汽车动力的演变及未来

在这个位置时， 在中、低转速， 可获得大扭矩输 出.
可变配气相位
怠速 怠速时，进气门延迟关闭.
扭矩调整
转速在1000rpm以上时，进气门提 前关闭。左 侧凸轮轴调整器向下，右侧调整器向上运动。
功率调整
转速在3700rpm以上时，左侧凸轮轴调整器向上， 右侧调整器向下运动，进气门延迟关闭。
可变配气相位对性能的影响
1883年伦敦的 蒸汽汽车
煤气机取代蒸汽机
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
•爆燃 •混合气的控制 •热负荷—采用涡轮前放气方案 •对增压器特殊要求—流量范围宽、 体积小、耐高温、转动惯量小
废气涡轮增压技术
增压压力调整
旁通阀
N 75
G 70
G 28
G 31
通电时，管路通 断电时，管路通
废气涡轮增压技术
超速切断工况
空气再循环机械阀
通电时，管路通 断电时，管路通
• 汽油缸内直喷技术(GDI)
VTEC 低速工作状态
VTEC高速工作状态
VTEC机构切换过程
发动机性能的变化
摇臂支点可移动的可变配气机构
当移动枢轴相对固定齿条 移动时, 摇臂支点发生变 化, 摇臂比相应改变, 从而 使气门升程、持续历程或 相角改变。摇臂上表面的 平面用来承受移动枢轴的 负荷, 固定齿条限制摇臂 发生轴向窜动。目前, 这 种机构尚处于台架研究阶 段, 但该机构成功的通过 了200 h 连续测试, 可以控 制气门升程由0 变化到最 大行程, 有效持续期从 0°-260°, 机构简单、可 变范围广, 是一种较为实 用的机构
• 可变气门升程
• 可变气门正时和气门提升 电子控制系统 Valve Timing Electronic Control( VTEC)
发动机低速运转时，主进气 门以正常的开度开启，而辅 助进气门则只是稍微开启， 由于主进气门和辅助进气门 的开度不同，使燃烧室内产 生涡流，从而提高了燃烧效 率，降低了发动机油耗。当 发动机高速运转时，主进气 摇臂与辅助进气摇臂、中间 摇臂连接为一体，由于主、 辅进气门的开度增大，提高 了发动机的输出功率
• 优化燃烧室，合理布置火花塞，缩短火焰传播距离。
– 多气门、双火花塞
• 组织混合气形成更加均匀，提高燃烧速度。 • 降低燃烧室内的温度— 缸内直喷，利用气化吸热。 • 采用高辛烷值汽油。
– 存在主要问题：
• • • • 缸内最高压力升高，零部件寿命受到影响 为了提高零部件可靠性，机械效率降低 爆震、表面点火 排气中NOx增加~
MPI供油方式
• 进气门关闭时将燃油喷在各缸进气阀 的背面，形成混合气，同时有大量的 燃油附着在进气道和气门表面。 在进气冲程时才使油气混合物进入气 缸。 在冷起动时蒸发更不完全，在进气道、 进气阀背部表面形成的油膜使得实际 喷入的燃油量远远超过理论值，以致 在启动的前4—10个循环中会明显出现 失火或部分燃烧现象，导致HC的排放 显著增加。 负荷的变化依靠节气门调节，较大的 泵气损失导致热效率下降 燃油的蒸发主要依赖于进气道和进气 阀等热源对油膜的热源传递，因而无 法显著冷却缸内混合气 喷射压力3.5bar •
一种自动调节蒸汽机速率的装置，使它能适
用于各种机械的运动。从此之后，纺织业、 采矿业、冶金业、造纸业、陶瓷业等工业部
门，都先后采用蒸汽机作为动力了。
蒸汽机的发明与应用
• 法国的居纽（N.J.Cugnot）是第一个将蒸 汽机装到车上的人 • 1770年，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年法国的古诺改进了蒸汽汽车，时速 可达9.5公里/小时，牵引4-5吨的货物。
• • • • • • • 鲁道夫· 狄赛尔（Diesel, Rudolf Christian Karl） 1858.3.18～ 1913.9.29，生 于法国巴黎 想完全舍去发动机中的点火系统，靠压缩空气发热，喷入燃料后自燃做 功 燃料问题： 汽油很难自燃，而且一旦喷入高温空气中将发生爆燃，无法控制。 试用植物油，由于当时的技术条件限制，失败了 柴油性质稳定，不易点燃，当时是未被重视的石油裂解物。很适于压燃 式内燃机 最初的柴油机很不稳定，1894年改进的柴油机能运行1分钟左右为了与已 经商业化的汽油机竞争，狄赛尔却迫不及待的把它投入了商业生产。
可变配气相位技术的发展趋势
电磁驱动气门
发动机不工作时，气门半开半闭。 发动机起动时，根据曲轴位置，判断气门 应该的开关状态，给不同的线圈通电。 气门开启状态，线圈2 on，线圈1 off
气门开启角、气门升程及相位连续可变，
气门关闭状态，线圈1 on，线圈2 off
实现无节气门，内部EGR，停缸
– 可变进气管长度
气道喷射汽油机
气道喷射动画演示
缸内直喷汽油机
汽油机的特点
1. 热效率较低：
tV
1
1

