发动机新技术及发展趋势 转贴有奖

发动机新技术及发展趋势


发动机作为汽车的心脏,是汽车的动力之源。发动机的好坏直接影响着汽车的性能。随着科技发展,发动机技术也在不断更新提高,如今,发动机不仅在动力性有很大的提高,更在环保性能上有了很大改善。

一、 柴油机部分

1、 国内现行技术水平

国内现阶段主要柴油机生产厂家都已掌握了涡轮增压和增压中冷技术。朝柴的CY6102BZLQ、东风的6BTAA、4BTAA、大柴的CA6DE1、锡柴的CA6DF1、玉柴的YC6112ZLQ系列等等。

在目前的技术条件下,涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。涡轮增压器实际上是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了。

增压可使柴油机在排量不变,重量增加不大的情况下达到增加输出功率的目的。与相同功率的非增压柴油机相比,增压柴油机不仅体积小,重量轻,功率大,而且还降低了单位功率的成本。因此,增压技术是改善内燃发动机的重要技术手段。但是事物总有矛盾性,空气压力的提高就是空气密度的提高,空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高,这如同给轮胎打气时泵会发热一样。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高,温度提高反过来会限制空气密度的提高,要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示,在相同的空燃比条件下,增压空气温度每下降10摄氏度,柴油机功率能提高3%-5%,还能降低排放中的氮氧化合物(NOx),改善发动机的低速性能。因此,也就产生了中间冷却技术。柴油机中间冷却技术的类型分两种,一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却,另一种是利用散热器冷却,也就是用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时,需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果,这种方式成本较高而且机构复杂。因此,汽车柴油机大都采用空气冷却式中冷器。空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中,利用风扇提供的冷却空气强行冷却。空气冷却式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上,它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似,热传导效率高,可将增压空气的温度冷却到50至60摄氏度。

涡轮增压器主要生产厂商有:HONEYWELL上海公司、辽宁东方增压器(集团)公司等。

2、 新技术的应用

随着环保法规的日益严格,光靠增压中冷技术已不能满足日益严格的环保要求,这就需要更新的柴油机电控喷射技术来支持。

现在国内的柴油机电控喷射系统正处在开发阶段。比如上海内燃机研究所、无锡油泵油嘴研究所等正在积极研究之中。无锡油泵油嘴研究所已把部分成果应用到双燃料机上实现了天然气和液化石油气的电控化 ,目前正进行匹配试验。

柴油机的电控喷射系统的基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号,首先计算出基本喷油量,然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正,再与来自控制套位置传感器的信号进行反馈修正,确定最佳喷油量的。电控柴油喷射系统由传感器、ECU(计算机)和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制,实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器,将实时检测的参数同步输入计算机,与已储存的参数值进行比较,经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制,驱动喷油系统,使柴油机运作状态达到最佳。

3、 技术发展趋势

在汽车柴油机中,高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒,实验证明,在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动,使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后,使高压油管内的压力再次上升,达到令喷油器的针阀开启的压力,将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象,由于二次喷油不可能完全燃烧,于是增加了烟度和碳氢化合物(HC)的排放量,油耗增加。此外,每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化,随之引起不稳定的喷射,尤其在低转速区域容易产生上述现象,严重时不仅喷油不均匀,而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷,现代柴油机采用了一种称为“共轨”的技术。

目前电控喷油技术已从初期的位置控制型发展到时间控制型。共轨式电控燃油喷射技术正是属于后者。该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理,而是通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油,分送到每个喷油器,并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合,定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量,从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化,以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。

这一系统主要由电控输油泵、共轨(恒压蓄油箱)、高速电磁开关阀、喷油器、电子控制装置(ECU)及各类传感器等组成。按照喷油高压形成的不同,目前共轨式电控燃油喷射系统有两种基本形式,即高压共轨式和中压共轨式。在高压共轨系统中,输油泵为高压泵(压力在120MPa以上),它直接产生高压燃油后输送至共轨中消除压力的脉动,再分送到各个喷油器。当电子控制装置按需要发出指令信号后,高速电磁阀(响应在200μs左右)迅速打开或关闭,进而控制喷油器工作,即按设定的要求把高压燃油喷出或停喷。与之相比,在中压共轨系统中,输油泵则为中压输油泵(压力在10~13MPa),它是将产生的中压燃油送至共轨中消除压力的脉动,再分送至带有增压柱塞的喷油器中。当高速电磁开关阀接受到电子控制装置发送的指令信号后,就迅速开启或关闭,从而控制喷油器工作,迅即通过增压柱塞的增压作用,把从共轨中来的中压燃油加压至高压(120~150MPa)后喷出或停喷。

柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术,因为它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制,而且能实现预喷射和后喷,从而优化喷油特性形状,降低柴油机噪声和大大减少废气的排放量。该技术的主要特点是:

1.采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀,使得喷油过程的控制十分方便,并且可控参数多,益于柴油机燃烧过程的全程优化。

2.采用共轨方式供油,喷油系统压力波动小,各喷油嘴间相互影响小,喷射压力控制精度较高,喷油量控制较准确。

3.高速电磁开关阀频响高,控制灵活,使得喷油系统的喷射压力可调范围大,并且能方便地实现预喷射、后喷等功能,为优化柴油机喷油规律、改善其性能和降低废气排放提供了有效手段。

4.系统结构移植方便,适应范围宽,不像其它的几种电控喷油系统,对柴油机的结构形式有专门要求;尤其是高压共轨系统,均能与目前的小型、中型及重型柴油机很好匹配,因而市场前景看好。

正是由于共轨式电控燃油喷射技术具有上述的特点,所以该技术一经问世,就得到世界上大多数柴油机制造厂商的青睐,其中,高压共轨系统被认为是20世纪内燃机技术的3大突破之一。现在国内外许多内燃机方面的专家学者都在致力于该项新技术的研究,并着手开发新一代的高压共轨系统产品及其与之配套的产品。特别是由于世界上像德国Bosch公司、DaimlerBenz公司;美国BKM公司、Caterpillar公司;日本Denso公司和英国Lucas公司这些有影响力的大公司的积极投入,近几年来共轨式电控燃油喷射技术的研究与开发又有了新进展。目前,这一技术的研究与开发热点在于:(1)如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题;(2)如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题;(3)如何解决高压共轨系统的多MAP(三维控制数据表)优化问题;(4)如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。

4、 绿色柴油机技术的演变过程。

⑴、进 气 处 理 技 术 的 演 变

1970-84 涡轮增压水-空气中冷系统

1985-89 提高进气压力大流量水-空气中冷系统

1990-93 小流量水-空气中冷系统、更小的涡轮进气管增压空气-空气中冷系统、使用稀薄混合气

1994-97 进排气的改进、带废气放气阀的涡轮增压

1998-2002 结构可变的涡轮增压器、每缸四阀

2002-2008 废气再循环装置

⑵、燃 烧 系 统 技 术 的 演 变

1970-84 提高汽缸零部件的刚度

1985-89 提高压缩比、提高峰值汽缸压力

1990-93 铰接式活塞,其第一道活塞环的位置更高、油环锥度的变化、减小缸孔的变形、 引入气门杆密封、减小气流滞止空间、改善润滑

1994-97 带锥度的缸套、改善燃烧室中空气的流动、再凹入燃烧室、活塞环变化、改进气门杆密封、减小余隙、按规格调整压缩比

1998-2002 喷咀中心布置

⑶、柴 油 喷 射 技 术 的 演 变

直列式喷油泵,峰值压力500巴

直列式喷油泵,峰值压力800巴

八十年代初期,直列式喷油泵,峰值压力为1150巴

分配式喷油泵,峰值为450巴

八十年代初期,分配式喷油泵,峰值压力950巴

分配式喷油泵的电子控制

直列式喷油泵的电子控制

控制的直列式喷油泵

卡车用组合式喷油器,峰值压力为1600巴

带有可编程控制器的组合式喷油器,峰值压力1600巴

共轨泵(峰值压力1400巴)

乘用车用组合式喷油器,(峰值压力2050巴 )

