海 南 大 学
本科课程论文
汽车发动机新技术探讨
学 院： 机电工程学院 专业年级： 2012级车辆工程1班 姓 名： 邓梦蝶 学 号： [1**********]005 指导教师： 张少波
2015 年 6 月 10 日
摘 要
本文通过分析目前汽车发动机的一些新技术，提出未来发展汽车发动机技术的关键就是提高能量的利用效率以及减少排放污染物。
关键词：发动机；新技术；能源；环境保护
Abstract
By analyzing the number of new car engine technology, presented the key to the future development of automobile engine technology is to improve the utilization
efficiency of energy and reduce pollutant emissions.
Keywords: Engine; new technologies; energy; environmental protection
为了适应社会的持续发展，科学技术的不断进步，作为人们生活中必不可少的交通工具——汽车，自然不能滞后。而在汽车科技不断进步的同时，却也给人类社会带来了不可估量的麻烦，甚至灾难。能源短缺、环境恶化等一系列不可避免的问题对人类社会无疑是一种负面能量。在这类负能量的驱使下，高效率、低排放车用发动机的研发几乎成了目前发动机研究的唯一方向。
在发动机技术的发展陷入瓶颈的时候，电子控制技术的发展似乎带其进入了生机盎然春天，汽油机电子控制燃油喷射技术、可变气门正时技术、柴油机高压共轨直喷技术等一系列电控技术都标志着发动机技术已经迈入了电子时代，智能控制、节能、环保技术的运用成为了汽车发动机技术发展的主旋律。本文将就发动机新技术的其中几项展开探讨。
1 涡轮增压技术
涡轮增压技术是一种通过增压器压缩空气来增加进气量的技术，它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，进而涡轮带动同轴的叶轮，叶轮压送有空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机的转速加快，废气的排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就会压缩更多的空气进入气缸。随着空气压力和密度的增大，气缸可以燃烧更多的燃料，从而增加发动机的输出功率。
涡轮增压器最大的优点就是可以在不增加发动机排量的情况下就能较大幅度的提高发动机的功率和扭力。通常，加装增压器后的发动机的功率及扭矩会增大20%～30%。这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率。另外，发动机采用了增压技术后，还能提高燃油经济性和减少尾气的排放，这极大地提高了发动机的工作效率。另外，涡轮增压技术的应用还提高了发动机的燃油经济性，减少了尾气排放。与此同时，涡轮增压器在运行上其实是存在延迟现象的，即由于叶片的惯性作用，会对油门骤变时的变化反应迟缓，从而导致发动机延迟增加或减少输出功率，这对于要突然加速或者超车的汽车来说，可能会有瞬时使不上劲的感觉，另外，涡轮机也增加了保养费用。
值得一提的是VTG涡轮增压技术，VTG（Variable Turbine Geometry）即可变几何形状的涡轮叶片，搭载VTG技术的涡轮，其涡轮叶片的几何形状是可以在不同工况下发生改变的，以减少涡轮增压器的延迟现象。当发动机转速较低的时
候，废气压力较低，导流叶片开度较小，据流体力学原理分析可知，在导向叶片出口处的气流速度就会增加，到达涡轮排气侧叶片上的气体压强会增大，从而能够提高发动机低转速下涡轮的转速，减轻了“涡轮延迟”现象。当发动机的转速逐渐提高，导向叶片的开度也逐渐变大，当发动机达到最大负荷的时候，导向也变完全打开，与排气侧主体涡轮形成一个更大的叶片，以增大涡轮的输出。 2 电控燃油喷射技术
