汽车发动机新技术的论文.doc

1、1发 动 机 新 技 术 -缸 内 直 喷 式姓 名 ： 吴 山 林 学 号 ： 5902111009 班 级 ： 热 能 111近 年 来 ， 当 代 汽 车 汽 车 飞 速 发 展 ， 汽 车 新 技 术 不 断 涌 现 和 应 用 ， 带 动 汽 车 性 能 不 断改 善 。 下 面 就 现 代 缸 内 直 喷 式 汽 油 机 进 行 简 单 介 绍 。汽 油 机 的 发 展 经 历 了 100 多 年 的 漫 长 历 史 ， 其 中 具 有 里 程 碑 意 义 的 发 展 阶 段 无 不 是 以油 气 混 合 方 式 和 机 理 的 变 迁 为 标 志 的 。早 期 的 化 油 器 式

2、 汽 油 机 依 靠 化 油 器 喉 口 气 流 流 速 增 加 所 产 生 的 真 空 度 将 汽 油 吸 出 被 高速 进 气 空 气 流 雾 化 以 及 汽 油 油 滴 本 身 的 蒸 发 而 与 空 气 形 成 可 燃 混 合 汽 。 油 气 混 合 比 (空燃 比 =进 气 空 气 质 量 /燃 油 质 量 )取 决 于 化 油 器 喉 口 的 设 计 和 量 孔 直 径 ， 负 荷 的 调 节 是 由 节气 门 的 开 度 来 调 节 进 入 汽 缸 的 油 气 混 合 汽 量 来 实 现 的 ， 因 此 属 于 混 合 汽 外 部 形 成 的 量 调 节方 式 ， 且 没 有 任

3、 何 反 馈 控 制 。 由 于 汽 油 -空 气 混 合 汽 能 在 相 当 宽 的 空 燃 比 范 围 内 点 燃 ， 这种 不 太 精 确 的 控 制 对 早 期 汽 油 机 的 正 常 运 行 并 不 存 在 什 么 问 题 。但 是 ， 随 着 世 界 工 业 化 的 发 展 ， 汽 车 成 为 不 可 或 缺 的 主 要 交 通 工 具 ， 而 作 为 汽 车 主 要动 力 的 这 种 化 油 器 式 汽 油 机 废 气 中 的 有 害 成 分 (C O、 H C 和 N O X 等 )对 大 气 造 成 了 污 染 ，而 燃 烧 产 物 二 氧 化 碳 又 产 生 “温 室 效

4、应 ”导 致 全 球 气 候 变 暖 。 随 着 汽 车 数 量 的 与 日 俱 增 ，对 人 类 生 存 环 境 的 危 害 日 趋 加 剧 ， 因 此 汽 车 的 节 能 减 排 已 成 为 全 球 刻 不 容 缓 需 要 解 决 的 重要 问 题 。汽 油 缸 内 直 接 喷 射 从 油 气 混 合 机 理 上 可 以 解 决 变 工 况 (如 车 辆 加 速 时 )和 冷 启 动 时 油气 混 合 不 足 的 问 题 。 早 期 的 缸 内 直 喷 式 汽 油 机 因 喷 射 技 术 水 平 的 限 制 ， 喷 雾 油 滴 的 直 径 约为 80 m。 计 算 表 明 ， 一 滴 这

5、样 大 小 的 油 滴 在 200 空 气 中 需 要 大 约 55ms 才 能 完 全 蒸 发 。如 果 发 动 机 的 转 速 为 1500r/min 的 话 ， 这 段 时 间 相 当 于 495CA(曲 轴 转 角 )。 显 然 ， 蒸发 时 间 过 长 ， 在 这 种 情 况 下 油 气 混 合 不 能 主 要 依 靠 喷 雾 来 实 现 。 随 着 汽 油 喷 射 技 术 的 进 步 ，现 代 缸 内 直 喷 式 汽 油 机 应 用 的 汽 油 泵 的 供 油 压 力 已 达 到 5 12MPa， 又 采 用 带 旋 流 的 喷 油嘴 ， 雾 化 性 能 得 以 提 高 ， 喷 雾

