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汽车 节能 技术
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汽车节能技术 Automobile Energy Density Technology第二章 汽车的节能技术 ?o 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 ?o 影响汽车燃油经济性的因素主要有两个方面:汽 车使用方面和汽车结构方面。 一 、 使 用 方 面 o ?(一)正确的技术保养与调整首先对发动机要保持良好的技术状况。对供 油系进行保养与检查,防止漏油等;要及时清除 燃烧室、活塞、进气管上的胶质与积碳;要保持 发动机冷却系的正常温度;保持汽缸的压力。在汽车底盘方面,要加强对各总成的保养与 调整,以保持适当的滑行能力,减少燃油消耗。o ?(二)驾驶操作技术 首先应该正确选用行车速度。 第二,在道路上行车,汽车使用不同的档 位行驶,耗油是不一样的。最经济的驾驶 方法是高档的行驶可能性未用尽前,不应 换低档。换档要块,动作迅速。 第三,踩油门要轻,缓慢加油。o 汽车在接近于低速的中等车速行驶时燃油消耗量 最低;高速时随车速的增加百公里燃油消耗量迅 速加大,这是因为高速行驶时,虽然发动机的负 荷率较高,但汽车的行驶阻力增加很多而导致百 公里燃油消耗量增加的缘故。同时,汽车在行驶 时,挡位选择也很重要。在一定道路上,汽车用 不同的挡位行驶,燃油消耗量是不一样的。在同 一道路条件与车速下,虽然发动机发出的功率相 同,但挡位越低,后备功率越大,发动机的负荷 率越低,燃油消耗率越高,百公里燃油消耗量越 大,而使用高挡时的情况则相反。另外,汽车的 调整与保养也会影响到发动机的性能与汽车行驶 阻力,所以对百公里油耗有相当影响。o 二、汽车结构方面 o (一)汽车尺寸和质量 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%。 ?(二)发动机 影响的因素主要有压缩比、燃料供给、功率利用 率等。 活塞式内燃机的理想循环 为便于分析内燃机的实际工作过程,将内燃机的某 个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个 可逆过程,这样得到的一个闭合循环,称为理想 循环。理想化的原则及方法:1、工质所经历的状态变化为一闭合循环;2、循环中工质的数量和化学成分始终不变;3、组成各循环的过程都是可逆的;4、工质的比热为定值。一、内燃机的理想循环 实际工作过程: ? 汽油机的理想循环: 容加热循环 ? 低速柴油机的理想循环: 等压加热循环 ? 高速柴油机的理想循环: 混合加热循环2、汽油机的理想循环--等容加热循环 o 1-2的压缩过程 o ?绝热压缩; o 2-3的燃烧过程 o ?等容加热; o 3-4的膨胀过程 o ?绝热膨胀; o 4-1的排气过程 o ?等容放热。3、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。 o 混合加热循环的热效率: ? ? ? ? ? ? 1 1 1 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? k k k t ε=V1/V2--压缩比,λ=P3/P2 -压力升高比, ρ=V4/V3 -预胀比,k--绝热指数.压缩比的影响 o 压缩比对上述三种理想循环的影响是相同 的。 o 由热效率的公式: o ? ε ?,ηT ?。 当压缩比较小时, 热效率随压缩比 的增加显着增大; 当压缩比较大时, 热效率随压缩比的增加增大较少。o (三)传动系 取决于传动系效率、变速器档数与传动比。 传动系效率越高,变速器档数越多, 传动 比越小,汽车的燃油经济性越好。o (四)汽车外形与轮胎改善车身流线,降低空气阻力系数, 都可以提高燃油经济性。现在公认的子午胎的耐磨性、动力性、 经济性等综合性能最好,与一般的斜交轮 胎相比,燃油经济性好。o 因此,汽车节油是一个大的系统工程,它包括车 辆技术、辅助设施与维修、汽车运用等多个方面。 在车辆技术方面,要想节油,必须提高汽车的 行驶效率,这就需要减小行驶阻力。这涉及到车 身形状、改善通用件结构,以及改进轮胎;而车 身的轻型化已经是国际通行的趋势。