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                        细说汽油发动机技术的发展趋势
                        来源:本站整理  作者:佚名  2012-03-24 08:43:44

                        在本世纪头10年间,车用汽油发动机的动力性能、燃油经济性及排放性能都得到了稳步提高,尤其是燃油经济性每年降低的幅度超过2%,这为降低二氧化碳排放做出了极大的贡献。实现这些进步的关键技术是缸内直接喷射技术及其燃油喷射系统、可变气门配气机构、涡轮增压以及高效率的排气后处理装置。

                         

                         

                         

                        1.动力性能

                        图1和图2示出了这10年间乘用车汽油发动机升功率和升扭矩平均值的变化历程,而图3则为汽油发动机压缩比平均值随年份的变化历程。从中可以看出,汽油发动机的升功率和升扭矩都在逐年增长。其原因可归结为:可变气门配气机构的普及使汽油发动机进排气系统的动态效率得到优化;采用缸内直接喷射,利用燃油的气化潜热获得的冷却效果改善了容积效率;改善了冷却系统和润滑系统整体的热传导,由此改善了汽油发动机的抗爆燃特性。10年来,上述技术措施使得新型车用汽油发动机的压缩比提高了约0.7,显然这一趋势尤其体现在2008年之后燃用高辛烷值优质汽油的发动机上。

                         

                        2.燃油经济性

                        如前文所述,减少CO排放(提高燃油经济性)已成为10年来技术开发的最紧迫课题,各国政府也都制定了严格的燃油消耗限值。以日本为例,图4示出了日本汽油发动机的燃油消耗实测值和2015年燃油消耗法规限值。日本2015年的燃油消耗法规限值为16.8km/L(约合5.95L/100km),相比2004年的限值又提高了23.5%。这意味着从现在到2015年燃油消耗的改善率必须与迄今为止的改善率维持同一水平。图5示出了日本以及欧美各国的燃油消耗限值。各国的法规限值均在阶段性地收紧,虽然各国的测定工况有所不同,但是其中以欧洲预定于2012年实施的燃油消耗17.8km/L(约合5.62L/100km)的限值以及CO2排放130g/km的限值最为严格,其次是美国加州实施的燃油消耗17.6km/L(约合5.9L/100km) 的限值。后文将介绍为实现以上目标而采取的相关技术措施。

                         

                        3.排放

                        自从开发出不易热劣化的三元催化剂以后,汽油发动机的排放量得到大幅度的降低,碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOX)、一氧化碳(CO)的净化率已达到99%。因此,在发达国家已将研发的重点转移到三元催化剂的普及和利用故障诊断等方法维持催化器系统的正常工作等方面;而在发展中国家,空气污染现象仍然较为严重,再加上燃油中的硫等使催化剂性能劣化的成分较多,因此会使得三元催化剂发生劣化而阻碍其正常性能的发挥,对这些国家而言大幅度地降低燃油中的硫含量则是当务之急的课题。图6示出了各国汽油乘用车排放法规的发展历程和法规限值。

                        自2004年起美国环保署(EPA)制定了第2阶段联邦排放法规(Tier2),加州空气资源局(CARB)则制定了低排放车第2阶段(LEVⅡ)排放标准。日本也从2009年起开始实施“后新长期”排放法规,该与以往的法规相比,增加了颗粒(PM)排放限值。同时,欧洲也从2009年起实施了严格的欧

                        5排放标准,而在我国、印度和南非等发展中国家,虽然因燃油方面的原因,目前仍在实施相对较为宽松的欧2和欧3水平的排放法规,但是今后总要逐步跟上世界节能减排的步伐,因此必须积极采取降低燃油中含硫量等技术措施。

                         

                        4.缸内直喷式汽油发动机

                         

