第二节　发动机节能技术

一、汽油机燃油喷射与点火系统电子控制技术

汽油机电控燃油喷射与点火系统是在汽油机中最早开发应用的，是最重要的发动机电控系统。

在电控技术引入汽油机之前，可燃混合气的形成主要靠化油器完成。化油器具有结构简单、工作可靠和能满足稳态工况动力、经济性要求等优点，但却不能满足当前对多种性能的综合要求。如化油器式发动机排放不良，难以同时消除各种气体排放污染物；油和气的供应速度都较慢，而且彼此间还有差别，致使过渡工况性能恶化；存在化油器喉管，致使进气系统阻力加大，充气效率降低；由于难以兼顾各缸进气和油分配的均匀性，以致各缸工作不均匀性较严重；增加了汽油机增压的困难等。虽然可以靠增设附属机构，如加速器、节气门缓冲器等来部分地解决上述缺陷，但既未彻底解决问题，也使结构更复杂。电子控制技术引入初期所开发的电控化油器，也不能从根本上解决上述问题。所以，利用电控技术的优势，改用汽油喷射就成为必然的选择。

电控汽油喷射系统不仅喷射装置的机械结构大为简化，还可以利用氧传感器的反馈控制和三元催化转化器使各项排放指标达到最优水平。电控汽油喷射系统除具有汽油喷射形成良好混合气的各种优点之外，还具有前述电子控制的各种优越性，加上优良的排放控制性能，以致当前车用汽油机几乎毫无例外地应用了电控燃油喷射技术。

电控汽油喷射系统能发挥如此大的作用，是同电控点火系统的组合应用分不开的。

点火系统是影响汽油机性能的另一个重要系统。点火系统由最初的机械分电器点火系统，发展为晶体管触点点火系统（TAC），再进一步发展为各种无触点的点火系统，进而再发展为数字式电控点火系统。点火系统的性能，如点火提前角控制特性、点火闭合角控制特性、点火能量以及抗爆燃性能等都有了极大的改进和提高。这些优越的性能与电控汽油喷射技术相配合，使得现代汽油机的性能达到了一个新的高度。

（一）汽油机燃油喷射技术

1.汽油机电控燃油喷射系统的优点

汽油机电控燃油喷射系统有如下优点。

（1）能实现空燃比的高精度控制　其一，采用多点喷射（MPI）独立向各缸喷油，使各缸空燃比偏差减小；其二，通过闭环控制系统中的氧传感器反馈机能，可进一步精确控制空燃比；其三，在汽车运行地区的气压、气温、空气密度变化时或加速行驶过渡运行阶段，空燃比均可及时地得到适当的修正；其四，点火控制、怠速控制等辅助系统的采用，使各种工况都有最佳空燃比。

（2）充气效率高　在进气系统中，由于没有像化油器那样的喉管部位，进气压力损失小。只要合理设计进气管道，就可充分利用吸入空气的惯性增压作用，增大充气量，提高输出功率，增加发动机的动力。

（3）瞬时响应快　当汽车处于加减速行驶的过渡运行阶段，空燃比控制系统能够迅速响应，使汽车加减速反应灵敏；当汽车在不同地区行驶时，对大气压力或外界环境温度变化引起的空气密度变化，可以进行快速的空燃比修正。

（4）起动容易　暖机性能好。在发动机启动时，可以用电子控制单元（ECU）计算出起动供油量，并且能使发动机顺利经过暖机运转。

（5）节油和排放净化效果明显　能提供各种运行工况下最适当的混合气空燃比，且燃油雾化好，各缸分配均匀，使燃烧效率提高，有害气体排放量降低。

（6）减速、限速断油功能，能降低废气排放量、节省燃油。减速时，节气门关闭，发动机仍以高速运转，进入气缸的空气量减少，进气歧管内的真空度增大。在化油器系统中，此时会使黏附于进气歧管壁面的汽油由于歧管内真空度急骤升高而蒸发后进入气缸，使混合气变浓，燃烧不完全，排气中烃类化合物的含量增加。而在电控燃油喷射发动机中，当节气门关闭而发动机转速超过预定转速时，喷油就会停止，使排气中烃类化合物的含量减少，并可降低燃油消耗。

（7）便于安装　电控燃油喷射系统大致上是由空气系统、燃油系统和控制系统组成的，它是不存在机械驱动等问题的分散型系统，有利于在发动机上安装。

一般而言，与传统的化油器发动机相比，装有电控燃油喷射系统的发动机功率可提高5%~10%，燃料消耗降低5%~15%，废气排放量减少20%。由于转矩特性的明显改善，瞬时响应快，汽车的加速性能大大提高。怠速平稳，冷起动更容易，暖机更迅速。但也存在价格偏高、维修要求高等缺点。

2.汽油机电控燃油喷射系统的分类

电控汽油喷射系统有缸外喷射与缸内直喷之分。缸外喷射是目前普遍采用的喷射方式。根据喷油器数量和安装位置的不同又可分为两种：一种是在进气总管的节气门上方装有1~2个喷油器的单点节气门体喷射方式，也称为单点喷射方式（SPI），汽油机单点电控燃油喷射系统如图2-1所示；另一种是在各缸的进气歧管上分别装有一个喷油器的多点喷射方式（MPI），汽油机多点电控燃油喷射系统如图2-2所示。对于节气门体喷射，由于采用的喷油器少，易于实现计算机控制，成本比多点喷射方式低，但存在各缸燃料分配不均匀和供油滞后等缺点。与缸内喷射比较起来，缸外喷射喷油器不受缸内高温、高压的直接影响，喷油器的设计和发动机结构的改动都要简单些。

汽油缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）技术是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以缸内直喷为代表的新型混合气形成模式的研究与应用极大地提高了汽油机的燃油经济性。

所谓缸内直喷是指直接往气缸内喷射汽油。由于汽油直接喷入燃烧室，消除了节气门所引起的泵气损失；由于汽油的气化吸热作用，使燃烧室温度降低，从而提高充气效率，以利于采用更大的压缩比而不产生早燃、爆震等现象。GDI发动机可使汽车节油达20%左右，因为提高了高工况时的体积效率，GDI还能使最大转矩提高10%左右，将燃油经济性提高到接近柴油机的水平。

3.汽油机电控燃油喷射系统的控制功能

20世纪80年代后，大部分发动机用的电子控制单元除了控制汽油喷射之外，同时还可以进行点火控制、怠速控制、转速控制及其他控制，其所用的传感器各项功能共用，从而使整个系统结构简化。电控燃油喷射系统有如下控制功能。

（1）喷油量的控制　电子控制单元根据空气流量传感器或进气压力传感器、发动机转速传感器、进气温度传感器、冷却水温度传感器等提供的信号而计算出喷油持续时间，因喷油器针阀的行程是一定的，故喷油量的大小决定于喷油器喷油持续时间的长短，发动机各种工况的最佳喷油持续时间存放在电子控制单元的存储器中。

喷油量的控制即喷油器喷射时间的控制，要使发动机在各种工况下都处于良好的工作状态，必须精确地计算出基本喷油持续时间和各种参数的修正量，其目的是使发动机燃烧混合气的空燃比符合要求。尽管发动机型号不同，基本喷油持续时间和各种修正量的值不同，但其确定方式和对发动机的影响却是相同的。下面分别予以介绍。

①起动喷油控制。在发动机启动时，由于转速波动大，无论D型EFI系统中的进气压力传感器还是L型EFI系统中的空气流量传感器，都不能精确地测量进气量，进而不能确定合适的喷油持续时间，因此，启动时的基本喷油时间不是根据进气量（或进气压力）和发动机转速来计算确定的，而是ECU根据启动信号和当时的冷却水温度，由内存的水温-喷油时间图（见图2-3）找出相应的喷油时间（T_P），然后加上进气温度修正喷油时间（T_A）和蓄电池电压修正喷油时间（T_B），计算出启动时的喷油持续时间，喷油时间的确定如图2-4所示。

由THW信号（冷却液温度信号）查水温-喷油时间图得出基本喷油时间，根据进气温度传感器THA信号对喷油时间进行修正。由于喷油器的实际打开时刻较ECU控制其打开时刻存在一段滞后，如图2-5所示，从而造成喷油量不足，且蓄电池电压越低，滞后时间越长，故需对电压进行修正。

②启动后的喷油控制。发动机转速超过预定值时，ECU确定的喷油信号持续时间满足公式：

喷油信号持续时间=基本喷油持续时间×喷油修正系数+电压修正值 （2-5）

式中，喷油修正系数是各种修正系数的总和。

a.基本喷油时间。D型EFI系统的基本喷油时间可由发动机转速信号（Ne）和进气管绝对压力信号（PIM）确定。用于D型EFI系统的ECU内存储了一个基本喷油时间三维图（三元MAP图），如图2-6所示。它表明了与发动机各种转速和进气管压力对应的基本喷油时间。

根据发动机转速信号和进气管压力信号确定喷油量，是以进气量与进气管压力成正比为前提的，这一前提只在理论上成立。实际工作中，进气脉动使充气效率变化，进行再循环的排气量的波动也影响进气量的准确度。因此，由三元MAP图计算出的时间仅为基本喷油时间，ECU还必须根据发动机转速信号（Ne）对喷油时间进行修正。

L型EFI系统的基本喷油时间由发动机转速和空气量信号（VS）确定。这个基本喷油时间是实现既定空燃比（一般为理论空燃比：A/F=14.7）的喷射时间。

b.启动后各工况下喷油量的修正。在确定基本喷油时间的同时，ECU由各种传感器获得发动机运行工况信息，对基本喷油时间进行修正，包括起动后加浓、暖机加浓、进气温度修正、大负荷加浓、过渡工况空燃比控制和怠速稳定性修正。

