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汽车发动机新技术的论文


浅谈汽车发动机新技术 缸内直喷式 浅谈 汽车发动机新技术---缸内直喷式 汽车发动机新技术

近年来,当代汽车汽车飞速发展,汽车新技术不断涌现和应用, 带动汽车性能不断改善。下面就现代缸内直喷式汽油机进行简单介 绍。 汽油机的发展经历了 100 多年的漫长历史,其中具有里程碑意 义的发展阶段无不是以油气混合方式和机理的变迁为标志的。 早期的化油器式汽油机依靠化油器喉口气流流速增加所产生的 真空度将汽油吸出被高速进气空气流雾化以及汽油油滴本身的蒸发 而与空气形成可燃混合汽。油气混合比(空燃比=进气空气质量/燃油 质量)取决于化油器喉口的设计和量孔直径,负荷的调节是由节气门 的开度来调节进入汽缸的油气混合汽量来实现的,因此属于混合汽 外部形成的量调节方式,且没有任何反馈控制。由于汽油-空气混合 汽能在相当宽的空燃比范围内点燃,这种不太精确的控制对早期汽 油机的正常运行并不存在什么问题。 但是,随着世界工业化的发展,汽车成为不可或缺的主要交通 工具,而作为汽车主要动力的这种化油器式汽油机废气中的有害成 分(C O、H C 和 N O X 等)对大气造成了污染,而燃烧产物二氧化碳 又产生“温室效应”导致全球气候变暖。随着汽车数量的与日俱增,

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对人类生存环境的危害日趋加剧,因此汽车的节能减排已成为全球 刻不容缓需要解决的重要问题。 汽油缸内直接喷射从油气混合机理上可以解决变工况(如车辆 加速时)和冷启动时油气混合不足的问题。早期的缸内直喷式汽油机 因喷射技术水平的限制,喷雾油滴的直径约为 80?m。计算表明,一 滴这样大小的油滴在 200℃空气中需要大约 55ms 才能完全蒸发。如 果发动机的转速为 1500r/min 的话, 这段时间相当于 495°CA(曲轴转 角)。显然,蒸发时间过长,在这种情况下油气混合不能主要依靠喷 雾来实现。随着汽油喷射技术的进步,现代缸内直喷式汽油机应用 的汽油泵的供油压力已达到 5~12MPa,又采用带旋流的喷油嘴,雾 化性能得以提高,喷雾的油滴直径约为 20?m,喷雾锥角可达 50~ 100°,常压下的贯穿度约为 100mm 。此时一滴 20?m 的油滴在上 述同样情况下仅需 3.4 ms 或 31°CA 就能完全蒸发, 因而汽油的蒸发 和与空气的混合可主要依靠喷雾来实现,再加上缸内空气运动的辅 助, 变工况(如车辆加速时)和冷启动时不再需要过量喷油, 冷启动喷 油量得以大大减少(图 1),有害物排放也将大为降低。同时,由于汽 油直接喷入汽缸内,消除了进气道喷射时形成壁面油膜的弊病,特 别是在发动机尚未暖机的状态下,因而能改善变工况时对空燃比的 控制,不但能改善车辆的加速响应性,而且还能降低此时的有害物 排放。

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此外,缸内直接喷射还可带来很多其它好处,从而有利于降低燃油耗, 达到节能和减少温室气体二氧化碳排放的目标。例如:汽油在缸内直接喷射 时油滴主要依靠从缸内空气中吸热而非从壁面吸热, 因而能使混合汽的温度 降低和体积减小,从而有利于提高充气效率,降低爆震倾向和提高压缩比。 计算表明, 在汽油油滴蒸发完全依靠从空气中吸热或者完全依靠从壁面吸热 这两种极端情况下,缸内混合汽的体积在空燃比为 12.5 时将相差大约 7%, 而混合汽的温度在上止点前将相差大约 50℃。因此,与进气道喷射汽油机 相比,缸内直喷式汽油机的充气效率提高了 10%,同时爆震倾向也大为降 低,表现在受爆震限制的点火时刻可提前若干曲轴转角,因而压缩比可提高 1.5~2,有利于提高汽油机的热效率,降低燃油耗(约 2%)。特别是有利于汽 油机采用增压,并应用较高的压缩比,克服了由于增压汽油机压缩比较小而
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对部分负荷燃油耗所带来的不利影响,同时提高了增压汽油机在 2500r/min 以下低转速范围内的增压压力,1200r/min 时的扭矩能够提高 25%,大大改 善汽油机的低速扭矩特性和车辆的行驶性能。此外,由于汽油直接喷入汽缸 内,可实现稀薄混合汽分层燃烧,使得低负荷工况时的空燃比可提高到 40 以上, 从而无需关小节气门来限制进气量, 采用像柴油机那样的质调节方式, 基本上避免了发动机在换气过程中的泵气损失,有利于降低燃油耗。同时, 在高空燃比情况下,由于混合汽物性的改变、绝热指数的增加以及混合汽分 层致使热损失减少,使得发动机的热效率进一步提高。由于汽车发动机经常 在低负荷工况下运行, 因此分层混合汽燃烧的直喷式汽油机可使平均燃油耗 降低 15~20%。在欧洲机动车排放组合循环(MVEG)行驶试验中,其燃油耗 明显低于进气道喷射汽油机已达到了相当于非直喷式柴油机的燃油耗水平 (图 2)


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图 3 示出了现代汽油机各种技术改进措施的节油潜力。可以清 楚地看出,作为单一措施汽油缸内直接喷射蕴藏着最大的节油(即降 低 CO2 排放量)的潜力。这种效果一方面是由于发动机的无节流运 行降低了换气损失,另一方面由于充量分层运行,燃烧在燃烧室中 央进行,周围有隔热的空气层而减少了壁面热损失,同时全负荷时 的爆震倾向降低,因而发动机能够以较高的压缩比运行。这些措施 在发动机整个特性曲线场范围内对燃油耗都起到了有利的作用。而 燃烧室内的充量运动也使得在以化学计量比混合汽运转的范围内具 因而在该 运转范围内也能够获得节油效果。 有较高的 EGR 兼容性, 综上所述,无论是从节能和减排的角度,还是从提高汽油机动 力性能的角度来看,现代缸内直喷式汽油机在进气道喷射技术的基 础上,又将汽油机技术向前推进了一大步,从而成为世界汽油机发

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展历史上又一个重要的里程碑,不言而喻同样是我国汽车汽油机的 重要的发展方向。 未来汽车设计的发展必然随着汽车技术的进步而日新月异,众 多设计师的艺术风格也会更广泛更强烈地体现在汽车设计之中,而 给予人们更加广泛的选择。高科技下,个性鲜明、更加人性化的汽 车将是 21 世纪汽车产业发展的必然,因为它符合人类对文化、个性 的追求和需要。因此,加大对概念汽车的设计的重视和投入,将对 我国汽车产业的发展起到极大的推进作用。 作为当代的大学生,肩负着建设祖国的重任,今天的我们应该 努力勤奋学习,掌握好科学文化知识,为将来祖国的繁荣富强贡献 自己的一份力。

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