重庆大学 内燃机原理文档格式.docx
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排放问题严重等等。
为了解决这些问题，汽车产业需从以下两个方面寻找方法：
一是改善内燃机的燃烧性能，如从技术上改善燃烧过程，从燃料上改善燃烧过程；
二是提高内燃机的使用效率，使内燃机始终工作在较高的效率上，如采用内燃机和电动机为动力，即使用混合动力。
Ⅰ.汽油机发展现状及趋势
从汽车出现到现在，汽油发动机始终在路面上奔腾，从未淡出人们的视线。
从现代汽车的发展史我们也很明显的发现现代第一辆汽车使用的正是汽油机发动机。
由此可见汽油机在汽车发展史上的地位。
然而随着时代的发展，当代社会汽车的保有量已经越来越多，汽车带来的环境问题也日益严重。
而传统汽油机由于其自身的局限性，其缺点也日益凸显。
传统汽油机是电火花点火，属于预混合均质燃烧。
由于汽油特性和爆震等诸多因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比，使热效率比柴油机低得多，且产生大量NOx和不完全燃烧产物。
另外由于汽油机需要用节气门控制进气量，部分负荷时的泵气损失使机械效率降低。
汽油机的燃料利用率比柴油机低30%。
所以传统汽油机有着难以克服的燃料利用率极限问题和排放问题。
A.国内汽油机发展现状
1.产销概况：
近年来由于我国经济保持了稳定增长的态势，汽车产销量的增速一般保持在35%左右的高速。
并且由于国家对1.6L及以下乘用车购置税减征25%、汽车下乡补贴和以旧换新补贴等优惠政策的实施，对我国汽车市场的发展起到了一定的作用。
2技术概况：
目前我国汽油发动机已广泛采用了可变气门技术（VTEC、VVT-i、CVVT等）、多气门技术、汽油机直喷技术（GDI）、涡轮增压技术。
例如天津丰田8A、北京现代和奇瑞SQR372都采用了多气门技术；
奇瑞SQR481H汽油机采用了VVT可变气门技术；
华晨金杯和宝来1.8T采用涡轮增压技术。
3.其他概况：
我国发动机的材料多为铸铁，配备铝合金发动机的汽车还很少。
从燃料上看我国汽油的性能指标较差，这对汽油机的寿命及性能有很不利的影响。
B.国外汽油机发展的现状
国外发达国家的汽油机在技术上较为先进，现将国外使用的先进技术总结如下。
1.汽油机直喷（GDI）
汽油机直喷技术室指将高压汽油直接喷射到气缸内，空气则通过进气门进入燃烧室，与汽油混合形成混合器被点燃做功，这项技术在国内外都已成熟。
汽油机直喷系统主要有三部分：
高压喷油系统、ECU和高压油泵。
高压喷油系统可以说是直喷发动机最关键的系统，与以前油气在进气歧管内混合，然后被负压吸入发动机不同，直喷发动机是用高压喷油嘴将燃油喷入汽缸，由于汽缸内压力已经很大，因此需要喷油系统具备更大的压力。
高压喷油系统主要可以分为发动机控制模块（ECM）、高压油轨、高压油泵和喷油嘴四部分，其中ECM主要采集发动机数据，按照预定程序控制喷油时机和喷油量，从而实现最高燃烧效率；
而高压油泵则主要负责燃油的加压，高压油轨主要起均衡各喷油嘴喷射压力的作用，而最终的喷油任务则由喷油嘴来执行。
此外，还有多个传感器提供燃油压力等信息，确保整个系统的高效率。
ECU不仅是直喷发动机的关键部分，也是所有技术较新的内燃机的重要组成部分，这个部分涉及到芯片、执行器、软件等多个环节，其中任何一个环节缺失都无法实现量产装车。
目前ECM技术还是为国外企业所把持，在技术上已经比较成熟。
部分自主品牌虽然也初步具备了ECM的制造能力，但是在软件的匹配、执行器的可靠性等环节还有不少问题尚待解决，不过就跟变速器技术一样，这样的关键技术一旦取得突破，自主品牌厂商将受益匪浅。
