第二節　發動機節能技術

一、汽油機燃油噴射與點火系統電子控制技術

汽油機電控燃油噴射與點火系統是在汽油機中最早開發應用的，是最重要的發動機電控系統。

在電控技術引入汽油機之前，可燃混合氣的形成主要靠化油器完成。化油器具有結構簡單、工作可靠和能滿足穩態工況動力、經濟性要求等優點，但卻不能滿足當前對多種性能的綜合要求。如化油器式發動機排放不良，難以同時消除各種氣體排放污染物；油和氣的供應速度都較慢，而且彼此間還有差別，致使過渡工況性能惡化；存在化油器喉管，致使進氣系統阻力加大，充氣效率降低；由于難以兼顧各缸進氣和油分配的均勻性，以致各缸工作不均勻性較嚴重；增加了汽油機增壓的困難等。雖然可以靠增設附屬機構，如加速器、節氣門緩沖器等來部分地解決上述缺陷，但既未徹底解決問題，也使結構更復雜。電子控制技術引入初期所開發的電控化油器，也不能從根本上解決上述問題。所以，利用電控技術的優勢，改用汽油噴射就成為必然的選擇。

電控汽油噴射系統不僅噴射裝置的機械結構大為簡化，還可以利用氧傳感器的反饋控制和三元催化轉化器使各項排放指標達到最優水平。電控汽油噴射系統除具有汽油噴射形成良好混合氣的各種優點之外，還具有前述電子控制的各種優越性，加上優良的排放控制性能，以致當前車用汽油機幾乎毫無例外地應用了電控燃油噴射技術。

電控汽油噴射系統能發揮如此大的作用，是同電控點火系統的組合應用分不開的。

點火系統是影響汽油機性能的另一個重要系統。點火系統由最初的機械分電器點火系統，發展為晶體管觸點點火系統（TAC），再進一步發展為各種無觸點的點火系統，進而再發展為數字式電控點火系統。點火系統的性能，如點火提前角控制特性、點火閉合角控制特性、點火能量以及抗爆燃性能等都有了極大的改進和提高。這些優越的性能與電控汽油噴射技術相配合，使得現代汽油機的性能達到了一個新的高度。

（一）汽油機燃油噴射技術

1.汽油機電控燃油噴射系統的優點

汽油機電控燃油噴射系統有如下優點。

（1）能實現空燃比的高精度控制　其一，采用多點噴射（MPI）獨立向各缸噴油，使各缸空燃比偏差減小；其二，通過閉環控制系統中的氧傳感器反饋機能，可進一步精確控制空燃比；其三，在汽車運行地區的氣壓、氣溫、空氣密度變化時或加速行駛過渡運行階段，空燃比均可及時地得到適當的修正；其四，點火控制、怠速控制等輔助系統的采用，使各種工況都有最佳空燃比。

（2）充氣效率高　在進氣系統中，由于沒有像化油器那樣的喉管部位，進氣壓力損失小。只要合理設計進氣管道，就可充分利用吸入空氣的慣性增壓作用，增大充氣量，提高輸出功率，增加發動機的動力。

（3）瞬時響應快　當汽車處于加減速行駛的過渡運行階段，空燃比控制系統能夠迅速響應，使汽車加減速反應靈敏；當汽車在不同地區行駛時，對大氣壓力或外界環境溫度變化引起的空氣密度變化，可以進行快速的空燃比修正。

（4）起動容易　暖機性能好。在發動機啟動時，可以用電子控制單元（ECU）計算出起動供油量，并且能使發動機順利經過暖機運轉。

（5）節油和排放凈化效果明顯　能提供各種運行工況下最適當的混合氣空燃比，且燃油霧化好，各缸分配均勻，使燃燒效率提高，有害氣體排放量降低。

（6）減速、限速斷油功能，能降低廢氣排放量、節省燃油。減速時，節氣門關閉，發動機仍以高速運轉，進入氣缸的空氣量減少，進氣歧管內的真空度增大。在化油器系統中，此時會使黏附于進氣歧管壁面的汽油由于歧管內真空度急驟升高而蒸發后進入氣缸，使混合氣變濃，燃燒不完全，排氣中烴類化合物的含量增加。而在電控燃油噴射發動機中，當節氣門關閉而發動機轉速超過預定轉速時，噴油就會停止，使排氣中烴類化合物的含量減少，并可降低燃油消耗。

（7）便于安裝　電控燃油噴射系統大致上是由空氣系統、燃油系統和控制系統組成的，它是不存在機械驅動等問題的分散型系統，有利于在發動機上安裝。

一般而言，與傳統的化油器發動機相比，裝有電控燃油噴射系統的發動機功率可提高5%~10%，燃料消耗降低5%~15%，廢氣排放量減少20%。由于轉矩特性的明顯改善，瞬時響應快，汽車的加速性能大大提高。怠速平穩，冷起動更容易，暖機更迅速。但也存在價格偏高、維修要求高等缺點。

2.汽油機電控燃油噴射系統的分類

電控汽油噴射系統有缸外噴射與缸內直噴之分。缸外噴射是目前普遍采用的噴射方式。根據噴油器數量和安裝位置的不同又可分為兩種：一種是在進氣總管的節氣門上方裝有1~2個噴油器的單點節氣門體噴射方式，也稱為單點噴射方式（SPI），汽油機單點電控燃油噴射系統如圖2-1所示；另一種是在各缸的進氣歧管上分別裝有一個噴油器的多點噴射方式（MPI），汽油機多點電控燃油噴射系統如圖2-2所示。對于節氣門體噴射，由于采用的噴油器少，易于實現計算機控制，成本比多點噴射方式低，但存在各缸燃料分配不均勻和供油滯后等缺點。與缸內噴射比較起來，缸外噴射噴油器不受缸內高溫、高壓的直接影響，噴油器的設計和發動機結構的改動都要簡單些。

汽油缸內直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）技術是提高汽油機燃油經濟性的重要手段，近些年來，以缸內直噴為代表的新型混合氣形成模式的研究與應用極大地提高了汽油機的燃油經濟性。

所謂缸內直噴是指直接往氣缸內噴射汽油。由于汽油直接噴入燃燒室，消除了節氣門所引起的泵氣損失；由于汽油的氣化吸熱作用，使燃燒室溫度降低，從而提高充氣效率，以利于采用更大的壓縮比而不產生早燃、爆震等現象。GDI發動機可使汽車節油達20%左右，因為提高了高工況時的體積效率，GDI還能使最大轉矩提高10%左右，將燃油經濟性提高到接近柴油機的水平。

3.汽油機電控燃油噴射系統的控制功能

20世紀80年代后，大部分發動機用的電子控制單元除了控制汽油噴射之外，同時還可以進行點火控制、怠速控制、轉速控制及其他控制，其所用的傳感器各項功能共用，從而使整個系統結構簡化。電控燃油噴射系統有如下控制功能。

（1）噴油量的控制　電子控制單元根據空氣流量傳感器或進氣壓力傳感器、發動機轉速傳感器、進氣溫度傳感器、冷卻水溫度傳感器等提供的信號而計算出噴油持續時間，因噴油器針閥的行程是一定的，故噴油量的大小決定于噴油器噴油持續時間的長短，發動機各種工況的最佳噴油持續時間存放在電子控制單元的存儲器中。

噴油量的控制即噴油器噴射時間的控制，要使發動機在各種工況下都處于良好的工作狀態，必須精確地計算出基本噴油持續時間和各種參數的修正量，其目的是使發動機燃燒混合氣的空燃比符合要求。盡管發動機型號不同，基本噴油持續時間和各種修正量的值不同，但其確定方式和對發動機的影響卻是相同的。下面分別予以介紹。

①起動噴油控制。在發動機啟動時，由于轉速波動大，無論D型EFI系統中的進氣壓力傳感器還是L型EFI系統中的空氣流量傳感器，都不能精確地測量進氣量，進而不能確定合適的噴油持續時間，因此，啟動時的基本噴油時間不是根據進氣量（或進氣壓力）和發動機轉速來計算確定的，而是ECU根據啟動信號和當時的冷卻水溫度，由內存的水溫-噴油時間圖（見圖2-3）找出相應的噴油時間（T_P），然后加上進氣溫度修正噴油時間（T_A）和蓄電池電壓修正噴油時間（T_B），計算出啟動時的噴油持續時間，噴油時間的確定如圖2-4所示。

由THW信號（冷卻液溫度信號）查水溫-噴油時間圖得出基本噴油時間，根據進氣溫度傳感器THA信號對噴油時間進行修正。由于噴油器的實際打開時刻較ECU控制其打開時刻存在一段滯后，如圖2-5所示，從而造成噴油量不足，且蓄電池電壓越低，滯后時間越長，故需對電壓進行修正。

②啟動后的噴油控制。發動機轉速超過預定值時，ECU確定的噴油信號持續時間滿足公式：

噴油信號持續時間=基本噴油持續時間×噴油修正系數+電壓修正值 （2-5）

式中，噴油修正系數是各種修正系數的總和。

a.基本噴油時間。D型EFI系統的基本噴油時間可由發動機轉速信號（Ne）和進氣管絕對壓力信號（PIM）確定。用于D型EFI系統的ECU內存儲了一個基本噴油時間三維圖（三元MAP圖），如圖2-6所示。它表明了與發動機各種轉速和進氣管壓力對應的基本噴油時間。

根據發動機轉速信號和進氣管壓力信號確定噴油量，是以進氣量與進氣管壓力成正比為前提的，這一前提只在理論上成立。實際工作中，進氣脈動使充氣效率變化，進行再循環的排氣量的波動也影響進氣量的準確度。因此，由三元MAP圖計算出的時間僅為基本噴油時間，ECU還必須根據發動機轉速信號（Ne）對噴油時間進行修正。

L型EFI系統的基本噴油時間由發動機轉速和空氣量信號（VS）確定。這個基本噴油時間是實現既定空燃比（一般為理論空燃比：A/F=14.7）的噴射時間。

b.啟動后各工況下噴油量的修正。在確定基本噴油時間的同時，ECU由各種傳感器獲得發動機運行工況信息，對基本噴油時間進行修正，包括起動后加濃、暖機加濃、進氣溫度修正、大負荷加濃、過渡工況空燃比控制和怠速穩定性修正。

（2）噴油正時控制　在多數發動機中，其噴油正時是不變的，但在電子控制間歇噴射系統中采用順序噴射時，電子控制單元還要有燃油噴射系統的氣缸辨別信號，根據發動機各缸的點火順序和隨發動機工況的不同而將噴油正時控制在最佳時刻。

（3）燃油停供的控制

①減速斷油控制。汽車減速行駛時，駕駛員松開加速踏板，節氣門關閉，此時電子控制單元會斷開燃油噴射控制電路，停止噴油以降低排放和燃油消耗。

②限速斷油控制。當發動機轉速超過安全轉速或汽車車速超過設定的最高車速時，電子控制單元將會在發動機臨界轉速或減速時斷開燃油噴射控制電路，以停止噴油，防止超速。

③溢油消除控制。啟動時，若將加速踏板踩到底，系統將進行斷油控制。

④燃油泵的控制。在裝有電控燃油噴射系統的汽車上，電子控制單元對油泵的控制有兩種形式：一種是當點火開關打開后電子控制單元指令汽油泵運轉2~3s，以產生必需的油壓，若發動機沒啟動，電子控制單元將油泵控制電路斷開，使油泵停止工作，在發動機啟動和運轉過程中，電子控制單元控制汽油泵正常工作；另一種是只有發動機運轉時，油泵才工作。還有一些發動機（如豐田7M-GE、7M-GTE），其油泵的泵油量是隨發動機負荷的變化而變化的，即發動機在啟動、高轉速、大負荷工況時，油泵提高轉速以增加泵油量；當發動機在低轉速、中小負荷工作時，油泵低速運轉，以減少電能消耗和油泵的磨損。

4.汽油電控燃油噴射系統的組成與工作原理

現以L-Jetronic系統為例說明燃油噴射系統的工作原理。

帶氧傳感器的L-Jetronic系統示意如圖2-7所示，L-Jetronic系統采用空氣流量計直接測量進入氣缸內空氣的質量，將該空氣的質量轉換成電信號，輸送給ECU。由ECU根據空氣的質量計算出與之相適應的噴油量，以控制最佳空燃比。整個系統分為空氣供給系統、燃油供給系統和電子控制系統三個部分。