提高的发动 机性能,也能有效的节油,这就需要对现有的发 动机进行改进,提高发动机的热效率,降低运转 部件的摩擦损失和驱动辅机的损失;同时,开发 替代的发动机和合理利用能源也很重要,如开发 燃料电池车、利用氢能开发氢气发动机、改良蓄 电池和电动车技术等。o 在与汽车相关的辅助设施及维修方面,改 善道路设施与公路结构最优化很重要。而 改进汽车传统的检修方式,用计算机诊断 系统达到汽车的修理合理化和检查修理方 式合理化,对于汽车有效地提高燃烧效率 很有帮助。同时,汽车维修设备质量的高 低、修理技术水平的好坏也会对汽车油耗 产生直接的影响。 o 在汽车使用环节,节油的途径与措施主要 有两个方面。 o ? ? ? 一是改良汽车运行的线路结构。比如, 公共汽车、载货车行驶线路的最佳化无疑 会达到节油的目的。这就需要统一调配协 调运输,建立完善的信息流动系统;有效 的利用运输能力,对回程车予以有效利用 等。而改善汽车的运输方式、对运输进行 集中管理和控制也会提高汽车的使用效率, 从而达到节油的目的。 o 二是交通流量力求最佳化。可以通过信号 的控制径路引导和车辆上装载的指示系统, 来改善城市交通管理;也可以通过开发城 市双层公共汽车、特定需要的公共汽车, 来改善城市的交通系统,从而提高城市的 出行效率、节约油耗。 第二节 ?发动机节能技术 ?o 发动机对汽车燃油经济性的影响主要有以下 方面: o 一是发动机的结构。发动机的油耗对汽车的 油耗有决定性的影响,而发动机的油耗决定 于发动机的结构。发动机的压缩比高、有完 善的供油系统及合理的燃烧室形状,采用电 子点火系统等都能降低发动机的比油耗。o ? ? ? ?二是发动机的种类。柴油机由于压缩 比比汽油机要高得多,因此柴油机比汽油 机的油耗要低得多。试验和使用证明,一 般装备柴油发动机的轿车比装备汽油发动 机的轿车节油18%左右,柴油发动机载货 汽车比汽油发动机载货汽车节油30%左右。o ? ? ? ? 目前世界各国正在积极推行轻型货车 和轿车的柴油化进程,在总质量为2t~5t的 载货汽车中,德国有95%左右已用柴油机, 日本约为90%。三是发动机的负荷率。发 动机的比油耗随发动机的负荷变化而变化。 在负荷率约为80%~90%时比油耗最低, 低负荷和全负荷时比油耗都将增加。空燃比与节能 o 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%、空燃比为1.05:1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,1:1为标准浓度混合气, 大于1的为偏稀,小于1偏浓。 o 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。 o ? 1、 进气系统的故障,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。 o ? 2、 点火系统的故障比如火花塞有积碳。 o ? 3、 油路故障,比如喷油嘴脏了,供油系统 有问题等。 o ? o ? ? ? ?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 子。 o ? ? ? ?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。 o ? o ? ? ? ?说到发动机与油耗的关系,这里必须澄清一 个问题,有的人往往把油耗的大小与发动机的排 量联系在一起,认为大排量的发动机的油耗会大 于小排量的发动机。这是纯粹是一种想当然。大 车和小车相比油耗相对较大主要是整车质量上的 问题而不是发动机的原因,可以想象把广本2.4的 发动机装在QQ上,那么这款新QQ的油耗不会差 很多,但开一起来一定非常过瘾。但是整量QQ 的造价还不如广本的一个发动机,因此这种假设 不会成为现实。o 如果一辆汽车,发动机完全工作正常,有 什么方法能够进一步节省油耗?可以从两 个大的地方动手,一是进排气系统,二是 改善油品…… 发动机负荷率与节能 o ? ? ? ?发动机的节能途径可以归纳为以下两大类: o ? ? ? ?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)。o ? ? ? ?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TDI柴油机的万有 特性曲线可见: o ? ? ? ?