传统发动机使用化油器进行燃油喷射，然而在汽车科技的发展道路上，其被淘汰似乎是必然发生的。随着电子技术的发展，1953年美国班迪克公司着手开发汽油电喷装置以来，到今天，电控燃油喷射技术几乎已经趋于完美。而汽油机和柴油机的电控燃油喷射系统也各有特点。
2.1 汽油机电控燃油喷射技术
汽油机电控燃油喷射技术是利用微电子技术对系统进行多参数控制，实现燃油喷射的适时、适量，以此来提高发动机的燃烧质量和稳定性，降低废气排放，有效提高发动机动力性、经济性和排气进化程度。
汽油机燃油喷射系统是通过传感器检测发动机进气量、发动机转速及曲轴转角的信号，由电控单元根据发动机运行工况计算出每循环的基本供油量，同时通过节气门位置、冷却水温度、空气温度和氧含量等发动机运行工况参数，对供油量进行修正，并转换为喷油器喷油时间控制参数对喷油器喷油量进行控制，以此达到对发动机空燃比的精确控制，使发动机能在各种工况下始终具有一个最佳空燃比，从而提高发动机动力性和经济性，降低发动机废气排放。电控燃油喷射技术可使汽车发动机的功率提高，燃油消耗率提高，废气排放量减少，同时也大大提高了汽车的加速性和对道路的适应性。
2.2 柴油机高压共轨直喷技术
相较于汽油电控燃油喷射技术，柴油机电喷的产生于发展要完了十多年。高压共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。电控高压共轨喷射系统彻底摈弃了传统的“油泵—油管—喷油器”的脉动供油形式，一个高压油泵在柴油机的驱动下，将高压燃油输送入一个公共容器（即高压共轨），根据柴油
机负荷和转速要求将共轨中的油压控制在预定值，实现反馈控制。有一定压力的燃油经共轨分别通向各缸喷油器，而且高压油泵直接控制喷油，且仅仅是向此轨供给燃油以维持所需的共轨压力，喷油正时和喷油量由喷油器上方的高速电磁阀控制。共轨系统的采用，使喷油压力与发动机转速无确定关系，只取决于共轨腔中按要求调整的压力，彻底解决了传统喷油泵在发动机高、低速转动时喷油压力差别过大性能难以兼顾的矛盾。高压共轨系统中最重要的部件是喷油器，通过高速电磁阀控制喷油器的开启和关闭，这使得对每一个气缸的单独喷射控制成为可能，和其他电磁阀控制的燃油喷射系统不同的是，高压共轨系统是在电磁阀打开时喷油。因为所有的喷油器中的燃油都来自共轨系统的公用轨道，所以称共轨燃油系统。电控高压共轨喷射技术是现代车用柴油机发展的必然趋势，目前在美国、日本、德国、意大利等发达国家已经大量应用。
3 可变气门正时技术（VVT）
VVT（Variable Valve Timing）是近些年来被广泛应用于现代轿车上的新技术中的一种。它通过控制发动机进、排气门开闭时刻（正时）和改变气门运动升程，与汽车运行工况实现最佳匹配，从而提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率由此可以得到进一步的提高，从而提高汽车的燃油经济性。
普通发动机的气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角，气门的开闭时刻和时间是固定不变的，这种固定的气门正时很难兼顾到发动机在不同工况时的需求，而可变气门正时技术能使发动机气门升程和配气相位正时根据发动机工况的变化进行实时调整。这一技术使发动机设计师无需再在低速扭矩与高速功率之间的选择，实时的气门正时调整使得兼顾低速扭矩与高速功率成为可能。连续可变气门正时技术加上先进的发动机控制策略，可以巧妙地实现可变压缩比。如在大负荷时，发动机容易发生自燃引起的爆震，通过推迟进气门关闭的时间来达到降低有效压缩比的目的，从而避免爆震；而在中小负荷时，爆震不再是个问题，可以通过调整气门关闭时间达到提高压缩比的目的，从而使发动机在中小负荷时有优异的热效率。同时，采用可变气门正时技术可以提高发动机进气量，使充量系数增加，使发动机的扭矩和功率得到进一步的提高，排放品质达到更好的水平。