（1）空氣供給系統　空氣供給系統的作用是提供、測量和控制燃油燃燒時所需要的空氣量。空氣供給系統如圖2-8所示，空氣經過空氣濾清器過濾后，由空氣流量傳感器計量，通過節氣門體進入進氣總管，再分配到各進氣歧管。在進氣歧管內，從噴油器噴出的燃油與空氣混合后被吸入氣缸內燃燒。空氣流量由駕駛員通過加速踏板操縱節氣門來控制。

在冷卻水溫較低時，為加快發動機暖機過程，設置了快怠速裝置，由空氣閥來控制快怠速所需要的空氣量可以通過怠速調整螺釘調節怠速轉速，用空氣閥控制快怠速轉速，也可由ECU操縱怠速控制閥（ISC）控制怠速與快怠速。

（2）燃油供給系統　燃油供給系統的作用是向發動機精確地提供所需要的燃油量。燃油供給系統一般由油箱電動燃油泵、過濾器、燃油脈動阻尼器（選配）、燃油壓力調節器、冷起動噴油器（選配）及供油總管等組成，如圖2-9所示。

燃油由燃油泵從油箱中泵出，經過過濾器，除去雜質及水分后，再送至燃油脈動阻尼器（有的汽車裝在回油管上），以減少其脈動。這樣具有一定壓力的燃油流至供油總管，再經各供油歧管送至各缸噴油器。噴油器根據ECU的噴油指令，開啟噴油閥，將適量的燃油噴于進氣門前，待進氣沖程時，再將燃油混合氣吸入氣缸中。裝在供油總管上的燃油壓力調節器用于調節系統油壓，目的在于保持油路內的油壓略高于進氣管負壓300kPa左右。此外，為了改善發動機的低溫啟動性能，有些車輛在進氣歧管上安裝了一個冷起動噴油器。

（3）電子控制系統　電子控制系統的作用是根據發動機運轉狀況和車輛運行狀況確定燃油的最佳噴射量。該系統由傳感器、ECU和執行器三部分組成，如圖2-10所示。

傳感器是信號轉換裝置，安裝在發動機的各個部位，其作用是檢測發動機運行狀態的物理參數和化學參數等，并將這些參數轉換成計算機能夠識別的電信號輸入ECU。用于檢測發動機工況的傳感器有：空氣流量傳感器、進氣壓力傳感器、水溫傳感器、進氣溫度傳感器、曲軸位置傳感器、節氣門位置傳感器、車速傳感器、氧傳感器、爆震傳感器、空調開關等。

ECU是發動機控制系統的核心部件。在ECU的存儲器中存放了發動機各種工況的最佳噴油持續時間，在接收了各種傳感器傳來的信號后，經過計算確定滿足發動機運轉狀態的燃油噴射量和噴油時間。ECU還可以對多種信息進行處理，實現EFI系統以外其他很多方面的控制，如點火控制、自診斷、故障備用程序啟動、儀器顯示等。

（二）汽油機電控點火技術

1.電控點火系統的控制功能

電控點火系統的控制主要包括點火提前角控制、點火閉合角控制和爆燃控制等內容。

（1）點火提前角控制　在電控點火系中，對于各發動機運行工況，基本點火正時作為一個三維圖儲存在點火ECU微處理器的內存中，然后考慮特殊的駕駛環境進行修正。點火提前角的控制包括起動時點火提前角的控制和起動后點火提前角的控制兩個方面。

（2）點火閉合角控制　在電控點火系中沿用了傳統點火系閉合角的概念，實際是指初級電路通電的時間。

當點火線圈的初級電路接通后，初級電流是按指數規律增長的。初級線圈被斷開瞬間所能達到的斷開電流值與初級線圈接通時間長短有關，只有通電時間達到一定值時，初級電流才可能達到飽和。而次級線圈高壓的最大值與初級斷開電流成正比，為了獲得足夠的點火能量，必須使初級電流達到飽和。但是，如果通電時間過長，點火線圈又會發熱，并使電能消耗增大。因此，要控制一個最佳的通電時間，以兼顧上述兩方面要求。對點火閉合角的控制不僅取決于發動機轉速，還取決于蓄電池電壓。

（3）爆燃控制 ECU接收此信號后，就會按一定程序自動推遲點火時間。有了這種功能，能使點火時刻離爆震界限只有一個較小的余量（見圖2-11），這樣既可控制爆震的發生，又能更有效地得到發動機的輸出功率。爆震時推遲點火，沒有爆震時則提前點火，以保證在任何工況下的點火提前角，都處于接近發生爆震的最佳角度，爆震控制過程如圖2-12所示。

2.電控點火系統的類型

按有無分電器分類分為帶分電器電控點火系和無分電器電控點火系兩種類型。

帶分電器電控點火系保留了分電器，點火線圈產生的高壓電是經過分電器中的配電器分配至各缸，使各缸火花塞按點火順序依次點火。

無分電器電控點火系（直接點火系）取消了分電器，點火線圈上的高壓線直接與火花塞相連。工作時，點火線圈產生的高壓電直接送至各火花塞，由ECU根據各傳感器輸入的信息，按發動機各缸工作順序，適時控制各缸火花塞點火。無分電器點火系統由于不存在分火頭和旁電極間跳火的問題，減小了能量的損失，提高了點火可靠性。

無分電器點火系又可分為單缸獨立點火方式和同時點火方式。單缸獨立點火即每一個氣缸配一個點火線圈，單獨對本缸點火[見圖2-13（a）]；同時點火即兩個氣缸合用一個點火線圈，對兩個氣缸同時點火[見圖2-13（b）]。

二、柴油機燃油噴射系統電子控制

20世紀70年代以來全球能源危機的日益加重和環境狀態的日益惡化，以及CO₂排放產生的溫室效應的影響，都對柴油機的排放和經濟性能提出了更高的要求。世界各國排放法規和能源法規都更加嚴格。為了應付這一挑戰，改進柴油機燃油噴射系統是最關鍵的環節之一。將傳統的機械式噴油系統改造為電腦控制、機電一體化的噴油系統，并進而實現以控制燃油噴射系統為主的整機電腦綜合控制與管理，已成為一個極為重要的發展方向。

20世紀70年代，電子控制技術就開始應用于柴油發動機上，20世紀80年代以后，柴油機電控技術得到了快速發展，出現了很多功能各異的柴油機電子控制裝置和系統，使柴油機電控技術水平進入了一個新的階段。

柴油機電控技術的應用，最初是為了改善柴油機的經濟性。后來，二次石油危機的出現，使柴油機進一步降低燃油消耗率的要求更加迫切。機械調速器和機械噴油提前器控制精度低，反應不靈敏，已無法滿足柴油機進一步改善性能的要求。尤其是國際上日益嚴格的排放法規，更使得柴油機電控技術應用成為最佳選擇。美國國會通過的“大氣污染防治法”，要求將重型卡車柴油機的排放污染降低90%。柴油機的主要排放物是NO_x和炭煙（顆粒），要降低柴油機NO_x排放，就要求噴射正時滯后，而噴射正時滯后會引起煙度（顆粒）排放上升，經濟性和動力性下降。為了使矛盾統一，除提高噴射壓力和速率，縮短噴射持續時間外，主要是通過電子控制方式尋求最優化的噴油正時。廢氣再循環能有效地降低NO_x的排放，但會引起顆粒排放量的增加，也需要用電控技術來尋求最佳的廢氣再循環時刻和循環量。可變渦流增壓、廢氣催化這些先進技術對排放有利，但必須采用電控技術才能與柴油機運行工況配合起來，達到其應有的效果。為降低燃燒噪聲和NO_x排放，柴油機要求噴射系統有一個小的預噴射量產生在主噴射之前，而且要求預噴射量、預噴射與主噴射之間的間隔能根據不同運行工況而有所變化，這些只有在柴油機電子控制的某些系統（如共軌系統）才能實現。為降低排放，還要對噴油嘴噴出的瞬時噴油速率進行控制，希望實現噴射初期噴油速率低，以降低NO_x和噪聲，噴射結束時又要能快速斷油，以降低顆粒和烴類化合物，并且也要隨著不同工況而進行適當調整，這也只有采用電控技術才能應用自如。總之，柴油機采用電控技術后，明顯地提高了柴油機汽車的排放和使用性能。

（一）柴油機燃油噴射系統的類型與性能特點

電控柴油噴射系統的開發研究先后經歷了三代，這些電控柴油噴射系統又是在不同機械式噴油系統的基礎上發展起來的，從而形成了多種類型的電控柴油噴射系統。

第一代位置控制式電控柴油噴射系統，保留了傳統柴油機供給系統（直列柱塞泵、轉子分配泵、泵噴嘴系統等）的基本組成和結構，將機械式調速器和提前器換成電子控制的機構，燃油的壓送機構和機械式燃油系統相同。根據ECU的指令控制電子調速器的齒桿或溢油環的位置來控制噴油量，根據ECU指令控制電子提前器中的發動機驅動軸和凸輪軸的相位差來控制噴油正時。如日本電裝公司的ECD-P1、ECD-P2、ECD-P3、ECD-V1系統；德國博世公司的EDR、EDC系統；美國的PEEC、PCF系統都屬于第一代電控柴油噴射系統。

位置控制式電控柴油噴射系統的優點是柴油機的結構幾乎不需改動，便于對現有柴油機進行升級換代；缺點是系統響應慢，控制頻率低，控制自由度小，控制精度還不夠高，噴油壓力相對原有系統沒有提高，因此對發動機的排放性能改善有限，只是對動力性和經濟性以及整車的駕駛性能有所改善。從應用上看，這一代位置控制系統逐步退出市場。

第二代時間控制式電控柴油噴射系統，基本保留了傳統燃油供給系統的組成和結構，燃油的壓送機構和機械式燃油系統相同。根據ECU的指令，采用高速電磁閥對噴油量和噴油正時進行時間控制。一般情況下，電磁閥關閉，執行噴油；電磁閥打開，噴油結束。因此，可實現供油量控制，又可實現供油正時的控制。如日本電裝公司的ECD-V3系統；日本豐田公司的ECD-2系統；德國博世公司的PDE27/PDE28系統等都屬于第二代電控柴油噴射系統。

時間控制式電控柴油噴射系統的優點是控制自由度更大，供油加壓與供油調節在結構上相互獨立，使噴油泵結構得以簡化，強度得到提高。高壓噴油能力大大加強；缺點是供油壓力還是無法控制。目前，時間控制式電控柴油噴射系統正處于規模化、產業化階段，其中時間控制式單體泵系統適合用于功率較大的中、重型柴油機，泵噴嘴和分配泵在小型和輕型柴油機中應用較多。

第三代共軌式電控柴油噴射系統，是為了滿足日益嚴格的節能和環保要求，20世紀90年代后期研制出的一種新型柴油機電控技術。該系統基本改變了傳統燃油供給系統的組成和結構，主要以電控共軌式噴油系統為特征，將噴油量和噴油正時控制融為一體，使燃油的升壓機構獨立，即燃油壓力與發動機轉速、負荷無關，具有可以獨立控制壓力的蓄壓器——共軌，根據ECU的指令，由共軌壓力電磁調壓閥控制噴油壓力。這樣，噴油壓力可以自由控制了，并且噴油量、噴油正時等參數直接由裝在各個氣缸上的噴油器電磁閥控制。電控共軌式燃油噴射系統是全新的一代燃油系統，可以直接對噴油器的噴油量、噴油正時、噴油率、噴油壓力等進行自由控制，大大地降低柴油機的排放。如德國博世公司的CR系統，日本電裝公司的ECD-U2系統，美國BKM公司的Servojet系統，意大利的FIAT集團的Unijet系統等都屬于第三代電控柴油噴射系統。

（二）電控柴油機的優點

與傳統柴油機相比，電控柴油機具有以下優點。

（1）提高了柴油機的經濟性能和降低了排放　噴油提前角對柴油機的動力性、經濟性及排放影響很大。所以，最佳噴油提前角的大小與發動機轉速、負荷、冷卻液溫度、燃油溫度、進氣溫度及進氣壓力等因素有關。柴油機電控系統能綜合計入這些有關因素，在初步確定噴油提前角的基礎上，通過反饋控制使其達到或逼近最佳值。柴油機電控系統還能根據海拔高度、冷卻液溫度、燃油溫度及進氣狀態等對噴油量進行校正。