（2）喷油正时控制　在多数发动机中，其喷油正时是不变的，但在电子控制间歇喷射系统中采用顺序喷射时，电子控制单元还要有燃油喷射系统的气缸辨别信号，根据发动机各缸的点火顺序和随发动机工况的不同而将喷油正时控制在最佳时刻。

（3）燃油停供的控制

①减速断油控制。汽车减速行驶时，驾驶员松开加速踏板，节气门关闭，此时电子控制单元会断开燃油喷射控制电路，停止喷油以降低排放和燃油消耗。

②限速断油控制。当发动机转速超过安全转速或汽车车速超过设定的最高车速时，电子控制单元将会在发动机临界转速或减速时断开燃油喷射控制电路，以停止喷油，防止超速。

③溢油消除控制。启动时，若将加速踏板踩到底，系统将进行断油控制。

④燃油泵的控制。在装有电控燃油喷射系统的汽车上，电子控制单元对油泵的控制有两种形式：一种是当点火开关打开后电子控制单元指令汽油泵运转2~3s，以产生必需的油压，若发动机没启动，电子控制单元将油泵控制电路断开，使油泵停止工作，在发动机启动和运转过程中，电子控制单元控制汽油泵正常工作；另一种是只有发动机运转时，油泵才工作。还有一些发动机（如丰田7M-GE、7M-GTE），其油泵的泵油量是随发动机负荷的变化而变化的，即发动机在启动、高转速、大负荷工况时，油泵提高转速以增加泵油量；当发动机在低转速、中小负荷工作时，油泵低速运转，以减少电能消耗和油泵的磨损。

4.汽油电控燃油喷射系统的组成与工作原理

现以L-Jetronic系统为例说明燃油喷射系统的工作原理。

带氧传感器的L-Jetronic系统示意如图2-7所示，L-Jetronic系统采用空气流量计直接测量进入气缸内空气的质量，将该空气的质量转换成电信号，输送给ECU。由ECU根据空气的质量计算出与之相适应的喷油量，以控制最佳空燃比。整个系统分为空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统三个部分。

（1）空气供给系统　空气供给系统的作用是提供、测量和控制燃油燃烧时所需要的空气量。空气供给系统如图2-8所示，空气经过空气滤清器过滤后，由空气流量传感器计量，通过节气门体进入进气总管，再分配到各进气歧管。在进气歧管内，从喷油器喷出的燃油与空气混合后被吸入气缸内燃烧。空气流量由驾驶员通过加速踏板操纵节气门来控制。

在冷却水温较低时，为加快发动机暖机过程，设置了快怠速装置，由空气阀来控制快怠速所需要的空气量可以通过怠速调整螺钉调节怠速转速，用空气阀控制快怠速转速，也可由ECU操纵怠速控制阀（ISC）控制怠速与快怠速。

（2）燃油供给系统　燃油供给系统的作用是向发动机精确地提供所需要的燃油量。燃油供给系统一般由油箱电动燃油泵、过滤器、燃油脉动阻尼器（选配）、燃油压力调节器、冷起动喷油器（选配）及供油总管等组成，如图2-9所示。

燃油由燃油泵从油箱中泵出，经过过滤器，除去杂质及水分后，再送至燃油脉动阻尼器（有的汽车装在回油管上），以减少其脉动。这样具有一定压力的燃油流至供油总管，再经各供油歧管送至各缸喷油器。喷油器根据ECU的喷油指令，开启喷油阀，将适量的燃油喷于进气门前，待进气冲程时，再将燃油混合气吸入气缸中。装在供油总管上的燃油压力调节器用于调节系统油压，目的在于保持油路内的油压略高于进气管负压300kPa左右。此外，为了改善发动机的低温启动性能，有些车辆在进气歧管上安装了一个冷起动喷油器。

（3）电子控制系统　电子控制系统的作用是根据发动机运转状况和车辆运行状况确定燃油的最佳喷射量。该系统由传感器、ECU和执行器三部分组成，如图2-10所示。

传感器是信号转换装置，安装在发动机的各个部位，其作用是检测发动机运行状态的物理参数和化学参数等，并将这些参数转换成计算机能够识别的电信号输入ECU。用于检测发动机工况的传感器有：空气流量传感器、进气压力传感器、水温传感器、进气温度传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、车速传感器、氧传感器、爆震传感器、空调开关等。

ECU是发动机控制系统的核心部件。在ECU的存储器中存放了发动机各种工况的最佳喷油持续时间，在接收了各种传感器传来的信号后，经过计算确定满足发动机运转状态的燃油喷射量和喷油时间。ECU还可以对多种信息进行处理，实现EFI系统以外其他很多方面的控制，如点火控制、自诊断、故障备用程序启动、仪器显示等。

（二）汽油机电控点火技术

1.电控点火系统的控制功能

电控点火系统的控制主要包括点火提前角控制、点火闭合角控制和爆燃控制等内容。

（1）点火提前角控制　在电控点火系中，对于各发动机运行工况，基本点火正时作为一个三维图储存在点火ECU微处理器的内存中，然后考虑特殊的驾驶环境进行修正。点火提前角的控制包括起动时点火提前角的控制和起动后点火提前角的控制两个方面。

（2）点火闭合角控制　在电控点火系中沿用了传统点火系闭合角的概念，实际是指初级电路通电的时间。

当点火线圈的初级电路接通后，初级电流是按指数规律增长的。初级线圈被断开瞬间所能达到的断开电流值与初级线圈接通时间长短有关，只有通电时间达到一定值时，初级电流才可能达到饱和。而次级线圈高压的最大值与初级断开电流成正比，为了获得足够的点火能量，必须使初级电流达到饱和。但是，如果通电时间过长，点火线圈又会发热，并使电能消耗增大。因此，要控制一个最佳的通电时间，以兼顾上述两方面要求。对点火闭合角的控制不仅取决于发动机转速，还取决于蓄电池电压。

（3）爆燃控制 ECU接收此信号后，就会按一定程序自动推迟点火时间。有了这种功能，能使点火时刻离爆震界限只有一个较小的余量（见图2-11），这样既可控制爆震的发生，又能更有效地得到发动机的输出功率。爆震时推迟点火，没有爆震时则提前点火，以保证在任何工况下的点火提前角，都处于接近发生爆震的最佳角度，爆震控制过程如图2-12所示。

2.电控点火系统的类型

按有无分电器分类分为带分电器电控点火系和无分电器电控点火系两种类型。

带分电器电控点火系保留了分电器，点火线圈产生的高压电是经过分电器中的配电器分配至各缸，使各缸火花塞按点火顺序依次点火。

无分电器电控点火系（直接点火系）取消了分电器，点火线圈上的高压线直接与火花塞相连。工作时，点火线圈产生的高压电直接送至各火花塞，由ECU根据各传感器输入的信息，按发动机各缸工作顺序，适时控制各缸火花塞点火。无分电器点火系统由于不存在分火头和旁电极间跳火的问题，减小了能量的损失，提高了点火可靠性。

无分电器点火系又可分为单缸独立点火方式和同时点火方式。单缸独立点火即每一个气缸配一个点火线圈，单独对本缸点火[见图2-13（a）]；同时点火即两个气缸合用一个点火线圈，对两个气缸同时点火[见图2-13（b）]。

二、柴油机燃油喷射系统电子控制

20世纪70年代以来全球能源危机的日益加重和环境状态的日益恶化，以及CO₂排放产生的温室效应的影响，都对柴油机的排放和经济性能提出了更高的要求。世界各国排放法规和能源法规都更加严格。为了应付这一挑战，改进柴油机燃油喷射系统是最关键的环节之一。将传统的机械式喷油系统改造为电脑控制、机电一体化的喷油系统，并进而实现以控制燃油喷射系统为主的整机电脑综合控制与管理，已成为一个极为重要的发展方向。

20世纪70年代，电子控制技术就开始应用于柴油发动机上，20世纪80年代以后，柴油机电控技术得到了快速发展，出现了很多功能各异的柴油机电子控制装置和系统，使柴油机电控技术水平进入了一个新的阶段。

柴油机电控技术的应用，最初是为了改善柴油机的经济性。后来，二次石油危机的出现，使柴油机进一步降低燃油消耗率的要求更加迫切。机械调速器和机械喷油提前器控制精度低，反应不灵敏，已无法满足柴油机进一步改善性能的要求。尤其是国际上日益严格的排放法规，更使得柴油机电控技术应用成为最佳选择。美国国会通过的“大气污染防治法”，要求将重型卡车柴油机的排放污染降低90%。柴油机的主要排放物是NO_x和炭烟（颗粒），要降低柴油机NO_x排放，就要求喷射正时滞后，而喷射正时滞后会引起烟度（颗粒）排放上升，经济性和动力性下降。为了使矛盾统一，除提高喷射压力和速率，缩短喷射持续时间外，主要是通过电子控制方式寻求最优化的喷油正时。废气再循环能有效地降低NO_x的排放，但会引起颗粒排放量的增加，也需要用电控技术来寻求最佳的废气再循环时刻和循环量。可变涡流增压、废气催化这些先进技术对排放有利，但必须采用电控技术才能与柴油机运行工况配合起来，达到其应有的效果。为降低燃烧噪声和NO_x排放，柴油机要求喷射系统有一个小的预喷射量产生在主喷射之前，而且要求预喷射量、预喷射与主喷射之间的间隔能根据不同运行工况而有所变化，这些只有在柴油机电子控制的某些系统（如共轨系统）才能实现。为降低排放，还要对喷油嘴喷出的瞬时喷油速率进行控制，希望实现喷射初期喷油速率低，以降低NO_x和噪声，喷射结束时又要能快速断油，以降低颗粒和烃类化合物，并且也要随着不同工况而进行适当调整，这也只有采用电控技术才能应用自如。总之，柴油机采用电控技术后，明显地提高了柴油机汽车的排放和使用性能。

