排放。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,6）NOX排放控制策略,稀薄燃烧时，HC、CO均可在三元催化转化器中得到相当彻底的转化，但NOX却几乎得不到转化。NOX 达到欧法规采用EGR技术 达到欧法规采用NOX贮存-还原催化 达到、法规,第二节 发动机节能技术,2.2.3 缸内直接喷射 汽油机供油方式的历史发展 对于汽油机的

25、供油方式，就时间而言，可分为三个阶段：化油器式汽油机（carburation）、进气道多点电喷式汽油机（MPI）以及下面将要详细介绍的缸内直喷汽油机（GDI）。当进入20世纪90年代时，已经拥有100多年历史的化油器式汽油机逐渐退出了汽车领域，取而代之的是进气道多点电喷汽油机，而到了90年代的中后期，又出现了以分层稀燃为主要特征的汽油机缸内直喷技术。下图中给出了该三种类型汽油机供油方式的变迁。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,这三种供油方式的主要差别在于燃料出口的位置：化油器式汽油机是在进气管道的化油器位置上吸出燃料，并与空气混合，从而雾化形成可燃混合气，然后经过气门进入气缸进

26、行燃烧（如图1左图所示）；进气道多点电喷汽油机则是在进气歧管，即在气门之前的位置上喷射燃料，然后经气门进入气缸（见图1中图）；而缸内直喷汽油机，顾名思义，就是在气缸内直接喷射燃料（图1右图）。抛去已经相对比较落后的化油器式汽油机（在经济性以及环保性等方面，都与另两种方式没什么可比性了）不讲，我们来看看MPI与GDI之间的比较。,第二节 发动机节能技术,首先，MPI当进气门关闭时发动机将燃油喷在各缸进气阀的背面，在进气冲程时才使油气混合物进入气缸。在冷起动时，由于此时蒸发并不完全，燃油会在进气道、进气阀背部表面形成油膜和油坑，使得实际喷入的燃油量远远超过理论值，以致在启动的前410个循环中会明显

27、出现失火或部分燃烧现象，导致HC的排放显著增加。而GDI由于在缸内直喷，避免了进气道湿壁，没有MPI的问题，从而在冷起动时HC排量不高，在第2个工作循环时即可正常运转。,第二节 发动机节能技术,其次，MPI的另一个局限性在于负荷的变化依靠节气门的调节，虽然节气门控制对MPI来说已经发展为非常成熟的技术，但它所带来的热动力损失是相当大的，利用节气门来调节都会产生泵吸损失，且会使发动机在低负荷时热效率降低。而GDI不需要节气门来调节负荷，从而提高了在部分负荷时的容积效率，改善了燃油经济性。,第二节 发动机节能技术,另外，在利用燃油冷却充质方面，MPI的燃油的蒸发主要依赖于进气道和进气阀等热源对油膜

28、的热传递，因而无法显著冷却充质；而对GDI而言，燃油是以较细的雾化颗粒形式进入气缸，从周围的空气中取得热能，有效地冷却了充质。从上面的比较中，我们可以很清晰的了解到，GDI比MPI在燃油经济性以及排放性等方面都有长足的进步。图2是三种方式以及柴油机的性能比较简图。,第二节 发动机节能技术,从图中我们看到，在燃油经济性方面，GDI甚至已经超过了柴油机，并且成功实现了汽油机的稀燃；而在功率输出方面，GDI也是遥遥领先于其他两种方式。可见，虽然GDI还有一些技术问题需要解决，但是显然缸内直喷技术已经是汽油机发展的大势所趋。,第二节 发动机节能技术,自1996年三菱汽车公司推出了第一款商品化的缸内直喷