                        由于稀薄燃烧可以大幅提高汽油发动机的燃油经济性,因此,进气道喷射稀燃汽油发动机问世后,能进一步实现更稀薄燃烧的缸内直喷式分层稀燃汽油发动机,在1996年就已进入实用化阶段,并很快得到了推广应用(图7),充分显示出了其大幅度改善汽油发动机燃油经济性的潜力。但是,另一方面,稀薄燃烧会产生较多的氮氧化物(NOx)排放,而对NOx进行后处理的成本较高,并且为了避免作为后处理装置的NOx吸附还原型催化器的硫中毒,必须使用低硫燃油,因此只有欧洲和日本等部分地区可提供低硫燃油的市场才能使用这种缸内直喷式分层稀燃汽油发动机。

                         

                        近年来,不采用稀薄燃烧方式的所谓“化学计量比混合汽缸内直喷技术”(以下简称“当量比直喷”)得到发展和普及,尤其是将缸内直喷技术与涡轮增压及可变气门正时技术相结合的当量比直喷增压汽油发动机。利用缸内直喷的进气冷却效果改善了动力性能和燃油经济性,利用分层燃烧降低了冷态HC排放,此外还由于气门重叠的扫气效果而具有低速扭矩大的优势。图8为利用可变气门机构(VVT)改善当量比直喷增压汽油发动机低速扭矩性能的实例。

                         

                        因此,在欧洲当量比直喷技术受到极大的关注,将此作为汽油发动机小型化(小排量化)的技术措施。图9为小型化缸内直喷式增压汽油发动机降低CO2排放的效果。欧洲新开发的缸内直喷式汽油发动机大多采用这种当量比直喷技术或者完全以均质混合汽运行,虽然它们的节油效果稍逊色于稀薄分层燃烧,但是开发成本低,实际运行稳定性好。因而,缸内直喷式汽油发动机在经历了一段低迷时期后,从2008年起其数量又开始明显增多起来。

                         

                        5.可变气门机构

                        1986年日产公司发表了凸轮轴相位可变技术,1989年Benz公司也推出了类似的凸轮轴相位调节器。图10是经不断改进后欧洲最新的第3代Vane-CAM凸轮轴相位调节器的工作原理示意图,可根据需要提早或推迟配气相位,由两个比例电磁阀操纵来自发动机润滑系统的压力机油进入转子某一侧的机油腔而推动转子向不同的方向相对于传动链轮(外壳)转过某个角度,从而可无级地调节配气相位。一般调节范围为进气凸轮轴约70°曲轴转角左右,排气凸轮轴约55°曲轴转角左右。所采用的材料也从传统的钢改为铝粉末冶金,重量可减轻约800g。

                         

                         

                        本田公司则采用将气门升程和开启角可在低速和高速两种不同凸轮廓线之间切换的可变气门机构。2001年BMW公司开发出了更为先进的配气相位和气门升程连续可变的Valvetronic气门机构(图11),成功地应用于其4~12缸汽油发动机上?刂品绞揭灿梢貉垢奈缍葱衅鞣绞,可以根据发动机不同运行工况的需要对气门实施连续且精确的控制(图12),以接近最理想的燃烧条件,而且也降低了泵吸损失,使得汽油发动机无节流运行成为可能,进一步提高了汽油发动机的功率并改善了燃油经济性。至今,进气凸轮轴相位调节器或者进排气双凸轮轴相位调节器几乎已成为欧洲新汽油发动机机型的标准配置,而BMW公司以兼顾燃油经济性和动力性能为目标,开发出了将电动连续可变气门机构与缸内直喷及涡轮增压技术相结合的新型汽油发动机。

                         

                        如果说柴油发动机应用的共轨喷油系统是乘用车柴油发动机技术的一个重大突破,使得现代清洁柴油发动机获得了突飞猛进的发展,那么为了使汽油发动机能迎头赶上,就必须在节油技术方面有所突破,同时应继续保持其较好的行驶舒适性,并满足未来的废气排放法规。当然,因采用新技术而要增加的成本不能超出柴油发动机用于废气有害物后处理的费用,这样才能增强其市场竞争力。

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