（一）柴油机燃油喷射系统的类型与性能特点

电控柴油喷射系统的开发研究先后经历了三代，这些电控柴油喷射系统又是在不同机械式喷油系统的基础上发展起来的，从而形成了多种类型的电控柴油喷射系统。

第一代位置控制式电控柴油喷射系统，保留了传统柴油机供给系统（直列柱塞泵、转子分配泵、泵喷嘴系统等）的基本组成和结构，将机械式调速器和提前器换成电子控制的机构，燃油的压送机构和机械式燃油系统相同。根据ECU的指令控制电子调速器的齿杆或溢油环的位置来控制喷油量，根据ECU指令控制电子提前器中的发动机驱动轴和凸轮轴的相位差来控制喷油正时。如日本电装公司的ECD-P1、ECD-P2、ECD-P3、ECD-V1系统；德国博世公司的EDR、EDC系统；美国的PEEC、PCF系统都属于第一代电控柴油喷射系统。

位置控制式电控柴油喷射系统的优点是柴油机的结构几乎不需改动，便于对现有柴油机进行升级换代；缺点是系统响应慢，控制频率低，控制自由度小，控制精度还不够高，喷油压力相对原有系统没有提高，因此对发动机的排放性能改善有限，只是对动力性和经济性以及整车的驾驶性能有所改善。从应用上看，这一代位置控制系统逐步退出市场。

第二代时间控制式电控柴油喷射系统，基本保留了传统燃油供给系统的组成和结构，燃油的压送机构和机械式燃油系统相同。根据ECU的指令，采用高速电磁阀对喷油量和喷油正时进行时间控制。一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油；电磁阀打开，喷油结束。因此，可实现供油量控制，又可实现供油正时的控制。如日本电装公司的ECD-V3系统；日本丰田公司的ECD-2系统；德国博世公司的PDE27/PDE28系统等都属于第二代电控柴油喷射系统。

时间控制式电控柴油喷射系统的优点是控制自由度更大，供油加压与供油调节在结构上相互独立，使喷油泵结构得以简化，强度得到提高。高压喷油能力大大加强；缺点是供油压力还是无法控制。目前，时间控制式电控柴油喷射系统正处于规模化、产业化阶段，其中时间控制式单体泵系统适合用于功率较大的中、重型柴油机，泵喷嘴和分配泵在小型和轻型柴油机中应用较多。

第三代共轨式电控柴油喷射系统，是为了满足日益严格的节能和环保要求，20世纪90年代后期研制出的一种新型柴油机电控技术。该系统基本改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主要以电控共轨式喷油系统为特征，将喷油量和喷油正时控制融为一体，使燃油的升压机构独立，即燃油压力与发动机转速、负荷无关，具有可以独立控制压力的蓄压器——共轨，根据ECU的指令，由共轨压力电磁调压阀控制喷油压力。这样，喷油压力可以自由控制了，并且喷油量、喷油正时等参数直接由装在各个气缸上的喷油器电磁阀控制。电控共轨式燃油喷射系统是全新的一代燃油系统，可以直接对喷油器的喷油量、喷油正时、喷油率、喷油压力等进行自由控制，大大地降低柴油机的排放。如德国博世公司的CR系统，日本电装公司的ECD-U2系统，美国BKM公司的Servojet系统，意大利的FIAT集团的Unijet系统等都属于第三代电控柴油喷射系统。

（二）电控柴油机的优点

与传统柴油机相比，电控柴油机具有以下优点。

（1）提高了柴油机的经济性能和降低了排放　喷油提前角对柴油机的动力性、经济性及排放影响很大。所以，最佳喷油提前角的大小与发动机转速、负荷、冷却液温度、燃油温度、进气温度及进气压力等因素有关。柴油机电控系统能综合计入这些有关因素，在初步确定喷油提前角的基础上，通过反馈控制使其达到或逼近最佳值。柴油机电控系统还能根据海拔高度、冷却液温度、燃油温度及进气状态等对喷油量进行校正。

（2）有较强的适应性　柴油机电控系统的最大特点之一是控制策略的灵活性。对于各种不同用途的柴油机，电控系统需要修改存储器中的程序，对系统本身基本上不需要做任何变更便能与不同类型的柴油机动力装置相匹配。例如，全能电子调速器，它在出厂前的软件编程中已充分考虑了各种不同调速率的要求，控制盒上设有不同调速率的转换开关，用户可以根据柴油机的工作性质不同，设定不同的调速率。这样，不仅增强了电子调速器的匹配适应能力，也大大地方便了客户。

（3）提高了柴油机运行工况的控制精度　柴油机电控系统接收到一个输入信号到处理完毕并输出相应的控制信号所需的时间一般为毫秒级，这时间远远小于柴油机或其他机械控制机构的响应时间。因此，一旦柴油机及其控制系统的运行参数或状态稍微偏离目标值，电控系统就能立即进行跟踪并予以及时调节和控制，完成同步调速、无波动转速控制和燃油喷射控制。

（4）提高了柴油机的工作可靠性　柴油机电控系统可以实时监测影响发动机工作可靠性的一些参数（如机油压力、排气温度、轴承温度和发动机转速等）。一旦这些参数或状态超出设定值的范围，柴油机电控系统会立即发出提示警告，同时通过控制执行器进行相应的调节，直到这些参数或状态恢复正常为止。对于一些影响发动机运转可靠性的主要参数，柴油机电控系统还可以为柴油发动机提供双重甚至是多重保护，以免造成巨大损失。

（三）柴油机电控系统的主要控制功能

随着柴油机电控技术的发展，柴油机电控系统从最基本的燃油喷射控制，即喷油量和喷油正时控制，已扩展到包括喷油率和喷油压力控制在内的多项目标控制；并从单一的燃油喷射控制扩展到包括怠速控制、进气控制、启动控制、巡航控制、故障自诊断、失效保护、数据通信、发动机与变速器的综合控制等在内的全方位集中控制。

1.燃油喷射控制

燃油喷射控制是柴油机电控系统最主要的控制功能，主要包括喷油量控制、喷油正时控制、燃油喷射规律的控制和喷油压力控制等。

（1）喷油量的控制　喷油量的控制是柴油机电子控制系统的一项主要控制内容。ECU根据加速踏板位置传感器和转速传感器的输入信号，首先计算出基本喷油量，然后根据来自水温传感器、进气温度传感器、进气压力传感器以及电动机等信号，对这个基本喷油量加以修正，再与来自控制套筒位置传感器的信号进行比较后，产生与两者差值成比例的驱动电流，执行器则根据ECU输出的驱动电流进行操作，使油门拉杆移动到目标位置，最后确定最佳喷油量。

（2）喷油正时的控制　电控柴油喷射系统，能够精确地控制喷油正时。首先，根据柴油机转速、负荷和冷却液温度的信号在ECU中利用预先存储的喷油正时脉谱，计算确定喷油始点的目标值。其次，通过检测上止点参考脉冲与喷嘴针阀升程传感器输出脉冲之间的夹角，计算出实际喷油始点。将两者比较，决定最佳喷油始点后，ECU就输出一个脉宽可调的信号来控制一个电磁阀。该电磁阀可确定作用在喷油提前器活塞上的控制油压来移动活塞位置，改变发动机驱动轴和凸轮轴之间的相位，以调节喷油正时。为了实现柴油机燃烧的及时与完全，电控系统应根据柴油机的运行状态和环境条件来控制喷油正时。

（3）燃油喷射规律的控制　燃油喷射规律即喷油速率和喷油量随时间变化的规律。电控系统以柴油机转速和负荷为基本控制参数，按预设的喷油速率和喷油规律，完成循环的喷油过程。

（4）喷油压力的控制　在高压共轨式电控喷射系统中，利用共轨压力传感器测量共轨内的燃油压力，通过调整高压供油泵的供油量，维持共轨内的压力在转速变化时的稳定，以控制喷射压力。

2.进气控制

进气控制是柴油机电控系统的第二个主要控制功能，它包括可变进气涡流控制、可变配气正时控制、进气节流控制和进气预热控制等。

（1）可变进气涡流控制　电控系统以柴油机转速和负荷为基本控制参数，按预设的最佳进气涡流比脉谱图对进气涡流强度进行控制，以满足高、低转速工况时对进气涡流强度的不同要求。

（2）可变配气正时控制　电控系统以柴油机转速和负荷为基本控制参数，按预设的最佳配气相位，通过各种电控可变配气正时机构改变柴油机的配气相位，以满足不同工况时对配气正时的不同要求。

（3）进气节流控制　电控系统以柴油机转速和负荷为基本控制参数，通过对进气管中节流阀开度的控制，适应高、低速工况对进气流量的不同要求。另外，为了降低怠速时的振动、噪声和柴油机停车时的振动，电控系统通过怠速时节流控制和停车时中断进气来减轻发动机的振动。

（4）进气预热控制　电控系统以柴油机冷却液的温度为基本控制参数，通过对加热塞通电时间的控制，对进气进行预热，以提高柴油机的低温启动性能和低温下的怠速稳定性。

3.怠速转速的控制

柴油机的低速怠速不稳，在机械式控制中用两种调速器加以控制。在电子控制的情况下，操作全部由ECU控制，根据加速踏板传感器、车速传感器、起动及转速等信号，可以决定怠速控制何时开始，其次再根据水温传感器、空调开关等信号，算出所设的怠速转速以及相应的喷油量。为了使怠速能够保持稳定，也可以根据发动机转速的反馈信号，不断地对该喷油量进行修正。