4 废气再循环技术（EGR）
EGR是将一部分排气（5%～20%）引入进气系统，和混合气一起再进入气缸燃烧。EGR是控制氮氧化合物排放的主要措施。
氮氧化合物是在高温和富氧条件下形成的。燃烧温度越高，氮氧化合物的生成物越多。一部分排气的再循环，减少了排气总量，由于废气的比热值大，使气缸内气体的比热值增加，同时使进入气缸混合气中单位燃料对应的氧浓度也减少，降低了燃烧速度，燃烧温度随之下降，从而有效地控制氮氧化合物的生成。
废气再循环技术有效地控制了排放污染，是发动机新技术中对环境保护做出贡献的一门新技术，而这种技术也将成为一种趋势，由汽车给环境带来的压力亟待解决。
5 燃料蓄电池与混合动力技术
燃料蓄电池是把氢、甲醇等燃料和空气中氧气的化学能通过电化学反应直接转变成电能的能量转化装置，这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及燃烧，其能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，具有能量转换效率高的特点，燃料电池的能量转换效率在理论上可达100%，实际效率已达60%～80%，是普通内燃机的2～3倍。另外，燃料电池还具有适应多种燃料、排气干净、噪声低、对环境污染小、可靠性及维修性好等优点。燃料蓄电池主要用在近几年发展起来的电动汽车上，在节能和环保方面为世界汽车工业展示了光明的前景。
与燃料蓄电池电动汽车相媲美的是混合动力电动汽车，这种车在启动和低速行驶时，可由电池提供动力；当超过一定速度后转由内燃机驱动；在加速和高速行驶时，可由内燃机和电动机联合驱动；正常行驶或减速制动时，可回收制动能量对电池充电。故在通常情况下，混合动力电动汽车不需通过外部电源充电或只需较短的外部充电时间。同时由于电动机在启动的瞬间能产生强大的动力，混合动力汽车比普通汽车具有更优的起步和加速性能。与电动汽车和燃油汽车相比，混合动力电动汽车具有高性能、低能耗和低污染的特点以及技术、经济和环境等方面的综合优势。
6 生物燃油与代用燃料技术
由于适于人类生存的环境受到了巨大的威胁，使人们不得不重视环境的保护以及能源使用的控制。环境保护对汽车排放提出了越来越严格的要求，生物柴油以其优越的环保性、润滑性、安全性和可再生性受到各国的普遍重视。用甲醇或
乙醇等短链醇和菜籽油进行酯化反应，再经洗涤干燥即可得到生物柴油，生物柴油可从各种生物物质中提炼得到，是一种取之不尽、用之不竭的能源。采用生物柴油，柴油机尾气排放中有机物仅为石油柴油的1/10，颗粒物仅为石油柴油的20%，一氧化碳、二氧化碳排放仅为石油柴油的10%，因而生物柴油优势一种优质的清洁柴油。
在汽车燃料方面的另一个发展是使用代用燃料发动机，它可以实现汽车燃料多样化，使能源结构合理化，减少人类对石油的依赖，又可以降低有害物的排放，这既是解决石油能源危机的要求，也是内燃机自身排放性能发展及人类维护自身健康的要求。目前开发的代用燃料主要有液化石油气（UG）、压缩天然气（CNG）、醇类燃料、合成燃料、氢燃料等。由于醇类燃料（甲醇、乙醇）可以从煤、天然气和植物中提炼，能源资源十分丰富，加之他们是液体燃料，可以沿用传统石油燃料的运输、储存系统，醇类燃料被认为是未来汽车最有发展潜力的代用燃料。 7 结语
汽车发动机的发展历史就是在达到它的动力性要求的情况下，要保证一定经济性和环保性。现在，随着对环境保护的要求越聊越高，有关汽车尾气排放的法规越来越严格，而且在能源危机的影响下，燃油价格也在不断上涨，因此未来汽车发动机技术的发展关键就是如何提高燃油利用率和减少污染物的排放。
参考文献
【1】 阙广武，张汛，田勇根.图解汽车发动机新技术入门.北京:中国电力出版
社,2009.
【2】 田晋跃.现代汽车新技术概论.—2版.北京:北京大学出版社,2014.5.
【3】 吴建华.汽车发动机原理.—2版.北京:机械工业出版社,2013.3.
【4】 佟亚娟,刘祥宇,王向军.发动机新技术研究[J].科技风,2011.
