发动机新技术毕业论文讲解

设计（论文）题目：汽车发动机新技术的概况与结构原理学院名称：内蒙古大学交通学院
专业：汽车运用技术
班级：汽车（15）班
姓名：郭建平
学号：5 1 0 3 0 1 9
指导教师：李春芾
2013年04月 07日
目录
绪论：
一.汽车发电机发展历史回顾
1.1 汽车的起步阶段
1.2 汽油机之前的摸索阶段
1.3 奔驰的单缸二冲程汽油发动机
1.4 四冲程发动机的应用
1.5 化油器发动机的淘汰
1. 6 电喷发动机的应用
二.发动机进排气控制技术
2.1 可变气门
2.2 可变气门正时
2.3 可变进气系统
三.汽油缸内直喷技术
3.1 缸内直喷技术概念简述
3.2 缸内直喷的优点分析
3.3 缸内直喷的广泛运用
四.发动机均质充量压缩燃烧技术
4.1 发动机均质充量压缩燃烧技术概述
4.2 HCCI的燃烧机理
4.3 HCCI 的优点
4.4 HCCI缺点
4.5 HCCI特点及其重要意义
五 .柴油机电控高压共轨燃油喷射技术
5.1柴油机电控高压共轨燃油喷射技术
5.2电控柴油喷射系统组成
5.3电控高压共轨燃油系统工作原理
5.4电控高压共轨燃油系统的特点
六.结论
七.参考文献
正文
绪论：
21世纪的内燃机将面临来自各方面的挑战,它将义无返顾地朝着节约能源、燃料多样化、提高功率、延长寿命、提高可靠性、降低排放和噪声、减轻质量、缩小体积、降低成本、简化维护保养等方向迅猛发展。

在21世纪,天然气、醇类、植物油及氢等代用燃料将为内燃机增添新的活力,而内燃机电子控制技术在提高品质的同时也延长了内燃机行业的“生命”。

新材料、新工艺的技术革命,为21世纪内燃机的发展产生了新的推动力。

21世纪的内燃机,将在造福人类的同时不断弥补自身缺陷,以尽可能完美的形象为人类作出新的贡献。

一.汽车发电机发展历史回顾
1.1 汽车的起步阶段
汽车的起步阶段，那时的汽车被马车嘲笑，污染严重，但起步的意义却非同寻常。

汽车整体技术日新月异，而作为汽车的心脏——发动机技术的进步显得更受关注。

如今介绍一辆汽车的发动机时：可变气门正时技术，双顶置凸轮轴技术，缸内直喷技术，VCM汽缸管理技术，涡轮增压技术，等等都已经运用的相当广泛；在用料上也是往轻量化的方向发展：全铝发动机目前的应用已经非常广泛；汽车的污染也是不可避免，于是新能源技术，包括柴油机的高压共轨，燃料电池，混合动力，纯电动，生物燃料技术也已经有普及的趋向，但回顾一下发动机的历史或许更能理解这一百多年来汽车技术所发生的巨大变革。

1.2 汽油机之前的摸索阶段
18世纪中叶，瓦特发明了蒸气机，此后人们开始设想把蒸汽机装到车子上载人。

法国的居纽（N.J.Cugnot）是第一个将蒸汽机装到车子上的人。

1770年，居纽制作了一辆三轮蒸汽机车。

这辆车全长7.23米，时速为3.5公里,是世界上第一辆蒸汽机车。

1771年古诺改
进了蒸汽汽车，时速可达9.5千米，牵引4-5吨的货物。

1858年，定居在法国巴黎的里诺发明了煤气发动机，并于1860年申请了专利。

发动机用煤气和空气的混合气体取代往复式蒸汽机的蒸汽，使用电池和感应线圈产生电火花，用电火花将混合气点燃爆发。

这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等。

煤气机是内燃机的初级产品，因为煤气发动机的压缩比为零。

1867年，德国人奥托（Nicolaus August Otto）受里诺研制煤气发动机的启发，对煤气发动机进行了大量的研究，制作了一台卧式气压煤气发动机，后经过改进，于1878年在法国举办的国际展览会上展出了他制作的样品。