29、式汽油机（GDI）后，Toyota在同年稍后则推出了名为D-4的GDI发动机，日产公司在第二年也推出了自己的GDI机型。从此，人们追求了几十年的GDI汽油机开始了商品化的里程。雷诺汽车公司在1999年研究开发的商品化GDI，也标志着欧洲开始加入GDI的发展行列之中。之后，大众公司将GDI发动机装在了Lupo-1.4升轿车上，Citeron则于2001年推出了相应的GDI产品。大众公司甚至已经宣称，要在2005年将其所有的汽油机都改为GDI。,第二节 发动机节能技术,1.燃烧系统和结构 GDI燃烧系统包含组织缸内空气运动的元件和喷油器,混合气的生成往往离不开活塞顶凹坑(燃烧室)的配合,火花塞也很

30、能重要.,第二节 发动机节能技术,1)油束控制燃烧系统 火花塞靠近喷油器,喷油后形成充量分层,可以不受限制地将负荷降低到=8的怠速负荷.但会出现燃油润湿火花塞的问题.2)壁面控制燃烧系统 喷油器将油束喷到活塞凹坑中,然后由气流将燃油送往火花塞。采用立式进气道，形成逆向翻滚气流。3)气流控制燃烧系统 利用轮廓分明的缸内气流与油速相互作用形成充量分层和混合气均质化，缸内气流变成顺向翻滚气流。,2.燃油供给系统的组成,第二节 发动机节能技术,1)低压油泵 低压油泵是电动泵,并联一个机械式燃油压力调节器,出口压力为0.35MPa.2)高压油泵 高压油泵由发动机的凸轮轴驱动在0.35MPa基础上将油压提

31、高到12MPa.3)燃油蓄压器 用铝制成管状,上有用于连接高压油泵、喷油器、燃油压力传感器和燃油压力控制阀。4）燃油压力传感器 用于测定燃油蓄压器中的压力，测量电阻采用薄膜技术。,第二节 发动机节能技术,5)燃油压力控制阀 其任务是在发动机的整个运行范围内按照特性场数据调节系统压力。实现对燃压力的闭环控制。,第二节 发动机节能技术,6)电磁高压涡流喷油器 多孔型 多孔型喷油器的油束互相离散，较难均匀化，雾化特性不佳。锥型 锥面型喷油器的雾化质量也不佳。涡流型 涡流喷油器的雾化质量优良，油束可倾斜，耐脏，适宜用于汽油直喷。,第二节 发动机节能技术,3.控制策略 1)按工况区分控制模式 GDI之所

32、以能节油20，主要是低工况范围无节流损失的超稀薄燃烧，采用充气分层，而充气分层离不开推迟喷油的配合。高工况范围恰恰相反，强调的是提高转矩和功率，必须采取略稀或1的混合气。,2)转矩控制策略 低工况加速质调节 高工况加速量调节,第二节 发动机节能技术,3)模式切换策略 低工况质调节和高工况量调节两种模式间的切换需要进行控制。（1）切换前，节气门必须先关闭，进气压力下降，A/F，此时必须避开A/F=1923的禁区，质调节在A/F22（1.5）左右时会产生黑烟;而采用变量调节时A/F超过19（=1.3）左右时会发生燃烧不稳定甚至缺火.所以切换点要增加喷油量,使A/F突变,迅速越过上述禁区（2）A/F

33、突然会使转矩突然，为使转矩保持恒定，必须减小点火提前角，以抵消影响。,第二节 发动机节能技术,4)怠速转速控制策略 在怠速工况下，A/F达到40时的燃烧速率大致与全负荷工况相同，而且随着转速的降低，燃烧速率和稳定性改善，可选空燃比40。,第二节 发动机节能技术,三菱经典GDI（1）两种燃烧模式的燃油喷射 三菱公司使用了自己独特的技术，使得GDI发动机既具有低的燃油消耗又有高的功率输出。这种看上去矛盾的性能是靠采用了2种燃烧模式来实现的。换句话来说，就是喷射正时随着发动机负荷的变化而变化。对于中低速情况，GDI使燃油在压缩冲程后期喷射，就好象柴油机一样。这么做可以形成理想的分层空燃混合气，从而实