高压油泵则是燃油加压的关键环节，在低压油泵将燃油送到高压油泵之后，高压油泵可以将汽油加压到十余兆帕的压力（这是普通汽油泵压力的三四十倍），并将其送入油轨。
高压油泵通常是由凸轮轴带动，内部则有双头或者三头凸轮加压（如福特ECOBOOST系列发动机的“9号凸轮”）。
在高压油泵上还集成了电子油轨压力调节器（FRP），它是一个由ECM控制的电磁阀，ECM以脉冲宽度调制的方式控制油压调节器，油压调节器控制着高压燃油泵的进口阀，从而控制燃油压力，当驱动线路失效时，高压油泵进入低压模式，发动机仍可应急运行。
2.稀薄燃烧技术
稀薄燃烧技术是指使缸内混合气为稀薄混合气，实现分层燃烧。
若在使用稀薄燃烧时辅以相应的排放控制措施，汽油机的有害排放物CO、HC、NOX和CO2将大大地减少，且稀燃时燃烧室内的主要成分O2和N2的比热较小，多变指数k较高，因而发动机的热效率高，燃油经济性好,节油约20%，如丰田皇．冠3.0LV6汽油机。
汽油机稀薄燃烧包括进气道喷射稀燃系统（PFI）、直接喷射稀燃系统（GDI）和均质混合气压燃系统（HCCI）。
进气道喷射稀燃系统（PFI）：
普通汽油机工作时保证可靠点火所对应的空燃比为10:
1~20:
1。
与此相比，稀燃汽油机的空燃比要大得多。
为了保证可靠点火，点燃式稀燃汽油机在点火瞬间火花塞周围必须形成易于点燃的空燃比为12.0:
1~13.5:
1的混合气。
这就要求混合气在气缸内非均质分布。
而要实现混合气的非均质分布，必须使混合气在气缸内分层。
混合气分层主要依靠气流的运动结合适时的喷油实现。
进气道喷射稀燃系统根据进气流在气缸内的流动形式不同，可分为涡流分层和滚流分层两种。
直接喷射稀燃系统（GDI）：
前面已经陈述，不在赘言。
均质混合气压燃系统（HCCI）：
HCCI发动机和传统的汽油发动机一样，都是向汽缸里面注入比例非常均匀的空气和燃料混合气。
传统的汽油发动机通过火花塞打火，点燃空气和燃料混合气产生能量。
但HCCI发动机则不同，它的点火过程同柴油发动机相类似，通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧。
HCCI是一种以往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式，简单来说就是汽油机的一种压燃方式。
这项技术在90年代初已经被提出并开始实验，但是当时电子控制技术没有现在成熟，所以这项技术直到现在才被大众所知。
进气道喷射汽油机在不采用助燃方法组织稀燃时，其空燃比超过27:
1非常困难。
但直接喷射稀燃系统超过这一界限却非常容易。
与缸外进气道喷射稀燃汽油机相比，缸内喷射稀燃汽油机具有泵气损失小、传热损失小、充气效率高、抗爆性好及动态响应快等特点。
3.可变气门正时（VVT）
根据不同转速调节气门正时，可节省燃油，改善排放。
传统发动机的气门正时系统很难满足发动机在各个工况对配气的需要进而影响发动机性能。
采用可变气门正时技术的气门正时系统可以配合不同工况改变气门开启时间或开启大小以保证良好的充气系数进而提高发动机功率并降低油耗。
由于VVT技术的众多优点许多汽车厂商从上世纪90年代便开始将该技术装备到其生产的汽车上。
自1990年欧洲开始采用VVT技术以来主要被阿尔法・罗密欧宝马、美洲豹、沃尔沃、保时捷、戴-克、奥迪、雷诺等高级轿车生产厂商采用取得了良好效果。
近几年国外不少知名汽车生产商也开始采用进气门连续可变正时控制、排气门可变正时控制、气门行程和工作角调整等型式来提升发动机的动力性能。
目前以机械式气门控制机构为主流但未来的技术发展趋势将转向开发电磁气门控制系统。
例如，保时捷公司2001年款涡轮增压3.6L水平对置型发动机采用2级可调开关式挺杆的可变凸轮顶点装置。