由于该发动机工作效率高，引起了参观者极大的兴趣。

在长期的研究过程中，奥托提出了内燃机的四冲程理论，为内燃机的发明奠定了理论基础。

德国人奥姆勒和卡尔·本茨根据奥托发动机的原理，各自研制出具有现代意义的汽油发动机，为汽车的发展铺平了道路。

1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机，并取得了制造这种发动机的专利权。

1.3 奔驰的单缸二冲程汽油发动机
1886年被视为汽车的诞生日，那辆奔驰一直为人所津津乐道。

但是其动力单元却实在“寒酸”：第一辆“三轮奔驰”搭载的卧式单缸二冲程汽油发动机，最高时速16KM每小时。

这就是第一辆汽车的发动机，那时勇敢卡尔奔驰的夫人驾驶这辆奔驰1号上坡还需要儿子推车，当然沿途不停的熄火，转向也不灵，回娘家100公里的路程硬
是走了一整天。

1.4 四冲程发动机的应用
四冲程发动机其实早就由德国人奥托研制出来了。

但应用的汽车上不得不提戴姆勒，他由于协助奥托研制四冲程发动机的原因而成为了第一个将四冲程发动机装上汽车的人。

显然，从四冲程到二冲程是个巨大的进步。

四冲程发动机的平衡性与燃烧效率都更加好。

如今的汽车发动机技术已经基本全部用的是四冲程技术。

而在发动机的基本运行方式确定后，却有人又向传统发出了挑战。

1957年，德国人汪克尔发明了转子活塞发动机，这是汽油发动机发展的一个重要分支。

转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动。

它的零件数比往复活塞式汽油少40%，质量轻、体积小、转速高、功率大。

1958年汪克尔将外转子改为固定转子为行星运动，制成功率为22.79千瓦、转速为5500转/分的新型旋转活塞发动机。

该机具有重要的开发价值，因而引起各国的重视。

日本东洋公司（马自达公司）买下了转子发动机的样机，并把转子发动机装在汽车上，可以说，转子发动机生在德国，长在日本。

如今转子发动机依然只是马自达一家公司在用，不知道马自达这门独门技术何时能全面开花。

1.5 化油器发动机的淘汰
发动机的工作形式确定后，就是发动机技术的完善了，随着时间的推移，好多发动机的经典设计都已经不能满足人们的需求了。

例如：化油器发动机的淘汰就是一个特例，，化油器分为五部分：主供油系统、起动系统、怠速系统、大负荷加浓系统（省油器）和加速系统。

五部分的作用在于：根据发动机在不同情况下的需要，将汽油气化，并与空气按一定比例混合成可燃混合气，及时适量进入气缸。

化油器的优点有：能够将内燃机的油气比控制在理想的水平上，不论天候、温度，永远进行着一成不变的工作。

而且化油器的成本低、可靠度高，维修、保养容易。

当然化油器也存在许多弱点：比如，在冷车启动、怠速运转、急加速或低气压环境等，这样固定的供油方式实际上并无法全面满足引擎的运转需求，甚至可能因而产生黑烟、燃烧不全与马力不足等状况。

因此，2002年起，中国已经明令禁止销售化油器轿车，此后所有车型都改用电喷发动机。

当然目前在马路上跑的还有化油器式的发动机，随着时间的推移，化油器式发动机将彻底退出历史的舞台。

1. 6 电喷发动机的应用
Ⅰ.什么是电喷发动机？
电喷发动机是采用电子控制装置，取代传统的机械系统（如化油器）来控制发动机的供油过程。

汽油机电喷系统就是通过各种传感器将发动机的温度、空燃比油门状况、发动机的转速、负荷、曲轴位置、车辆行驶状况等信号输入电子控制装置，电子控制装置根据这些信号参
数．计算并控制发动机各气缸所需要的喷油量和喷油时刻，将汽油在一定压力下通过喷油器喷入到进入气管中雾化。

并与进入的空气气流混合，进入燃烧室燃烧．从而确保发动机和催化转化器始终工作在最佳状态。

这种由电子系统控制将燃料由喷油器喷入发动机进气系统中的发动机称为电喷发动机。

Ⅱ.电喷发动机与化油器式发动机的比较
汽油喷射发动机与化油器式发动机相比，突出的优点是能准确控制混合气的质量，保证气缸内的燃料燃烧完全，使废气排放物和燃油消耗都能够降得下来，同时它还提高了发动机的充气效率，增加了发动机的功率和扭矩。