4.废气再循环控制

该系统通过控制参与再循环的废气量以减少废气中的NO_x排放量，与汽油机电控系统相同。

5.废气涡轮增压压力控制

废气涡轮增压压力控制的目的是为了防止增压压力过高使发动机爆发压力过高；或增压压力过低，造成空气量不足使排气温度过高。柴油机增压控制主要是由ECU根据柴油机转速信号、负荷信号、增压压力信号等，通过控制废气旁通阀的开度或废气喷射器的喷射角度、增压器废气涡轮废气进口截面积大小等措施，实现对废气涡轮增压器工作状态和增压压力的控制，以改善柴油机的转矩特性，提高加速性能，减少排放和减少噪声。

6.故障自诊断和失效保护

当柴油机或电控系统出现故障时，ECU将会点亮仪表板上的故障指示灯，提醒驾驶员注意，并存储故障信息。检修时通过一定程序，可将故障码及有关信息资料调出。当ECU出现故障时，ECU内的备用电路可使系统进入失效保护程序的控制状态，让车辆低速开到最近的维修站检修。

（四）共轨式电控喷射系统

电控高压共轨系统是第三代电控燃油喷射系统。在车用高速柴油机中，柴油喷射过程所用的时间只有千分之几秒，而且在喷射过程中高压油管各处的压力随时间和位置的不同而变化。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异，油管内的压力波动有时会在主喷射之后，使喷油器处的压力再次上升到可以令针阀开启的压力，产生二次喷射现象，由于二次喷射的燃油雾化不良，不可能完全燃烧，于是增加了颗粒和烃类化合物的排放量，油耗也增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残余压力都会发生变化，随之引起不稳定喷射，尤其在低转速区域。严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性喷射现象。而电控高压共轨系统彻底解决了这种燃油压力变化带来的缺陷。

1.高压共轨燃油喷射系统的基本特点

高压共轨燃油喷射系统在发达国家于20世纪90年代中后期开始进入实用化阶段。它可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有如下几点。

①共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。

②可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120~200MPa），可将NO_x和微粒排放同时控制在较小的数值范围内。

③柔性控制喷油速率，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机NO_x，又能保证优良的动力性和经济性。

④由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此，在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀性得到改善，从而减轻柴油机的粗暴并降低排放。

2.高压共轨燃油喷射系统

高压共轨电控燃油喷射系统示意如图2-14所示，高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元（ECU）、高压油泵、共轨管和电控喷油器、高压油管以及各种传感器和执行器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压共轨管，高压共轨管中的压力由电控单元根据共轨压力传感器信号以及需要进行调节，高压共轨管内的燃油经过高压油管，根据柴油机的运行状态，由电控单元从预置的脉谱图中确定合适的喷油定时、喷油持续期，由电控喷油器将燃油喷入气缸。

（1）电控单元　电控单元一般由逻辑模块和驱动模块两个集成电路板组成。其中，逻辑模块是电控柴油机的控制核心，它接收柴油机工况的各传感器输入的信号，进行控制决策的运算处理，然后向驱动模块发出相应的指令；驱动模块具有电压电流放大的作用，把逻辑模块发出的指令信号放大后变成能直接驱动执行电磁阀的电压或电流。

（2）高压油泵　高压油泵由柴油机驱动，根据其结构和布置的不同，可分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵；根据喷油压力对发动机转速的依赖性，可分为全柔性喷油压力控制系统和半柔性喷油压力控制系统；根据喷油压力控制原理，则可分为单阀控制式和双阀控制式。

在半柔性喷油压力控制系统中，喷油压力由发动机转速和高压油泵电磁阀控制决定，输油泵供油速率严格依赖于发动机转速，因此，其循环供油量在整个发动机转速范围内不可能处处最优，不能很好地满足发动机过渡工况对油压快速变化的要求，在某种转速下的最高油压也受到限制。

全柔性的单阀式喷油压力控制系统，高压油泵向高压共轨管的供油量是由可控电动输油泵供油量和高压油泵电磁阀控制决定，输油泵的供油量与发动机转速无关，因此可获得理想的发动机过渡工况的油压控制响应特性，即使在怠速下也可获得所设计的最高油压，共轨管稳压容积的设计要保证喷油压力的稳定性（即最小的油压波动）。

（3）共轨管　共轨管是连接高压油泵和喷油器的桥梁，也是一个蓄压器。它将已经相互独立的高压燃油的供给过程与燃油的喷射过程联系起来。高压油泵不直接向喷油器提供高压燃油，而将高压燃油泵入共轨管中，燃油喷射所需要的燃油由共轨管供给，这样就减小了供油和喷油过程中的燃油压力的波动。

共轨管中压力波动是设计所要考虑的重要参数，它直接影响到喷油器的喷油量和各缸之间喷油量差异。影响共轨管中油压波动的主要因素有高压油泵的供油特性、喷油器和调节阀的工作特性以及共轨管本身的特性。为使共轨管压力波动几乎不受喷油器、高压油泵和调节阀工作的影响，共轨管的长度、内径和容积大小应合适，过大则柴油机过渡工况响应不良，过小则共轨管中的压力脉动将导致各缸喷油量的不均匀度增加。

（4）电控喷油器　每个喷油器上都有一个电磁阀，当电磁阀的电磁线圈通电时，喷油器针阀在高压燃油作用下升起，开始喷油，并且通过单向阀和节流孔控制针阀缓慢升起，以达到初期喷油速率的柔性控制；电磁线圈断电时喷油结束，单向阀和节流孔也控制断电时针阀下行的速度，以实现快速停止喷射。每个喷油器通电喷油持续时间决定于柴油机工况所需要的喷油量。

（5）高压油管　高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它必须能够承受系统中的最大压力，在喷油停止时还要承受高频的压力波动，同时它还应满足足够的燃油流量以减小燃油流动时的压降。各缸高压油管的长度应尽量相等且尽可能短，这样才能保证从共轨管到喷油器的压力损失最小，而每个喷油器具有相同的燃油喷射压力。

3.使用高压共轨燃油喷射系统应注意的问题

高压共轨燃油喷射系统的柔性很大，可方便的应用在各种柴油机上，但必须注意以下几点。

（1）系统供油量与发动机功率相匹配　发动机最大功率决定了共轨系统最大供油量，从高压油泵供油特性、共轨管几何形状到喷油器喷孔大小等应进行优化配合。

（2）喷油压力、喷油规律与发动机燃烧室形状、气体涡流相匹配　应根据发动机工况合理控制喷油压力、喷油规律及喷油正时等。

（3）提高电磁阀的动作速度　高压共轨燃油喷射系统中的控制元件多为电磁阀，只有提高电磁阀的动作响应速度才能实现精确控制。若发动机转速为5000r/min，喷油持续角为300°CA，则喷油时间为1ms，在此时间内电磁阀要实现两次或更多次喷油动作，其动作速度必须很快。美国Sturman公司生产的高速电磁阀，动作响应周期可达0.25ms。

三、发动机稀燃技术

稀燃是稀薄燃烧的简称，指发动机在实际空燃比大于理论空燃比的情况下的燃烧，空燃比可达25∶1，甚至更高。稀薄燃烧使燃料的燃烧更加完全，同时，辅以相应的排放控制措施，使汽油机的有害排放物大大降低，因此具有良好的经济性和排放性能。

稀薄燃烧可以提高发动机燃料经济性的主要原因是，由于稀混合气中的汽油分子有更多的机会与空气中氧分子接触，燃烧完全。同时由前述所知，点燃式发动机的燃烧循环更接近定容加热循环，定容加热循环的热效率取决于压缩比ε和等熵指数κ。压缩比越高、等熵指数越大，理论循环的热效率越高。而发动机燃烧时，混合气越稀，燃烧循环越接近于理想循环，等熵指数κ值越大，使热效率得以提高。从另一角度分析，采用稀混合气，由于气缸内压力低、温度低，不易发生爆燃，则可以提高压缩比，增大混合气的膨胀比和温度，减少燃烧室废气残余量，因而也可以提高热效率。燃用稀混合气，由于其燃烧后最高温度降低，一方面使通过气缸壁的传热损失较小；另一方面燃烧产物的离解损失减少，使热效率得以提高。且当采用稀薄混合气燃烧时，由于进入缸内空气的量增加，减小了泵吸损失，这对汽油机部分负荷经济性的改善非常有利。另外，稀薄燃烧时燃烧室内的主要成分O₂和N₂的比热容较小，多变指数K较高，因而发动机的热效率高，燃油经济性好。

从理论上讲，混合气越稀，热效率越高。但就普通发动机来说，当过量空气系数α>1.15后，油耗反而增加。这是由于混合气过稀时，燃烧速度下降，热功转换效率下降；混合气过稀时，发动机对混合气分配的均匀性变得更加敏感，循环变动率增加，个别缸失火的概率增加。如果不解决这些问题，盲目地调稀混合气，不但不能发挥稀混合气理论上的优势，反而会费油。

（一）燃用稀混合气的技术途径

（1）使汽油充分雾化，对均质燃烧要保证混合气混合均匀及各缸混合气分配均匀　消除局部区域混合气偏稀的现象，避免电喷发动机调整时的有意加浓；同时，使缸内混合气的实际含量有所增加，失火及不稳定现象就会大大减少，发动机便可以在较稀混合气含量的条件下工作。

要使汽油充分雾化，可以在预热、增加进气流的速度、增强进气流的扰动、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）采用结构紧凑的燃烧室　使压缩时形成挤流，以提高燃烧速度，从而提高燃烧效率，减少热损失。一般采用火花塞放在正中的半球形或篷顶形燃烧室，或其他紧凑型的燃烧室。

