汽油机缸内直喷与增压技术介绍课件

目录第一部分：汽油机缸内直喷与增压技术介绍 （结构与原理）第二部分：了解EP6DTM上运用的技术 （与1.4TSI发动机比较）第三部分：汽油机技术发展方向 （正在开发和未来展望）内燃机的定义及分类汽油机基本结构与原理缸内直喷技术介绍增压技术介绍内燃机内燃机:将燃料在机器将燃料在机器 内部燃烧内部燃烧,使化学能使化学能 转变为热能转变为热能,再转变再转变 为机械能的为机械能的 一种动一种动 力机械装置力机械装置.内燃机分类内燃机分类按所用燃料分按所用燃料分按缸内着火方式分按缸内着火方式分按气缸数目分按气缸数目分按冲程数分按冲程数分按活塞运动方式分按活塞运动方式分按气缸冷却方式分按气缸冷却方式分内燃机种类很多，它们可以按如下不同方式分类内燃机种类很多，它们可以按如下不同方式分类典型的汽油机结构典型的汽油机结构两大两大机构机构曲柄连杆机构曲柄连杆机构配气机构配气机构五大五大系统系统供给系供给系点火系点火系冷却系冷却系润滑系润滑系起动系起动系四冲程汽油机工作原理四冲程汽油机工作原理活塞活塞cczcz大大气气压压力力线线进气行程压缩行程做功行程排气行程活塞活塞缸内直喷(GDI)缸内直喷(Gasoline Direct Injection,简称GDI)式汽油机，也有的被称为FSI系统。传统电喷汽油机，混合气在气道内形成。汽油机供油技术的发展历程汽油机供油技术的发展历程传统化油器供油气道电控喷射供油缸内直喷GDI发动机的系统布置图。发动机的系统布置图。GDI燃油系统关键零件燃油系统关键零件油轨高压油泵喷油器ECUGDI燃烧技术。燃烧技术。GDI汽油机在整个运行工况范围内可分为两种工作模式。分层充气模式与均质混合模式。缸内混合气的形成缸内混合气的形成分层充气模式混合气形成区高压喷嘴在进气冲程早期喷油均质混合模式均质混合气形成高压喷嘴在压缩冲程晚期喷油GDI的两种工作模式的两种工作模式全力输出均质混合模式空燃比：13-24燃油经济性分层燃烧模式空燃比：30-40(带EGR)35-55进气冲程喷射压缩冲程喷射燃烧系统的主要影响因素燃烧系统的主要影响因素 喷油定时喷油定时：喷油压力喷油压力：缸内气流缸内气流运动运动：GDI的优点。的优点。进气阻力小进气阻力小：气缸壁热损耗低气缸壁热损耗低：GDI的优点的优点 压缩比压缩比：扩展的超速断油扩展的超速断油：GDI与与MPI相比较的优势相比较的优势改善燃油经济性增加压缩比增加充气效率增加功率GDI目前存在的问题目前存在的问题 排放问题排放问题：催化器问题催化器问题：积碳问题积碳问题：喷油器问题喷油器问题：控制策略问控制策略问题题：增压技术增压：增压：为提高平均有效压力以增加气缸内封存气体密度的方法目的：目的：通过增加充气量，以提高功率，改善经济性和排放性增压技术改善了发动机性能：增加了发动机的升功率；扩大了内燃机高原适应性：有利于降低有害气体排放和噪声。增加了机械负荷；增加了热负荷；增加了汽油机的爆燃倾向。优点优点缺点缺点增压技术的分类增压技术的分类增压技术机械增压涡轮增压复合增压气波增压由曲轴经过齿轮增速箱驱动压气机利用内燃机排气中能量来实现增压通过气波增压器利用气体质点和压力波的反射特性，使排气和进气之间进行直接的能量交换，以增大进气密度综合考虑机械效率，响应速度，噪音，可靠性，成本，燃油经济性等因素，目前汽油机主流采用涡轮增压。涡轮增压系统中气体流动的过程如下：气缸中冷器压缩空气流增压器机油入口涡轮机叶轮废气排放废气旁通压气机新鲜空气压气机叶轮机油出口涡轮增压与自然吸气的比较涡轮增压与自然吸气的比较涡轮增压系统的整车布置涡轮增压系统的整车布置压气机进口接空滤，出口接进气总管，涡轮串接在排气管上空滤进气管增压器排气管典型增压器基本结构典型增压器基本结构典型增压器基本结构典型增压器基本结构增压器基本工作示意图增压器基本工作示意图压气机出口压气机进口压气机壳止推总成机油入口轴承壳体涡轮机出口涡轮机轮涡轮机壳涡轮机入口轴承压气机轮增压器工作原理增压器工作原理涡轮端增压器工作原理增压器工作原理压气机端增压器工作原理增压器工作原理轴承系统增压器工作原理增压器工作原理密封系统密封系统涡轮增压器的进阶技术涡轮增压器的进阶技术 