电子控制燃油喷射装置的缺点就是成本比化油器高一点，因此价格也就贵一些，故障率虽低,一旦坏了就难以修复(电脑件只能整件更换)，但是与它的运行经济性和环保性相比，这些缺点就微不足道了。

喷射型式分为机械式和电子控制式两种。

机械式汽油喷射装置是一种以机械液力控制的喷射技术，早在30年代就应用在飞机发动机，50年代开始应用在德国奔驰300BL轿车发动机上。

集成电路的出现使电子技术能在发动机上得到应用，一种更好的汽油喷射装置——电子控制汽油喷射技术也就应运而生了。

结构任何一种电子控制汽油喷射装置，都是由喷油油路，传感器组和电子控制单元(微型电脑)三大部分组成。

当喷射器安装在原来化油器位置上，称为单点电控燃油喷射装置；当喷射器安装在每个气缸的进气管上，称为多点电控燃油喷射装置。

原理喷油油路由电动油泵，燃油滤清器，油压调节器，喷射器等组成，电控单元发出的指令信号可将喷射器头部的针阀打开，将燃油喷出。

传感器好似人的眼耳鼻等器官，专门接受温度，混合气浓度，空气流量和压力，曲轴转速等数值并传送给“中枢神经”的电子控制单元。

电子控制单元是一个微计算机，内有集成电路以及其它精密的电子元件。

它汇集了发动机上各个传感器采集的信号和点火分电器的信号，在千分之几十秒内分析和计算出下一个循环所需供给的油量，并及时向喷射器发出喷油的指令，使燃油和空气形成理想的混合气进入气缸燃烧产生动力。

历史从60年代起，随着汽车数量的日益增多，汽车废气排放物与燃油消耗量的不断上升困扰着人们，迫使人们去寻找一种能使汽车排气净化，节约燃料的新技术装置去取替已有几十年历史的化油器，汽油喷射技术的发明和应用，使人们这一理想能以实现。

早在1967年，德国波许公司成功地研制了D型电子控制汽油喷射装置，用在大众轿车上。

这种装置是以进气管里面的压力做参数，但是它与化油器相比，仍然存在结构复杂，成本高，不稳定的缺点。

针对这些缺点，波许公司又开发了一种称为L型电子控制汽油喷射装置，它以进气管内的空气流量做参数，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。

这种装置由于设计合理，工作可靠，广泛为欧洲和日本等汽车制造公司所采用，并奠定了今天电子控制燃油喷射装置的邹型。

至1979年起美国的通用，福特，日本的丰
田，三菱，日产等汽车公司都推出了各自的电子控制汽油喷射装置，尤其是多气门发动机的推广，使电子控制喷射技术得到迅速的普及和应用。

到目前为止，欧美日等主要汽车生产大国的轿车燃油供给系统，95%以上安装了燃油喷射装置。

从99年1月1日起，只有采用电子控制汽油喷射装置的轿车才能准予在北京市场上销售。

现在电喷发动机(电子控制汽油喷射式发动机)的使用在轿车中越来越普遍，有消息称化油器式发动机轿车在我国各大城市将很快被“消灭”。

因此车主对电喷发动机的了解变得越来越重要，只有了解了电喷发动机的“脾气”，您才能更好地使用和养护爱车。

电喷发动机与化油器式发动机有很大的区别，在使用操作方法上也颇有不同。

起动电喷发动机时(包括冷车起动)，一般无需踩油门。

因为电喷发动机都有冷起动加浓、自动冷车快怠速功能，能保证发动机不论在冷车或热车状态下顺利起动；在起动发动机之前和起动过程中，像起动化油器式发动机那样反复快速踩油门踏板的方法来增加喷油量的做法是无效的。

因为电喷发动机的油门踏板只操纵节气门的开度，它的喷油量完全是电脑根据进气量参数来决定；在油箱缺油状态下，电喷发动机不应较长时间运转。

因为电动汽油泵是靠流过汽油泵的燃油来进行冷却的。

在油箱缺油状态下长时间运转发动机，会使电动汽油泵因过热而烧坏，所以如果您的爱车是电喷车，当仪表盘上的燃油警告灯亮时，应尽快加油；在发动机运转时不能拔下任何传感器插头，否则会在电脑中显现人为的故障代码，影响维修人员正确地判断和排除故障。