（2）有較強的適應性　柴油機電控系統的最大特點之一是控制策略的靈活性。對于各種不同用途的柴油機，電控系統需要修改存儲器中的程序，對系統本身基本上不需要做任何變更便能與不同類型的柴油機動力裝置相匹配。例如，全能電子調速器，它在出廠前的軟件編程中已充分考慮了各種不同調速率的要求，控制盒上設有不同調速率的轉換開關，用戶可以根據柴油機的工作性質不同，設定不同的調速率。這樣，不僅增強了電子調速器的匹配適應能力，也大大地方便了客戶。

（3）提高了柴油機運行工況的控制精度　柴油機電控系統接收到一個輸入信號到處理完畢并輸出相應的控制信號所需的時間一般為毫秒級，這時間遠遠小于柴油機或其他機械控制機構的響應時間。因此，一旦柴油機及其控制系統的運行參數或狀態稍微偏離目標值，電控系統就能立即進行跟蹤并予以及時調節和控制，完成同步調速、無波動轉速控制和燃油噴射控制。

（4）提高了柴油機的工作可靠性　柴油機電控系統可以實時監測影響發動機工作可靠性的一些參數（如機油壓力、排氣溫度、軸承溫度和發動機轉速等）。一旦這些參數或狀態超出設定值的范圍，柴油機電控系統會立即發出提示警告，同時通過控制執行器進行相應的調節，直到這些參數或狀態恢復正常為止。對于一些影響發動機運轉可靠性的主要參數，柴油機電控系統還可以為柴油發動機提供雙重甚至是多重保護，以免造成巨大損失。

（三）柴油機電控系統的主要控制功能

隨著柴油機電控技術的發展，柴油機電控系統從最基本的燃油噴射控制，即噴油量和噴油正時控制，已擴展到包括噴油率和噴油壓力控制在內的多項目標控制；并從單一的燃油噴射控制擴展到包括怠速控制、進氣控制、啟動控制、巡航控制、故障自診斷、失效保護、數據通信、發動機與變速器的綜合控制等在內的全方位集中控制。

1.燃油噴射控制

燃油噴射控制是柴油機電控系統最主要的控制功能，主要包括噴油量控制、噴油正時控制、燃油噴射規律的控制和噴油壓力控制等。

（1）噴油量的控制　噴油量的控制是柴油機電子控制系統的一項主要控制內容。ECU根據加速踏板位置傳感器和轉速傳感器的輸入信號，首先計算出基本噴油量，然后根據來自水溫傳感器、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器以及電動機等信號，對這個基本噴油量加以修正，再與來自控制套筒位置傳感器的信號進行比較后，產生與兩者差值成比例的驅動電流，執行器則根據ECU輸出的驅動電流進行操作，使油門拉桿移動到目標位置，最后確定最佳噴油量。

（2）噴油正時的控制　電控柴油噴射系統，能夠精確地控制噴油正時。首先，根據柴油機轉速、負荷和冷卻液溫度的信號在ECU中利用預先存儲的噴油正時脈譜，計算確定噴油始點的目標值。其次，通過檢測上止點參考脈沖與噴嘴針閥升程傳感器輸出脈沖之間的夾角，計算出實際噴油始點。將兩者比較，決定最佳噴油始點后，ECU就輸出一個脈寬可調的信號來控制一個電磁閥。該電磁閥可確定作用在噴油提前器活塞上的控制油壓來移動活塞位置，改變發動機驅動軸和凸輪軸之間的相位，以調節噴油正時。為了實現柴油機燃燒的及時與完全，電控系統應根據柴油機的運行狀態和環境條件來控制噴油正時。

（3）燃油噴射規律的控制　燃油噴射規律即噴油速率和噴油量隨時間變化的規律。電控系統以柴油機轉速和負荷為基本控制參數，按預設的噴油速率和噴油規律，完成循環的噴油過程。

（4）噴油壓力的控制　在高壓共軌式電控噴射系統中，利用共軌壓力傳感器測量共軌內的燃油壓力，通過調整高壓供油泵的供油量，維持共軌內的壓力在轉速變化時的穩定，以控制噴射壓力。

2.進氣控制

進氣控制是柴油機電控系統的第二個主要控制功能，它包括可變進氣渦流控制、可變配氣正時控制、進氣節流控制和進氣預熱控制等。

（1）可變進氣渦流控制　電控系統以柴油機轉速和負荷為基本控制參數，按預設的最佳進氣渦流比脈譜圖對進氣渦流強度進行控制，以滿足高、低轉速工況時對進氣渦流強度的不同要求。

（2）可變配氣正時控制　電控系統以柴油機轉速和負荷為基本控制參數，按預設的最佳配氣相位，通過各種電控可變配氣正時機構改變柴油機的配氣相位，以滿足不同工況時對配氣正時的不同要求。

（3）進氣節流控制　電控系統以柴油機轉速和負荷為基本控制參數，通過對進氣管中節流閥開度的控制，適應高、低速工況對進氣流量的不同要求。另外，為了降低怠速時的振動、噪聲和柴油機停車時的振動，電控系統通過怠速時節流控制和停車時中斷進氣來減輕發動機的振動。

（4）進氣預熱控制　電控系統以柴油機冷卻液的溫度為基本控制參數，通過對加熱塞通電時間的控制，對進氣進行預熱，以提高柴油機的低溫啟動性能和低溫下的怠速穩定性。

3.怠速轉速的控制

柴油機的低速怠速不穩，在機械式控制中用兩種調速器加以控制。在電子控制的情況下，操作全部由ECU控制，根據加速踏板傳感器、車速傳感器、起動及轉速等信號，可以決定怠速控制何時開始，其次再根據水溫傳感器、空調開關等信號，算出所設的怠速轉速以及相應的噴油量。為了使怠速能夠保持穩定，也可以根據發動機轉速的反饋信號，不斷地對該噴油量進行修正。

4.廢氣再循環控制

該系統通過控制參與再循環的廢氣量以減少廢氣中的NO_x排放量，與汽油機電控系統相同。

5.廢氣渦輪增壓壓力控制

廢氣渦輪增壓壓力控制的目的是為了防止增壓壓力過高使發動機爆發壓力過高；或增壓壓力過低，造成空氣量不足使排氣溫度過高。柴油機增壓控制主要是由ECU根據柴油機轉速信號、負荷信號、增壓壓力信號等，通過控制廢氣旁通閥的開度或廢氣噴射器的噴射角度、增壓器廢氣渦輪廢氣進口截面積大小等措施，實現對廢氣渦輪增壓器工作狀態和增壓壓力的控制，以改善柴油機的轉矩特性，提高加速性能，減少排放和減少噪聲。

6.故障自診斷和失效保護

當柴油機或電控系統出現故障時，ECU將會點亮儀表板上的故障指示燈，提醒駕駛員注意，并存儲故障信息。檢修時通過一定程序，可將故障碼及有關信息資料調出。當ECU出現故障時，ECU內的備用電路可使系統進入失效保護程序的控制狀態，讓車輛低速開到最近的維修站檢修。

（四）共軌式電控噴射系統

電控高壓共軌系統是第三代電控燃油噴射系統。在車用高速柴油機中，柴油噴射過程所用的時間只有千分之幾秒，而且在噴射過程中高壓油管各處的壓力隨時間和位置的不同而變化。由于柴油的可壓縮性和高壓油管中柴油的壓力波動，使實際的噴油狀態與噴油泵所規定的柱塞供油規律有較大的差異，油管內的壓力波動有時會在主噴射之后，使噴油器處的壓力再次上升到可以令針閥開啟的壓力，產生二次噴射現象，由于二次噴射的燃油霧化不良，不可能完全燃燒，于是增加了顆粒和烴類化合物的排放量，油耗也增加。此外，每次噴射循環后高壓油管內的殘余壓力都會發生變化，隨之引起不穩定噴射，尤其在低轉速區域。嚴重時不僅噴油不均勻，而且會發生間歇性噴射現象。而電控高壓共軌系統徹底解決了這種燃油壓力變化帶來的缺陷。

1.高壓共軌燃油噴射系統的基本特點

高壓共軌燃油噴射系統在發達國家于20世紀90年代中后期開始進入實用化階段。它可實現在傳統噴油系統中無法實現的功能，其優點有如下幾點。

①共軌系統中的噴油壓力柔性可調，對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優化柴油機綜合性能。

②可獨立地柔性控制噴油正時，配合高的噴射壓力（120~200MPa），可將NO_x和微粒排放同時控制在較小的數值范圍內。

③柔性控制噴油速率，實現理想噴油規律，容易實現預噴射和多次噴射，既可降低柴油機NO_x，又能保證優良的動力性和經濟性。

④由電磁閥控制噴油，其控制精度較高，高壓油路中不會出現氣泡和殘壓為零的現象，因此，在柴油機運轉范圍內，循環噴油量變動小，各缸供油不均勻性得到改善，從而減輕柴油機的粗暴并降低排放。

2.高壓共軌燃油噴射系統

高壓共軌電控燃油噴射系統示意如圖2-14所示，高壓共軌電控燃油噴射系統主要由電控單元（ECU）、高壓油泵、共軌管和電控噴油器、高壓油管以及各種傳感器和執行器等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓共軌管，高壓共軌管中的壓力由電控單元根據共軌壓力傳感器信號以及需要進行調節，高壓共軌管內的燃油經過高壓油管，根據柴油機的運行狀態，由電控單元從預置的脈譜圖中確定合適的噴油定時、噴油持續期，由電控噴油器將燃油噴入氣缸。

（1）電控單元　電控單元一般由邏輯模塊和驅動模塊兩個集成電路板組成。其中，邏輯模塊是電控柴油機的控制核心，它接收柴油機工況的各傳感器輸入的信號，進行控制決策的運算處理，然后向驅動模塊發出相應的指令；驅動模塊具有電壓電流放大的作用，把邏輯模塊發出的指令信號放大后變成能直接驅動執行電磁閥的電壓或電流。

（2）高壓油泵　高壓油泵由柴油機驅動，根據其結構和布置的不同，可分為軸向柱塞泵和徑向柱塞泵；根據噴油壓力對發動機轉速的依賴性，可分為全柔性噴油壓力控制系統和半柔性噴油壓力控制系統；根據噴油壓力控制原理，則可分為單閥控制式和雙閥控制式。

在半柔性噴油壓力控制系統中，噴油壓力由發動機轉速和高壓油泵電磁閥控制決定，輸油泵供油速率嚴格依賴于發動機轉速，因此，其循環供油量在整個發動機轉速范圍內不可能處處最優，不能很好地滿足發動機過渡工況對油壓快速變化的要求，在某種轉速下的最高油壓也受到限制。

全柔性的單閥式噴油壓力控制系統，高壓油泵向高壓共軌管的供油量是由可控電動輸油泵供油量和高壓油泵電磁閥控制決定，輸油泵的供油量與發動機轉速無關，因此可獲得理想的發動機過渡工況的油壓控制響應特性，即使在怠速下也可獲得所設計的最高油壓，共軌管穩壓容積的設計要保證噴油壓力的穩定性（即最小的油壓波動）。

（3）共軌管　共軌管是連接高壓油泵和噴油器的橋梁，也是一個蓄壓器。它將已經相互獨立的高壓燃油的供給過程與燃油的噴射過程聯系起來。高壓油泵不直接向噴油器提供高壓燃油，而將高壓燃油泵入共軌管中，燃油噴射所需要的燃油由共軌管供給，這樣就減小了供油和噴油過程中的燃油壓力的波動。

共軌管中壓力波動是設計所要考慮的重要參數，它直接影響到噴油器的噴油量和各缸之間噴油量差異。影響共軌管中油壓波動的主要因素有高壓油泵的供油特性、噴油器和調節閥的工作特性以及共軌管本身的特性。為使共軌管壓力波動幾乎不受噴油器、高壓油泵和調節閥工作的影響，共軌管的長度、內徑和容積大小應合適，過大則柴油機過渡工況響應不良，過小則共軌管中的壓力脈動將導致各缸噴油量的不均勻度增加。

（4）電控噴油器　每個噴油器上都有一個電磁閥，當電磁閥的電磁線圈通電時，噴油器針閥在高壓燃油作用下升起，開始噴油，并且通過單向閥和節流孔控制針閥緩慢升起，以達到初期噴油速率的柔性控制；電磁線圈斷電時噴油結束，單向閥和節流孔也控制斷電時針閥下行的速度，以實現快速停止噴射。每個噴油器通電噴油持續時間決定于柴油機工況所需要的噴油量。