（3）加快燃烧速度　这是稀燃技术的必要条件和实施的基础。提高燃烧速度的主要措施是组织缸内的气体运动和提高压缩比。

（4）提高点火能量，延长点火的持续时间　对于常规含量的混合气而言，普通点火系统所提供的点火能量已经足够，但燃用稀混合气时就应当设法提高点火能量。高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度提高，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。

（5）采用分层燃烧技术　如果稀燃技术的混合比达到25∶1以上，按照常规是无法点燃的，因此，必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。如果在火花塞附近的局部区域内供给适宜点火的浓混合气（α=0.8~0.9或A/F=12~13.4），而在其他区域供给相当稀的混合气，也可以实现稀混合气燃烧。在这种情况下，即使采用普通点火系统，也能很快地点燃很稀的混合气，于是火焰得以传播并遍及整个燃烧室。由于混合气有浓、稀层次之别，燃烧的进展也从浓到稀，故把按上述方式工作的汽油机称为分层充气汽油机或分层燃烧汽油机。

目前，分层充气是稀混合气燃烧的主要手段，大部分稀燃发动机都是采用分层充气方案。这是因为其有如下优点：①等熵指数κ值高；②可以采用高压缩比，当采用高辛烷值的汽油时，压缩比可以提高到11~12，因而大大提高了发动机的动力性和经济性；③燃烧温度低（尤其是部分负荷），传热损失和高温分解的热损失小；④为了得到同样的动力性，需要在大节气门开度下工作，泵气损失小，如果取消了节气门，泵气损失将更小；⑤排污少。

（二）分层燃烧系统

当前实际应用的稀燃系统，大多是分层充气稀薄燃烧（Stratified Charge Lean Burn）系统，而分层燃烧系统基本都采用燃油喷射技术。通常，按照燃油喷射的不同形式，将分层稀燃系统分为气道喷射（PFI）稀燃系统和直接喷射（GDI）稀燃系统；按照混合气的不同组织方式，将分层稀燃系统分为轴向分层稀燃系统和纵向（滚流）分层稀燃系统。

1.气道喷射稀燃系统

气道喷射稀燃系统简称为PFI（ Port Fuel Injecjon）稀燃系统。它通过喷油器和进气道的合理配合，使得进入气缸的混合气分层混合，浓混合气在火花塞附近，稀混合气远离火花塞。

气道喷射稀燃系统根据进气流在气缸内的流动方向（形式）不同，可分为轴向（涡流）分层和纵向（滚流）分层稀燃系统。

（1）轴向分层稀薄燃烧　这种燃烧方式一般是使燃油在进气晚期喷入气缸，浓混合气聚集在气缸上部火花塞四周，通过缸内强的涡流运动来维持混合气的分层，达到稀薄燃烧的目的。

涡轮轴向分层示意如图2-15所示，发动机采用蓬顶形燃烧室，火花塞布置于燃烧室的中心位置：在进气行程初期[见图2-15（a）]，随着活塞的向下运动，缸内形成较强的涡流，通过对进气系统的合理配置，使该涡流的轴心与气缸中心大体一致，形成沿气缸轴线的涡流运动。通过控制喷油时刻，使喷油器在进气后期喷油[见图2-15（b）]，因为可燃混合气最后进入气缸，所以气缸内就形成了上浓下稀的分层效果。这样形成的涡流在压缩后期虽然随着活塞的上行逐渐衰减，但涡流的分层效果仍能基本保持到压缩行程结束，以利于点火燃烧[见图2-15（c）]。

从图2-15中可以看出，影响稀燃效果的主要因素是缸内涡流强度和喷油正时。一般情况下，涡流强度越强，分层效果保持得越好；涡流强度越弱，分层效果保持得越差。而喷油正时则决定了缸内混合气浓度梯度的分布形式；在进气后期喷油，将形成上浓下稀的梯度分布，反之，则形成上稀下浓的梯度分布。

丰田公司的气道喷射第三代稀燃系统和本田公司的VTEC-E以及马自达公司的稀燃系统等均采用轴向分层稀薄燃烧技术。丰田第三代稀燃系统和马自达稀燃系统的共同特点是都采用涡流强度控制阀（SCV）来调节涡流的强度，采用一个直气道和一个螺旋气道组织空气运动。在低负荷时，SCV关闭获得强的涡流；在高负荷时SCV打开，获得斜轴涡流，促进燃油与空气的混合。

（2）纵向分层稀薄燃烧　纵向分层即滚流（Tumble）分层，涡流的流动方向与气缸轴线垂直，适用于进气道对称布置的多气门发动机，尤其是在篷顶形燃烧室、对称进气的四气门发动机上更容易实现。图2-16简单说明了滚流运动的形成过程，当进气门升程较小时，进气在缸内的流动比较紊乱，有规律的流动不明显，这时存在两个旋转轴相互平行而垂直于气缸轴线的涡团，一个在进气门下方靠近进气道一侧，另一个则在进气道对侧，大致位于排气门下方，此为非滚流期；当气门升程加大时，位于进气道对侧的涡团突然加强，进而占据整个燃烧室，与此同时，另一个涡团逐渐消失，此为滚流产生期；随着气门升程的加大和活塞下移，滚流不断加强直至进气行程下止点附近，滚流达到最强，此为滚流的发展期；压缩行程属滚流的持续期，在压缩行程后期，由于燃烧室空间扁平，不适于滚流发展而遭破坏，在上止点附近，滚流几乎被压碎而成为小尺度的湍流，此为破碎期。

滚流的生命周期短，点火后很快在燃烧过程中消失。正是由于滚流在上止点附近破碎为湍流，将进气流动的动能转化为湍动能，提高了燃烧速度，有利于发动机性能的改善。

气道喷射稀燃系统虽然相对来说已经发展得较为成熟，但因为有节气门的存在，使泵气损失增大，燃烧效率降低。在混合气准备阶段，气道燃油喷射（PFI）存在进气道黏附油膜现象。油膜的蒸发会导致额外的油耗，对发动机快速起动性、瞬时响应性及更为精确的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较轻的低沸点成分时，易发生爆燃现象。而且，PFI发动机在不采用其他辅助性助燃方法组织稀薄燃烧时，空燃比是有上限的，即使在实验室条件下空燃比达到27也比较困难。超过这个界限后，发动机工作会变得不稳定，油耗和烃类化合物等排放也会急剧增加。而另一种稀薄燃烧方式——缸内直接喷射方式，达到或超过这个界限却很容易。

2.直接喷射稀燃系统

直接喷射稀燃系统简称为GDI（ Gasoline Direct Injection）稀燃系统。它将喷油器直接伸入到燃烧室内，根据供油需要，直接将燃油喷入到燃烧室，并通过进气与喷油时刻的合理匹配，使得火花塞附近的局部区域混合气较浓，而其他区域混合气较稀的分层燃烧系统。

与气缸外进气道喷射稀燃系统相比，气缸内喷射稀燃系统具有泵气损失小、传热损失少、充气效率高、抗爆性好及动态响应快等特点。且该系统可根据需要改变喷油正时和喷油次数，能够自由地控制气缸内的混合状态。因而，可以实现控制爆燃和提高功率的两级混合，获得不同工况下对动力性、经济性及排放性能的不同需求。目前，在中负荷区域可降低燃油消耗的弱分层燃烧系统已经实用化。

图2-17所示为日本三菱汽车公司的4G-93GDI发动机，它采用了先进的电控高压汽油泵、高压旋流喷油器以及较为复杂的多区控制策略，该发动机的燃料喷射压力达到5.0MPa，大约是MPI方式的15倍，压缩比由10.5提高到12.0。

发动机的燃烧过程如图2-17（a）所示，部分负荷时，燃油在压缩冲程后期喷向活塞曲顶，碰撞到曲顶壁面后反弹向火花塞，只在火花塞附近形成较浓的混合气，实现气缸内由浓到稀的滚流分层。从而使部分负荷及怠速工况下空燃比达到20~40，燃油经济性改善30%，采用40%废气再循环率，可使机内的NO_x降低90%。在高负荷时，燃油在压缩冲程早期喷入，油束分散度扩大，避免油束碰撞缸壁，形成良好的混合气，经过对喷油时间、点火时间、混合气分布的优化，同原4G-93相比，发动机的油耗和转矩各提高了10%，再采用稀燃催化反应器，其排放水平可以达到超低排放车辆（ULEV）标准。

奔驰汽车公司开发的GDI发动机，燃烧系统采用了比较简单的燃烧室形状，喷油器和火花塞近距离布置，使得火花塞周围容易形成浓的混合气，其燃烧系统的设计如图2-18所示，气缸盖下部燃烧室部分为半球形，活塞顶有盆形凹坑，喷油器布置于缸盖的中心位置，火花塞位于喷射油束侧面。此外，该发动机还采用了可变高压共轨燃油喷射系统，喷油压力可在4~12MPa范围内调节。该发动机NO_x排放比同类型的PFI发动机降低35%，但未燃碳氢UBHC排放较高。发动机在2000r/min下获得最佳的燃油经济性，但随着发动机转速提高或降低，燃油经济性都有所下降。

综上所述，发动机稀燃技术有很多优点，如等熵指数高、传热损失少、可提高汽油机的压缩比，尤其是直喷式发动机稀燃系统取消了节流、降低了泵吸损失，具有良好的瞬态响应能力、精确的空燃比控制、快速的冷起动和减速快速断油能力及潜在的系统进一步优化能力等，大幅度地提高了部分负荷下内燃机的燃油经济性，且有良好的动力输出，是未来发动机发展的方向之一。

四、发动机增压和中冷技术

1.概述

增压是指在内燃机中对新鲜空气进行预压缩的过程。增压后使得单位时间内进入燃烧室的新鲜空气量增多，这意味着可以燃烧更多的燃料，从而可以提高发动机功率。增压是发动机提高功率最有效的方法之一。