海 南 大 学
本科课程论文
汽车发动机新技术探讨
学 院： 机电工程学院 专业年级： 2012级车辆工程1班 姓 名： 邓梦蝶 学 号： [1**********]005 指导教师： 张少波
2015 年 6 月 10 日
摘 要
本文通过分析目前汽车发动机的一些新技术，提出未来发展汽车发动机技术的关键就是提高能量的利用效率以及减少排放污染物。
关键词：发动机；新技术；能源；环境保护
Abstract
By analyzing the number of new car engine technology, presented the key to the future development of automobile engine technology is to improve the utilization
efficiency of energy and reduce pollutant emissions.
Keywords: Engine; new technologies; energy; environmental protection
为了适应社会的持续发展，科学技术的不断进步，作为人们生活中必不可少的交通工具——汽车，自然不能滞后。而在汽车科技不断进步的同时，却也给人类社会带来了不可估量的麻烦，甚至灾难。能源短缺、环境恶化等一系列不可避免的问题对人类社会无疑是一种负面能量。在这类负能量的驱使下，高效率、低排放车用发动机的研发几乎成了目前发动机研究的唯一方向。
在发动机技术的发展陷入瓶颈的时候，电子控制技术的发展似乎带其进入了生机盎然春天，汽油机电子控制燃油喷射技术、可变气门正时技术、柴油机高压共轨直喷技术等一系列电控技术都标志着发动机技术已经迈入了电子时代，智能控制、节能、环保技术的运用成为了汽车发动机技术发展的主旋律。本文将就发动机新技术的其中几项展开探讨。
1 涡轮增压技术
涡轮增压技术是一种通过增压器压缩空气来增加进气量的技术，它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，进而涡轮带动同轴的叶轮，叶轮压送有空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机的转速加快，废气的排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就会压缩更多的空气进入气缸。随着空气压力和密度的增大，气缸可以燃烧更多的燃料，从而增加发动机的输出功率。
涡轮增压器最大的优点就是可以在不增加发动机排量的情况下就能较大幅度的提高发动机的功率和扭力。通常，加装增压器后的发动机的功率及扭矩会增大20%～30%。这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率。另外，发动机采用了增压技术后，还能提高燃油经济性和减少尾气的排放，这极大地提高了发动机的工作效率。另外，涡轮增压技术的应用还提高了发动机的燃油经济性，减少了尾气排放。与此同时，涡轮增压器在运行上其实是存在延迟现象的，即由于叶片的惯性作用，会对油门骤变时的变化反应迟缓，从而导致发动机延迟增加或减少输出功率，这对于要突然加速或者超车的汽车来说，可能会有瞬时使不上劲的感觉，另外，涡轮机也增加了保养费用。
值得一提的是VTG涡轮增压技术，VTG（Variable Turbine Geometry）即可变几何形状的涡轮叶片，搭载VTG技术的涡轮，其涡轮叶片的几何形状是可以在不同工况下发生改变的，以减少涡轮增压器的延迟现象。当发动机转速较低的时
候，废气压力较低，导流叶片开度较小，据流体力学原理分析可知，在导向叶片出口处的气流速度就会增加，到达涡轮排气侧叶片上的气体压强会增大，从而能够提高发动机低转速下涡轮的转速，减轻了“涡轮延迟”现象。当发动机的转速逐渐提高，导向叶片的开度也逐渐变大，当发动机达到最大负荷的时候，导向也变完全打开，与排气侧主体涡轮形成一个更大的叶片，以增大涡轮的输出。 2 电控燃油喷射技术