（5）高壓油管　高壓油管是連接共軌管和電控噴油器的通道，它必須能夠承受系統中的最大壓力，在噴油停止時還要承受高頻的壓力波動，同時它還應滿足足夠的燃油流量以減小燃油流動時的壓降。各缸高壓油管的長度應盡量相等且盡可能短，這樣才能保證從共軌管到噴油器的壓力損失最小，而每個噴油器具有相同的燃油噴射壓力。

3.使用高壓共軌燃油噴射系統應注意的問題

高壓共軌燃油噴射系統的柔性很大，可方便的應用在各種柴油機上，但必須注意以下幾點。

（1）系統供油量與發動機功率相匹配　發動機最大功率決定了共軌系統最大供油量，從高壓油泵供油特性、共軌管幾何形狀到噴油器噴孔大小等應進行優化配合。

（2）噴油壓力、噴油規律與發動機燃燒室形狀、氣體渦流相匹配　應根據發動機工況合理控制噴油壓力、噴油規律及噴油正時等。

（3）提高電磁閥的動作速度　高壓共軌燃油噴射系統中的控制元件多為電磁閥，只有提高電磁閥的動作響應速度才能實現精確控制。若發動機轉速為5000r/min，噴油持續角為300°CA，則噴油時間為1ms，在此時間內電磁閥要實現兩次或更多次噴油動作，其動作速度必須很快。美國Sturman公司生產的高速電磁閥，動作響應周期可達0.25ms。

三、發動機稀燃技術

稀燃是稀薄燃燒的簡稱，指發動機在實際空燃比大于理論空燃比的情況下的燃燒，空燃比可達25∶1，甚至更高。稀薄燃燒使燃料的燃燒更加完全，同時，輔以相應的排放控制措施，使汽油機的有害排放物大大降低，因此具有良好的經濟性和排放性能。

稀薄燃燒可以提高發動機燃料經濟性的主要原因是，由于稀混合氣中的汽油分子有更多的機會與空氣中氧分子接觸，燃燒完全。同時由前述所知，點燃式發動機的燃燒循環更接近定容加熱循環，定容加熱循環的熱效率取決于壓縮比ε和等熵指數κ。壓縮比越高、等熵指數越大，理論循環的熱效率越高。而發動機燃燒時，混合氣越稀，燃燒循環越接近于理想循環，等熵指數κ值越大，使熱效率得以提高。從另一角度分析，采用稀混合氣，由于氣缸內壓力低、溫度低，不易發生爆燃，則可以提高壓縮比，增大混合氣的膨脹比和溫度，減少燃燒室廢氣殘余量，因而也可以提高熱效率。燃用稀混合氣，由于其燃燒后最高溫度降低，一方面使通過氣缸壁的傳熱損失較小；另一方面燃燒產物的離解損失減少，使熱效率得以提高。且當采用稀薄混合氣燃燒時，由于進入缸內空氣的量增加，減小了泵吸損失，這對汽油機部分負荷經濟性的改善非常有利。另外，稀薄燃燒時燃燒室內的主要成分O₂和N₂的比熱容較小，多變指數K較高，因而發動機的熱效率高，燃油經濟性好。

從理論上講，混合氣越稀，熱效率越高。但就普通發動機來說，當過量空氣系數α>1.15后，油耗反而增加。這是由于混合氣過稀時，燃燒速度下降，熱功轉換效率下降；混合氣過稀時，發動機對混合氣分配的均勻性變得更加敏感，循環變動率增加，個別缸失火的概率增加。如果不解決這些問題，盲目地調稀混合氣，不但不能發揮稀混合氣理論上的優勢，反而會費油。

（一）燃用稀混合氣的技術途徑

（1）使汽油充分霧化，對均質燃燒要保證混合氣混合均勻及各缸混合氣分配均勻　消除局部區域混合氣偏稀的現象，避免電噴發動機調整時的有意加濃；同時，使缸內混合氣的實際含量有所增加，失火及不穩定現象就會大大減少，發動機便可以在較稀混合氣含量的條件下工作。

要使汽油充分霧化，可以在預熱、增加進氣流的速度、增強進氣流的擾動、增加汽油的乳化度以及使汽油分子磁化等方面采取措施。

（2）采用結構緊湊的燃燒室　使壓縮時形成擠流，以提高燃燒速度，從而提高燃燒效率，減少熱損失。一般采用火花塞放在正中的半球形或篷頂形燃燒室，或其他緊湊型的燃燒室。

（3）加快燃燒速度　這是稀燃技術的必要條件和實施的基礎。提高燃燒速度的主要措施是組織缸內的氣體運動和提高壓縮比。

（4）提高點火能量，延長點火的持續時間　對于常規含量的混合氣而言，普通點火系統所提供的點火能量已經足夠，但燃用稀混合氣時就應當設法提高點火能量。高能點火和寬間隙火花塞有利于火核形成，火焰傳播距離縮短，燃燒速度提高，稀燃極限大。有些稀燃發動機采用雙火花塞或者多極火花塞裝置來達到上述目的。

（5）采用分層燃燒技術　如果稀燃技術的混合比達到25∶1以上，按照常規是無法點燃的，因此，必須采用由濃至稀的分層燃燒方式。如果在火花塞附近的局部區域內供給適宜點火的濃混合氣（α=0.8~0.9或A/F=12~13.4），而在其他區域供給相當稀的混合氣，也可以實現稀混合氣燃燒。在這種情況下，即使采用普通點火系統，也能很快地點燃很稀的混合氣，于是火焰得以傳播并遍及整個燃燒室。由于混合氣有濃、稀層次之別，燃燒的進展也從濃到稀，故把按上述方式工作的汽油機稱為分層充氣汽油機或分層燃燒汽油機。

目前，分層充氣是稀混合氣燃燒的主要手段，大部分稀燃發動機都是采用分層充氣方案。這是因為其有如下優點：①等熵指數κ值高；②可以采用高壓縮比，當采用高辛烷值的汽油時，壓縮比可以提高到11~12，因而大大提高了發動機的動力性和經濟性；③燃燒溫度低（尤其是部分負荷），傳熱損失和高溫分解的熱損失小；④為了得到同樣的動力性，需要在大節氣門開度下工作，泵氣損失小，如果取消了節氣門，泵氣損失將更小；⑤排污少。

（二）分層燃燒系統

當前實際應用的稀燃系統，大多是分層充氣稀薄燃燒（Stratified Charge Lean Burn）系統，而分層燃燒系統基本都采用燃油噴射技術。通常，按照燃油噴射的不同形式，將分層稀燃系統分為氣道噴射（PFI）稀燃系統和直接噴射（GDI）稀燃系統；按照混合氣的不同組織方式，將分層稀燃系統分為軸向分層稀燃系統和縱向（滾流）分層稀燃系統。

1.氣道噴射稀燃系統

氣道噴射稀燃系統簡稱為PFI（ Port Fuel Injecjon）稀燃系統。它通過噴油器和進氣道的合理配合，使得進入氣缸的混合氣分層混合，濃混合氣在火花塞附近，稀混合氣遠離火花塞。

氣道噴射稀燃系統根據進氣流在氣缸內的流動方向（形式）不同，可分為軸向（渦流）分層和縱向（滾流）分層稀燃系統。

（1）軸向分層稀薄燃燒　這種燃燒方式一般是使燃油在進氣晚期噴入氣缸，濃混合氣聚集在氣缸上部火花塞四周，通過缸內強的渦流運動來維持混合氣的分層，達到稀薄燃燒的目的。

渦輪軸向分層示意如圖2-15所示，發動機采用蓬頂形燃燒室，火花塞布置于燃燒室的中心位置：在進氣行程初期[見圖2-15（a）]，隨著活塞的向下運動，缸內形成較強的渦流，通過對進氣系統的合理配置，使該渦流的軸心與氣缸中心大體一致，形成沿氣缸軸線的渦流運動。通過控制噴油時刻，使噴油器在進氣后期噴油[見圖2-15（b）]，因為可燃混合氣最后進入氣缸，所以氣缸內就形成了上濃下稀的分層效果。這樣形成的渦流在壓縮后期雖然隨著活塞的上行逐漸衰減，但渦流的分層效果仍能基本保持到壓縮行程結束，以利于點火燃燒[見圖2-15（c）]。

從圖2-15中可以看出，影響稀燃效果的主要因素是缸內渦流強度和噴油正時。一般情況下，渦流強度越強，分層效果保持得越好；渦流強度越弱，分層效果保持得越差。而噴油正時則決定了缸內混合氣濃度梯度的分布形式；在進氣后期噴油，將形成上濃下稀的梯度分布，反之，則形成上稀下濃的梯度分布。

豐田公司的氣道噴射第三代稀燃系統和本田公司的VTEC-E以及馬自達公司的稀燃系統等均采用軸向分層稀薄燃燒技術。豐田第三代稀燃系統和馬自達稀燃系統的共同特點是都采用渦流強度控制閥（SCV）來調節渦流的強度，采用一個直氣道和一個螺旋氣道組織空氣運動。在低負荷時，SCV關閉獲得強的渦流；在高負荷時SCV打開，獲得斜軸渦流，促進燃油與空氣的混合。

（2）縱向分層稀薄燃燒　縱向分層即滾流（Tumble）分層，渦流的流動方向與氣缸軸線垂直，適用于進氣道對稱布置的多氣門發動機，尤其是在篷頂形燃燒室、對稱進氣的四氣門發動機上更容易實現。圖2-16簡單說明了滾流運動的形成過程，當進氣門升程較小時，進氣在缸內的流動比較紊亂，有規律的流動不明顯，這時存在兩個旋轉軸相互平行而垂直于氣缸軸線的渦團，一個在進氣門下方靠近進氣道一側，另一個則在進氣道對側，大致位于排氣門下方，此為非滾流期；當氣門升程加大時，位于進氣道對側的渦團突然加強，進而占據整個燃燒室，與此同時，另一個渦團逐漸消失，此為滾流產生期；隨著氣門升程的加大和活塞下移，滾流不斷加強直至進氣行程下止點附近，滾流達到最強，此為滾流的發展期；壓縮行程屬滾流的持續期，在壓縮行程后期，由于燃燒室空間扁平，不適于滾流發展而遭破壞，在上止點附近，滾流幾乎被壓碎而成為小尺度的湍流，此為破碎期。

滾流的生命周期短，點火后很快在燃燒過程中消失。正是由于滾流在上止點附近破碎為湍流，將進氣流動的動能轉化為湍動能，提高了燃燒速度，有利于發動機性能的改善。

氣道噴射稀燃系統雖然相對來說已經發展得較為成熟，但因為有節氣門的存在，使泵氣損失增大，燃燒效率降低。在混合氣準備階段，氣道燃油噴射（PFI）存在進氣道黏附油膜現象。油膜的蒸發會導致額外的油耗，對發動機快速起動性、瞬時響應性及更為精確的A/F控制等要求非常不利。另外，在燃用汽油中的容易汽化且較輕的低沸點成分時，易發生爆燃現象。而且，PFI發動機在不采用其他輔助性助燃方法組織稀薄燃燒時，空燃比是有上限的，即使在實驗室條件下空燃比達到27也比較困難。超過這個界限后，發動機工作會變得不穩定，油耗和烴類化合物等排放也會急劇增加。而另一種稀薄燃燒方式——缸內直接噴射方式，達到或超過這個界限卻很容易。

2.直接噴射稀燃系統

直接噴射稀燃系統簡稱為GDI（ Gasoline Direct Injection）稀燃系統。它將噴油器直接伸入到燃燒室內，根據供油需要，直接將燃油噴入到燃燒室，并通過進氣與噴油時刻的合理匹配，使得火花塞附近的局部區域混合氣較濃，而其他區域混合氣較稀的分層燃燒系統。

與氣缸外進氣道噴射稀燃系統相比，氣缸內噴射稀燃系統具有泵氣損失小、傳熱損失少、充氣效率高、抗爆性好及動態響應快等特點。且該系統可根據需要改變噴油正時和噴油次數，能夠自由地控制氣缸內的混合狀態。因而，可以實現控制爆燃和提高功率的兩級混合，獲得不同工況下對動力性、經濟性及排放性能的不同需求。目前，在中負荷區域可降低燃油消耗的弱分層燃燒系統已經實用化。