⑷、电 子 技 术 的 演 变

1988-90 电子调配器、电子燃油喷射

1990-94 柴油机电控喷射、发动机自检、即时反馈并监控适当的供油

1995-99 车载电脑诊断

2000-2002 用废气再循环等对进气和供油进行全面控制、使用稀薄混合气

⑸、后 处 理 的 演 变

1994-1997 使用氧化催化剂、颗粒物收集器

2000-2004 有选择的催化反应减少氮氧化物

2007- 可持续再生的颗粒物收集器


二、 汽油机部分

1、 国内现有技术水平

随着国内环保法规的日益严格,化油器发动机因其在空燃比精确控制、各缸油量分配均匀性和响应性能方面存在着先天不足,已不能满足现行的环保法规要求。取而代之的是电子汽油喷射发动机。与传统的化油器供给系统相比,电子汽油喷射系统是以燃油喷射装置取代化油器,通过微电子技术对系统实行多参数控制,可使发动机的功率提高10%,在耗油量相同的情况下,扭矩可增大20%;从O-100km/h加速度时间减少7%;油耗降低10%;废气排污量可降低34%一50%,系统采用闭环控制并加装三元催化器,排放量可下降73%。电子燃油喷射系统有两种类型;单点汽油喷射系统SPl和多点汽油喷射系统MPl,国内现引进的机型象广州本田、沈阳航天三菱、天津丰田、神龙等发动机都已广泛采用MPI(多点喷射)系统。

MPI系统由燃料供给系统(电动汽油泵、燃油滤清器、分配管、压力调节器、喷油器和冷起动阀等)、空气供给系统(空气滤清器、空气流量计、进气系统等)以及电子控制系统(电子控制单元ECU、传感器)等组成。工作原理由空气流量计检测发动机的进气量,由发动机转速及曲轴位置传感器提供发动机转速信号和曲轴转角信号,电子控制单元根据发动机运行工况,从存储单元的数据中查出相对应工况下的最佳空燃化,依据进气量利转速及曲轴转角信号计算出每循环的供油量,实现对喷油器的喷油量的控制,同时通过节气门位置、冷却水温、空气温度和氧含量等传感器检测到的反映发动机运行工况的表征信号,对喷油量、喷油时间进行修正,从而使发动机始终具有一个最佳的空燃比。

汽油机电子控制系统包括:微电脑中央控制单元ECU、各种传感器(温度、位置、空气流量、氧、爆震等)和执行机构(燃油泵、喷油嘴、分配管、油压调节器等)。现在汽油机喷射系统在国内有实力的生产企业有上海联合电子有限公司、北京德尔福万源汽车发动机管理系统有限公司等。

2、 汽油机技术发展趋势

随着近年燃油价格不断往上涨,汽车运行的最佳经济性也成为各大车厂不断寻求的目标。汽油直喷式是实现这一目标的途径之一,汽油机实现直喷式已经成为一种新世纪的潮流。

汽油直喷式也叫作缸内喷注式,它与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置,目前一般汽油发动机上所用的汽油电控喷射系统,是将汽油喷入进气歧管或进气管道上,与空气混合成混合气后再通过进气门进入气缸燃烧室内被点燃做功;而缸内喷注式汽油发动机顾名思义是在气缸内喷注汽油,它将喷油嘴安装在燃烧室内,将汽油直接喷注在气缸燃烧室内,空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃做功,这种形式与直喷式柴油机相似,因此有人认为缸内喷注式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。缸内喷注式汽油发动机的优点是油耗量低,升功率大。混合比达到40:1(一般汽油发动机的混合比是15:1),也就是人们所说的“稀燃”。机内的活塞顶部一半是球形,另一半是壁面,空气从气门冲进来后在活塞的压缩下形成一股涡流运动,当压缩行程行将结束时,在燃烧室顶部的喷油嘴开始喷油,汽油与空气在涡流运动的作用下形成混合气,这种急速旋转的混合气是分层次的,越接近火花塞越浓,易于点火做功。由于缸内喷注压缩比达到12,与同体积的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10%。

缸内喷注式汽油发动机是由日本三菱汽车公司创制的,这种称为1.8升顶置双凸轮轴16气门4G93型发动机安装在三菱HSR-V型概念车上,并在96年6月北京国际车展上广泛做了宣传,但当时许多人认为这种发动机只是一种“概念”而已,没有引起足够的重视,但随着这几年美日欧等国大汽车厂商丰田、本田、奔驰、通用等对这种汽油发动机都产生了兴趣,纷纷修改了原来的方案研究起缸内喷注式汽油发动机,认为这种发动机很可能会成为下世纪初汽油发动机的主要机型。

目前哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司引进的日本三菱公司的4G1系列发动机就具有这项先进的垂直涡流稀燃(MVV)技术。



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