分隔式涡轮机壳体分隔式涡轮机壳体(可变进气道增压器可变进气道增压器)：可变截面涡轮增压可变截面涡轮增压(VGT)可变涡轮喉口截面可变涡轮喉口截面喉口环左右滑动来控制进入涡轮机气流的速度气流进入喉口环可变截面涡轮增压可变截面涡轮增压(VGT)可变叶片可变叶片废气旁通废气旁通废气旁通工作原理废气旁通工作原理增压器常见失效模式供油滞后供油滞后原因:进油管受阻（或太小）机油泵故障 机油过滤器阻塞 增压器长时间未使用安装增压器时未预润滑 机油不符合厂家要求或机油污染表现:浮动轴承外圆，内孔，有时端部擦亮或高温发蓝止推轴承配合面擦亮和磨损 缺油缺油原因:表现:涡轮部件高温变色止推轴承高温变色 进油管受阻或破裂 发动机缺油或机油压力太低 机油泵故障 机油过滤器阻塞 安装机滤前未加注机油 中间壳进油口阻塞异物打坏异物打坏原因:表现:异物打坏压叶轮端面异物打坏涡轮叶面 维护保养时脏物进入进排气 管 使用劣质假冒空气滤清器 发动机零件异常损坏 空滤破损或空滤与增压器进 气口连接处破损过热过热/热停车热停车原因:表现:涡轮部件积碳浮动轴承积碳 排气温度过高 机油温度过高 重复热停车 空滤器阻塞 劣质机油 其它导致增压器不能正常 工作的情况漏油漏油常见原因常见原因：目录第一部分：汽油机缸内直喷与增压技术介绍 （结构与原理）第二部分：了解EP6DTM上运用的技术 （与1.4TSI发动机比较）第三部分：汽油机技术发展方向 （正在开发和未来展望）与1.4TSI总体性能比较与1.4TSI各子系统比较德国VW1.4TSI采用机械+涡轮双增压，双顶置凸轮轴,可变气门正时系统，分层燃烧缸内直喷技术。额定功率125kW。国产VW1.4TSI采用废气涡轮增压，双顶置凸轮轴,可变气门正时系统，均质燃烧缸内直喷技术。额定功率96kW。VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比PK1.4TSIEW12AEP6FDTMEnginepictureDOHCVVTGDISuperchargedTurbocharged配置对比配置对比VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比PK性能对比性能对比1.4TSIEW12AEP6FDTM排量（L）1.3902.2531.598缸径行程（mm）76.575.686977785.8压缩比10:110.8:19.2:1额定功率（kW）125126120额定转速（rpm）660058755500最大扭矩（Nm）240230240最大扭矩转速（rpm）17504500415014004000升功率（kW/L）905675VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比PK功率曲线对比功率曲线对比 VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比1.4TSI1.4TSI发动机总成发动机总成附件系统附件系统供油系统供油系统冷却系统冷却系统润滑系统润滑系统进气系统进气系统排气系统排气系统正时系统正时系统缸体缸体VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 附件系统附件系统1.4TSIEP6FDTM 采用两级多V型筋皮带传动 冷却水泵集成了电磁离合器用来驱动机械增压器 设计更加紧凑 水泵由摩擦轮驱动，可实现与曲轴带轮的电控分离结合VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 1.4TSI 1.4TSI发动机冷却水泵的电磁离合器发动机冷却水泵的电磁离合器 工作原理：工作原理：VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比暖机过程水泵脱开 迅速暖机 降低摩擦水泵带轮咬合水泵带轮脱开结合MAP控制的节温器:降低燃油消耗和排放 快速暖机和驾驶舱 EP6 EP6的离合器式水泵的离合器式水泵VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 供油系统供油系统1.4TSIEP6FDTM 采用滚轮挺柱驱动高压燃油泵，结构简单，成本低 油泵高压压力35100bar 由进气凸轮轴上的四角凸轮驱动油泵，可以有效减小高压油轨中的压力波动 采用相同原理的滚轮挺柱驱动高压油泵 油泵高压压力40120bar 由进气凸轮轴末端的三角凸轮驱动，油泵安装在正时罩盖侧VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 1.4TSI 1.4TSI高压油泵示意图高压油泵示意图 四角凸轮的相位与进排气凸轮相位错开，可以有效降低配气传动机构中的链条力。