圖2-17所示為日本三菱汽車公司的4G-93GDI發動機，它采用了先進的電控高壓汽油泵、高壓旋流噴油器以及較為復雜的多區控制策略，該發動機的燃料噴射壓力達到5.0MPa，大約是MPI方式的15倍，壓縮比由10.5提高到12.0。

發動機的燃燒過程如圖2-17（a）所示，部分負荷時，燃油在壓縮沖程后期噴向活塞曲頂，碰撞到曲頂壁面后反彈向火花塞，只在火花塞附近形成較濃的混合氣，實現氣缸內由濃到稀的滾流分層。從而使部分負荷及怠速工況下空燃比達到20~40，燃油經濟性改善30%，采用40%廢氣再循環率，可使機內的NO_x降低90%。在高負荷時，燃油在壓縮沖程早期噴入，油束分散度擴大，避免油束碰撞缸壁，形成良好的混合氣，經過對噴油時間、點火時間、混合氣分布的優化，同原4G-93相比，發動機的油耗和轉矩各提高了10%，再采用稀燃催化反應器，其排放水平可以達到超低排放車輛（ULEV）標準。

奔馳汽車公司開發的GDI發動機，燃燒系統采用了比較簡單的燃燒室形狀，噴油器和火花塞近距離布置，使得火花塞周圍容易形成濃的混合氣，其燃燒系統的設計如圖2-18所示，氣缸蓋下部燃燒室部分為半球形，活塞頂有盆形凹坑，噴油器布置于缸蓋的中心位置，火花塞位于噴射油束側面。此外，該發動機還采用了可變高壓共軌燃油噴射系統，噴油壓力可在4~12MPa范圍內調節。該發動機NO_x排放比同類型的PFI發動機降低35%，但未燃碳氫UBHC排放較高。發動機在2000r/min下獲得最佳的燃油經濟性，但隨著發動機轉速提高或降低，燃油經濟性都有所下降。

綜上所述，發動機稀燃技術有很多優點，如等熵指數高、傳熱損失少、可提高汽油機的壓縮比，尤其是直噴式發動機稀燃系統取消了節流、降低了泵吸損失，具有良好的瞬態響應能力、精確的空燃比控制、快速的冷起動和減速快速斷油能力及潛在的系統進一步優化能力等，大幅度地提高了部分負荷下內燃機的燃油經濟性，且有良好的動力輸出，是未來發動機發展的方向之一。

四、發動機增壓和中冷技術

1.概述

增壓是指在內燃機中對新鮮空氣進行預壓縮的過程。增壓后使得單位時間內進入燃燒室的新鮮空氣量增多，這意味著可以燃燒更多的燃料，從而可以提高發動機功率。增壓是發動機提高功率最有效的方法之一。

根據發動機原理，發動機有效功率P_e可按下式計算：

　（2－6）

式中　i——發動機的氣缸數；

V_h——每個氣缸的工作容積，L；

τ——完成一個工作循環的沖程數；

n——發動機轉速，r/min；

p_me——發動機的平均有效壓力，MPa。

從以上發動機有效功率P_e計算公式可知，通過加大氣缸總排量iV_h、提高發動機轉速n和提高發動機平均有效壓力p_me等措施都可提高發動機有效功率。但大量實踐證明，提高p_me是提高P_e經濟而有效的方法。而平均有效壓力p_me：

　（2－7）

式中　η_i——指示效率；

η_v——充氣效率；

η_m——機械效率；

ρ_k——空氣密度。

從上面p_me的關系式中可以看出，提高進入氣缸空氣的壓力，降低進入氣缸空氣的溫度是提高空氣密度ρ_k，進而提高平均有效壓力p_me最有效的方法。提高空氣的壓力和降低進入氣缸的空氣溫度的辦法就是采用增壓和中冷技術。該技術在改善發動機動力性的同時，還能改善熱效率、提高經濟性、減少排氣中的有害成分、降低噪聲。

增壓技術尤其是渦輪增壓技術已經在汽車柴油機上應用半個多世紀，柴油機上采用渦輪增壓技術不僅可提高功率30%~40%，甚至更多，還可以減少單位功率質量，縮小外形尺寸，節約原材料，降低燃油消耗率3%~10%。

采用增壓技術對于高原地區使用的發動機尤為重要。因為高原地區氣壓低、空氣稀薄，導致發動機功率下降。一般認為海拔每升高1000m，功率下降8%~10%，燃油消耗率增加3.8%~5.5%。而裝用渦輪增壓器后，可以恢復功率，減少油耗。

目前發動機增壓方式主要有機械增壓、廢氣渦輪增壓、氣波增壓和復合增壓等類型。

機械增壓是由發動機曲軸通過齒輪（或鏈條等）直接驅動增壓器，來實現發動機進氣增壓的一種增壓方式。機械增壓的特點是：不增加發動機背壓，但消耗其有效功率，總體布置有一定局限性；增壓壓力一般不超過0.15~0.17MPa；過多地提高增壓壓力，會使驅動壓氣機耗功過大，機械效率明顯下降，經濟性惡化。

廢氣渦輪增壓是由發動機工作時排出的廢氣帶動增壓器來實現進氣增壓的一種增壓方式。廢氣渦輪增壓的特點是：不消耗發動機有效功，增壓器可以自由布置在所需的位置，渦輪有一定的消聲作用，并進一步減少排氣中的有害成分。

氣波增壓是使兩種氣體工質直接接觸并通過壓力波來傳遞能量的一種增壓方式。復合增壓是在發動機上，即采用廢氣渦輪增壓器，又同時采用機械驅動式增壓器的一中增壓方式。

2.機械增壓技術

（1）機械增壓系統　圖2-19所示為電控汽油噴射式發動機上所采用的一種機械增壓系統示意。圖中機械增壓器6為羅茨式（ Roots-type）壓氣機，由曲軸帶輪12經傳動帶和電磁離合器帶輪11驅動機械增壓器6工作。當發動機在小負荷下運轉時不需要增壓，這時電控單元（ECU）根據節氣門位置傳感器3的信號使電磁離合器斷電，增壓器停止工作。與此同時，電控單元17向進氣旁通閥5通電使其開啟，即在不增壓的情況下，空氣經進氣旁通閥5及旁通管路進入氣缸。在進入氣缸之前，空氣先經中冷器7降溫。爆燃傳感器9安裝在發動機上，它將發動機發生爆燃的信號傳輸給電控單元17，電控單元則發出相應的指令減小點火提前角，即可消除爆燃。

（2）機械增壓器　依構造的不同，機械增壓器有葉片式（Vane）、羅茨（Roots）武、汪克爾（Wankle）等型式，目前，以羅茨增壓器使用最廣泛，羅茨式增壓器結構簡單，工作可靠，壽命長，供氣量與轉速成正比。

圖2-20所示是羅茨式機械增壓器的結構示意。它由轉子、轉子軸、傳動齒輪、殼體、后蓋和齒輪室罩等構成。在增壓器前端裝有電磁離合器及電磁離合器帶輪。在羅茨式增壓器中有兩個轉子。發動機曲軸帶輪經傳動帶、電磁離合器帶輪和電磁離合器驅動其中的一個轉子，而另一個轉子則由傳動齒輪帶動與第一個轉子同步旋轉。轉子的前后端支撐在滾子軸承上，滾子軸承和傳動齒輪用合成高速齒輪油潤滑。在轉子軸的前后端裝置油封，以防止潤滑油漏入壓氣機殼體內。

羅茨式增壓器的轉子有兩葉的，也有三葉的。通常兩葉轉子為直線形[見圖2-21（a）]，而三葉轉子為螺旋形[見圖2-21（b）]。三葉螺旋形轉子有較低的工作噪聲和較好的增壓器特性。在相互嚙合的轉子之間以及轉子與殼體之間都有很小的間隙，并在轉子表面涂敷樹脂，以保持轉子之間以及轉子與殼體間較好的氣密性。轉子用鋁合金制造。

羅茨式增壓器的工作原理示意如圖2-22所示。當轉子旋轉時，空氣從增壓器入口吸入，在轉子葉片的推動下空氣被加速，然后從增壓器出口壓出。出口與進口的壓力比可達1.8。羅茨式增壓器結構簡單，工作可靠，壽命長，供氣量與轉速成正比。

機械增壓系統可以在發動機較低轉速就獲得增壓，且具有良好的響應特性，沒有動力遲滯現象，操作感覺與自然吸氣極為相似。但是它本身需要消耗一部分能量，因此，機械增壓與渦輪增壓相比不能產生特別強大的動力，尤其是在高轉速時，由于它會產生大量的摩擦，損失能量，從而影響到發動機轉速的提高，使得發動機最高轉速有所降低。另外，使用機械增壓器的汽車油耗相對來說比較高。

3.渦輪增壓技術

目前，國內外通常采用由排氣驅動的渦輪機拖動壓氣機來提高進氣壓力增加進氣量的廢氣渦輪增壓技術，它是目前世界上最成熟、應用最廣泛的一項增壓技術，一般增壓壓力可達180~200kPa，最高甚至達到300kPa。

（1）廢氣渦輪增壓系統　渦輪增壓器主要由渦輪和壓氣機組成。發動機排氣經排氣管進入渦輪，對渦輪做功，渦輪葉輪與壓氣機葉輪同軸，從而帶動壓氣機吸入外界空氣并壓縮后送至發動機進氣管。

廢氣渦輪增壓系統分為單渦輪增壓系統和雙渦輪增壓系統。只有一個渦輪增壓器的增壓系統成為單渦輪增壓系統，單渦輪增壓系統示意如圖2-23所示。渦輪增壓系統除渦輪增壓器外，還包括進氣旁通閥、排氣旁通閥和排氣旁通閥控制裝置等。

（2）廢氣渦輪增壓器的基本結構和工作原理　廢氣渦輪增壓器按廢氣在渦輪機中的不同流動方向分為徑流式、軸流式和混流式三種類型。徑流式是指在渦輪中，廢氣沿著與渦輪旋轉軸線垂直的平面徑向流動，推動渦輪旋轉以實現進氣增壓的增壓器；軸流式是指廢氣在渦輪中沿著渦輪旋轉軸線方向流動的；混流式則是指廢氣在渦輪中，沿著與渦輪旋轉軸線傾斜的錐面流動，其結構與徑流式渦輪相近。車用發動機多用徑流渦輪增壓器，它比軸流式效率高、加速性能好、結構簡單、體積小。而大中功率的發動機則應用軸流式廢氣渦輪增壓器。

徑流式渦輪增壓器由離心式壓氣機和徑流式渦輪機以及支承裝置、密封裝置、冷卻系統、潤滑系統等組成。

1）離心式壓氣機。離心式壓氣機一般由進氣裝置、工作輪、擴壓器、出氣渦殼組成，離心式壓氣機結構如圖2-24所示。空氣沿著進氣裝置進入，使氣流均勻地流進工作輪，進氣裝置多采用收斂形軸向進氣，氣流速度略有增加，壓能和溫度略有下降。氣流從工作輪中央流入葉片組成的通道，由于工作輪轉動，氣流在通道中受到離心力壓縮并甩到工作輪外緣，空氣從旋轉的工作輪得到能量，致使空氣的流動速度、壓力和溫度都有所增加，尤其是流動速度增加較多。氣流速度提高以后進入擴壓器，擴壓器是一個斷面漸擴的通道，氣流進入后速度降低，壓力和溫度都升高，氣流將在工作輪中得到的動能在擴壓器中轉變為壓力能。出氣渦殼收集從擴壓器流出的空氣，并繼續將動能轉變為壓力能。出氣渦殼分為等截面和變截面兩種結構形式，變截面的氣流損失小，但制造困難。等截面的流動損失較大，但制造容易。壓氣機中空氣流動的參數沿壓氣機通道的變化情況如圖2-25所示。