根据发动机原理，发动机有效功率P_e可按下式计算：

　（2－6）

式中　i——发动机的气缸数；

V_h——每个气缸的工作容积，L；

τ——完成一个工作循环的冲程数；

n——发动机转速，r/min；

p_me——发动机的平均有效压力，MPa。

从以上发动机有效功率P_e计算公式可知，通过加大气缸总排量iV_h、提高发动机转速n和提高发动机平均有效压力p_me等措施都可提高发动机有效功率。但大量实践证明，提高p_me是提高P_e经济而有效的方法。而平均有效压力p_me：

　（2－7）

式中　η_i——指示效率；

η_v——充气效率；

η_m——机械效率；

ρ_k——空气密度。

从上面p_me的关系式中可以看出，提高进入气缸空气的压力，降低进入气缸空气的温度是提高空气密度ρ_k，进而提高平均有效压力p_me最有效的方法。提高空气的压力和降低进入气缸的空气温度的办法就是采用增压和中冷技术。该技术在改善发动机动力性的同时，还能改善热效率、提高经济性、减少排气中的有害成分、降低噪声。

增压技术尤其是涡轮增压技术已经在汽车柴油机上应用半个多世纪，柴油机上采用涡轮增压技术不仅可提高功率30%~40%，甚至更多，还可以减少单位功率质量，缩小外形尺寸，节约原材料，降低燃油消耗率3%~10%。

采用增压技术对于高原地区使用的发动机尤为重要。因为高原地区气压低、空气稀薄，导致发动机功率下降。一般认为海拔每升高1000m，功率下降8%~10%，燃油消耗率增加3.8%~5.5%。而装用涡轮增压器后，可以恢复功率，减少油耗。

目前发动机增压方式主要有机械增压、废气涡轮增压、气波增压和复合增压等类型。

机械增压是由发动机曲轴通过齿轮（或链条等）直接驱动增压器，来实现发动机进气增压的一种增压方式。机械增压的特点是：不增加发动机背压，但消耗其有效功率，总体布置有一定局限性；增压压力一般不超过0.15~0.17MPa；过多地提高增压压力，会使驱动压气机耗功过大，机械效率明显下降，经济性恶化。

废气涡轮增压是由发动机工作时排出的废气带动增压器来实现进气增压的一种增压方式。废气涡轮增压的特点是：不消耗发动机有效功，增压器可以自由布置在所需的位置，涡轮有一定的消声作用，并进一步减少排气中的有害成分。

气波增压是使两种气体工质直接接触并通过压力波来传递能量的一种增压方式。复合增压是在发动机上，即采用废气涡轮增压器，又同时采用机械驱动式增压器的一中增压方式。

2.机械增压技术

（1）机械增压系统　图2-19所示为电控汽油喷射式发动机上所采用的一种机械增压系统示意。图中机械增压器6为罗茨式（ Roots-type）压气机，由曲轴带轮12经传动带和电磁离合器带轮11驱动机械增压器6工作。当发动机在小负荷下运转时不需要增压，这时电控单元（ECU）根据节气门位置传感器3的信号使电磁离合器断电，增压器停止工作。与此同时，电控单元17向进气旁通阀5通电使其开启，即在不增压的情况下，空气经进气旁通阀5及旁通管路进入气缸。在进入气缸之前，空气先经中冷器7降温。爆燃传感器9安装在发动机上，它将发动机发生爆燃的信号传输给电控单元17，电控单元则发出相应的指令减小点火提前角，即可消除爆燃。

（2）机械增压器　依构造的不同，机械增压器有叶片式（Vane）、罗茨（Roots）武、汪克尔（Wankle）等型式，目前，以罗茨增压器使用最广泛，罗茨式增压器结构简单，工作可靠，寿命长，供气量与转速成正比。

图2-20所示是罗茨式机械增压器的结构示意。它由转子、转子轴、传动齿轮、壳体、后盖和齿轮室罩等构成。在增压器前端装有电磁离合器及电磁离合器带轮。在罗茨式增压器中有两个转子。发动机曲轴带轮经传动带、电磁离合器带轮和电磁离合器驱动其中的一个转子，而另一个转子则由传动齿轮带动与第一个转子同步旋转。转子的前后端支撑在滚子轴承上，滚子轴承和传动齿轮用合成高速齿轮油润滑。在转子轴的前后端装置油封，以防止润滑油漏入压气机壳体内。

罗茨式增压器的转子有两叶的，也有三叶的。通常两叶转子为直线形[见图2-21（a）]，而三叶转子为螺旋形[见图2-21（b）]。三叶螺旋形转子有较低的工作噪声和较好的增压器特性。在相互啮合的转子之间以及转子与壳体之间都有很小的间隙，并在转子表面涂敷树脂，以保持转子之间以及转子与壳体间较好的气密性。转子用铝合金制造。

罗茨式增压器的工作原理示意如图2-22所示。当转子旋转时，空气从增压器入口吸入，在转子叶片的推动下空气被加速，然后从增压器出口压出。出口与进口的压力比可达1.8。罗茨式增压器结构简单，工作可靠，寿命长，供气量与转速成正比。

机械增压系统可以在发动机较低转速就获得增压，且具有良好的响应特性，没有动力迟滞现象，操作感觉与自然吸气极为相似。但是它本身需要消耗一部分能量，因此，机械增压与涡轮增压相比不能产生特别强大的动力，尤其是在高转速时，由于它会产生大量的摩擦，损失能量，从而影响到发动机转速的提高，使得发动机最高转速有所降低。另外，使用机械增压器的汽车油耗相对来说比较高。

3.涡轮增压技术

目前，国内外通常采用由排气驱动的涡轮机拖动压气机来提高进气压力增加进气量的废气涡轮增压技术，它是目前世界上最成熟、应用最广泛的一项增压技术，一般增压压力可达180~200kPa，最高甚至达到300kPa。

（1）废气涡轮增压系统　涡轮增压器主要由涡轮和压气机组成。发动机排气经排气管进入涡轮，对涡轮做功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轴，从而带动压气机吸入外界空气并压缩后送至发动机进气管。

废气涡轮增压系统分为单涡轮增压系统和双涡轮增压系统。只有一个涡轮增压器的增压系统成为单涡轮增压系统，单涡轮增压系统示意如图2-23所示。涡轮增压系统除涡轮增压器外，还包括进气旁通阀、排气旁通阀和排气旁通阀控制装置等。

（2）废气涡轮增压器的基本结构和工作原理　废气涡轮增压器按废气在涡轮机中的不同流动方向分为径流式、轴流式和混流式三种类型。径流式是指在涡轮中，废气沿着与涡轮旋转轴线垂直的平面径向流动，推动涡轮旋转以实现进气增压的增压器；轴流式是指废气在涡轮中沿着涡轮旋转轴线方向流动的；混流式则是指废气在涡轮中，沿着与涡轮旋转轴线倾斜的锥面流动，其结构与径流式涡轮相近。车用发动机多用径流涡轮增压器，它比轴流式效率高、加速性能好、结构简单、体积小。而大中功率的发动机则应用轴流式废气涡轮增压器。

径流式涡轮增压器由离心式压气机和径流式涡轮机以及支承装置、密封装置、冷却系统、润滑系统等组成。

1）离心式压气机。离心式压气机一般由进气装置、工作轮、扩压器、出气涡壳组成，离心式压气机结构如图2-24所示。空气沿着进气装置进入，使气流均匀地流进工作轮，进气装置多采用收敛形轴向进气，气流速度略有增加，压能和温度略有下降。气流从工作轮中央流入叶片组成的通道，由于工作轮转动，气流在通道中受到离心力压缩并甩到工作轮外缘，空气从旋转的工作轮得到能量，致使空气的流动速度、压力和温度都有所增加，尤其是流动速度增加较多。气流速度提高以后进入扩压器，扩压器是一个断面渐扩的通道，气流进入后速度降低，压力和温度都升高，气流将在工作轮中得到的动能在扩压器中转变为压力能。出气涡壳收集从扩压器流出的空气，并继续将动能转变为压力能。出气涡壳分为等截面和变截面两种结构形式，变截面的气流损失小，但制造困难。等截面的流动损失较大，但制造容易。压气机中空气流动的参数沿压气机通道的变化情况如图2-25所示。

进气装置主要有两种形式：一种轴向进气装置；另一种径向进气装置。轴向进气气流损失较小，多用于小型增压器。径向进气由于气流流向转变，流动损失较大，多用于大型增压器。

工作轮由叶片和轮盘组成，它有封闭式、半开式和行星式三种结构形式；按工作轮叶片形状分为径向叶片、后弯叶片、前弯叶片等几种，其中径向叶片应用较多。

扩压器分为无叶扩压器和有叶扩压器两种。无叶扩压器结构简单，但扩压度小，气流损失大，常用于小型增压器。叶片扩压器扩压效果好，流动损失小。

2）径流式涡轮机。涡轮机是把发动机排出废气的能量转化为机械能的装置。涡轮增压器的性能，在很大程度上取决于涡轮机的性能。径流式涡轮机主要由进气涡壳、喷嘴环、工作轮和出气道等组成，径流式涡轮机简图如图2-26所示。一个喷嘴环和一个工作轮组成涡轮的一级，废气涡轮增压器中常采用一个级的涡轮，称为单级涡轮。

①喷嘴环。喷嘴环上装有许多导向叶片，构成渐缩形通道。废气从这里被引入工作轮。喷嘴环可以有整体式和装配式两种结构形式。

②工作轮。把从喷嘴环出口喷出的高速废气的动能和压力能转变为机械能的装置。工作轮的叶片与轮盘做成一体，多采用精密铸造成型。叶片的叶形大采用抛物线。其形式有半开式和星形两种。