6、 的 油 滴 直 径 约 为 20 m， 喷 雾 锥 角 可 达 50 100， 常 压下 的 贯 穿 度 约 为 100mm 。 此 时 一 滴 20 m 的 油 滴 在 上 述 同 样 情 况 下 仅 需 3.4 ms 或31CA 就 能 完 全 蒸 发 ， 因 而 汽 油 的 蒸 发 和 与 空 气 的 混 合 可 主 要 依 靠 喷 雾 来 实 现 ， 再 加 上 缸内 空 气 运 动 的 辅 助 ， 变 工 况 (如 车 辆 加 速 时 )和 冷 启 动 时 不 再 需 要 过 量 喷 油 ， 冷 启 动 喷 油2量 得 以 大 大 减 少 (图 1)， 有 害 物 排 放 也 将

7、大 为 降 低 。 同 时 ， 由 于 汽 油 直 接 喷 入 汽 缸 内 ， 消除 了 进 气 道 喷 射 时 形 成 壁 面 油 膜 的 弊 病 ， 特 别 是 在 发 动 机 尚 未 暖 机 的 状 态 下 ， 因 而 能 改 善变 工 况 时 对 空 燃 比 的 控 制 ， 不 但 能 改 善 车 辆 的 加 速 响 应 性 ， 而 且 还 能 降 低 此 时 的 有 害 物 排放 。此 外 ， 缸 内 直 接 喷 射 还 可 带 来 很 多 其 它 好 处 ， 从 而 有 利 于 降 低 燃 油 耗 ， 达 到 节 能 和 减 少 温 室气 体 二 氧 化 碳 排 放 的 目 标 。

8、 例 如 ： 汽 油 在 缸 内 直 接 喷 射 时 油 滴 主 要 依 靠 从 缸 内 空 气 中 吸 热 而 非 从壁 面 吸 热 ， 因 而 能 使 混 合 汽 的 温 度 降 低 和 体 积 减 小 ， 从 而 有 利 于 提 高 充 气 效 率 ， 降 低 爆 震 倾 向 和提 高 压 缩 比 。 计 算 表 明 ， 在 汽 油 油 滴 蒸 发 完 全 依 靠 从 空 气 中 吸 热 或 者 完 全 依 靠 从 壁 面 吸 热 这 两 种极 端 情 况 下 ， 缸 内 混 合 汽 的 体 积 在 空 燃 比 为 12.5 时 将 相 差 大 约 7 ， 而 混 合 汽 的 温 度 在

9、 上 止 点 前 将相 差 大 约 50 。 因 此 ， 与 进 气 道 喷 射 汽 油 机 相 比 ， 缸 内 直 喷 式 汽 油 机 的 充 气 效 率 提 高 了10 ， 同 时爆 震 倾 向 也 大 为 降 低 ， 表 现 在 受 爆 震 限 制 的 点 火 时 刻 可 提 前 若 干 曲 轴 转 角 ， 因 而 压 缩 比 可 提 高1.5 2， 有 利 于 提 高 汽 油 机 的 热 效 率 ， 降 低 燃 油 耗 (约 2%)。 特 别 是 有 利 于 汽 油 机 采 用 增 压 ， 并 应 用较 高 的 压 缩 比 ， 克 服 了 由 于 增 压 汽 油 机 压 缩 比 较 小

10、 而 对 部 分 负 荷 燃 油 耗 所 带 来 的 不 利 影 响 ， 同 时提 高 了 增 压 汽 油 机 在 2500r/min 以 下 低 转 速 范 围 内 的 增 压 压 力 ， 1200r/min 时 的 扭 矩 能 够 提 高 25%，大 大 改 善 汽 油 机 的 低 速 扭 矩 特 性 和 车 辆 的 行 驶 性 能 。 此 外 ， 由 于 汽 油 直 接 喷 入 汽 缸 内 ， 可 实 现 稀薄 混 合 汽 分 层 燃 烧 ， 使 得 低 负 荷 工 况 时 的 空 燃 比 可 提 高 到 40 以 上 ， 从 而 无 需 关 小 节 气 门 来 限 制 进 气量 ， 采