另外要注意的是，尽量不要在电喷车上装用大功率的移动式无线电话系统及无线电设备，以防止无线电信号对电脑工作产生干扰。

二.发动机进排气控制技术
2.1 可变气门
随着当今世界科技的迅猛发展，汽车领域发展也日新月异，许多新技术、新科技被大量运用在了汽车上。

这些技术不断被更新，并趋于日臻完善！其中发动机进气系统部分新就显得尤为重要！
进气系统包含了空气滤清器、进气歧管、进气门机构。

空气经空气滤清器过滤掉杂质后，流过空气流量计，经由进气道进入进气歧管，与喷油嘴喷出的汽油混合后形成市适当比例的油气，由进气门送入汽缸内点火燃烧，产生动力。

可变气门正时技术几乎已成为当今发动机的标准配置，为了进一步挖掘传统内燃机的潜力，工程人员又在此基础上研发出可变气门升程技术，当二者有效的结合起来时，则为发动机在各种工况和转速下提供了更高的进、排气效率。

提升动力的同时，也降低了油耗水平。

2.2 可变气门正时
可变气门正时亦称可变配气相位。

在发动机运转过程中，有部分工况将会出现一些难以解决的矛盾，比如：如何保证低转速时的扭矩输出、高转速时的功率输出以及在这些工况下的燃油耗量等问题；如果只采用节气门控制的燃油供给方式是难以圆满解决的！现在可以通过可变气门正时和升程、可变进气管道和可变压缩比这些方式来有效地解决。

比较典型的是丰田汽车公司的可变配气正时控制机构（VVT
－i）、本田汽车公司的可变气门正时升程电子控制系统（VTEC）及萨博汽车公司（SAAB）的可变压缩比技术。

丰田可变配气正时控制机构（VVT－i）：它能够在维持发动机怠速性能的情况下，有效改善全负荷性能。

它可以保持进气门开启的持续角度不变，改变进气门开闭时刻来增加充气量。

它由VVT-i控制器、凸轮轴正时机油控制阀和传感器三部分组成，其中传感器有曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器和VVT传感器。

丰田VVT-i16气门4缸发动机
在工作过程中，排气凸轮轴由凸轮轴齿形皮带轮驱动，其相对于齿形皮带轮的转角不变。

曲轴位置传感器测量曲轴转角，向发动机电子控制单元提供发动机转速信号；凸轮轴位置传感器测量齿形带轮转角；VVT传感器测量进气凸轮轴相对于齿形带轮的转角。

它们的信号输入发动机电子控制单元（ECU），ECU根据转速和负荷的要求控制进气凸轮轴正时控制阀，控制器根据指令使进气凸轮轴相对于齿形带旋转一个角度，达到进气门延迟开闭的目的，用以增大高速时的进气迟后角，从而提高气缸的充气效率。

本田可变气门正时升程电子控制系统（VTEC）：VTEC系统由发动机电子控制单元（ECU）控制，ECU接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温）的数据、参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。

一般情况下，汽车发动机每缸气门组只由一组凸轮驱动，而VT EC系统的发动机却有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的智能控制，进行自动转换。

它保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机不论在任何转速情况下运转均能达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。

MIVEC全称为“Mitsubishi Innovative Valve timing Electro nic Control system”，中文解释为三菱智能可变气门正时与升程管理系统。

装备MIVEC系统的发动机与普通发动机一样采用每缸四气门，两进两排的设计，但不同的是它可以控制每缸两个进气门的开闭大小。

如在低速行驶时，MIVEC系统发出指令此时两个进气门中的其中一个升程很小，这时基本就相当于一台两气门发动机。

由于只有一个进气门工作，吸入的空气不会通过汽缸中心，所以能产生较强的进气涡流，对于低速行驶，尤其是冷车怠速条件下能增大燃烧速率，使燃烧更充分从而也大大提高了经济性。

在我们日常行车中，经常会遇到这种情况，比如堵车时，这时装备了MIVEC系统的发动机比普通发动机能节省不少的燃料。

而另一种情况就是当我们需要加速或高转速行驶时，这时MIVEC系统会让两个进气门同时以同样的最大升程开启，这时的进气效率能显著提高，令发动机在高转速运转时能有充足的储备。

当然MIVEC并不是只有这两种可变的工作状态，它可以根据各传感器传来的发动机工况信号来适时调整最合理的配气正时，总而言之 MIVEC可以令发动机时刻处在最佳燃烧状态。

萨博（SAAB）可变压缩比技术：一般情况下，发动机气缸的压缩比是不可变动的，原因是燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，在设计中已经确定。