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; o ? ? ? ?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;o ? ? ? ?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; o ? ? ? ?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%; o ? ? ? ?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; o ? ? ? ?一般来说,提高发动机负荷率可以提高燃油 经济性。o ? ? ? ?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,所以後者装备的发动 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。o ? ? ? ?要解决豪华型轿车在低工况下的燃油 经济性问题,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。下面讨论发动 机通过提高负荷率降低比油耗的节能途径。 2.2.3稀燃技术 ?o 什么叫稀燃? o 顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低,汽 油与空气之比可达1:25以上。 其实,在20多年 前就已经有人在研究稀燃技术。面对21世纪70年 代初欧美国家的排放规定以及石油危机引起的降 低油耗的需求,人们探索了由稀混合气运行,用 氧化催化剂净化排气的方法,采用了一种带副燃 烧室的发动机。 这种由丰田及本田公司发明的燃 烧方式由于从副燃烧室喷出火焰会造成热能损失, 稀混合气发动机改进对油耗的效果不明显。 o 从那以后,随着进气口的改进,气缸内旋 涡生成技术的进步,由通用、福特、丰田、 本田、日产等汽车公司先后搞成的开口式 燃烧室可以形成比带副燃烧室还好的稀薄 混合气燃烧,并且随着进气口燃料喷射技 术的发展和稀混合气传感器技术的开发, 精密控制空燃比已成为可能。80年代中期, 丰田正式使稀混合气发动机(T-LCS) 产品化,三菱、本田也相继将其产品实行 产品化。 o 进入90年代,三菱汽车公司研制出来的缸 内直喷技术使稀燃技术又进了一步。目前, 各大公司都拥有自己的稀燃技术,其共同 点都是利用缸内涡流运动,使聚集在火花 塞附近的混合气最浓,先被点燃后迅速向 外层推进燃烧,并有较高的压缩比。 o 比较着名的三菱缸内喷注汽油机(GDI), 可令混合比达到40:1。它采用立式吸气口 方式,从气缸盖的上方吸气的独特方式产 生强大的下沉气流。这种下沉气流在弯曲 顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵 向涡旋转流。在高压旋转喷注器的作用下, 压缩过程后期被直接喷注进气缸内的燃料 形成浓密的喷雾,喷雾在弯曲顶面活塞的 顶面空间中不是扩散而是气化。 o 这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近,在 火花塞四周形成较浓的层状混和状态。这种混合 状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄,但由于呈现 从浓厚到稀薄的层状分布,因此能保证点火并实 现稳定燃烧。 ?o ? ?大众的直喷汽油发动机(FSI),则是采用 了一个高压泵,汽油通过一个分流轨道(共轨) 到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进 气道中已经产生可变涡流,使进气流形成最佳的 涡流形态进入燃烧室内,以分层填充的方式推动, 使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。 FSI直喷技术详解 o ? ?FSI是Fuel Stratified Injection的词头缩写, 意指燃油分层喷射。燃油分层喷射技术是 发动机稀燃技术的一种。什么叫稀燃?顾 名思义就是发动机混合气中的汽油含量低, 汽油与空气之比可达1:25以上。