传统发动机使用化油器进行燃油喷射，然而在汽车科技的发展道路上，其被淘汰似乎是必然发生的。随着电子技术的发展，1953年美国班迪克公司着手开发汽油电喷装置以来，到今天，电控燃油喷射技术几乎已经趋于完美。而汽油机和柴油机的电控燃油喷射系统也各有特点。
2.1 汽油机电控燃油喷射技术
汽油机电控燃油喷射技术是利用微电子技术对系统进行多参数控制，实现燃油喷射的适时、适量，以此来提高发动机的燃烧质量和稳定性，降低废气排放，有效提高发动机动力性、经济性和排气进化程度。
汽油机燃油喷射系统是通过传感器检测发动机进气量、发动机转速及曲轴转角的信号，由电控单元根据发动机运行工况计算出每循环的基本供油量，同时通过节气门位置、冷却水温度、空气温度和氧含量等发动机运行工况参数，对供油量进行修正，并转换为喷油器喷油时间控制参数对喷油器喷油量进行控制，以此达到对发动机空燃比的精确控制，使发动机能在各种工况下始终具有一个最佳空燃比，从而提高发动机动力性和经济性，降低发动机废气排放。电控燃油喷射技术可使汽车发动机的功率提高，燃油消耗率提高，废气排放量减少，同时也大大提高了汽车的加速性和对道路的适应性。
2.2 柴油机高压共轨直喷技术
相较于汽油电控燃油喷射技术，柴油机电喷的产生于发展要完了十多年。高压共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。电控高压共轨喷射系统彻底摈弃了传统的“油泵—油管—喷油器”的脉动供油形式，一个高压油泵在柴油机的驱动下，将高压燃油输送入一个公共容器（即高压共轨），根据柴油
机负荷和转速要求将共轨中的油压控制在预定值，实现反馈控制。有一定压力的燃油经共轨分别通向各缸喷油器，而且高压油泵直接控制喷油，且仅仅是向此轨供给燃油以维持所需的共轨压力，喷油正时和喷油量由喷油器上方的高速电磁阀控制。共轨系统的采用，使喷油压力与发动机转速无确定关系，只取决于共轨腔中按要求调整的压力，彻底解决了传统喷油泵在发动机高、低速转动时喷油压力差别过大性能难以兼顾的矛盾。高压共轨系统中最重要的部件是喷油器，通过高速电磁阀控制喷油器的开启和关闭，这使得对每一个气缸的单独喷射控制成为可能，和其他电磁阀控制的燃油喷射系统不同的是，高压共轨系统是在电磁阀打开时喷油。因为所有的喷油器中的燃油都来自共轨系统的公用轨道，所以称共轨燃油系统。电控高压共轨喷射技术是现代车用柴油机发展的必然趋势，目前在美国、日本、德国、意大利等发达国家已经大量应用。
3 可变气门正时技术（VVT）
VVT（Variable Valve Timing）是近些年来被广泛应用于现代轿车上的新技术中的一种。它通过控制发动机进、排气门开闭时刻（正时）和改变气门运动升程，与汽车运行工况实现最佳匹配，从而提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率由此可以得到进一步的提高，从而提高汽车的燃油经济性。
普通发动机的气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角，气门的开闭时刻和时间是固定不变的，这种固定的气门正时很难兼顾到发动机在不同工况时的需求，而可变气门正时技术能使发动机气门升程和配气相位正时根据发动机工况的变化进行实时调整。这一技术使发动机设计师无需再在低速扭矩与高速功率之间的选择，实时的气门正时调整使得兼顾低速扭矩与高速功率成为可能。连续可变气门正时技术加上先进的发动机控制策略，可以巧妙地实现可变压缩比。如在大负荷时，发动机容易发生自燃引起的爆震，通过推迟进气门关闭的时间来达到降低有效压缩比的目的，从而避免爆震；而在中小负荷时，爆震不再是个问题，可以通过调整气门关闭时间达到提高压缩比的目的，从而使发动机在中小负荷时有优异的热效率。同时，采用可变气门正时技术可以提高发动机进气量，使充量系数增加，使发动机的扭矩和功率得到进一步的提高，排放品质达到更好的水平。