34、现稀薄燃烧。当高转速时，燃油在进气冲程时喷射，这样就可形成均质空燃混合气，和传统的MPI发动机一样实现高功率输出。,第二节 发动机节能技术,所以GDI主要有以下两种燃烧模式（如下图所示）：分层燃烧模式：（Stratified Mode）主要应用在中低转速以及负荷情况下。燃料在火花塞点燃之前喷入燃烧室，于是燃油在燃烧室几乎没有时间与空气混合。这样，就使得燃油空气混合气的成分在燃烧室内不均匀分布。在火花塞附近较浓，而在与之较远处则相对比较稀薄。这样一方面火花塞的点燃需要有较浓的混合气，而另一方面整个混合气的成分又比较稀薄，从而很好地减少了燃油的消耗，此时的空燃比可达到40左右。均质燃烧模式：（Ho

35、mogeneous Mode）主要应用在高负荷条件下，用来提供大功率。该模式中，燃油在进气冲程早期就已喷射入发动机，给予燃油与空气充分的时间在燃烧室均一地混合，并形成较浓的可燃混合气。由于混合气混合平均，且温度较低，从而又降低了发动机敲缸的可能。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,（2）三菱GDI基础技术 总体来说，三菱公司是采用了四个关键技术来实现GDI的。立式吸气口使最理想的气流进入气缸；弯曲顶面活塞通过对燃油空气混合气定形来控制燃烧；高压燃料泵提供了缸内直接喷射的必要压力；而高压旋转喷射器控制了燃料喷雾的蒸发和扩散。这些基础技术与其他燃料控制技术的结合让三菱的GDI发动机实

36、现了低燃油消耗以及高功率输出。在下文将分别进行详细介绍。,第二节 发动机节能技术,立式吸气口代替了原先在传统发动机中使用的横向进气口，通过来自上方的强大下降气流，形成与以往发动机相反的缸内空气流，即纵向涡流转流（如图4所示）。三菱的GDI活塞顶面如图5所示，称为弯曲顶面活塞，它由于缩小了燃烧室的容积，有助于形成强势涡流，并提高了压缩比，使得压缩比可达12：1，比以往发动机高出1/3左右；另一方面，它还增强了纵向涡流转流。值得一提的是，这样的活塞顶面形状是通过先进的缸内观察技术（甚至包括了激光技术）来实现优化的。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,图5 弯曲顶面活塞,第二节 发动机

37、节能技术,随着缸内压力的提高，则需要高压燃料泵以高压的方式将燃料送进燃烧室内。为了避免汽油机高压缩比时容易产生的爆燃现象，GDI采用两步喷射过程，首先在进气冲程时进行喷射使得气体温度降低，适应高压缩比；第二步则在压缩冲程后期喷射，形成层状混合气。新开发的高压旋转喷射器提供了满足所有发动机操作方式的理想喷射模式，同时又使整个燃油喷束旋转，从而充分雾化燃料（图6左）。另外根据上述的两种不同模式，其喷射方式也有所不同，具体可见图6右边的比较图。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,（3）低燃油消耗在传统的汽油机中，在火花塞周围以最理想的密度扩散可燃混合气是相当困难的。然而，在GDI中这完

38、全可能实现。甚至由于理想的分层燃烧使得燃油可以在压缩冲程后期喷射来维持极稀的可燃混合气，GDI的燃油消耗可以低到极点！一台供分析使用的发动机已经证明了，在分层燃烧模式中空气与燃油可以以理想的密度在火花塞周围混合而成。除此之外，这个结论根据对点火之前的燃油喷射情况的分析得到证实。所以，空燃比为40的稀薄混合气的稳定燃烧是可实现的（见图7）。,第二节 发动机节能技术,图7上图描述了燃油二次喷射的整个过程，而下图为空燃比为40（包括EGR则为50）的稀薄燃烧现象。,图7 燃油二次喷射及稀薄燃烧,图 奔驰C级轿车1.8L CGI汽油缸内直喷发动机,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,图 奔

