发动机新技术漫谈

（2）分层燃烧和均匀燃烧 分层燃烧 次分层燃烧 均匀燃烧
（3）高压喷油器和高压汽油泵
1）高压喷油器 汽油喷射式发动机的高压喷油器是不可缺少的。在高燃烧压力下瞬时工作，
必须根据各运动部件情况（燃烧状态）选择最合适的喷射时机。另外，为了形成 分层混合气，喷油嘴必须要和活塞顶部形状、进气口角度相适应。
（三）柴油/乙醇混合燃料发动机
1、乙醇的特性
乙醇又名酒精，是一种可再生的含氧燃料。生产乙醇 的原料有单糖类（如甘蔗、甜菜等），淀粉类植物（如玉米、 薯类、大麦等），化工原料（如乙烯等）及纤维类（如木屑、 树枝及秸杆等），具有大规模生产的潜力。利用生物酶技术 以及农产品发酵技术制取工业用酒精，已经取得了很大的进 展。而且关于酒精从生产到作为汽车燃料的研究，也取得了 令人鼓舞的成果。研究表明乙醇具备了作为燃料的基本条件。
四、燃料电池汽车
燃料电池汽车与普通电动汽车的区别在于它们使用的电池不同。 目前电动汽车无法摆脱一次充电续驶里程短、成本高、充电时间过长 等缺点。针对这些缺点最有效的方法就是开发应用燃料电池。燃料电 池也因为具有能量转换效率高、对环境污染小等优点，而受到世界各 国的重视。
1. 燃料电池的基本原理
燃料电池实质上是电化学反应生成发生器。燃料电池的反应机理 是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。氢氧燃料电池实际 上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。 氢气和氧气分别是燃料电池在电化反应过程中的燃料和氧化剂。图是 氢氧燃料电池装置的原理简图。以其为例介绍氢氧燃料电池的反应过 程如下：
（1）热值 （2）氧含量 （3）十六烷值 （4）亲水性 （5）粘度
汽车发动机构造与维修
2、柴油/乙醇发动机的特点
（1）柴油/乙醇发动机的有效能耗率优于纯柴油的能耗率。 （2）柴油/乙醇发动机的排气温度低于纯柴油发动机的排气温度。 (3）柴油/乙醇发动机的尾气排放性能优于柴油机，特别是在高速 高负荷工况下比较明显。 (4）柴油/乙醇发动机的供油提前角比柴油机小。 (5）柴油/乙醇发动机的滞燃期延长，燃烧持续期缩短，高温持续 期缩短，但燃料附近氧含量增高。总体效果表现为燃烧性能改善，尾 气性能改善，但NOx排放基本不变。
O2+4H++4e—→2H2O 总的化学反应为：
2H2+O2→2H2O 与此同时，电子在外电路的连接下流动形成电流，通过适当连接 可以向负载输出电能。
2. 燃料电池的分类
燃料电池的种类繁多，通常燃料电池可以依据其工作的温度、燃料种 类、电解质类型进行分类。
2、 CNG/柴油混合燃料发动机的特点
（1）天然气的点火方式是点燃式，应该说属于点燃式等容加热循环发动 机，只不过不是用电火花点燃，而是用柴油引燃，但其功率输出的控制方式 却又不像点燃式发动机（一般用节流阀控制混合气量，即量调节），而是通 过改变天然气的供给量来调节功率，即质调节。因此又类似于压燃式的柴油 机。
发动机新技术漫谈
认知目标
1.了解各种新型发动机的工作原理、特点以及发展前景。 2.了解甲醇等代用燃料的特点。
能力目标
掌握各种新型发动机的基本原理。
任务导入
科技的突飞猛进，发动机新技术不断出现。稀薄燃烧发动机、 混合燃料发动机等等新型发动机在解决能源危机，减少排放 污染等方面将会发挥积极的作用，我们应该了解这些新型发 动机的结构特点、工作原理以及未来的发展前景等。
a）高压燃油泵结构 b）高压燃油泵工作原理
目前缸内直喷式汽油发动机（FSI）在奥迪汽车上已经有应用。 大众FSI发动机
二、混合燃料发动机
混合燃料主要的混合方式有：汽油或柴油与压缩天 然气（CNG）或液化石油气（LPG）混合，汽油或柴 油与乙醇等醇类混合等。
（一）CNG/柴油混合燃料发动机
天然气与柴油混合燃烧的方式是，喷入气缸内的少量 柴油（2%～20%）经压缩后先自燃，继而引燃天然气， 因此不必加装点火系统。燃料替代率可达80%以上，也可 切换到纯柴油工作。两种燃料发动机的许用压缩比相差不 大。