1
25 ~ 30%
Vh Vc Va 7 ~ 12 其中ε为压缩比 Vc Vc Κ为等熵指数，对于理想气体 K=1.4
• 电器故障多 • 转速较高 • 制造成本低
柴油机的出现
•
随着技术的演进，化油器功能愈加完备，直
到上个世纪中后期，化油器已经分为五部分： 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。
汽油机的发展
• 电喷发动机 • 电喷提供最早出现于1967年，由德国保时捷公司研制的D型电子 喷射装置，随后被用在大众等德系轿车上。 • 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，
汽车动力的演变及未来
汽车学院内燃机系 袁兆成 教授
蒸汽机的发明与应用
• 1712年一个名叫纽克曼的苏格兰铁匠发明制 造了第一台蒸汽机，耗煤量大、效率低，用 于矿山抽水。 • 瓦特1796年制成了有分离冷凝器的单动式蒸
汽机。比纽克曼的蒸汽机可节省75％的燃料。
• 1782年，成功地制造了联协式蒸汽机。 • 1784年，瓦特对它进行了改进，为它增加了
• 多气门技术
– – – – – 加大了进气流通面积，提高充气量 增加动力性，提高经济性，降低排放 4气门居多，5气门较少，6气门（用于赛车发动机） 火花塞可以中间布置，火焰传播距离短，利于高速 多采用双顶置凸轮（DOHC）,有利于采用VVT机构
• 可变配气系统
– 可变配气相位
• 可变配气相位调整机构
• •
•
• •
压缩比可以提高
可以实现混合气分层 可以实现稀薄燃烧，空燃比可 以达到40：1
•
•
喷射压力50~150 bar
不同供油方式性能变化趋势比较
燃油消耗的比较和趋势
升功率的比较和趋势
GDI工作方式及特点
GDI工作方式及特点
• GDI系统的构成
供油系统的主要部件是： 油箱、供油泵、燃油压力 调节控制阀、高压油泵、 共轨、燃油压力传感器、 高压喷嘴和ECU 为了形成混合气分层，活 塞顶做成弯曲顶面（半球 屋顶形）。 配合燃烧室内混合气的流 动和分配，采用直立式进 气道。 喷射压力50~150bar
尾气叶轮 通三元催化转换器 进气叶轮
新鲜空气
旁通阀
Ende
通燃烧室
来自排气门的废气 来自电磁阀N75的高压空气 通向电磁阀N75的高压空气
废气涡轮增压技术
空气增压过程
•增加气缸充量密度，增大发动机 功率。
•加少泵气损失和换气损失 •提高了发动机的动力性 •提高了整机的使用经济性 •减少CO2和污染物的比排放量 •不必使用可变进气管 •主要技术障碍：
第一辆奔驰汽车诞生
• 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。 • 1886年诞生第一辆奔驰车。 “三轮奔驰”搭载的卧式单
缸二冲程汽油发动机，最
高时速16公里/每小时。
汽油机的发展
• 化油器式发动机
• 化油器最早诞生于1892年，由美国人杜里埃 发明。
大提高了战场生存能力。
• 战后，各国汲取了战争中的教训，都自己的坦克换装成了柴油 发动机。
柴油机燃烧室
转子式（汪克尔-- Wankel Engine ）发动机
1957年，德国 人汪克尔发明 了转子活塞发
动机
二、汽油机技术发展
• 提高压缩比
t 1
1
– 措施:

k 1 c
目前一般
=9~10趋向11.6 c
GDI供油方式
在缸内直接喷射汽油，没有燃 油着壁问题
• •
•
•
可以在进气行程喷油，也可以 在压缩行程喷油
冷起动时可以精确控制混合气 浓度，HC排放量不大。在第二 个循环就可以正常燃烧
•
•
可以不用节气门，节流损失少
燃油是以较细的雾化颗粒形式 进入气缸，在蒸发气化过程中 从周围的空气中吸热，可以有 效地降低缸内温度。
柴油机的正式应用
• 1924年，美国的康明斯公司正式采用了泵喷油器，这一发明有 效地降低了柴油机的质量
• 同年在柏林汽车展览上MAN公司展示了一台装备柴油机的卡车，
这是第一台装有柴油机的汽车。 • 不久以后，博世公司开始正式生产标准泵喷油器，正是由于柱
塞泵的普及，为柴油机安装在汽车上提供了基础。
• 1936年，奔驰公司生产出了第一台柴油机轿车260D，这时距狄 赛尔去世已经23年。