该装置由4个阀顶、轴向凸轮轴调节器、转换式气门挺杆组成。
各缸的两个进气门和两个排气门成V形布置。
这套全部由德国INA公司提供的可变气门正时机构和过去的可变凸轮相比排气有害物质下降50%使发动机尾气排放达欧洲Ⅳ号排放限值标准和美国加州LEV排放限值标准。
动力性和燃油经济性也有了很大的提高。
4.多气门技术
所谓的多气门技术是指发动机的每个气缸有3-5个气门（大多为4气门）。
使用多气门技术可提高发动机功率，改善燃烧质量。
其中3气门是指每缸2个进气门、1个排气门。
4气门设计是指每缸的进排气门各有2个。
5气门设计是每缸3个进气门、2个排气门了。
采用6气门设计,即有3个进气门、3个排气门的发动机。
活塞式发动机功率的大小，从根本上来说，取决于它所吸入的空气量。
一台发动机能吸入更多的空气，便有可能发出更大的功率。
因此，提高发动机性能的最有力的措施，就是多让空气（和燃料的混合气）进入气缸，多将废气排出，也就是所谓改善换气过程。
空气（和燃料的混合气）从气门开口进入气缸，废气从那里排出。
如果其它条件不变的话，气门开口愈大，就有更多的空气（和燃料的混合气）进入气缸，发出更大的功率。
将气门数增多，可以增大总的气门开放面积。
多气门的第二个优点是：
燃烧完紧凑、表面积小、火焰传播距离短和压缩比高。
多气门的第三个优点是：
气门开闭充分时间长便于采取降低排污措施，更便于与电控技术结合。
5.谐振进气和可变进气歧管（VIM）
谐振进气系统是指利用进气波动效应使发动机进气门处气压升高以增加进气量，提高充量系数。
可变进气歧管是技术指在不同转速下使用不同进气道长度，以保证在任何工况下都有较好的充气效率，可以缩小发动机在高低转速进气速度的差别，提高发动机的动力性、经济性。
谐振进气系统的原理：
进气过程具有间歇性和周期性从而在进气歧管中产生一定幅度的压力波，该压力波以当地声速在进气系统中传播和往复反射。
同时一定长度和直径的进气歧管与一定容积的谐振室组成谐振进气系统，并使其固有频率与气门的进气周期调谐。
在特定转速下，进气门关闭前，进气歧管内产生大幅度压力波，增加进气量。
可变进气歧管原理：
发动机的可变进气管采用的是进气管长度可变技术，进气管制作成螺旋形通道，通道内置一个控制阀。
当发动机处于低转速区域时，控制阀关闭，空气流经螺旋形通道后进入气缸,此时为长进气管状态。
当发动机处于高转速区域时，控制阀开启,让空气不经螺旋通道而直接进入气缸，此时为短进气管状态。
采用了可变进气管技术,发动机就能在高低转速区域时都能保持良好的进气效率，而进气效率的提高即使发动机的整个工作效率也就提高了，使发动机更节能,更环保,动力更强大。
6.停缸节油技术
停缸技术是指在发动机的在输出功率减小时，使发动机一部分气缸停止工作，可节省燃油，如通用开拓者EXT2005款有8个气缸，需要时可使4个气缸一停止工作。
发动机的机械效率随负荷的增大而增大。
汽油发动机小负荷运转时，节气门开度小，节流作用大，换气能量损失增加，造成机械效率下降。
进入气缸混合气的减少和残留废气量的相对增加，使燃烧过程变差，发动机循环波动变大，为了保持稳定的点火和必要的燃烧速度，被迫采用过浓的混合气，致使指示效率显著下降，发动机的经济性变差。
若在部分负荷时关闭部分气缸，就必须供给工作气缸更多的可燃混合气以达到停缸前发动机的功率，这样可增加工作缸的负荷率，从而提高发动机的机械效率。
汽油发动机在部分负荷时，因节气门开度小，节流作用变大，致使进气歧管压力降低，发动机的充气效率下降。
假如在此工况下，停止部分气缸工作（即“停缸”），要让发动机输出停缸前的功率，必须给工作缸更多的可燃混合气，就得开大节气门，使节流作用变小，发动机进气歧管内的压力上升，充气效率提高，缸内平均指示压力显著增加。