11、 用 像 柴 油 机 那 样 的 质 调 节 方 式 ， 基 本 上 避 免 了 发 动 机 在 换 气 过 程 中 的 泵 气 损 失 ， 有 利 于 降低 燃 油 耗 。 同 时 ， 在 高 空 燃 比 情 况 下 ， 由 于 混 合 汽 物 性 的 改 变 、 绝 热 指 数 的 增 加 以 及 混 合 汽 分 层3致 使 热 损 失 减 少 ， 使 得 发 动 机 的 热 效 率 进 一 步 提 高 。 由 于 汽 车 发 动 机 经 常 在 低 负 荷 工 况 下 运 行 ，因 此分 层 混 合 汽 燃 烧 的 直 喷 式 汽 油 机 可 使 平 均 燃 油 耗 降 低 15 20

12、。 在 欧 洲 机 动 车 排 放 组 合 循 环 (MVEG)行驶 试 验 中 ， 其 燃 油 耗 明 显 低 于 进 气 道 喷 射 汽 油 机 已 达 到 了 相 当 于 非 直 喷 式 柴 油 机 的 燃 油耗 水 平 (图 2)。图 3 示 出 了 现 代 汽 油 机 各 种 技 术 改 进 措 施 的 节 油 潜 力 。 可 以 清 楚 地 看 出 ， 作 为 单 一 措施 汽 油 缸 内 直 接 喷 射 蕴 藏 着 最 大 的 节 油 (即 降 低 CO2 排 放 量 )的 潜 力 。 这 种 效 果 一 方 面 是由 于 发 动 机 的 无 节 流 运 行 降 低 了 换 气

13、损 失 ， 另 一 方 面 由 于 充 量 分 层 运 行 ， 燃 烧 在 燃 烧 室 中央 进 行 ， 周 围 有 隔 热 的 空 气 层 而 减 少 了 壁 面 热 损 失 ， 同 时 全 负 荷 时 的 爆 震 倾 向 降 低 ， 因 而4发 动 机 能 够 以 较 高 的 压 缩 比 运 行 。 这 些 措 施 在 发 动 机 整 个 特 性 曲 线 场 范 围 内 对 燃 油 耗 都 起到 了 有 利 的 作 用 。 而 燃 烧 室 内 的 充 量 运 动 也 使 得 在 以 化 学 计 量 比 混 合 汽 运 转 的 范 围 内 具 有较 高 的 EGR 兼 容 性 ， 因 而 在

14、 该 运 转 范 围 内 也 能 够 获 得 节 油 效 果 。综 上 所 述 ， 无 论 是 从 节 能 和 减 排 的 角 度 ， 还 是 从 提 高 汽 油 机 动 力 性 能 的 角 度 来 看 ， 现代 缸 内 直 喷 式 汽 油 机 在 进 气 道 喷 射 技 术 的 基 础 上 ， 又 将 汽 油 机 技 术 向 前 推 进 了 一 大 步 ， 从而 成 为 世 界 汽 油 机 发 展 历 史 上 又 一 个 重 要 的 里 程 碑 ， 不 言 而 喻 同 样 是 我 国 汽 车 汽 油 机 的 重要 的 发 展 方 向 。以 上 海 大 众 EA888 发 动 机 为 例 ，

15、说 起 EA888， 可 谓 大 众 的 明 星 发 动 机 。 大 众 在 中 国一 直 以 来 背 负 着 “桑 塔 纳 发 动 机 用 30 年 ”的 王 八 壳 子 ， 就 是 EA888 给 揭 掉 的 。 先 进 的 直喷 涡 轮 增 压 技 术 ， 全 球 最 佳 发 动 机 的 头 衔 让 大 众 从 一 干 自 然 吸 气 引 擎 （ NA 机 ） 中 脱 颖 而出 ， 扬 眉 吐 气 。 值 得 一 提 的 是 ， 在 外 国 大 众 汽 车 中 搭 载 的 EA888 引 擎 还 带 有 稀 燃 技 术 以进 步 降 低 油 耗 ， 但 在 引 入 中 国 后 被 大 众