進氣裝置主要有兩種形式：一種軸向進氣裝置；另一種徑向進氣裝置。軸向進氣氣流損失較小，多用于小型增壓器。徑向進氣由于氣流流向轉變，流動損失較大，多用于大型增壓器。

工作輪由葉片和輪盤組成，它有封閉式、半開式和行星式三種結構形式；按工作輪葉片形狀分為徑向葉片、后彎葉片、前彎葉片等幾種，其中徑向葉片應用較多。

擴壓器分為無葉擴壓器和有葉擴壓器兩種。無葉擴壓器結構簡單，但擴壓度小，氣流損失大，常用于小型增壓器。葉片擴壓器擴壓效果好，流動損失小。

2）徑流式渦輪機。渦輪機是把發動機排出廢氣的能量轉化為機械能的裝置。渦輪增壓器的性能，在很大程度上取決于渦輪機的性能。徑流式渦輪機主要由進氣渦殼、噴嘴環、工作輪和出氣道等組成，徑流式渦輪機簡圖如圖2-26所示。一個噴嘴環和一個工作輪組成渦輪的一級，廢氣渦輪增壓器中常采用一個級的渦輪，稱為單級渦輪。

①噴嘴環。噴嘴環上裝有許多導向葉片，構成漸縮形通道。廢氣從這里被引入工作輪。噴嘴環可以有整體式和裝配式兩種結構形式。

②工作輪。把從噴嘴環出口噴出的高速廢氣的動能和壓力能轉變為機械能的裝置。工作輪的葉片與輪盤做成一體，多采用精密鑄造成型。葉片的葉形大采用拋物線。其形式有半開式和星形兩種。

③渦輪機進氣渦殼。其作用是把發動機排氣管與增壓器連接起來，將排氣管排出的廢氣引入噴嘴環，并按噴嘴環進口形狀均勻地進入噴嘴環，以減少流動損失，充分利用廢氣能量。進氣渦殼的流通截面按一定規律變化，表面要光潔。其結構可分為軸向、切向、徑向三種進氣形式，進口可為一個或多個。

④渦輪機出氣道。將做功完了的廢氣引出增壓器，氣道要求光潔、平滑，有的帶有冷卻水套。

⑤渦輪軸。將渦輪機工作輪和壓氣機工作輪連接起來，起傳遞轉矩的作用，工作輪與軸的連接方式有整體式和裝配式兩種。

發動機工作時，由排氣管排出的廢氣具有壓力P_T、溫度T_T、速度c_T。廢氣以速度c_T進入噴嘴環，由于噴嘴環斷面是漸縮的，使部分壓為能轉變為氣體的動能，壓力降低到P₁，溫度下降到T₁，流動速度增加到c₁。廢氣從噴嘴環噴出以相對速度ω₁和一定角度進入工作輪，工作輪葉片間的通道也是呈漸縮形狀，氣體在通道中繼續膨脹，在工作輪出口處壓力降為P₂，溫度降為T₂，相對速度增加到ω₂，由于廢氣在噴嘴中膨脹得到的動能大部分傳給工作輪，所以絕對速度迅速下降到c₂，c₂?c₁。廢氣離開工作輪時還具有一定的速度c₂，也就是還有一部分動能未能在渦輪中得到利用，這部分動能損失稱為余速損失。氣流參數在渦輪機中的變化如圖2-27所示。

（3）廢氣能量的利用　目前生產的車用增壓柴油機中，幾乎都采用廢氣渦輪增壓系統，通過廢氣來驅動渦輪增壓器工作，從而吸收廢氣能量來實現增壓的目的。

廢氣的最大可用能E由三部分組成：a.排氣門打開時，氣缸內氣體等熵膨脹到大氣壓力所做的功E_b；b.活塞推出排氣，排氣得到的能量E_c；c.掃氣空氣所具有的能量E_s。

排氣門前廢氣具有的能量，在流經排氣門、氣缸蓋排氣道、排氣歧管、排氣總管，最后到達渦輪前，存在著一系列的損失，總能量損失ΔE包括如下幾個方面。

ΔE=ΔE_V +ΔE_C +ΔE_D +ΔE_M +ΔE_F +ΔE_h　（2-8）

式中　ΔE_V——流經排氣門處的節流損失；

ΔE_C——流經各種縮口處的節流損失；

ΔE_D——管道面積突擴時的流動損失；

ΔE_M——不同參數氣流摻混和撞擊形成的損失；

ΔE_F——由于氣體的黏性而形成的摩擦損失；

ΔE_h——氣流向外界散熱所形成的能量損失。

這些損失直接影響著廢氣能量可被渦輪回收的程度，也是廢氣渦輪增壓柴油機排氣管設計和改進時所必須關注的重要方面。

ΔE_V是能量傳遞中的主要損失，約占總損失的60%~70%。尤其是在初期排氣，氣缸中高壓高溫氣體流出時，因排氣管中壓力低而形成超臨界流動，所以減少這部分節流損失對提高廢氣中能量的利用率是很重要的。在設計中，應使排氣門后的通流面積盡可能大（一般采用四氣門結構）、開啟速度盡可能快，以使排氣很快流出，排氣門后的壓力Pr很快升高，從而減少節流損失。另外，排氣管容積不應太大，排氣管要細而短。當在結構上受限制時，做得“細而長”比“粗而短”要好。因為在排氣初期，大量廢氣涌入較細長的歧管中，形成“堵塞”，很快在排氣門后建立起較高的壓力波峰，減小排氣門前后壓差，從而大大減少節流損失，并把氣體所具有的較大速度在歧管中保持下來并傳送到渦輪，提高了對廢氣動能的利用率。雖然由于歧管中流速高而使摩擦損失加大，但其他損失減小，所以總起來說，它的能量傳遞效率較高。細而長的排氣管不僅能夠使排氣門后的壓力Pr在排氣初期很快升高，而且又能很快下降，使活塞排擠功減少，并有利于掃氣。

（4）渦輪增壓器和柴油機的匹配　為柴油機選配渦輪增壓器時，一般應滿足下列要求。

①柴油機應能達到預定的功率和經濟指標，渦輪增壓器應能供給柴油機所需的增壓壓力和空氣流量。

②渦輪增壓器應能在柴油機的各種工況下穩定地工作，壓氣機不應出現喘振或渦輪機不出現堵塞現象。

③渦輪增壓器在柴油機的各種工況下都能高效率地運行。柴油機和渦輪增壓器的聯合運行線應穿過壓氣機的高效率區，且盡可能和壓氣機的等效率曲線相平行。

④渦輪增壓器在各種工況下都能可靠地工作。如渦輪增壓器在柴油機滿負荷時不出現超速，柴油機不出現排氣超溫，從而保證渦輪進氣不超溫等。

如果高增壓柴油機主要是在高速、高負荷下運轉，則必須把增壓器的高效率運轉區域設計得廣一些。車用柴油機低轉速工況要求較苛刻，不僅以外特性運轉，而且轉矩的適應性系數高，所以增壓器的高效率區域選在柴油機轉速較低的地方，這樣做即使在標定工況時性能稍差一些也是值得的。對于超高增壓柴油機，低工況性能更為突出。因此，在選配渦輪增壓器時，除了要進行變工況運行的配合性能計算外，還必須進行樣機的配合調整試驗，以滿足各方面的要求。

（5）可變渦輪增壓

在柴油機進行正常設計和經過估算及性能模擬計算來選配渦輪增壓器后，一般在配合性能上不會出現太大偏差。但對于車用柴油機，如果增壓系統滿足高速時增壓適量的要求，則在低速時供氣就會不足；如果滿足低速時的供氣量，則在高速時就可能增壓過量。因此，必須采取一些措施，才能彌補其高低工況不能同時滿足較佳匹配的矛盾。

對于車用高速柴油機及某些超高增壓中速柴油機，為了改進低工況性能，可采用高速時放氣的措施，但高工況經濟性不好。近年來，發展了一種可變渦輪噴嘴環出口截面的渦輪增壓器，簡稱變截面渦輪增壓器。在發動機低速時，讓噴嘴環出口截面積自動減小，使得流出速度相應提高，增壓器轉速上升，壓氣機出口壓力增大，供氣量加大；在高速時，讓噴嘴環出口截面積增大，增壓器轉速相對減小，增壓壓力降低，增壓不過量。

采用變截面渦輪的優點是：a.在不損害高轉速經濟性的條件下，增大低速轉矩；b.擴大了低油耗率的運行區；c.使柴油機的加速性能提高；d.可以滿足要求越來越高的排放和噪聲規范等。

圖2-28為車用發動機上采用的有葉噴嘴變截面渦輪示意，它通過改變噴嘴葉片安裝角度的方法來改變噴嘴環出口截面積。噴嘴葉片與齒輪相連，齒輪受齒圈控制，當執行機構來回移動時，齒圈往復擺動，通過嚙合的齒輪，使得各噴嘴葉片改變角度，從而實現噴嘴環出口截面積相應變化的目的。在無葉噴嘴的情況下，可以在噴嘴環出口處用活動的擋板來調節噴嘴環出口截面積。圖2-29為一軸向變截面渦輪示意，其截面的變化由一軸向平行移動板控制。另一種變截面增壓器是在渦輪進氣零截面后加一可調噴嘴葉片，舌形變截面增壓器渦殼如圖2-30所示，通過一舌形葉片的擺動來改變蝸殼的A/R值，使得發動機在低速時A/R值減小，從而提高渦輪轉速，增加增壓壓力；在高速時，有較大的A/R值，減小流通阻力，發動機背壓較低，充量系數提高。

噴嘴環截面積大小及擋數是由實際運轉要求確定的，在最大轉矩時，增壓壓力最高。控制器（ECU）根據發動機轉速、噴油泵齒條位移（相當于負荷）、水溫和增壓壓力等信號對壓力控制調節閥的開啟和關閉時間比（負載比）進行調節，從而控制真空泵產生的負壓。可以根據發動機工況的最佳負載比圖譜預先輸入到控制器中。控制器與電控柴油噴射系統的控制器也可互相通訊。由于采用可變噴嘴渦輪增壓器，在低速時可變噴嘴渦輪增壓器處于小噴嘴開度，增壓壓力可提高，因此，大大改善了低速工況性能。

由于采用了可變截面渦輪增壓器，使柴油機加速、負荷特性都得到改善。整機穩態及瞬態性能改進，低油耗區域擴大，轉矩儲備系數加大。

性能優越的可變噴嘴增壓器已經被廣泛采用，轎車直噴式柴油機已有半數以上采用可變噴嘴渦輪增壓。

（6）增壓器的瞬態性能　柴油機瞬態特性是指在變速或變負荷情況下柴油機的性能。渦輪增壓柴油機不像非增壓柴油機那樣很快響應負荷和轉速的突然變化。在加速、加負荷過程中，空氣流量與加油量變化速率之間的差異導致了燃燒空氣系數低于極限值。因此，渦輪增壓柴油機瞬態響應特性較差的決定因素是供氣量。

供氣量比供油量的時間滯后，其原因是多方面的。燃油進入氣缸燃燒后，氣體能量增加，而渦輪得到的能量增加顯然要滯后一些，因為在排氣門開啟之前氣體的能量不可能影響渦輪；在排氣門開啟以后，由于排氣管中氣體的可壓縮性，也得經過幾個工作循環，排氣管中的氣體壓力才能逐步上升，渦輪得到的能量才能不斷增加。另外，由于渦輪的功率比壓氣機的功率大而使渦輪增壓器的轉速增加，但渦輪增壓器轉子具有一定的轉動慣量，要加速轉子的旋轉速度也需要消耗一部分能量，這也是其瞬態響應滯后的另一個重要原因。再者，增壓器的旋轉速度不斷上升才能使增壓壓力不斷提高，但由于進氣管具有一定的容積，這就使增壓壓力只能逐步提高。只有當增壓壓力提高后，才能增大進入氣缸的供氣量。這些因素都將使供氣量滯后。當然，發動機響應快慢還與發動機運動件的轉動慣量有關，若希望加速性能好，則希望發動機轉動慣量盡可能小。

就柴油機而言，對突加速或突加負荷響應越快越好，但尚有環保方面的要求。這兩方面往往是矛盾的，有時為了滿足環保的要求而采用冒煙限制器。

冒煙限制器在增壓壓力較低時限制過量的柴油噴入氣缸，有效地限制了排煙的產生，能夠解決增壓柴油機變工況及低工況運行時排煙嚴重的問題。因此，這一裝置在大部分新的渦輪增壓柴油機上均被采用。但由于安裝了冒煙限制器后，必須要到渦輪增壓器響應后并產生一定的增壓壓力，供油量才逐步增大，因而，其最大缺點是嚴重地限制了發動機的響應速度。