o 大众FSI发动机利用一个高压泵,使汽油通过一 个分流轨道(共轨)到达电磁控制的高压喷射气 门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流, 使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内,以 分层填充的方式推动,使混合气体集中在位于燃 烧室中央的火花塞周围。如果稀燃技术的混合比 达到25:1以上,按照常规是无法点燃的,因此 必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空 气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气, 混合比达到12:1左右,外层逐渐稀薄。浓混合 气点燃后,燃烧迅速波及外层。 o FSI特点是:能够降低泵吸损失,在低负荷 时确保低油耗,但需要增加特殊催化转换 器以有效净化处理排放气体。下面分别详 细阐述: o FSI发动机按照发动机负荷工况,基本上可 以自动选择2种运行模式。在低负荷时为分 层稀薄燃烧,在高负荷时则为均质理论空 燃比(14.6-14.7)燃烧。在这两种运行模 式中,燃料的喷射时间有所不同,真空作 动的开关阀进行开启/关闭。在高负荷中所 进行的均质理论空燃比燃烧中,燃油则是 在进气冲程中喷射。 o 理论空燃比的均质混合气易于燃烧,不必借助涡 流作用,因此,由于进气阻力减少,开关阀打开。 而在全负荷以外,进行废气再循环,限制泵吸损 失,由于直喷化而使压缩比提高到12.1,即使在 均质理论空燃烧比混合气燃烧中,仍能降低燃油 耗。进一步说,在FSI发动机中,在低负荷与高 负荷之间,作为第三运行模式而设定均质稀薄燃 烧,在这种运行模式中,燃油在进气冲程喷射, 并且由于产生加速稀薄混合气燃烧的纵涡流,开 关阀被关闭。这时,阻碍燃烧的废气再循环 (EGR)暂不进行。与均质理论空燃比燃烧不同 的是,吸入空气量超过燃油的喷射量。 o 如上所述,根据FSI发动机运转状态,在分层稀 薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中,空燃比连 续变化。因此,三效催化转化器不能够净化排放 气体中的NOx。这是因为三效催化转化器要利用 排气中的HC或CO进行NOx还原反应的缘故。在 稀薄燃烧中,在排放气体中残留很多氧气,不能 进行NOx还原反应。为了使NOx吸储型催化剂获 得高效功能,其温度必须保持在250-500℃范围 内。当超过这一温度范围发动机会自动转换到均 质理论空燃比燃烧,并通过三效催化转化器进行 废气处理。 o 然而这又与燃油经济性下降相关,为此,必须增 加废气冷却装置。利用这种冷却装置,排放气体 通过NOx吸储型催化转化而被冷却,由于稀薄燃 烧的范围宽,催化转化器的寿命也延长。然而, NOx吸储型催化转化器会受到硫侵蚀而中毒,所 以必须把汽油中的含硫量尽量降低到最少。但是, 如前所述,含硫低的汽油不是到处能供应的。大 众汽车公司采取的措施是,把催化剂反应温度提 高到650°以上,从而把附着在催化剂上的硫通 过燃烧而加以消除。 o 在高速行驶时,能够保持这样高的催化剂 温度,但是,在城市内行驶时则催化剂温 度下降,就不能烧除附着在催化剂的硫。 为此,通过NOx传感器监视硫附着在催化 剂上的程度,根据监测情况提高排放气体 的温度。作为其措施,一般采用点火正时 延迟,尽管这样做会引起燃油经济性恶化, 但是为了净化处理NOx,这是不得已而为 之。 o 本田最新的VTEC发动机也将采用稀燃技术。这 款取名为VTEC-i 2.0升发动机将比一般本田发 动机省油20%,其特点是将VTEC技术与稀燃技 术相结合,也是当低转速时令其中一组进气门关 闭,在燃烧室内形成一道稀薄的混合气体涡流, 层状分布集结在火花塞周围作点燃引爆,从而起 到稀薄燃烧作用。 ?o ? ?综上所述,汽车汽油发动机实现稀燃的关键 技术归纳起来有以下三个主要方面: 低转时,矮凸轮顶开一个气门 一、提高压缩比 o ? ?采用紧凑型燃烧室,通过进气口位置 改进使缸内形成较强的空气运动旋流,提 高气流速度;将火花塞置于燃烧室中央, 缩短点火距离;提高压缩比至13:1左右, 促使燃烧速度加快。二、分层燃烧 o如果稀燃技术的混合比达到25:1以上,按 照常规是无法点燃的,因此必须采用由浓至稀的 分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周 围形成易于点火的浓混合气,混合比达到12:1 左右,外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后,燃烧迅 速波及外层。 