不过，为了使得现代发动机能在各种不断变化的工况中发挥更高的效率，来改善发动机的运行性能；气门可变驱动技术已经实现，压缩比这一重要参数虽然过去也曾经有人尝试过，试图由固定不变改为随机应变，但由于改变气缸压缩比必然会涉及到整个发动机结构的改变，难度非常大，因此，这一技术革新进展得非常缓慢。

绅宝（SAAB）开发的SVC发动机以改变气缸压缩比的方式来达到控制发动机的燃油消耗量的目的。

它的核心就是在缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的容积，从而改变气缸压缩比。

其压缩比可从8:1至14:1之间范围变化。

在发动机小负荷时采用高压缩比以实现节约燃油；在发动机大负荷时采用低压缩比，并辅以机械增压器以实现大功率和高转矩输出。

SVC发动机采用5缸1.6排量，气缸缸径68mm，冲程88mm，最大功率166kw，最大扭矩30 5Nm，综合工况油耗比常规发动机降低30%，并能够满足苛刻的欧洲Ⅳ排放标准。

BMW开发的双凸轮轴可变气门正时系统，这是宝马技术发展领域
中的又一项成就：Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统根据油门踏板和发动机转速控制扭矩曲线，进气和排气气门正时则根据凸轮轴上可控制的角度按照发动机的运行条件进行无级的精准调节。

在低发动机转速时，移动凸轮轴的位置，使气门延时打开，提高怠速质量并改进功率输出的平稳性。

在发动机转速增加时，气门提前打开：增强扭矩，降低油耗并减少排放。

高发动机转速时，气门重新又延时打开，为全额功率输出提供条件。

双凸轮轴可变气门正时系统还控制循环返回进气歧管的废气量以增强燃油经济性。

系统在发动机预热阶段使用一套专用参数以帮助三元催化转换器更快达到理想
工作温度并降低排放。

整个过程由车辆的汽油发动机电子控制系统控制。

2.3 可变进气系统
若要提高发动机动力性能只有提高充气效率，提高充气效率的途径除了采用增压之外，可以采用适当的配气相位并能随发动机转速不同而变化，也可以利用进气的惯性及谐振效应；这些都是提高充气效率的最佳方式。

进气惯性及谐振效应是随着发动机转速、进气管长度及管径大小的变化而变化。

在不同转速下，进气管长度应有所不同，才能获得良好的进气惯性效应。

因此，只有结合可变配气相位控制，可变进气系统才能适应不同工况的要求，比较全面的提高发动机性能。

可变进气系统分为两类：多气门分别投入工作和可变进气道系统；目的都是为了改变进气涡流强度、提高充气效率；或是为了形成谐振及进气脉冲惯性效应，以适应低速及中高速工况都能提高性能的需
要。

多气门分别投入工作：多气门分别投入工作的方式有以下两种：一是通过凸轮或摇臂控制气门按时开或关；二是在气道中设置旋转阀门，按需要打开或关闭该气门的进气通道；后者比采用凸轮、摇臂控制简单。

可变进气道系统：可变进气道系统是根据发动机不同工况，采用不同长度及容积的进气管向气缸内充气，以便能形成惯性充气效应及谐振脉冲波效应，从而提高充气效率及发动机动力性能。

它有三种工作形式：双脉冲进气系统、四气门二段进气系统和三段进气系统。

（1）双脉冲进气系统：双脉冲进气系统由空气室及两根脉冲进气管组成，空气室的入口处设置节气门，与两根直径较大的进气管相连接，作用是在于防止两组（每三缸一组）进气管中谐振空气柱的相互干扰。

每根脉冲管子成为形成谐振空气波的通道，分别连接两组气缸。

将六缸机的进气道分成前后两组，这就相当于两个三缸机的进气管，每个气缸有240°的进气冲程，各气缸之间不会产生进气脉冲波的相互干扰。

该系统能够使每个气缸都会产生空气谐振波的动力效应，而直径较大的空气室、中间产生谐振空气波的通道与歧管一起，形成脉冲波谐振循环系统。

它的工作分为两段：即低速段（转速<44 00r/min）和高速段（转速>4400r/min）。

（2）四气门二段进气系统：二段即低中速段（转速<3800r/min）和高速段（转速>3800r/min）；该进气系统由弯曲的长进气管和短的。