4 废气再循环技术（EGR）
EGR是将一部分排气（5%～20%）引入进气系统，和混合气一起再进入气缸燃烧。EGR是控制氮氧化合物排放的主要措施。
氮氧化合物是在高温和富氧条件下形成的。燃烧温度越高，氮氧化合物的生成物越多。一部分排气的再循环，减少了排气总量，由于废气的比热值大，使气缸内气体的比热值增加，同时使进入气缸混合气中单位燃料对应的氧浓度也减少，降低了燃烧速度，燃烧温度随之下降，从而有效地控制氮氧化合物的生成。
废气再循环技术有效地控制了排放污染，是发动机新技术中对环境保护做出贡献的一门新技术，而这种技术也将成为一种趋势，由汽车给环境带来的压力亟待解决。
5 燃料蓄电池与混合动力技术
燃料蓄电池是把氢、甲醇等燃料和空气中氧气的化学能通过电化学反应直接转变成电能的能量转化装置，这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及燃烧，其能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，具有能量转换效率高的特点，燃料电池的能量转换效率在理论上可达100%，实际效率已达60%～80%，是普通内燃机的2～3倍。另外，燃料电池还具有适应多种燃料、排气干净、噪声低、对环境污染小、可靠性及维修性好等优点。燃料蓄电池主要用在近几年发展起来的电动汽车上，在节能和环保方面为世界汽车工业展示了光明的前景。
与燃料蓄电池电动汽车相媲美的是混合动力电动汽车，这种车在启动和低速行驶时，可由电池提供动力；当超过一定速度后转由内燃机驱动；在加速和高速行驶时，可由内燃机和电动机联合驱动；正常行驶或减速制动时，可回收制动能量对电池充电。故在通常情况下，混合动力电动汽车不需通过外部电源充电或只需较短的外部充电时间。同时由于电动机在启动的瞬间能产生强大的动力，混合动力汽车比普通汽车具有更优的起步和加速性能。与电动汽车和燃油汽车相比，混合动力电动汽车具有高性能、低能耗和低污染的特点以及技术、经济和环境等方面的综合优势。
6 生物燃油与代用燃料技术
由于适于人类生存的环境受到了巨大的威胁，使人们不得不重视环境的保护以及能源使用的控制。环境保护对汽车排放提出了越来越严格的要求，生物柴油以其优越的环保性、润滑性、安全性和可再生性受到各国的普遍重视。用甲醇或
乙醇等短链醇和菜籽油进行酯化反应，再经洗涤干燥即可得到生物柴油，生物柴油可从各种生物物质中提炼得到，是一种取之不尽、用之不竭的能源。采用生物柴油，柴油机尾气排放中有机物仅为石油柴油的1/10，颗粒物仅为石油柴油的20%，一氧化碳、二氧化碳排放仅为石油柴油的10%，因而生物柴油优势一种优质的清洁柴油。
在汽车燃料方面的另一个发展是使用代用燃料发动机，它可以实现汽车燃料多样化，使能源结构合理化，减少人类对石油的依赖，又可以降低有害物的排放，这既是解决石油能源危机的要求，也是内燃机自身排放性能发展及人类维护自身健康的要求。目前开发的代用燃料主要有液化石油气（UG）、压缩天然气（CNG）、醇类燃料、合成燃料、氢燃料等。由于醇类燃料（甲醇、乙醇）可以从煤、天然气和植物中提炼，能源资源十分丰富，加之他们是液体燃料，可以沿用传统石油燃料的运输、储存系统，醇类燃料被认为是未来汽车最有发展潜力的代用燃料。 7 结语
汽车发动机的发展历史就是在达到它的动力性要求的情况下，要保证一定经济性和环保性。现在，随着对环境保护的要求越聊越高，有关汽车尾气排放的法规越来越严格，而且在能源危机的影响下，燃油价格也在不断上涨，因此未来汽车发动机技术的发展关键就是如何提高燃油利用率和减少污染物的排放。
参考文献
【1】 阙广武，张汛，田勇根.图解汽车发动机新技术入门.北京:中国电力出版
社,2009.
【2】 田晋跃.现代汽车新技术概论.—2版.北京:北京大学出版社,2014.5.
【3】 吴建华.汽车发动机原理.—2版.北京:机械工业出版社,2013.3.
【4】 佟亚娟,刘祥宇,王向军.发动机新技术研究[J].科技风,2011.