o ? ?为了提高燃烧的稳定性,降低氮氧化物 (NOx),现在采用燃油喷射定时与分段喷射技 术,即将喷油分成两个阶段,进气初期喷油,燃 油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布,进气 后期喷油,浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四 周被点燃,实现分层燃烧。三、高能点火 o高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成, 火焰传播距离缩短,燃烧速度增快,稀燃极限大。 有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装 置来达到上述目的。 o ? ?以上三点只是对整体汽油发动机稀燃技术 而言,具体到某种机型会有所偏重。因为各种汽 油发动机稀燃方式的技术措施不完全一样,甚至 同一部发动机在不同的工况下稀燃方式也会不完 全一样。有些着重缸内气流运动及燃油分布的配 合,重点在分层燃烧。有些着重加大点火能量、 增快火焰传播速度和缩短火焰传播距离,重点在 高能点火。宝马开发喷雾引导直喷自然吸气直6 稀薄燃烧发动机 ?o 德国宝马日前宣布开发成功了采用压电喷 射阀的喷雾引导(Spray-guided)式直喷直 列6缸稀薄燃烧发动机,并表示今后将阶段 性地扩大配备车型及其市场。与原来的进 气口喷射发动机相比,在最大输出功率略 有提高的同时,可将燃效改善10%。 o 喷雾引导方式与先前发表的涡轮发动机一样,均 在燃烧室的顶部配置压电式喷射阀,在其旁边的 排气阀一侧设置点火火花塞。压电式喷射阀具有 喷射压力及响应性高的特点,在吸气及压缩行程 中以最大20MPa(200个大气压)的压力最多喷 射3次燃料。分3次喷射燃料的原因是:第1次是 为了降低吸气温度、提高填充效率,第2次是为 了呈圆锥状形成燃料区,而第3次则是为了在点 火火花塞附近形成易于点燃的浓燃料区。 o 涡轮发动机的压缩比为10.2,而新发动机 则从原型发动机的10.7大幅提高到了12。 这一数值与戴姆勒·克莱斯勒在同一届日内 瓦车展上发表的“CLS350 CGI”配备的喷雾 引导式直喷稀薄燃烧发动机的12.2大体相 近。 o 配备的催化剂为NOx吸附还原催化剂。 NOx吸附还原催化剂在燃料中的硫磺浓度 较高时,就会吸附SOx(硫磺氧化物), 性能容易变差。而新发动机虽然燃效改善 效果不大,不过由于在催化剂中大量添加 了HC(碳化氢),在输送排气时增加了催 化剂的再生次数,从而也可支持硫磺浓度 较高的汽油。o 图1:采用压电喷射阀的喷雾引导式直喷直列6缸稀薄燃 烧发动机图2:喷射系统及点火系、排气系o ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?图3:缸头、气 缸体的分解样品 汽油机缸内直喷作为新技术有着美 好的前景 o ? ?缸内直喷所宣扬的是通过均匀燃烧和分层燃烧 实现了高负荷、尤其是低负荷下的燃油消耗降低, 动力还有很大提升。在部分负荷时具有的巨大节 油作用体现在市内走走停停的交通状况下是多么 诱人。今天各大公司已经把目光锁定在了直喷如 博世公司开发了Motronic MED7汽油直喷系统, 奥迪公司开发了FSI系统,奔驰开发了CGI系统, 菲亚特则开发了JTS系统虽然名字不同但它们都 代表了汽油缸内直喷。o 奥迪第一款作为量产车匹配直喷发动机的车型是 2002年3月在日内瓦车展展出的A2 1.6FSI。接下 来是奥迪A4匹配了110kW 2.0L FSI发动机有别于 老A4使用了单柱塞高压油泵,4气门替代了5气门, 显然是为了在燃烧室安装汽油喷嘴节省地方。A4 ?2.0 FSI最大扭矩200Nm出现在3250-4250rpm,0 到100km/h的加速时间是9.6秒,最高时速 218km/h。百公里综合油耗7.1L。o 在2002年底奔驰也上市了配有1.8L CGI汽油缸内 直喷发动机的C级轿车即C200CGI。峰值功率是 125kW,扭矩比上一代增加了15%.当发动机转 速只有1500rpm时即可输出扭矩的75%在3000rpm 时输出最高扭矩250Nm并持续到4500rpm。与相 同排量C级车相比节油超过19%综合油耗是 7.8L/100km排放达到欧Ⅳ。0到100km/h的加速时 间是9.0秒,最高时速222km/h。