改善增壓柴油機瞬態特性的根本措施是使增壓壓力更快地提高，充入氣缸的空氣量更快增加。盡量減小進氣管和排氣管的容積，在加速或加負荷過程中，使其中氣體壓力較快增大，響應速度加快，因此，變壓系統比定壓系統響應速度快；在低工況運行時減小渦輪通流面積，若從低工況到高工況時渦輪通流面積小，則將使排氣管中的壓力更快上升，渦輪功率增加較快，使增壓壓力更快上升，從而改善瞬態特性；減小渦輪增壓器轉子的轉動慣量，可以使發動機在突加速或突加負荷時響應快，且不冒煙或減小冒煙，還可在突減負荷時避免使增壓器喘振。

4.中冷技術

增壓柴油機為降低進入氣缸的空氣溫度、增加空氣密度、減少排放，使增壓后的空氣先在中間冷卻器中冷卻，再進入氣缸，稱為增壓中冷。增壓中冷可以在柴油機的熱負荷不增加甚至降低以及機械負荷增加不多的前提下，較大幅度地提高柴油機功率，還可提高發動機的經濟性、降低排放。

目前采用的中冷器根據冷卻介質的不同有水冷式和風冷式兩大類。

水冷式冷卻根據冷卻水系的不同又分以下兩種方式。

（1）用柴油機冷卻系的冷卻水冷卻　這種冷卻方式不需另設水路，結構簡單。柴油機冷卻水的溫度較高，在低負荷時可對增壓空氣進行加熱，有利于提高低負荷時的燃燒性能；但在高負荷時對增壓空氣的冷卻效果較差。因此，這種方式只能用于增壓度不大的增壓中冷柴油機中。

（2）用獨立的冷卻水系冷卻　柴油機有兩套獨立的冷卻水系，高溫冷卻水系用來冷卻發動機，低溫冷卻水系主要用于機油冷卻器和中冷器。這種冷卻方式冷卻效果最好，在船用和固定用途柴油機中普遍應用。

風冷式冷卻根據驅動冷卻風扇的動力不同可分為以下兩種方式。

（1）用柴油機曲軸驅動風扇　這種方式適用于車用柴油機，把中冷器設置在冷卻水箱前面，用柴油機曲軸驅動冷卻風扇與汽車行駛時的迎風同時冷卻中冷器和水箱。車用柴油機普遍采用這種冷卻方式，但在低負荷時易出現充氣過冷現象。

（2）用壓縮空氣渦輪驅動風扇　由壓氣機分出一小股氣流驅動一個渦輪，用渦輪帶動風扇冷卻中冷器。由于驅動渦輪的氣流流量有限，渦輪做功較少，風扇提供的冷卻風量較少，顯然其冷卻效果較差。由于增壓壓力隨負荷變化，因此，這種冷卻方式的冷卻風量也隨負荷變化，低負荷時風量小，高負荷時風量大，有利于兼顧不同負荷時的燃燒性能。且其尺寸小，在車上安裝方便，在軍用車輛上也有應用。

五、可變氣缸排量技術

汽車為了獲得良好的動力性，在設計上往往具有較大的功率儲備。當車輛在市區或下坡道路上行駛時，一般只需要最大功率的20%~40%，此時發動機的燃油經濟性較差，同時廢氣排放中的有害成分含量較高。為了降低發動機燃油消耗率和減少排氣污染，可以采用可變氣缸排量技術，即在中低負荷情況下，使部分氣缸停止工作，增加工作氣缸的負荷率，使它的工作點落入低燃油消耗率和低排放工作區內，從而改善車輛的經濟性和排放性能；當需要大功率時，則讓全部氣缸工作，又不影響發動機的動力性。

目前，所采用的可變氣缸排量技術都是在部分負荷情況下，部分進氣門不開啟來實現閉缸節油的。它包括可調挺桿式和可調搖臂式。

1.可調挺桿式可變氣缸排量技術

該裝置由往復離合器式的氣門挺桿、彈性離合選擇器、組合氣路驅動器和微機控制系統組成。往復離合器式的氣門挺桿如圖2-31所示。

氣門挺桿是空心的，內裝有能上下運動的分離心軸和平衡彈簧。當分離套沿氣門挺桿向下滑動時，鋼球被卡入分離心軸的側孔內，使分離心軸和氣門挺桿鎖緊，這時挺桿變為剛性，在凸輪軸的作用下使氣門隨之打開或關閉，從而達到開缸的目的，如圖2-31（a）所示。當分離套向上滑動時，鋼球被分離心軸頂出，使分離心軸和挺桿松開，這時由于彈簧的彈力遠小于氣門彈簧的張力，雖在凸輪軸的作用下挺桿上下運動，但不能使氣門打開，從而達到閉缸的目的，如圖2-31（b）所示。

分離套的位置選擇是由彈性離合選擇器完成的。選擇器靠來自壓縮機的壓縮空氣，通過組合氣路驅動器使彈性撥叉上下擺動，從而使分離套上下滑動，以完成閉缸或開缸動作，彈性離合器選擇器如圖2-32所示。控制部分組成如圖2-33所示。

可調挺桿式可變氣缸排量裝置在改造的中型貨車上所進行的20000km運行試驗中，取得了平均節油率為15.5%的良好效果。

2.可調搖臂式可變氣缸排量技術

可調搖臂式可變氣缸排量裝置如圖2-34所示，該可變氣缸排量裝置由主搖臂、副搖臂、回位彈簧、滑鍵等構成。主搖臂、副搖臂通過搖臂軸連接在一起，并可分別繞搖臂軸轉動。滑鍵安裝在主搖臂上并可在主搖臂的孔內上下滑動。在活塞壓縮上止點時，由于回位彈簧的作用，主搖臂、副搖臂形成的開口處于最大位置。其最大的開口寬度略大于滑鍵的寬度，以保證滑鍵可以自由滑動。其滑動間隙由氣門間隙調節螺釘來調節，調節方法與未改裝前相同。

當發動機需要多缸工作輸出大功率時，由ECU輸出負向脈沖，使數字脈沖勵磁感應驅動器的電感產生負極向磁場，由于滑鍵內裝有永磁材料，此時滑鍵在電磁力的作用下落入主搖臂、副搖臂形成的開口中，氣門推桿上行推動副搖臂、滑鍵、主搖臂，然后壓開氣門，使發動機能夠實現進氣、排氣。當發動機不需要多缸工作輸出大功率時，由ECU輸出正向脈沖，使數字脈沖勵磁感應驅動器的電感生正極向磁場，此時滑鍵在電磁力作用下被吸出主、副搖臂形成的開口，副搖臂在氣門推桿作用下繞搖臂軸轉動。但即使在進氣、排氣凸輪最大升程時，副搖臂的端面也不能接觸到主搖臂的端面，副搖臂不能推動主搖臂轉動，從而不能打開進氣門、排氣門。因此，通過電磁力控制進、排氣搖臂上的滑鍵運動，就可以實現閉缸，此時對于電噴發動機應停止該缸的供油，達到節油的目的。由于發動機運行工況的多變性，需要按發動機所處的轉速和負荷來調整發動機工作的缸數，以使發動機處于最佳的節油工況，并能滿足發動機的動力性要求。通過實車試驗，可調搖臂式可變氣缸排量技術的節油效果可以達到20%。

六、可變壓縮比技術

由于汽油的燃燒特性導致了汽油發動機的混合氣壓力不能太高，如果該壓力超過臨界值，則可燃混合氣就可能在點火之前燃燒，這種現象被稱為爆燃，它會對發動機造成巨大傷害。爆燃一般發生在發動機全負荷時，而部分負荷情況下一般不易產生爆燃。但為了滿足大負荷的使用要求，發動機在設計時，不得不把壓縮比降低。此現象在當前廣泛采用的增壓發動機上顯得尤為突出，因為，采用增壓技術，燃燒室的溫度和壓力會大幅度升高，很易產生爆燃。所以，固定壓縮比的渦輪增壓和機械增壓發動機只能把壓縮比設計得比普通自然吸氣式發動機還低，從而導致發動機在增壓器（特別是渦輪增壓）沒有完全介入，也即發動機在低轉速、增壓壓力低時，燃燒效率降低，輸出的動力要比普通自然吸氣發動機低很多，產生增壓遲滯現象，同時燃油經濟性下降。

若采用可變壓縮比，對于自然吸氣式發動機，在部分負荷時壓縮比就可以設計得高些；而對于增壓發動機在增壓壓力低的低負荷工況使壓縮比提高到與自然吸氣式發動機相同或更高，在高增壓的高負荷工況下，適當降低壓縮比，即使壓縮比隨發動機負荷的變化連續調節，這樣既避免了爆燃，又提高了在高壓縮比情況下中低負荷的工作效率，增強了動力性能，并提高經濟性，從而保證了發動機工作效率的最大化。同時，由于可以實時調節壓縮比，所以能夠很好地匹配渦輪增壓器，從根本上消除渦輪增壓遲滯。

另外，可變壓縮比技術還可提高發動機對燃油的適應性。高壓縮比的發動機需要使用較高標號的燃油，在缺乏高標號燃油的地區無法使用。而可變壓縮比發動機則可以根據所提供的燃油標號，調整壓縮比，從而使發動機工作在最佳狀態。

要改變發動機的壓縮比：一種辦法是改變燃燒室容積；另一種辦法是改變活塞行程；具體的機構方案可分為在運動部分采用可變機構和在靜止部分采用可變機構，實現可變壓縮比的機構形式如圖2-35所示。在運動部分采用可變機構包括：①活塞上部活動方式，如圖2-35（a）所示；②采用活塞銷偏心襯套方式，如圖2-35（b）所示；③采用曲柄銷偏心襯套方式，如圖2-35（c）所示。活塞上部活動方式是指改變活塞銷與活塞頂面距離，從而改變燃燒室的容積；活塞銷偏心襯套方式與曲柄銷偏心襯套方式是通過改變連桿的長度，從而改變活塞的行程，來調節壓縮比。目前，這些方式均通過液壓機構進行遠距離操縱，難以使所有的氣缸同步進行壓縮比調節，使壓縮比連續可調變得困難。此外，活塞上部活動方式使活塞重量增加1倍，不適用于高轉速。

在靜止部分采用可變機構包括：①多連桿方式，如圖2-35（d）所示；②氣缸蓋旋轉方式，如圖2-35（e）所示；③曲軸主軸頸偏心移位方式，如圖2-35（f）所示；④可變氣缸蓋形狀，如圖2-35（g）所示。多連桿方式是把連桿分為兩部分，通過改變二者的彎曲角以實現連桿長度的調節，從而改變活塞行程；氣缸蓋旋轉方式就是相對于氣缸體使氣缸蓋轉動一個角度，從而改變燃燒室容積；曲軸主軸頸偏心移位方式就是相對于氣缸體使曲軸上下移動一個位移，從而改變燃燒室容積；可變氣缸蓋形狀則是通過設置在氣缸蓋內的柱塞的往復運動，改變燃燒室容積。其中，可變氣缸蓋形狀的調整方式是德國大眾公司開發的，已經在兩氣門發動機上實現，但在四氣門發動機氣缸蓋上很難實現。而其他三種在靜止部分采用可變機構調整發動機壓縮比的方式優點更突出一些。

1.多連桿配置的可變壓縮比汽油增壓發動機

圖2-36為日本日產公司的VCR（Variable Compression Ratio）可變壓縮比增壓發動機。它采用在曲柄銷傳動部位擺動的杠桿的一端與連桿連接，而杠桿的另一端則采用與控制軸延伸出來的連桿相連接的構造。連桿與控制軸的偏心部分連接，當控制軸轉動時，控制軸連桿使曲柄銷回轉而使杠桿擺動。由此活塞的上止點的位置做上下移動，從而能夠連續改變壓縮比。壓縮比的變化范圍可從8連續變到14。

控制軸連桿使杠桿的一端向下運動時，則杠桿的另一端把曲軸連桿向上推壓，于是活塞的上止點向上移動，壓縮比提高；而控制軸連桿把杠桿的一端向上抬起時，則連桿的另一端把曲軸連桿向下推壓，活塞的上止點向下移動，于是壓縮比降低。由于曲柄銷杠桿擴大了1.3倍的杠桿行程，所以能夠縮短曲柄長度并提高曲軸的剛性。如果保持與原來相同的剛性，則曲柄銷可以小徑化。另一方面寬度增加的曲柄銷起到確保杠桿兩端連接銷軸承面積的作用，日產曲柄銷杠桿的放大行程功能如圖2-37所示。