四角凸轮降低了油泵挺柱的升程，使得油泵的单次泵油量较小，因此在高压范围内的压力波动也就较小。VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 EP6FDTM EP6FDTM高压油泵示意图高压油泵示意图油泵由安装在凸轮轴延长端上的三角凸轮驱动，油泵工作原理与VW1.4TSI发动机相同。VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 进气系统进气系统1.4TSI 采用机械+涡轮双增压系统 进气中冷装置，降低进气温度，减少NOx排放VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比罗茨式机械增压器罗茨式机械增压器带废气旁通阀的涡轮增压器带废气旁通阀的涡轮增压器VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 进气系统进气系统EP6FDTM 采用双涡道式增压器系统 有效抑制涡轮增压器低速迟滞现象，提高发动机的低速扭矩，提升车辆的舒适性 涡壳材料采用铸钢，耐高温效果好 为避免增压器喘振现象集成了电控泄压阀VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比泄压阀气流方向气流方向流量流量节气门阀片关闭 EP6FDTM EP6FDTM涡轮增压器泄压示意图涡轮增压器泄压示意图泄压阀是通过在叶轮压气阶段产生一定的泄压量来实现的 为避免汽油发动机涡轮增压器压气机的喘振现象有必要增加泄压阀.喘振现象如果严重危害涡轮增压器的可靠性产生、不愉悦的噪音 VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 润滑系统润滑系统1.4TSIEP6FDTM 机油冷却器和滤清器分开设计 机滤集成在正时盖罩上，方便更换。冷却器安装在缸体上，减小了机体空间 连续可调变排量机油泵 有效减小发动机功率损失 通过油温和载荷结合发动机MAP进行油压控制VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 冷却系统冷却系统1.4TSIEP6FDTM 采用两级节温器分别对缸体和缸盖进行大小循环控制 采用电子水泵在发动机停机的时候能继续冷却涡轮增压器 采用MAP控制节温器 快速暖机，降低燃油消耗VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 排气系统排气系统1.4TSIEP6FDTM 排气歧管与涡轮增压器涡壳一体式结构 材料为铸钢 双涡道排气歧管，配合双涡道增压器 材料使用高镍合金耐热铸铁D5SVW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 正时系统正时系统1.4TSIEP6FDTM 双顶置凸轮轴16气门，滚子摇臂机构，链条传动 进气可变气门正时（VVT），叶片槽式正时调节器 双顶置凸轮轴16气门，滚子摇臂机构，链条传动 进气可变气门正时（VVT），叶片槽式正时调节器 VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 叶片槽式正时调节器工作原理叶片槽式正时调节器工作原理 电磁阀根据ECU的指令，通过改变机油液压实现对于内部机油槽阀位置的控制，把提前、滞后、保持不变等压力信号指令，转化为输送至叶片槽式调节器中不同油道上的机油压力，通过双油道机油压力差值驱动调节器中的叶片，带动凸轮轴旋转改变进气相位实现气门正时的“提前”或者“滞后”，从而实现气门正时的连续可变。VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 缸体缸体1.4TSIEP6FDTM 薄壁式铸铁缸体，铸铁缸套 敞开式水套设计，有效减轻了机体重量 高压铸铝缸体，材料为Al Si9 Cu3，铸铁缸套 敞开式水套，非镶块式下机体结构VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比VW1.4TSIVW1.4TSI与与SLEP6SLEP6发动机对比发动机对比 总结总结 这2款发动机在技术方面可谓各显神通，不过它们都有一个显著的特征就是Downsizing，这也是未来车用发动机最主流的发展方向。1.4TSI的双增压系统、均质燃烧直喷技术、缸体缸盖分开控制大小循环的两级节温器以及EP6的双涡道式涡轮增压器、电磁离合式水泵驱动、可变排量的机油泵、分层燃烧缸内直喷、根据工况调节的电子节温器等技术均代表着当今车用汽油机的最高科技水平。目录第一部分：汽油机缸内直喷与增压技术介绍 （结构与原理）第二部分：了解EP6DTM上运用的技术 （与1.4TSI发动机比较）第三部分：汽油机技术发展方向 （正在开发和未来展望）提高燃油经济性的方向提高燃油经济性的途径根据发动机原理公式：我们可以找到提高发动机功率的三条途径：1）改变发动机结构参数:增加汽缸数i，增大汽缸直径D,增大活塞行程S和减少冲程数（不利面：安装位置和自重大）2）提高发动机转数n或活塞平均速度Cm（不利面：充量系数机械效率燃料经济性运转可靠性下降）3）提高发动机的平均有效压力Pme（最为有效）提升汽油机的燃油经济性提升汽油机的燃油经济性根据发动机原理公式：我们可以找到提高平均有效压力Pme的三条途径：1）减少过量空气系数a，提供浓混合气（不利面：导致燃料经济性下降，CO和HC排放增加）2）提高进入汽缸的充量密度s 采用增压技术增压技术3）提高充量系数c 采用可变气门正时可变气门正时VVTVVT和可变气门升程和可变气门升程VVLVVL技术技术减少换气损失减少换气损失提升汽油机的燃油经济性提升汽油机的燃油经济性NaturalAspiratedPFIDownsizingCombustion EfficiencyNaturalAspiratedDISI(stratified)TurboChargedPFITurboChargedDISI(homogeneous)TurboChargedDISI(stratified)12-15%14-17%18-22%12-16%FuelconsumptionReduction提升汽油机的燃油经济性提升汽油机的燃油经济性可可变气门正变气门正时与升程时与升程提高汽油机经济性提高汽油机经济性减少换气损失减少换气损失减小机械摩擦损失减小机械摩擦损失改善燃烧过程改善燃烧过程减少膨胀功减少膨胀功缸内缸内直喷直喷增压、可变压缩增压、可变压缩比比 10%10%15%15%20%20%未来汽油机的发展是多种新技术的集成体未来汽油机的发展是多种新技术的集成体电磁气电磁气门驱动门驱动缸内直缸内直喷技术喷技术可变进可变进气管气管两级涡两级涡轮增压轮增压可变压可变压缩比缩比 电磁气门驱动(Electromagnetic Valve Actuation,EVA)是指取消传统气门机构中的凸轮轴及其从动件,利用电磁铁产生的电磁力来驱动或控制气门运动.其控制原理是根据换气要求,由电控单元在确定的时刻发出控制脉冲给电磁铁的驱动电路,控制电磁阀的通断,从而控制气门的开启和关闭。电磁气门驱动电磁气门驱动 Electromagnetic Valve ActuationElectromagnetic Valve Actuation 可变压缩比可变压缩比 Variable Compression RatioVariable Compression Ratio 由于VCR系统结构复杂，新增的控制及辅助机构使发动机的噪音、磨损加大，目前国内外的可变压缩比还停留在试验阶段。可变进气系统可变进气系统 Variable Intake SystemVariable Intake System 多气门分别工作系统可变进气道系统双脉冲进气道四气门二阶段进气系统三阶段可变进气系统（用于V型发动机）可变进气系统可变进气系统可变进气系统分类形式：可变进气系统分类形式：多气门分别工作系统双脉冲进气道四气门二阶段进气系统三阶段可变进气系统 两级涡轮增压两级涡轮增压 2-stage Turbocharger 2-stage Turbocharger 柴油机两级涡轮增压器汽油机两级涡轮增压器均质混和气压燃均质混和气压燃HCCI谢谢！