16、 阉 割 。 EA888 的 身 上 具 备 了 多 种 大 众 潜 心 研 究 多 年的 核 心 高 科 技 ， 其 核 心 的 核 心 就 是 缸 内 直 喷 技 术 。 普 通 自 然 进 气 发 动 机 ， 燃 料 和 空 气 的 预混 合 是 在 进 气 歧 管 内 的 ， 油 压 （ 汽 油 ） 只 有 3bar 左 右 。 等 到 活 塞 冲 程 下 行 吸 气 ， 预 混 合的 混 合 气 进 一 步 混 合 ， 在 燃 烧 室 的 高 温 下 进 一 步 雾 化 ， 以 达 到 更 好 的 空 混 比 ， 最 后 被 火 花塞 引 燃 推 动 活 塞 。 这 样 产 生 的

17、油 气 混 合 物 的 浓 度 ， 气 缸 各 个 不 同 部 位 的 油 气 混 合 比 很 难 做到 精 确 的 控 制 ， 燃 烧 效 率 无 法 提 高 的 很 多 。 而 缸 内 直 喷 顾 名 思 义 就 是 把 燃 油 以 极 高 的 压 力使 其 雾 化 喷 入 缸 内 ， 它 不 同 于 自 然 吸 气 发 动 机 ， 将 汽 油 直 接 喷 入 缸 内 ， 这 里 没 有 进 气 道 的预 混 合 ， 且 进 气 压 力 比 非 涡 轮 的 要 大 ， 能 达 到 更 精 确 的 混 合 比 ， 更 好 的 控 制 气 缸 内 的 混 合物 的 浓 度 和 分 布 ， 提

18、高 燃 油 效 率 和 扭 矩 。 但 是 普 通 油 泵 3bar 喷 油 压 力 是 无 法 直 接 喷 入 缸内 的 ， 就 算 喷 进 去 ， 也 来 不 及 混 合 无 法 点 燃 ， 换 句 话 说 就 是 无 法 工 作 的 。 这 中 间 就 需 要 一个 特 殊 的 部 件 共 轨 高 压 油 泵 。 所 谓 高 压 油 泵 主 要 的 作 用 就 是 产 生 高 压 油 ； 采 用 三 个 径向 布 置 的 柱 塞 泵 油 元 件 产 生 高 压 油 。 低 压 燃 油 泵 （ 3-6bar)将 燃 油 输 入 高 压 油 泵 ， 高 压 油泵 将 燃 油 加 压 至 10

19、0-150bar 送 入 高 压 油 轨 ， 最 后 由 共 轨 油 嘴 喷 入 气 缸 ， 完 成 一 个 燃 料 的传 递 和 加 压 工 作 ， 根 据 大 众 EA888 引 擎 官 方 设 计 文 档 ， 高 压 共 轨 泵 的 正 常 工 作 压 力 为725.1 psi (50 个 大 气 压 ) 到 2175.5psi (150 个 大 气 压 )， 极 限 承 压 200 个 大 气 压 ！ 事实 上 ， 最 早 把 燃 油 加 压 喷 入 ， 以 获 得 油 气 混 合 物 实 现 充 分 燃 烧 的 设 计 ， 并 非 出 现 在 汽 车 上 。而 是 来 自 于 美 国

20、 波 音 公 司 幻 影 工 作 室 这 个 专 为 国 防 部 设 计 炸 弹 的 工 作 室 发 现 ， 普 通炸 药 之 所 以 威 力 总 比 设 计 时 候 的 小 ， 原 因 就 在 于 炸 药 无 法 和 空 气 充 分 燃 烧 。 如 果 在 炸 弹 爆炸 瞬 间 ， 先 释 放 出 高 压 油 气 混 合 物 （ 被 称 作 云 爆 剂 ） ， 再 点 燃 ， 那 就 就 能 获 得 比 常 规 武 器威 力 大 得 多 的 炸 弹 。 1 公 斤 云 爆 剂 就 相 当 于 3.2 公 斤 TNT 炸 药 的 威 力 。 根 据 这 一 原 理 ，美 军 设 计 出 了 被