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三、混合动力汽车
1. 混合动力汽车概述
混合动力汽车指携带有不同动力源的，可根据汽车的行驶需要，同时或分别使用不 同 的 动 力 源 而 行 驶 的 汽 车 。 目 前 已 研 制 成 功 并 投 入 运 行 的 混 合 动 力 汽 车 （ Hybrid Vehicle）主要有液压蓄能式混合动力汽车和混合动力电动汽车两类。
一般汽油发动机在低负荷时，节气门开度小，进入气 缸的空气量少，进气阻力增加，燃料经济性变差。而缸内 直喷式汽油发动机在保证汽油混合气能着火的条件下使节 气门开度最大，实现向缸内直接喷射汽油，进行超稀薄混 合气燃烧。实现超稀薄燃烧的方式有分层燃烧、次分层燃 烧和均匀燃烧三种。
（1）分层燃烧的特性
分层燃烧可实现超稀混合气燃烧，节气门开度可以很大，进气损失减少。 还有，在可燃混合气和气缸壁面之间有空气层，提高绝热效果，减少传热损失。 这样就可以提高燃料经济性。稀混合气燃烧用的是浓度均匀的混合气，利用气 体的流动让火焰蔓延。这种均匀稀混合气的浓度是有局限的，而且必须要通过 节气门来控制进气量。而分层燃烧是一种比稀混合气燃烧更好且不需要节气门 的近似柴油发动机的燃烧形式。分层燃烧的混合气在火花塞附近浓度较大，而 在它周围是很稀的混合气，即混合气被分为两层，故被称为分层混合气。分层 混合气的燃烧称为分层燃烧，而浓度均匀的稀混合气燃烧称为均匀燃烧。分层 混合气的浓度与进气门的开闭无关，只在必要的时候向气缸内直接喷射汽油， 在火花塞附近形成浓混合气。不过，在压缩行程后期的高压空气中喷入汽油需 要高压汽油泵。
总体结构剖视图
动力分配机构示意图
日本丰田THS混合动力系统
1.发电机；2.行星齿轮；3.电动机；4.减速器；5.传动轴；6.差速器；7.动力分配机构； 8.发动机；9.齿圈（电动机主动轴）；10.行星架（发动机）；11.太阳轮（发电机）
本田IMA混合动力系统结构
1.IPU；2.IMA电动机；3.功率导线；4.IPU冷却风扇；5.IMA蓄电池；6.ACDC交直变流器；7.继电器点火开关；8.PDU；9.电动机ECU；10.连接孔
稀混合气燃烧系统示意图
为了实现稀混合气燃烧，提前确定合适的空燃比是非常重要的。 对于这一点燃烧压力传感器比氧传感器的闭环控制更加精确。
1.膜片；2.半球；3.放大器；4.压力元件；5.推杆
燃烧压力传感器结构示意
2.缸内直喷式汽油发动机
稀混合气燃烧是指在发动机性能不下降的条件下提 高燃油经济性的一种方法。稀混合气不是指减少燃油的 喷射量，而是在同样燃料量的情况下，充入比正常发动 机更多的空气来稀释混合气。
（ 2）天然气/空气混合气开始燃烧是由多处火焰前锋扩散穿过混合气作用 的结果。因此，这就像多火花塞火花点燃式或繁星点燃式发动机。
（3）用于引燃的柴油所提供的能量远大于电火花所提供的能量，这就允 许天然气在稀混合状态下燃烧，即在相当高的空燃比下运行，耗能率低。因 此又具有压燃式的柴油机的优势。
（4）由于柴油机液态燃料混合困难，在理论空燃比附近，会发生不完全 燃烧而产生冒烟，因此在高负荷时，最大功率受冒烟极限所限，必须保证在 过量空气系数α大于1.2的情况下运行，气缸容积利用率较低，因而柴油机的 平均有效压力不高。而天然气发动机由于气体燃料易于混合，α可以在1附近。
液压蓄能式混合动力汽车指带有用液压回收和利用制动、减速能量系统的混合动力 汽车。其特点是在汽车制动、减速时，用液压泵将汽车的动能转换为液压能，储存在装 有氮气的储能器中，在汽车前进或加速时，使储存在储能器中的液压能通过液压马达释 放出来，辅助发动机转动。
由燃油发动机与电动机的组合动力作为能源的汽车称为混合动力电动汽车（HEV， Hybrid Electric Vehicle），它利用的是成熟的汽油机、柴油机或燃气轮机等技术与电 动机的组合。这种汽车实际上就是在电动汽车上装上一台内燃机。在对噪声和排放非常 敏感的市区内行驶时用电力驱动，在需要大功率输出时由内燃机驱动。
混合动力电动汽车根据电动机和发动机的驱动方式不同， 分为串联式、并联式和分路式等类型.