与C200CGI有着 相同排量的C180KO MPRESSOR峰值功率是 105kW最高扭矩220Nm/2500rpm, 0到l00km/h的加 速时间是9.7秒最高时速222km/h,综合油耗 8.2L/100km。从以上数值就可以看出这2款发动 机的差距了。2.2.8 可变配气技术 ?o 简单的说。车子的发动机有两个最重要的 内容:1。低转速扭矩。2。高转速功率。 现在不说其他的,只说进气系统。 ?车子在刚起步时和急加速超车时,要感觉 到有力和爽,就要有扭矩。而车子最高速 度快不快,这是关系到高速功率的问题。 o 现在问题回来了,在车子其他配置不变的 情况下,如果用又细又长的进气岐管的话, 在发动机低速的情况下,可以增加进气的 气流速度和气压强度,并使得汽油得以更 好的雾化,燃烧的更好。{就像我们如果要 水管里的水流有力的话,就把水管捏的扁 一点是一样的道理}。 o 相反,这样的配置也有缺点,就是当发动 机拉到高速时,由于岐管太细,在单位时 间里的进气量不够用了,结果就是转速拉 不上去,导致车子高速跑不出来。这时就 需要岐管又粗又短,这样才能吸入更多的 气。 ?为了让发动机又有低速扭矩,又能拉得出 高速,现在的车子大多配备可变岐管或双 岐管。 o 双岐管为化油器(电喷)和缸头进气口之 间有两根岐管连接,一根粗短直一根细长 弯(细长的大都带有弯曲度),用可变阀 门控制(就像人咽喉里的气道和食道一 样)。平时气走细管,当转速达到一定高 度时,阀门自动关闭,气改走粗管。 ?可变岐管看起来是一根,其实是细管套在 粗管里。结构不同,原理一样。o 通常的可变长度进气歧管都是两阶段或三 阶段式的,而745i V8上使用的系统则能够 在215mm到607mm之间连续改变进气歧管 长度。奥迪A4发动机 ?o 可变长度进气歧管 o ? 燃烧所必须的空气通过进气歧管进入汽缸。 o ? 较长的进气歧管使发动机在低转速下获得较 大的扭矩。但在高转速下却会出现较低的最大输 出功率。 o ? 较短的进气歧管却正相反,发动机在低转速 下获得较小的扭矩,但在高转速下却会出现较高 的最大输出功率。 o ? 通过双级可变进气歧管,可以保证在相应的 转速范围内具有有效长度。 o ? 在保证在较大的转速范围内,不但具有较大 的扭矩的同时,在高转速区具有较高的最大输出 功率。可变配气正时o 由于混合气体本身的质量,使它也存在一定的惯 性。当活塞运动到排气终了的上止点时,理应在 这个时候打开进气门,通过马上到来的活塞进气 行程产生的负压来吸气,由于混合气存在一定惯 性,如果此时才打开进气门那么还需要一个时间 给进气支管中的混合气加速,在这个时间内,混 合气是不能进入到汽缸中的,所以这就浪费了一 段活塞的行程,如果在排气终了活塞到达上止点 之前进气门就打开了,那么就争取了混合气因为 加速而浪费掉的时间,可以充分利用进气冲程时 活塞向下运动的全部行程吸气,这样效率更高 o 同样的道理当活塞到达进气冲程下止点时理论上 应该要关闭进气门了,但由于混合气体的惯性, 此时仍然能够进气,也就是说混合气体仍然在进 入汽缸,这个过程虽然只有一瞬间,但是不容忽 视,如果在活塞刚好达到下止点的时候关闭了进 气门,那么势必会有一部分混合气体进入不到汽 缸中,造成功率下降,发动机工作效率减低,所 以此时进气门必须延时关闭才能保证混合气体尽 可能的进入到汽缸中来。排气冲程也是一样的道 理。 o 所以必须在设计凸轮轴转角时考虑到这一点,给 它设计一个进排气提前和延时的角度,这个角度 统称为配气相位角,也叫配气正时角。有人肯定 会有疑问,如果像这样进排气门都设置提前和延 时角的话,那势必会让进气门和排气门有一个同 时开启的瞬间?那么在压缩和做功的时候不会漏 气吗?其实在气体质量惯性的作用下压缩和做功 也是有一定迟滞的,只要配气相位角时间配合得 好,就不会影响到压缩和做功。(如下图)是传 统发动机配气相位角的设置方法。o2.2.9分缸断油和可切换液压挺杆分缸断油策略,就是在低工况下切断 发动机一部分气缸的燃油供应,其馀各缸 就会大幅度提高其负荷率,工作在经济性 和排放都大为改善的工况区域。一旦这几 个工作气缸已不能满足功率要求时,断油 的气缸便恢复供油并点火工作。这种工作 方式称为分缸断油。o ? ? ? ?最简单的模式是,断油缸切断燃油供 应,进、排气门照常启闭。这种模式不能 消除断油缸的泵气损失。所以,另一种更 好的模式是,使断油缸进、排气门暂停启 闭,其节油潜力可以提高2至3倍,在汽油 车中达到整车节油8~15%的效果,排放也 可以相应地减少。