39、驰C级轿车1.8L CGI汽油缸内直喷发动机,第二节 发动机节能技术,GDI的分层混合燃烧在降低空燃比的同时，并不会导致不正常的燃烧。例如，当发动机怠速时，此时的燃烧是最不稳定的，而GDI发动机即使在可燃混合气极其稀薄（空燃比为40）的情况下依然维持一个稳定以及快速的燃烧状态。另外，它还提供了在设置怠速方面更大的灵活性。与传统发动机相比，GDI的怠速燃油消耗减少了近40%，如图8所示。,第二节 发动机节能技术,图8 怠速时的燃油消耗,第二节 发动机节能技术,除怠速之外，在40km/h的速度时，GDI也比同类型的传统发动机节省35%的燃油消耗，如图9所示。,图9 40km/h速度下的燃油消耗,第

40、二节 发动机节能技术,在15工况的测试中（大致可近似为城市驾驶），GDI比同类型传统发动机节省了35%（见图10）。甚至于该测试的结果还表明，GDI发动机的燃油消耗性能比柴油机还要好。,图10 15工况燃油经济性比较,第二节 发动机节能技术,在排放性能方面，由于GDI产生的高压高温环境会产生NOx的排放过高，GDI采用了高EGR率（排气再循环）使得NOx的排放低了97%，如图11所示。,图11 NOx排放（40km/h）,第二节 发动机节能技术,（4）高输出功率 为了实现比传统MPI发动机更高的功率输出，GDI发动机具有高压缩比以及更有效率的空气进气系统，从而使得体积效率得到很大的改进。首先，

41、立式吸气口使得空气进气更平滑，而在压缩冲程后期，燃油在缸内的蒸发则冷却了空气，从而提高了体积效率，具体可见图12。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,其次，通过燃油的蒸发冷却缸内的空气还具有抵制发动机敲缸的功能。因此，GDI发动机允许压缩比高达12，从而更大程度地提高了燃烧效率，在图13中，我们可以清晰地看到GDI发动机比传统MPI的压缩比要高不少。在动力输出方面，GDI发动机的输出功率及扭矩都要比传统MPI要高10%左右，从而使得GDI在加速性能方面也要提高不少，具体可见图14。,第二节 发动机节能技术,图13 压缩比比较图,第二节 发动机节能技术,图14 功率、扭矩比较图,第

42、二节 发动机节能技术,所以说，三菱公司所推出的这款GDI发动机确实真正将高燃油经济性与高动力性的优点结合在了一起，也给了后来其他GDI发动机的出现打好了扎实的基础，可以说这确实是汽油机技术的一个重大的里程碑。,图15 三菱GDI发动机实物图,第二节 发动机节能技术,GDI的氮氧化物排放：虽然GDI发动机可以降低整体的废气排放污染，但是同时它有一个非常大的缺点，那就是氮氧化物的排放非常高。为了减小这类污染物的排放，需要采用有效的有针对性的三元催化装置才能保证尾气的排放达到环保部门的要求。但是在国内，油品中的含硫量非常高，这种含硫量高的汽油燃烧后很容易产生硫化物，这种硫化物会让催化器中毒，从而导致

43、催化反应失效，这样一来GDI发动机高排放的氮氧化物无法得到还原处理。这也就是为何到目前为止，国内没有一款匹配GDI发动机的车型销售（包括进口汽车）的原因了。,第二节 发动机节能技术,对于三菱GDI发动机在排放方面的缺陷，雷诺开发出了更好的解决办法。雷诺的IDE发动机是其首次在欧洲推出的缸内直喷发动机，它使用了另一种不同的设计彻底解决了三菱GDI发动机的问题。IDE仍然采用了空气和燃油稀薄混合，但同时加大了EGR阀废气循环量。EGR是ExhaustGasRecirculation的缩写，翻译成中文就是废气再循环的意思。这项技术可以减小燃油消耗量，并且有效的降低燃烧温度这一点，就是它有效解决GDI