21、 称 作 炸 弹 之 母 (MOAB)的 “掩 体 粉 碎 机 ”云 爆 弹 。 1991 年 2 月 13 日 下 午54 点 ， 伊 拉 克 巴 格 达 阿 米 里 亚 防 空 洞 。 幻 影 工 作 室 设 计 的 “掩 体 粉 碎 机 ”穿 透 几 十 米 的地 面 和 钢 筋 水 泥 墙 体 ， 将 防 空 洞 炸 出 一 个 大 洞 ， 火 光 伴 着 爆 炸 产 生 的 巨 大 压 力 把 人 体 撕 成碎 片 甩 到 墙 壁 上 。 五 分 钟 后 ， 第 二 颗 “掩 体 粉 碎 机 ”从 炸 开 的 大 洞 直 接 钻 进 防 空 洞 内 ，剧 烈 的 爆 炸 产 生 冲

22、天 大 火 ， 将 烧 焦 的 尸 体 在 墙 壁 上 形 成 人 形 图 案 。 大 火 造 成 4500 度 的高 温 ， 转 眼 间 把 没 炸 死 的 老 人 、 孩 子 烧 成 灰 烬 。 防 空 洞 的 自 动 灭 火 装 置 自 行 启 动 ， 喷 出 了高 压 水 龙 ， 大 水 瞬 间 被 高 温 加 热 至 沸 腾 ， 将 防 空 洞 下 一 层 受 伤 的 人 全 部 烫 死 。既 然 油 气 混 合 物 能 有 如 此 惊 人 的 杀 伤 力 ， 那 在 汽 车 上 引 入 显 然 也 会 获 得 更 高 的 动 力 和 更 省油 的 表 现 。 根 据 云 爆 弹 原

23、 理 ， 大 众 为 高 压 泵 设 计 了 一 个 非 常 精 巧 的 结 构 ， 通 过 进 气 阀 的 凸轮 轴 来 为 油 泵 提 供 动 力 ， 这 样 很 好 的 解 决 了 油 泵 和 进 气 阀 之 间 的 正 时 问 题 ， 也 提 高 了 燃 油效 率 ； 同 时 作 为 一 个 纯 机 械 的 结 构 ， 这 个 高 压 泵 具 备 了 非 常 高 的 可 靠 性 ， 大 众 （ 博 世 ） 甚至 还 设 计 了 一 个 内 部 保 护 回 路 防 止 油 压 过 高 。 可 惜 的 是 ， 大 众 和 博 世 的 设 计 尽 管 确 保 了 机械 自 身 的 可 靠 性

24、 ， 但 高 压 燃 油 轨 (Rail)里 的 高 压 燃 料 是 无 法 保 护 的 ， 为 了 保 证 发 动 机 运 转的 顺 畅 性 ， 燃 油 轨 中 必 须 保 持 一 定 的 压 力 。 这 个 在 平 时 是 没 有 问 题 的 ， 问 题 就 出 在 了 碰 撞上 。 当 发 动 机 受 到 巨 大 的 外 力 撞 击 时 ， 位 于 发 动 机 前 部 的 高 压 共 轨 喷 射 系 统 就 成 了 发 动 机首 先 受 到 撞 击 的 部 分 。未 来 汽 车 设 计 的 发 展 必 然 随 着 汽 车 技 术 的 进 步 而 日 新 月 异 ， 众 多 设 计 师 的 艺 术 风 格 也会 更 广 泛 更 强 烈 地 体 现 在 汽 车 设 计 之 中 ， 而 给 予 人 们 更 加 广 泛 的 选 择 。 高 科 技 下 ， 个 性 鲜明 、 更 加 人 性 化 的 汽 车 将 是 21 世 纪 汽 车 产 业 发 展 的 必 然 ， 因 为 它 符 合 人 类 对 文 化 、 个 性的 追 求 和 需 要 。 因 此 ， 加 大 对 概 念 汽 车 的 设 计 的 重 视 和 投 入 ， 将 对 我 国 汽 车 产 业 的 发 展 起到 极 大 的 推 进 作 用 。