如果在断油时能够解除 气门跟凸轮之间的联系,那麽就能实现这 个目标。此时,尽管凸轮还在转动,气门 却不为其所动。可切换液压挺杆就是为此 而开发。o 图1为德国INA(依纳)公司开发的可切换液压挺 杆。它由内挺杆和外挺杆两部分组成。内、外挺 杆可以互相分离,也可以锁定为一个整体。真正 的液压补偿元件在内挺杆里面,最终通过液压补 偿元件操纵气门杆。内凸轮接触内挺杆,外凸轮 接触外挺杆。外挺杆中的锁定柱塞可以在柱塞弹 簧的压力下插入内挺杆的孔内,此时内挺杆和外 挺杆连成一体,气门可以正常启闭。内挺杆中有 两个操纵柱塞,可以在机油压力下克服柱塞弹簧 的压力,将锁定柱塞朝外顶回到外挺杆中,使外 挺杆和内挺杆互相分离,此时尽管凸轮轴在转动, 气门却不能启闭。图1 可切换液压挺杆(资料来源:INA) o 由於部分气缸断油以後会影响发动机的运行平稳 性,所以通常只在四缸以上的发动机中才采用这 项节油技术。梅赛德斯在1996年首次采用了分缸 断油的V-8发动机。现在这项技术在该公司的V-8 和V-12发动机上都有应用。美国的汽车生产商将 向巿场推出采用分缸断油技术的新型发动机。有 人估计,从总体上看,将来美国生产的汽车将有 20%左右采用分缸断油技术。但是这些发动机主 要是带有推杆的发动机。 o 国产轿车中的6缸汽油机如采用可切换液压挺杆 的分缸断油技术,有望节能8~15%。途径一:汽油机增压 o 近年来,国外轿车行业愈来愈频繁地使用一个名 词,叫做“downsizing”,暂且将它翻译成“缩小 排量”。它的基本思路是,在保持发动机标定功 率不降低的前提下,缩小发动机总排量,使得在 较低负荷条件下的负荷率得以提高,达到节能的 目的;而在较高负荷条件下就通过增压来达到标 定功率。如此,则经济性和动力性可以兼得。举 例来说,某自然吸气的12缸发动机排量为6升, 标定功率为300kW。可是,如果采用增压,也许 将它改成6缸3升排量就可以达到同样的标定功率 了。但是,低负荷时的负荷率却提高了一倍左右。o 汽油机缩小排量策略的理论基础是显而易 见的。排量较小的发动机更多地在较高负 荷率下运行,所以它的节气门开度较大, 吸气冲程中气缸内的真空度较低,它的泵 气损失自然就比排量较大的发动机小得多。 此外,在排量较小的发动机中,由於摩擦 和冷却而造成的损失也比较小。 o 汽油机缩小排量的核心技术其实就是增压。 增压技术用於柴油机首先是为了提高升功 率,同时也为了解决碳烟和碳氢化合物排 放的问题。汽油机增压至今尚属罕见。这 是因为汽油机即使不采用增压也很容易达 到和超过50kW/L的升功率,超过一般增压 柴油机;此外,汽油机采用增压技术会增 大爆振倾向,必须调整一下压缩比;电子 控制策略方面也有一些特殊要求。o 但是近年来客户对於汽车动力性的要求有增无减, 汽车的最高车速愈来愈大,发动机的标定功率也 随之提高,而且当今的大排量轿车发动机多数是 自然吸气的汽油机。这就给通过增压技术缩小轿 车汽油机的排量以达到节能的目的留下了发展的 空间。根据当今国际巿场上客户的愿望,为了满 足轿车在动力性、经济性、比重量、灵活性和停 车方便等方面的要求,宁愿采取增压也不愿采取 增加缸数和排量的策略来提高汽油机的功率。 1994年欧洲生产的汽油机中只有1%是增压的。 1997年欧洲生产的1,100万台汽油机中这个比例上 升到了4.1%。现在这个发展趋势还在继续。这一 动向值得中国轿车行业注意。大众的双增压技术 o 发动机增压是很传统的提升动力和燃油经 济性的措施,同时它还能减少发动机有害 废气排放量,随着新技术的不断发展增压 技术也在不断进步。传统的涡轮增压和机 械增压都存在着不如人意的地方,把两种 技术结合在一起不失为一种解决方法o 今天用在汽车发动机上的增压器根据结构 的不同主要分为两类——机械增压和涡轮 增压。早期的增压器都属于机械增压,被 称作“超级增压器”(Supercharger),后 来涡轮增压器发明了, 就被称为了 Turbocharger。 o 机械增压器就像空气压缩机o 机械增压器就像发动机的附件转向助力泵 一样安装在发动机上,并由发动机皮带驱 动,将压缩空气输送到进气歧管。机械增 压器结构简单,工作温度介于70℃-100℃, 不需特殊冷却系统,机件维护简单。不过 增压值会随发动机转速的提高而降低,当 达到某一界限时,由于本身的阻力增压器 反而会成为发动机的负担,严重影响发动 机转速的提升。因此,目前欧洲生产的机 械增压系统多半采取低增压。