44、发动机排放问题的根源,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽可能多地转化成工作能量。分层燃烧模式下节气门不完全打开，保证进气管内有一定真空度（可以控制废气再循环和碳罐等装置）。这时，发动机的扭矩大小取决于喷油量，与进气量和点火提前角关系不大。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,此款发动机配备了按需控制的燃油供给系统，可变进气歧管帆板以及进气凸轮轴连续可调装置。与传统发动机相比，它能够根据需要适时、精确地将燃油直接喷入发动机气缸内并实现燃烧，从而获得低转速时大扭矩的性能（转速：1500转/分钟；扭

45、矩：250牛顿米）。而且在转速1500-4200转/分钟范围内保持大扭矩特性，这就提高了速度和加速度与档位的弹性，尤其适用中国用户低速挂高档的习惯。,第二节 发动机节能技术,节省燃油 与目前的1.8l TMPI发动机相比，1.8l TFSI发动机燃油消耗量要降低6左右。这是因为TFSI发动机拥有两大节省燃油关键要素：涡轮增压技术和燃油精确控制技术。首先，介绍一下TFSI涡轮增压燃油直喷发动机的涡轮增压技术。涡轮增压器相当于一个空气压缩机，它利用发动机排出的废气作为推动涡轮的动力，涡轮带动叶轮，将空气压缩进入汽缸，随着发动机转速的加快，空气被压缩的程度就越大，发动机的进气量也就相应得到增加，空气

46、增多，燃烧自然更彻底，排放更干净。,第二节 发动机节能技术,涡轮增压器,因此，涡轮增压器不仅可以在提供更好的燃油经济性的基础上增加发动机的输出功率，保证驾驶乐趣，还可以满足环保的要求，这是其省油的技术秘诀之一。,第二节 发动机节能技术,其次，再介绍一下燃油精确控制概念，这是其省油的另一秘诀。在此款TFSI直喷燃油发动机中，进气凸轮轴端部四边形结构的一周旋转在滚动挺杆的作用下实现了高压泵的四次往复运动，并且在油压阀和行车电脑的精确配合下，实现了不同工况不等量燃油的缸内喷射过程。燃油精确控制概念是指在高压泵进行一次往复运动的过程中，行车电脑会根据当前工况条件控制燃油控制阀适时打开和关闭燃油高压泵的

47、进口阀。,第二节 发动机节能技术,在高负载工况下，燃油控制阀会在高压泵的吸油过程结束后进行压缩过程时及早关闭高压泵的进口阀并打开出口阀，将较多的燃油通过电磁喷射阀喷射到缸内。而在低负载工况下，燃油控制阀会在高压泵的吸油过程结束后进行压缩过程时，在行车电脑的控制下保持高压泵的进口阀的开启状态和出口阀的闭合状态，将过多的燃油通过高压泵进口阀排回到从油箱来的储油管中。而在随后的进口阀闭合和出口阀开启状态下，保证缸内做功所必须的燃油还会喷射到缸内。这种受精确控制的缸内直喷必然节省大量燃油的消耗。,第二节 发动机节能技术,燃油供给系统,第二节 发动机节能技术,再次，此款发动机的电磁喷射阀所喷射的燃油是夹

48、角为50度的6股喷射流。与普通电喷阀所产生喷射流相比，喷射流形式更可控，更能减少燃油在火花塞周围的稀释。从而提高燃油的利用率。,燃油的缸内喷射,第二节 发动机节能技术,环保 EA888系列1.8l TFSI涡轮增压燃油直喷发动机排放已经达到欧4尾气排放标准。此款发动机在提供更大的输出功率和扭矩的同时，进一步提高了发动机的燃油经济性并降低排放。在2008年绿色奥运的号召下，此种高性能环保型汽油发动机必将在竞争日益激烈的国内发动机市场占有一席之地。,第二节 发动机节能技术,欧盟汽车尾气排放标准,第二节 发动机节能技术,从以上表格中可以看出对汽油发动机欧3排放标准是在2001年1月1日在欧盟国家开始实施，其标准为一氧化碳每公里排放2.3克。而欧4排放标准是在2006年1月1日在欧盟国家开始实施，其标准为一氧化碳每公里排放1克。,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,第二节 发动机节能技术,