控制臂由電動執行器驅動。電動執行器是由電動機、梯形螺釘、螺帽構成。當電動機轉動梯形螺釘時，則螺帽做軸向移動。這種位移被傳遞到控制軸的叉形部分，其彎曲角最大達到100°時控制軸做旋轉運動。壓縮比從最大值變化到最小值，需時0.4s。

該發動機裝在日產車上進行試驗，試驗車速為100km/h，在該車速下穩定行駛時，油耗比普通發動機降低13%。而且在高壓縮比時燃燒性能良好，即使在大量廢氣再循環下燃燒性能仍然穩定。

2.氣缸蓋可旋轉的可變壓縮比汽油增壓發動機

該項可變壓縮比技術是由瑞典的薩博（SAAB）公司開發的，簡稱SVC（Saab Variable Compression）技術。SVC是通過改變燃燒室的容積來改變壓縮比的。該結構中將燃燒室與曲軸箱動態連接在一起。當燃燒室的位置提高時，燃燒室容積變大、壓縮比就相應減心；降低燃燒室的位置，燃燒室容積變小、壓縮比就會相應增大。

通過液壓調節裝置使氣缸蓋相對于曲軸箱發生傾斜如圖2-38所示，上部的整體式氣缸蓋，包含著氣缸蓋和做成一體的氣缸筒。整體氣缸蓋可以繞曲軸箱轉動如圖2-39所示，下部的曲軸箱由機體、曲軸、連桿和活塞組成。氣缸蓋與氣缸體通過一組搖臂連接，搖臂能在ECU的控制下，通過液壓調節裝置使氣缸蓋相對于曲軸箱轉過一個角度，當燃燒室向右側偏轉時，燃燒室的容積變大、壓縮比相應減小；當燃燒室向左側偏轉時，燃燒室的容積減小，相應地，壓縮比增大。

SVC能通過ECU根據發動機的轉速、負荷、工作溫度、燃料使用狀況等進行壓縮比的連續調節，調節范圍從8到14。不但降低了油耗，而且使發動機功率增大，同時也非常環保，所以達到了動力、油耗和排放的完美平衡。

SVC技術應用在SAAB 9-3轎車的1598mL排量、直列5缸、20氣門的發動機上，產生了165.4kW（225hp）的最大功率和304N·m的最大轉矩，動力與本田的3.2L V6發動機相似，而比普通相同功率發動機減少超過30%的燃油消耗。這款SVC發動機升功率能達到110.3kW/L。同時，廢氣排放滿足歐Ⅳ標準。這款發動機另外一個非常重要的優點是：ECU能通過傳感器判斷汽油的標號，并選擇最適合的壓縮比。這樣，它就能適應不同標號的汽油，特別是低標號的汽油。

3.曲軸偏心移位實現可變壓縮比的增壓汽油機

這項技術是由德國FEV工程公司開發的。其核心是曲器中，偏心器支承曲軸的孔的中心線與它的旋轉中心線并不重合，兩者之間的距離稱為偏心度，FEV的可變壓縮比（VCR）機構與原理如圖2-40所示利用一。臺標定功率為200W的永磁激勵無刷同步電動機通過偏心器上的扇形齒輪帶動偏心器轉動，曲柄中心線就會相對于氣缸蓋的位置發生改變，因而可以連續地調節壓縮比壓縮比可在。（8∶1）~（16∶1）之間進行調節。調節時間在減小壓縮比時為0.1s，在提高壓縮比時為0.3s。

在壓縮比的調節過程中，曲軸中心線的位置將發生改變。但是，與曲軸變速器輸入端和發動機前端相連接的其他部件的位置是不變的。因此，專門采用了平行的曲柄傳動機構對其進行必要的補償，這個機構不增加安裝空間，平行的曲柄傳動機構如圖2-41所示。驅動側的離合器單元也適合于采用雙質量飛輪的啟動機/發電機或者集成的啟動機/發電機。氣缸缸數對此影響不大。借助于偏心器調節壓縮比的原理也可以用于V形發動機，V形發動機中V形角對壓縮比的影響很小，其影響可以通過軟件中點火時刻的自適應功能得到補償。

偏心移位實現可變壓縮比的方案在一臺1.8L VCR（可變壓縮比）發動機上進行了試驗，發動機轉矩達300N·m、功率達165kW、升功率超過90kW/L。將這臺樣機裝在一輛成批生產的汽車上進行試驗，結果表明，樣車在新歐洲行駛循環中相對于固定壓縮比的原型車油耗降低7.8%，排放滿足歐Ⅳ排放法規要求。對這臺概念發動機進行了摩擦、功能和磨損方面的試驗及超過400h的耐久試驗后，證明發動機樣機的摩擦與成批生產的原型機曲柄連桿機構沒有差別（因為平行的曲柄傳動機構的傳力元件是用滾針支承的），無論機械噪聲還是燃燒噪聲都不顯著。

偏心移位實現可變壓縮比的方式具有以下優點：對燃燒室幾何形狀的影響很小；調節機構需要的力比較小；慣性力沒有改變；摩擦沒有增加；噪聲沒有惡化；良好的可調節性；適中的制造費用；若成批生產時，不需要新的加工設備；發動機的主要尺寸基本保持不變。

七、其他新技術

1.分缸斷油（閉缸技術）

汽車的行駛阻力由坡度阻力、加速阻力、滾動阻力和空氣阻力四部分組成。其中，空氣阻力與車速的平方成正比；滾動阻力隨車速增大而略有增加；其余兩項與車速無關。汽車低速行駛時，以前面三項為主，阻力幾乎與車速無關，所以對發動機的功率要求與車速成正比；但高速行駛時，阻力以空氣阻力為主，大體上與車速平方成正比，所以對發動機的功率要求與車速的三次方成正比。經濟型轎車對車速要求較低，可是豪華型轎車對車速要求很高，甚至可達200km/h以上，所以，后者裝備的發動機功率甚至可達前者的10倍。這種大功率轎車在都市中行駛時，功率要求不會比經濟型轎車大許多，所以只利用了發動機標定功率的很小一部分。汽油機在這種低工況下運行時經濟性和排放都極差。如果在低工況下切斷一部分氣缸的燃油供應，那么，其余各缸就會工作在經濟性和排放都大為改善的工況區域，一旦這幾個缸不能滿足功率要求，停油各氣缸便單獨地或成組地恢復供油并點火工作。這種工作方式稱為分缸斷油或閉缸技術。

以分缸斷油的方式實現部分負荷調節時，不必將節氣門開度減小。與傳統汽油機相比，這種調節方式顯然減少了泵氣損失和節流損失，進一步提高了經濟性。

圖2-42以六缸機為例示出了分缸斷油電子控制的原理。部分負荷時，ECU通過設在燃油系統中的閥門切斷右面3個氣缸的燃油供應，只有左面3個氣缸得到燃油供應并點火工作，一部分廢氣被送回進氣管。進氣總管中設有ECU控制的閥門，可將這兩組氣缸的進氣歧管分隔開，所以回流廢氣可經進氣管流入已經斷油的3個氣缸，再經過專門為這一組氣缸設置的排氣管排出。讓廢氣流入斷油氣缸的目的是保證發動機整體上溫度分布均勻，提高斷油氣缸中機油的溫度以減少摩擦損失和磨損。全負荷時，各缸一起工作。進氣總管中的閥門將兩組氣缸的進氣歧管接通，各缸都得到新鮮空氣和燃油供應。

閉缸技術在國外已有應用。例如，波爾舍研制的V6發動機，可以閉缸一半，在公路上行駛節油率可達16%，在市內行駛節油率可達28%；日本三菱汽車公司2L排量發動機采用閉缸技術，怠速時節油42%，車速40km/h時節油22%，車速60km/h時節油可達16%。

2.與變速器換擋相關的發動機控制

變速器換擋控制屬于汽車底盤電子控制的范疇，不在本節范圍以內。這里只介紹一下其他與發動機控制有關的問題。

變速器換擋控制可降低油耗、改善換擋舒適性并提高可傳遞的功率和變速器壽命。它可與發動機電子控制系統做成一體，變速器電子控制系統如圖2-43所示。所需的輸入信號由發動機負荷傳感器、發動機轉速傳感器、節氣門開關以及變速器輸出軸轉速傳感器、變速器擋位開關、程序模塊開關和加速踏板終端開關等提供。執行器是變速器液壓系統壓力調節器、電磁閥和故障信號燈。

在平路上行駛時，汽車對發動機的功率需求由車速惟一地確定。發動機功率等于轉矩和轉速的乘積。為了實現某一車速，發動機功率和轉速可以有不止一種的組合，由變速器速比決定。每一種組合對應于發動機的一個工況點和一個比油耗值。ECU會選擇其中比油耗最低的一種組合所對應的變速器速比。為此目的設置的程序模塊稱作節油程序模塊。當然還有其他程序模塊可供選擇，例如，手動換擋程序模塊和運動駕駛程序模塊等，分別適應不同的要求。

變速器換擋電子控制換擋時可推遲點火以降低發動機轉矩。全負荷時換擋本來是特別危險的。推遲點火使得全負荷換擋就跟部分負荷換擋一樣平穩。換擋結束以后，點火正時恢復正常。

3.停車-啟動運行電子控制

據資料顯示，汽車在城市行駛工況中，停車時常常不關閉發動機，怠速運行時間占總運行時間的比例可高達20%~30%，而怠速油耗占總油耗的5%左右。因此，如果停車時關閉發動機，取消怠速，對改善整車燃料消耗損失大有好處。如前所述，怠速轉速電子控制是為了減少怠速燃油消耗和怠速穩定。達到同樣目的另一種辦法是采取停車-啟動運行。當離合器脫開、汽車停住或只是以大約2km/h的速度爬行時，發動機在幾秒鐘內就自動關閉。這種情況主要發生在都市交通信號燈前面或堵車時。借此可節省燃油并減少排放。重新啟動發動機時只要將離合器踏板踩到底，并將加速踏板踩下達其行程1/3就可以了。此時，ECU會令啟動機轉動，并按照起動程序模塊控制噴油和點火。

停車-啟動運行雖然節省了怠速燃油，但增加了起動燃油的消耗。因此，嚴格限制起動燃油的消耗就成了特別重要的任務。

4.空調壓縮機電子控制

汽車空調壓縮機通常裝在發動機上，通過電磁離合器從發動機獲取功率。電磁離合器由ECU控制。

空調壓縮機電子控制原理如圖2-44所示，當駕駛員接通空調開關時，空調請求信號輸送給ECU。ECU根據其他信號分析后決定是否開啟空調。若可以開啟，則發出信號給空調壓縮機離合器繼電器，接通空調壓縮機電磁離合器的磁線圈電路，使離合器接合，發動機便帶動空調壓縮機旋轉。

當出現下列的一種或幾種情況時，空調請求將被響應：①發動機轉速超過某一數值，如5400r/min；②發動機轉速超過某一稍低于上述的數值若干秒，如超過4500r/min達5s；③點火電壓低于某一數值，如10.5V；④節氣門開度大于某一程度，如90%；⑤制冷劑壓力過高或過低，如高于2.9MPa或低于0.24MPa；⑥冷卻液溫度過高，如超過125℃；⑦進氣溫度過低，如低于5℃。

空調請求信號也可以不是由駕駛員發出，而是以電子方式自動發出，例如，根據太陽光照強度、環境空氣溫度、人體皮膚溫度、汽車車廂內溫度等信息由ECU確定是否發出空調請求信號。

5.冷卻風扇電子控制

現代轎車發動機冷卻風扇通常不是直接裝在曲軸前端，而是與散熱器做成一體。受發動機艙尺寸所限，散熱器常為長方形，兩臺冷卻風扇并列布置，各由一臺電動機驅動。

ECU根據輸入信息控制冷卻風扇電動機。冷卻風扇電子控制原理如圖2-45所示，當ECU發給冷卻風扇繼電器2、3和4發出信號時，兩臺電動機都不通電；當ECU只發出信號給冷卻風扇繼電器2并使它接通時，冷卻風扇電動機5和6串聯，低速旋轉；當ECU同時發出信號給冷卻風扇繼電器2、3和4并使它們都接通時，冷卻風扇電動機5和6并聯，高速旋轉。