它的优点是 转子的速度与发动机转速是相对应的,没 有滞后,动力输出流畅,成本低。缺点是 要消耗发动机动力,机械增压容易产生噪 音。o 像奔驰公司的小排量汽油发动机就使用了 机械增压器。SLK两款机械增压4 缸发动机 输出120kW 和145kW,强调了低速高扭矩, SLK 200KOMPRESSOR 在2500rpm 时就达 到了最大扭矩230Nm,综合油耗只有 8.8L/100km,以4缸发动机的燃油特性达到 6缸发动机的扭矩特性。这种机械增压器是 奔驰和Eaton 公司联合开发的,性能非常出 色,增压器的最大转速达到14000rpm。o 涡轮增压器利用发动机废气 o 涡轮增压是利用发动机排出的废气驱动增 压器,由于废气有上千度,需要增设空气 中间冷却器来给高温压缩空气进行冷却。 优点是增压效率高于机械增压,缺点是受 发动机转速影响,低转速时效果不明显, 待发动机提升到一定转速时才会有出色表 现。涡轮迟滞也是涡轮增压发动机面临的 在仪表中增加了增压显示表头最大难题。 o 在低转速时,涡轮增压器没有介入,同时废气仍 然要驱动涡轮旋转,排气没有自然吸气发动机顺 畅,此时的发动机扭力输出要比同等排量的自然 吸气式发动机还要弱。随着发动机的转速升高, 例如突破3000 转以后,涡轮增压器突然介入,这 个时候产生的动力将陡增。这种动力的突然增加 影响了动力输出的平顺性。尽管涡轮增压能给发 动机带来更强的动力输出,但是作为一台民用汽 车,流畅的动力输出是非常重要的,而涡轮迟滞 会给驾驶舒适性带来一定影响。o 以双增压技术来克服缺陷 o 机械增压有助于低转速时的扭力输出,但 是高转速时功率输出有限;而废气涡轮增 压在高转速时拥有强大的功率输出,但低 转速时则力不从心。发动机的设计师们于 是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一 起,来解决两种技术各自的不足,同时解 决低速扭矩和高速功率输出的问题。o 2005年,大众开始将这套技术装配到量产的民用 车型高尔夫1.4 TSI上,这套系统被称作“双增 压”,兼顾了低速扭力输出和高速功率输出。在 低转速时,由机械增压提供大部分的增压压力, 在1500rpm时,两个增压器同时提供增压压力, 其总增压值达到2.5bar(如果涡轮增压器单独工 作,只能产生1.3bar 的增压压力)。随着转速的 提高,涡轮增压器能使发动机获得更大的功率, 与此同时,机械增压器的增压压力逐渐降低。机 械增压通过电磁离合器控制,它与水泵集合在一 起。在转速超过3500rpm时,由涡轮增压器提供 所有的增压压力,此时机械增压器在电磁离合器 的作用下完全与发动机分离,防止消耗发动机功 率。 o 1.4 升的高尔夫“双增压”(Twincharger) 发动机在双增压器的作用下最大输出功率 为125kW,最大扭矩为240Nm。从0 至 100km/h 只需7.9 秒。1.4L 动力达到2.5L 发 动机水平,但油耗却降低了20%,平均油 耗只有7.2L/100km。在1750rpm 就发出了 最大扭矩240 Nm,并一直到4500rpm。优 点是适合全部工况。缺点是结构复杂,在 高转速区域的动力表现并不突出。按大众 公司的解释,性能并非这台发动机的主要 诉求,动力输出的顺畅度与经济性才是重 点。看来其它各大汽车公司都没有力推此 技术是因为它缺少鲜明的个性。o 另外,最大输出功率为103kW(138PS)、 最大扭矩为220N·m的Twincharger将从2006 年初开始用于配备小型MPV(多功能商务 车)“途安(Touran)”,并计划在此之 后用于配备“高尔夫”。 途径二 ?可变压缩比在增压汽油机的应用发动机的压缩比愈高,效率愈高。但问题是, 汽油机中提高增压压力会增大汽油机爆振倾向。 在采用了增压技术的汽油机中,全负荷时希望适 当降低压缩比以抑制爆振;而部分负荷时又希望 提高压缩比以提高燃油经济性。这种情况很自然 地把人们的思路带到了可变压缩比电子控制。这 是国外目前汽油机的发展方向之一。国外一些汽 车制造商正在努力开发可变压缩比的汽油机。这 种技术使得油耗可以大大地下降,同时却不会影 响发动机的动力性。o 德国SAAB公司在这方面居於领先地位。该公司 SVC(SAAB可变压缩比)试验发动机是一台排 量为1.598升的五缸汽油机,缸径行程比为 68:88mm;压缩比可在14:1(部分负荷)到8:1 (全负荷)的范

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