由于停缸工况下发动机的泵气损失功减少，同时发动机的机械摩擦损失功也减少，从而可明显提高发动机的燃油经济性，这是停缸节油的主要原因。
发动机停缸后，燃烧室总表面积的减少可降低燃烧过程的传热损失，从而提高了发动机的循环热效率，这是停缸节油的另一个原因。
此外美国福特汽车公司的一项试验表明，在停缸许可的发动机转速范围内，节油效果主要和发动机的平均有效压力有关，而与发动机转速关系不大。
C.国内外汽油机的发展趋势
汽油机未来的发展趋势可以归纳为四点：
高功率、大转矩、低油耗、低排放；
落实到具体的技术上，就是指汽油机未来应该大力发展的新技术是：
气道喷射稀燃技术（PFI）、直接喷射稀燃技术统（GDI）和均质混合气压燃技术（HCCI）等促进汽油机改进燃烧，提高效率，降级排放的技术。
Ⅱ.柴油机发展现状及趋势
柴油机具有热效率高、可靠性好、排气污染小和较大功率范围内的适应性等优点，因而在汽车上的应用愈来愈广泛。
与汽油机相比，柴油机所用的燃料的理化性质决定了燃料供给、着火与燃烧方式的不同。
柴油机采用压燃，即：
在压缩行程接近终了时，把柴油喷入气缸，使之与空气混合成可燃混合气，并利用空气压缩行程所形成的高温、高压使其自行发火燃烧。
柴油机燃油供给系统的作用是根据柴油机各种工况的需要，将适量的柴油在适当的时间并以合理的空间形态喷入燃烧室，即对燃油喷入量、喷油时刻和油束的空间形态三方面进行控制。
柴油机燃油供给、缸内气流运动和燃烧室的形状对混合气的形成、燃烧过程的组织以及形成合理的燃烧放热规律具有重要作用，是对柴油机的动力性、经济性和排放以及噪声振动有重大影响的因素
与汽油机相比质量较大。
主要有三大优点:
经济：
首先，每单位柴油的能量含量比汽油高；
其次,柴油机的压燃特性，使其热效率比汽油机高。
一般柴油机的油耗要比汽油机的低30%～40%。
.环保：
一般来说，机动车的主要排放物有一氧化碳、碳氢化合物、二氧化碳、颗粒物和氮氧化物。
相对而言,柴油机的一氧化碳、碳氢化合物和二氧化碳排放量极低，但在颗粒物和氮氧化物的排放控制上要比汽油机更难处理。
这是柴油机本身的特性造成的,可通过现代技术处治。
柴油机低速大扭矩的特性：
为汽车提供了更好的使用性能。
通过采用先进的燃油喷射技术和电控技术，现代柴油机在动力性、加速性、舒适性指标上已经无异于汽油机。
A.国内柴油机发展的现状
1.柴油机产业概况
我国重型柴油车的产量在逐年增加，中型、轻型车柴油化步伐也在加快，但在微型汽车、轿车领域，柴油车所占比例仍为零。
而另一方面，我国中型柴油机市场已呈现供大于求，轻型柴油机市场也趋向饱和，但骨干企业正在生产的多数产品从技术角度已应是淘汰产品，发展潜力不大。
柴油机行业投入不足，严重制约了生产工艺水平、规模发展和自主开发能力的提高。
现在，我国柴油机技术基础薄弱，整体技术水平落后于国际先进水平10至20年，也落后于国内车用汽油机的发展，还不具备完整的全新柴油机产品和关键零部件开发能力。
许多国外已经普遍采用的技术在我国仍处于研究阶段，有些甚至仍是空白。
2.柴油机技术概况
目前我国乘用车柴油机与国际先进水平仍存在很大的差距,亟需突破包括高效清洁燃烧技术、电子控制燃油喷射系统、发动机管理及标定技术等技术难点。
3.柴油机其他概况
我国柴油机技术的落后、产品质量差以及车辆使用中维修保养措施不力，导致低性能、高排放柴油车在使用中对城市环境和大气质量造成不良影响，使社会产生“厌柴”心理。
柴油品质差、柴油标准的制修订严重滞后于汽车工业发展的需要，对柴油机技术的发展以及各种新技术、改善柴油机排放措施的应用造成障碍。
B.国外柴油机发展的现状
国外发达国家的柴油机对市场的占有率已经成日益上升的趋势，不仅是载货汽车上大量应用柴油机而且在轿车上也得到广泛应用。