③涡轮机进气涡壳。其作用是把发动机排气管与增压器连接起来，将排气管排出的废气引入喷嘴环，并按喷嘴环进口形状均匀地进入喷嘴环，以减少流动损失，充分利用废气能量。进气涡壳的流通截面按一定规律变化，表面要光洁。其结构可分为轴向、切向、径向三种进气形式，进口可为一个或多个。

④涡轮机出气道。将做功完了的废气引出增压器，气道要求光洁、平滑，有的带有冷却水套。

⑤涡轮轴。将涡轮机工作轮和压气机工作轮连接起来，起传递转矩的作用，工作轮与轴的连接方式有整体式和装配式两种。

发动机工作时，由排气管排出的废气具有压力P_T、温度T_T、速度c_T。废气以速度c_T进入喷嘴环，由于喷嘴环断面是渐缩的，使部分压为能转变为气体的动能，压力降低到P₁，温度下降到T₁，流动速度增加到c₁。废气从喷嘴环喷出以相对速度ω₁和一定角度进入工作轮，工作轮叶片间的通道也是呈渐缩形状，气体在通道中继续膨胀，在工作轮出口处压力降为P₂，温度降为T₂，相对速度增加到ω₂，由于废气在喷嘴中膨胀得到的动能大部分传给工作轮，所以绝对速度迅速下降到c₂，c₂?c₁。废气离开工作轮时还具有一定的速度c₂，也就是还有一部分动能未能在涡轮中得到利用，这部分动能损失称为余速损失。气流参数在涡轮机中的变化如图2-27所示。

（3）废气能量的利用　目前生产的车用增压柴油机中，几乎都采用废气涡轮增压系统，通过废气来驱动涡轮增压器工作，从而吸收废气能量来实现增压的目的。

废气的最大可用能E由三部分组成：a.排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力所做的功E_b；b.活塞推出排气，排气得到的能量E_c；c.扫气空气所具有的能量E_s。

排气门前废气具有的能量，在流经排气门、气缸盖排气道、排气歧管、排气总管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，总能量损失ΔE包括如下几个方面。

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

式中　ΔE_V——流经排气门处的节流损失；

ΔE_C——流经各种缩口处的节流损失；

ΔE_D——管道面积突扩时的流动损失；

ΔE_M——不同参数气流掺混和撞击形成的损失；

ΔE_F——由于气体的黏性而形成的摩擦损失；

ΔE_h——气流向外界散热所形成的能量损失。

这些损失直接影响着废气能量可被涡轮回收的程度，也是废气涡轮增压柴油机排气管设计和改进时所必须关注的重要方面。

ΔE_V是能量传递中的主要损失，约占总损失的60%~70%。尤其是在初期排气，气缸中高压高温气体流出时，因排气管中压力低而形成超临界流动，所以减少这部分节流损失对提高废气中能量的利用率是很重要的。在设计中，应使排气门后的通流面积尽可能大（一般采用四气门结构）、开启速度尽可能快，以使排气很快流出，排气门后的压力Pr很快升高，从而减少节流损失。另外，排气管容积不应太大，排气管要细而短。当在结构上受限制时，做得“细而长”比“粗而短”要好。因为在排气初期，大量废气涌入较细长的歧管中，形成“堵塞”，很快在排气门后建立起较高的压力波峰，减小排气门前后压差，从而大大减少节流损失，并把气体所具有的较大速度在歧管中保持下来并传送到涡轮，提高了对废气动能的利用率。虽然由于歧管中流速高而使摩擦损失加大，但其他损失减小，所以总起来说，它的能量传递效率较高。细而长的排气管不仅能够使排气门后的压力Pr在排气初期很快升高，而且又能很快下降，使活塞排挤功减少，并有利于扫气。

（4）涡轮增压器和柴油机的匹配　为柴油机选配涡轮增压器时，一般应满足下列要求。

①柴油机应能达到预定的功率和经济指标，涡轮增压器应能供给柴油机所需的增压压力和空气流量。

②涡轮增压器应能在柴油机的各种工况下稳定地工作，压气机不应出现喘振或涡轮机不出现堵塞现象。

③涡轮增压器在柴油机的各种工况下都能高效率地运行。柴油机和涡轮增压器的联合运行线应穿过压气机的高效率区，且尽可能和压气机的等效率曲线相平行。

④涡轮增压器在各种工况下都能可靠地工作。如涡轮增压器在柴油机满负荷时不出现超速，柴油机不出现排气超温，从而保证涡轮进气不超温等。

如果高增压柴油机主要是在高速、高负荷下运转，则必须把增压器的高效率运转区域设计得广一些。车用柴油机低转速工况要求较苛刻，不仅以外特性运转，而且转矩的适应性系数高，所以增压器的高效率区域选在柴油机转速较低的地方，这样做即使在标定工况时性能稍差一些也是值得的。对于超高增压柴油机，低工况性能更为突出。因此，在选配涡轮增压器时，除了要进行变工况运行的配合性能计算外，还必须进行样机的配合调整试验，以满足各方面的要求。

（5）可变涡轮增压

在柴油机进行正常设计和经过估算及性能模拟计算来选配涡轮增压器后，一般在配合性能上不会出现太大偏差。但对于车用柴油机，如果增压系统满足高速时增压适量的要求，则在低速时供气就会不足；如果满足低速时的供气量，则在高速时就可能增压过量。因此，必须采取一些措施，才能弥补其高低工况不能同时满足较佳匹配的矛盾。

对于车用高速柴油机及某些超高增压中速柴油机，为了改进低工况性能，可采用高速时放气的措施，但高工况经济性不好。近年来，发展了一种可变涡轮喷嘴环出口截面的涡轮增压器，简称变截面涡轮增压器。在发动机低速时，让喷嘴环出口截面积自动减小，使得流出速度相应提高，增压器转速上升，压气机出口压力增大，供气量加大；在高速时，让喷嘴环出口截面积增大，增压器转速相对减小，增压压力降低，增压不过量。

采用变截面涡轮的优点是：a.在不损害高转速经济性的条件下，增大低速转矩；b.扩大了低油耗率的运行区；c.使柴油机的加速性能提高；d.可以满足要求越来越高的排放和噪声规范等。

图2-28为车用发动机上采用的有叶喷嘴变截面涡轮示意，它通过改变喷嘴叶片安装角度的方法来改变喷嘴环出口截面积。喷嘴叶片与齿轮相连，齿轮受齿圈控制，当执行机构来回移动时，齿圈往复摆动，通过啮合的齿轮，使得各喷嘴叶片改变角度，从而实现喷嘴环出口截面积相应变化的目的。在无叶喷嘴的情况下，可以在喷嘴环出口处用活动的挡板来调节喷嘴环出口截面积。图2-29为一轴向变截面涡轮示意，其截面的变化由一轴向平行移动板控制。另一种变截面增压器是在涡轮进气零截面后加一可调喷嘴叶片，舌形变截面增压器涡壳如图2-30所示，通过一舌形叶片的摆动来改变蜗壳的A/R值，使得发动机在低速时A/R值减小，从而提高涡轮转速，增加增压压力；在高速时，有较大的A/R值，减小流通阻力，发动机背压较低，充量系数提高。

喷嘴环截面积大小及挡数是由实际运转要求确定的，在最大转矩时，增压压力最高。控制器（ECU）根据发动机转速、喷油泵齿条位移（相当于负荷）、水温和增压压力等信号对压力控制调节阀的开启和关闭时间比（负载比）进行调节，从而控制真空泵产生的负压。可以根据发动机工况的最佳负载比图谱预先输入到控制器中。控制器与电控柴油喷射系统的控制器也可互相通讯。由于采用可变喷嘴涡轮增压器，在低速时可变喷嘴涡轮增压器处于小喷嘴开度，增压压力可提高，因此，大大改善了低速工况性能。

由于采用了可变截面涡轮增压器，使柴油机加速、负荷特性都得到改善。整机稳态及瞬态性能改进，低油耗区域扩大，转矩储备系数加大。

性能优越的可变喷嘴增压器已经被广泛采用，轿车直喷式柴油机已有半数以上采用可变喷嘴涡轮增压。

（6）增压器的瞬态性能　柴油机瞬态特性是指在变速或变负荷情况下柴油机的性能。涡轮增压柴油机不像非增压柴油机那样很快响应负荷和转速的突然变化。在加速、加负荷过程中，空气流量与加油量变化速率之间的差异导致了燃烧空气系数低于极限值。因此，涡轮增压柴油机瞬态响应特性较差的决定因素是供气量。

供气量比供油量的时间滞后，其原因是多方面的。燃油进入气缸燃烧后，气体能量增加，而涡轮得到的能量增加显然要滞后一些，因为在排气门开启之前气体的能量不可能影响涡轮；在排气门开启以后，由于排气管中气体的可压缩性，也得经过几个工作循环，排气管中的气体压力才能逐步上升，涡轮得到的能量才能不断增加。另外，由于涡轮的功率比压气机的功率大而使涡轮增压器的转速增加，但涡轮增压器转子具有一定的转动惯量，要加速转子的旋转速度也需要消耗一部分能量，这也是其瞬态响应滞后的另一个重要原因。再者，增压器的旋转速度不断上升才能使增压压力不断提高，但由于进气管具有一定的容积，这就使增压压力只能逐步提高。只有当增压压力提高后，才能增大进入气缸的供气量。这些因素都将使供气量滞后。当然，发动机响应快慢还与发动机运动件的转动惯量有关，若希望加速性能好，则希望发动机转动惯量尽可能小。