发动机 电动机
控制单元 电动机 变速器
电池组
a）串联式
电池组 控制单元 电动机
控制单元 电动机
双轴式 电池组
无级变速器 发动机
变速器
发动机
单轴式
b）并联式
电动机
控制单元 电池组
发动机
离合器 变速器
c）分路式
3. 混合动力汽车实例
6114CNG/柴油混合燃料发动机
1、CNG/柴油混合燃料发动机混合气的形成方式
混合燃料发动机混合气的形成方式分为以下两类： （1）气体燃料经调压器减压后与空气在气缸外的混合 器中混合，在进气行程中，经进气道进入气缸，压缩行程中， 在气缸内形成更均匀的混合气；而用于引燃的少量柴油则由 喷射器在压缩行程终了时喷入缸内。 （2）柴油及气体燃料分别由两个喷射器或者由一个喷 射器，在压缩行程末期分先后或者同时喷入气缸内，在较短 的时间内形成混合气。
高压喷油器结构
2）高压汽油泵 在压缩行程中喷油需要高的喷射压力，因此必须要有高压汽油泵。图为柱塞
式汽油泵，是用曲轴驱动的，可将燃料加压到6MPa~13MPa。当燃料压力达到一 定数值时可顶开单向阀，汽油进入燃油分配管。在燃油分配管中设置油压调节器 的作用是通过ECU控制燃油分配管和进气管压力之差，即喷油压力差保持一致。
混合动力汽车的主要优点是： 发动机工作在经济工况区，排放低，燃油消耗少；
发动机不在全负荷和加速工况工ห้องสมุดไป่ตู้，因此噪声小；还可 以回收制动时的能量和利用已有的燃油设施；混合动力 电动汽车被认为是当代汽车工业为保护大气环境及资源 利用采取的重大技术措施。因而，近年来在国外得到了 长足发展。
2. 混合动力汽车的类型
一、稀薄燃烧发动机
1.稀混合气燃烧发动机
稀混合气燃烧是指在发动机性能不下降的条件下提 高燃油经济性的一种方法。稀混合气不是指减少燃油的 喷射量，而是在同样燃料量的情况下，充入比正常发动 机更多的空气来稀释混合气。
发动机低转速时，吸入空气量少，混合气流量少， 进气阻力大，发动机的能量损失增加。在燃料量不变时， 如果节气门开度大，进入空气量大，进气损失减小，混 合气浓度降低，燃烧温度降低，热损失减少，燃料经济 性提高。
（二）LPG/柴油混合燃料发动机
液化石油气（LPG）应用于柴油机可以同时降低碳烟 和NOx的排放，对于大气环境保护和汽车能源多样化有积 极的意义。LPG的十六烷值低（小于3），不能自行着火， 所以在柴油机上应用时必须借助外源（如火花塞、电热塞） 点燃或喷入少量的柴油引燃。
LPG 在 柴 油 机 上 应 用 最 初 为 预 混 进 气 方 式 ， 液 态 LPG经蒸发调压器蒸发、汽化、减压，通过安装在进气管 上的混合器与空气混合后进入气缸，通过调节阀控制LPG 的流量来改变LPG/空气混合气的浓度。引燃柴油由原柴 油机的燃料供给系统提供，为了适时控制引燃柴油量，需 对原机的调速器进行改造。
发动机低转速运行时， 吸入空气量少， 混合气流 量少，进气阻力大，发动机的能量损失增加。在燃料量 不变时，如果节气门开度大，进入空气量大，进气损失 减小，混合气浓度降低，燃烧温度降低，热损失减少， 燃料经济性提高。
一般的汽油发动机的喷油器设置在进气管或进气歧管 处。空气和汽油混合后才进入燃烧室。而缸内直喷式汽油 发动机与柴油机相似，从进气门吸入空气，在压缩行程后 期向燃烧室内直接喷入汽油。柴油发动机是在通过向被压 缩的高温气体中喷入柴油进行燃烧的。而汽油发动机是通 过火花塞点火使混合气燃烧。汽油发动机是通过控制进气 量来控制输出功率的，必须要有节气门。而柴油发动机是 通过控制喷油量来控制输出功率的，不需要节气门。
燃料电池的基本原理示意图
燃料电池基本工作原理
1）氢气通过管道或导气板到达阳极； 2）在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢离子，并释 放出两个电子，阳极反应为：
2H2→4H++4e— 3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极， 同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极； 4）在阴极催化剂的作用下，氧气和氢离子与电子发生反应生成水， 阴极反应为：