柴油发动机的这种广泛应用与其柴油的良好的油品有及其密切的联系，同时与其柴油机新技术的广泛应用有关下面是目前国外柴油机应用的一些新技术
1.柴油机电控燃油喷射系统
第一种柴油机电控燃油喷射系统为柴油机共轨式电控燃油喷射系统：
采用共轨油道控制油压，同汽油机电控喷射系统有许多相似之处；
但其工作压力相差10～30倍，这是因为柴油机需要特殊的高压喷油才能利于雾化而充分燃烧。
由于共轨油道中的高压要求，随之带来的高压密封要求、强度要求、快速响应动作要求也较难解决。
目前美国BKM公司研制的中压共轨式电控燃油喷射系统（又叫共轨蓄压式电控燃油喷射系统），其输油泵工作压力可降到2～10MPa之间；
其关键技术是采用了蓄压式喷油器，实现低压共轨，高压喷射。
该种喷射系统对强度和密封性要求较低，但在工作中，平均有效压力偏低，不利于柴油雾化和空气混合，使微粒排放有所增加，影响排放质量。
特别是柴油喷出过程中，蓄压室内开始压力高，其压力逐渐降低，使喷油速率越来越低，不符合先缓后急的喷油燃烧规律。
目前德国奔驰公司同博世公司又共同开发独特的高压共轨式电控柴油喷射系统。
配置的电控压力调节器为该公司开发的专利产品，可以实现柴油机部分停缸控制，使低速工作时，降低功率消耗；
共轨油道中压力可在15～140MPa范围内自由调节，成功地实现低的喷油率，预喷射和多次喷射。
第二种柴油机电控燃油喷射系统为开发型电控燃油系统：
虽然在供油方式上仍维持着传统的脉动式柱塞泵油，但是其供油调节，则由电控单元（ECU）控制的强力快速响应电磁阀开闭时刻所决定。
因而大大简化了机械结构，提高了喷射压力和燃油量以及定时供油的调节精度，使柴油机获得较好的性能。
第三种电控燃油系统称之为共轨式电控燃油喷射系统。
第三种柴油机电控燃油喷射系统是机械式改进型电控燃油系统：
主要应用于二十世纪七十年代，其特点是不改变原来的机械式供油装置和喷射系统；
只是在供油和供油量调节的机构中，以电控单元（ECU）为核心的位置伺服控制系统取代原来的柱塞泵或分配泵中机械式离心调速器和提前供油两项装置的功能，实现了供油量和喷油定时的自动调节。
因而，该种燃油系统也被称为位置控制式电控燃油喷射系统。
2.增压中冷技术
所谓增压就是将空气预先压缩后再进入气缸，以提高空气密度，增加进气量的一种技术。
通过增加进气量，相应的增加循环供油量，这是提高发动机功率的一个重要途径。
与相同功率的非增压发动机相比，增压发动机不仅体积小，重量轻，功率大，而且还降低了单位功率的成本，提高了燃油经济性。
因此，增压中冷技术广泛应用在柴油机上。
它是改善发动机性能的重要技术手段。
增压有涡轮增压、机械增压和气波增压三种基本形式，相对应的增压器分别称为涡轮增压器、机械增压器和气波增压器。
在增压发动机中，功率的大小与增压压力成正比，与增压温度成反比。
不过，根据热力学原理，增压空气在增压器中压缩是按多变过程进行的。
为了使增压后空气具有尽可能大的密度和较低的温度，需要在增压器与发动机之间设置一个冷却器（中冷器），对增压空气进行冷却，即所谓中间冷却。
各发动机厂对此有严格规定，例如潍柴公司生产的WD615系列柴油机要求在大气温度25摄氏度时，中冷后的进气温度不得超过55摄氏度。
中冷系统发动机中间冷却技术的类型根据所采用的冷却介质的不同分为两种，一种是利用发动机的循环冷却水对中冷器进行冷却，即水——空中冷系统。
当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高而且机构复杂。
在汽车上很少采用。
另一种是利用外界空气冷却，即空——空中冷系统。
这种系统结构简单，性能可靠，热传导效率高，汽车发动机大都采用空气冷却式中冷器。
空——空中冷系统由中冷器,进出气连接管路组成，其中中冷器是其核心部件。
3.柴油机排气后处理技术
DOC后处理技术：
DOC是目前柴油车使用最多的后处理装置，除了能降低CO和HC排放之外，对DPF和降低NOx的后处理技术都有重要作用。
DOC从功能上可以分成两类：
一类是把排气中的NO氧化成NO2，提高尿素SCR催化剂的低温活性和反应速率，促进DPF被动再生的效果；
另一类的主要作用是氧化HC等还原性气体，这既可以降低柴油机HC和CO排放，又可以在DPF主动再生时氧化HC提高排气温度，甚至还可以氧化LNT、HC-SCR和SCR催化剂末端排出的有害气体，包括HC和NH3等。
这两类DOC催化剂的配方有所不同。
提高排气温度和排气中NO2比例对DPF和SCR都有重要作用，兼顾这两种效果的DOC将得到广泛应用。
DOC氧化NO的转化效率受到反应时间和平衡浓度的限制，如图6所示。
催化剂温度较低时，NO氧化速率慢，达不到平衡浓度；
催化剂温度过高时，由于NO氧化反应是放热反应，反应平衡限制了NO2的生成。
未经老化的DOC可以在250摄氏度时实现60%左右的NO2/NOx比例。
DOC的技术已经相对成熟，研究工作主要集中于如何提高转化效率、降低起燃温度。
柴油机采用低温燃烧模式后，会增加HC和CO排放，降低排气温度，并减少氧含量，这些都不利于DOC的使用。
在欧VI阶段，柴油机的冷启动排放要求高，对DOC起燃温度和低温转化效率提出了挑战。
目前新型DOC起燃温度可以达到150~200摄氏度。
微粒捕集器技术（DPF）:
柴油机排气通过DPF时，排气中的PM经过扩散、截流、惯性碰撞和重力沉降等原理被过滤体捕集。
捕集效率主要受到PM粒径、过滤体微孔孔径、排气流速及气流温度等因素的影响。
微粒捕集器是国内近年来研究的热点之一，降低PM的效率可达80%~95%，微粒捕集器的关键技术包括过滤材料和过滤体再生技术。
微粒捕集器的再生方法有两种，分别是主动再生技术和被动再生技术。
主动再生技术是指利用外界能量来提高DPM内的温度，使PM着火燃烧。
目前，主动再生方法有燃油助燃再生、电加热再生、微波加热再生、逆向喷气再生等。
主动再生技术的特点是对汽车的工况没有要求，对硫不敏感，效率较高，可靠性好。
而被动再生技术是指在燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层来降低PM的燃点，使PM能在较低的温度下燃烧掉。
被动再生中又有燃油添加剂再生、连续再生以及催化剂辅助再生等分类了。
被动再生技术的特点是有较好的燃油经济性，较低的成本，整个系统比主动再生简单。
选择性催化还原技术（SCR）：
以尿素水溶液作为还原剂载体的SCR技术已成为最为成熟的NOX后处理技术，经济在世界范围内得到了广泛应用。
典型的尿素SCR系统包括催化剂、尿素喷射系统以及各种传感器。
尿素水溶液通过喷射系统，定量地喷入排气管，尿素分解生成NH3。
在SCR催化剂表面，NOX被NH3还原生成N2。
尿素SCR的工作过程从时间上可以分解为尿素喷雾分解过程和SCR催化反应过程，这两部分需要综合考虑，才能达到良好地使用效果。
尿素SCR催化剂以钒基催化剂和沸石催化剂为主。
钒基催化剂具有转化效率高、高效温度窗口宽、抗硫性好、成本低的优点，但在温度高于600~800℃时会失去活性。
当SCR系统和DPF系统耦合（DPF在前，SCR在后）时，由于DPF主动再生时会产生短时间的高温，这时需要采用沸石型SCR催化剂。
当排气中含有部分NO2时，反应速率会明显加快。
理想情况下，尿素溶液在进入催化器前可以完全分解，生成的NH3与发动机排气混合均匀。
低温等离子体辅助催化技术：
在常压下，通过电晕放电、介质阻挡放电等方式产生NTP
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