就柴油机而言，对突加速或突加负荷响应越快越好，但尚有环保方面的要求。这两方面往往是矛盾的，有时为了满足环保的要求而采用冒烟限制器。

冒烟限制器在增压压力较低时限制过量的柴油喷入气缸，有效地限制了排烟的产生，能够解决增压柴油机变工况及低工况运行时排烟严重的问题。因此，这一装置在大部分新的涡轮增压柴油机上均被采用。但由于安装了冒烟限制器后，必须要到涡轮增压器响应后并产生一定的增压压力，供油量才逐步增大，因而，其最大缺点是严重地限制了发动机的响应速度。

改善增压柴油机瞬态特性的根本措施是使增压压力更快地提高，充入气缸的空气量更快增加。尽量减小进气管和排气管的容积，在加速或加负荷过程中，使其中气体压力较快增大，响应速度加快，因此，变压系统比定压系统响应速度快；在低工况运行时减小涡轮通流面积，若从低工况到高工况时涡轮通流面积小，则将使排气管中的压力更快上升，涡轮功率增加较快，使增压压力更快上升，从而改善瞬态特性；减小涡轮增压器转子的转动惯量，可以使发动机在突加速或突加负荷时响应快，且不冒烟或减小冒烟，还可在突减负荷时避免使增压器喘振。

4.中冷技术

增压柴油机为降低进入气缸的空气温度、增加空气密度、减少排放，使增压后的空气先在中间冷却器中冷却，再进入气缸，称为增压中冷。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低以及机械负荷增加不多的前提下，较大幅度地提高柴油机功率，还可提高发动机的经济性、降低排放。

目前采用的中冷器根据冷却介质的不同有水冷式和风冷式两大类。

水冷式冷却根据冷却水系的不同又分以下两种方式。

（1）用柴油机冷却系的冷却水冷却　这种冷却方式不需另设水路，结构简单。柴油机冷却水的温度较高，在低负荷时可对增压空气进行加热，有利于提高低负荷时的燃烧性能；但在高负荷时对增压空气的冷却效果较差。因此，这种方式只能用于增压度不大的增压中冷柴油机中。

（2）用独立的冷却水系冷却　柴油机有两套独立的冷却水系，高温冷却水系用来冷却发动机，低温冷却水系主要用于机油冷却器和中冷器。这种冷却方式冷却效果最好，在船用和固定用途柴油机中普遍应用。

风冷式冷却根据驱动冷却风扇的动力不同可分为以下两种方式。

（1）用柴油机曲轴驱动风扇　这种方式适用于车用柴油机，把中冷器设置在冷却水箱前面，用柴油机曲轴驱动冷却风扇与汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器和水箱。车用柴油机普遍采用这种冷却方式，但在低负荷时易出现充气过冷现象。

（2）用压缩空气涡轮驱动风扇　由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮，用涡轮带动风扇冷却中冷器。由于驱动涡轮的气流流量有限，涡轮做功较少，风扇提供的冷却风量较少，显然其冷却效果较差。由于增压压力随负荷变化，因此，这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化，低负荷时风量小，高负荷时风量大，有利于兼顾不同负荷时的燃烧性能。且其尺寸小，在车上安装方便，在军用车辆上也有应用。

五、可变气缸排量技术

汽车为了获得良好的动力性，在设计上往往具有较大的功率储备。当车辆在市区或下坡道路上行驶时，一般只需要最大功率的20%~40%，此时发动机的燃油经济性较差，同时废气排放中的有害成分含量较高。为了降低发动机燃油消耗率和减少排气污染，可以采用可变气缸排量技术，即在中低负荷情况下，使部分气缸停止工作，增加工作气缸的负荷率，使它的工作点落入低燃油消耗率和低排放工作区内，从而改善车辆的经济性和排放性能；当需要大功率时，则让全部气缸工作，又不影响发动机的动力性。

目前，所采用的可变气缸排量技术都是在部分负荷情况下，部分进气门不开启来实现闭缸节油的。它包括可调挺杆式和可调摇臂式。

1.可调挺杆式可变气缸排量技术

该装置由往复离合器式的气门挺杆、弹性离合选择器、组合气路驱动器和微机控制系统组成。往复离合器式的气门挺杆如图2-31所示。

气门挺杆是空心的，内装有能上下运动的分离心轴和平衡弹簧。当分离套沿气门挺杆向下滑动时，钢球被卡入分离心轴的侧孔内，使分离心轴和气门挺杆锁紧，这时挺杆变为刚性，在凸轮轴的作用下使气门随之打开或关闭，从而达到开缸的目的，如图2-31（a）所示。当分离套向上滑动时，钢球被分离心轴顶出，使分离心轴和挺杆松开，这时由于弹簧的弹力远小于气门弹簧的张力，虽在凸轮轴的作用下挺杆上下运动，但不能使气门打开，从而达到闭缸的目的，如图2-31（b）所示。

分离套的位置选择是由弹性离合选择器完成的。选择器靠来自压缩机的压缩空气，通过组合气路驱动器使弹性拨叉上下摆动，从而使分离套上下滑动，以完成闭缸或开缸动作，弹性离合器选择器如图2-32所示。控制部分组成如图2-33所示。

可调挺杆式可变气缸排量装置在改造的中型货车上所进行的20000km运行试验中，取得了平均节油率为15.5%的良好效果。

2.可调摇臂式可变气缸排量技术

可调摇臂式可变气缸排量装置如图2-34所示，该可变气缸排量装置由主摇臂、副摇臂、回位弹簧、滑键等构成。主摇臂、副摇臂通过摇臂轴连接在一起，并可分别绕摇臂轴转动。滑键安装在主摇臂上并可在主摇臂的孔内上下滑动。在活塞压缩上止点时，由于回位弹簧的作用，主摇臂、副摇臂形成的开口处于最大位置。其最大的开口宽度略大于滑键的宽度，以保证滑键可以自由滑动。其滑动间隙由气门间隙调节螺钉来调节，调节方法与未改装前相同。

当发动机需要多缸工作输出大功率时，由ECU输出负向脉冲，使数字脉冲励磁感应驱动器的电感产生负极向磁场，由于滑键内装有永磁材料，此时滑键在电磁力的作用下落入主摇臂、副摇臂形成的开口中，气门推杆上行推动副摇臂、滑键、主摇臂，然后压开气门，使发动机能够实现进气、排气。当发动机不需要多缸工作输出大功率时，由ECU输出正向脉冲，使数字脉冲励磁感应驱动器的电感生正极向磁场，此时滑键在电磁力作用下被吸出主、副摇臂形成的开口，副摇臂在气门推杆作用下绕摇臂轴转动。但即使在进气、排气凸轮最大升程时，副摇臂的端面也不能接触到主摇臂的端面，副摇臂不能推动主摇臂转动，从而不能打开进气门、排气门。因此，通过电磁力控制进、排气摇臂上的滑键运动，就可以实现闭缸，此时对于电喷发动机应停止该缸的供油，达到节油的目的。由于发动机运行工况的多变性，需要按发动机所处的转速和负荷来调整发动机工作的缸数，以使发动机处于最佳的节油工况，并能满足发动机的动力性要求。通过实车试验，可调摇臂式可变气缸排量技术的节油效果可以达到20%。

六、可变压缩比技术

由于汽油的燃烧特性导致了汽油发动机的混合气压力不能太高，如果该压力超过临界值，则可燃混合气就可能在点火之前燃烧，这种现象被称为爆燃，它会对发动机造成巨大伤害。爆燃一般发生在发动机全负荷时，而部分负荷情况下一般不易产生爆燃。但为了满足大负荷的使用要求，发动机在设计时，不得不把压缩比降低。此现象在当前广泛采用的增压发动机上显得尤为突出，因为，采用增压技术，燃烧室的温度和压力会大幅度升高，很易产生爆燃。所以，固定压缩比的涡轮增压和机械增压发动机只能把压缩比设计得比普通自然吸气式发动机还低，从而导致发动机在增压器（特别是涡轮增压）没有完全介入，也即发动机在低转速、增压压力低时，燃烧效率降低，输出的动力要比普通自然吸气发动机低很多，产生增压迟滞现象，同时燃油经济性下降。

若采用可变压缩比，对于自然吸气式发动机，在部分负荷时压缩比就可以设计得高些；而对于增压发动机在增压压力低的低负荷工况使压缩比提高到与自然吸气式发动机相同或更高，在高增压的高负荷工况下，适当降低压缩比，即使压缩比随发动机负荷的变化连续调节，这样既避免了爆燃，又提高了在高压缩比情况下中低负荷的工作效率，增强了动力性能，并提高经济性，从而保证了发动机工作效率的最大化。同时，由于可以实时调节压缩比，所以能够很好地匹配涡轮增压器，从根本上消除涡轮增压迟滞。

另外，可变压缩比技术还可提高发动机对燃油的适应性。高压缩比的发动机需要使用较高标号的燃油，在缺乏高标号燃油的地区无法使用。而可变压缩比发动机则可以根据所提供的燃油标号，调整压缩比，从而使发动机工作在最佳状态。

要改变发动机的压缩比：一种办法是改变燃烧室容积；另一种办法是改变活塞行程；具体的机构方案可分为在运动部分采用可变机构和在静止部分采用可变机构，实现可变压缩比的机构形式如图2-35所示。在运动部分采用可变机构包括：①活塞上部活动方式，如图2-35（a）所示；②采用活塞销偏心衬套方式，如图2-35（b）所示；③采用曲柄销偏心衬套方式，如图2-35（c）所示。活塞上部活动方式是指改变活塞销与活塞顶面距离，从而改变燃烧室的容积；活塞销偏心衬套方式与曲柄销偏心衬套方式是通过改变连杆的长度，从而改变活塞的行程，来调节压缩比。目前，这些方式均通过液压机构进行远距离操纵，难以使所有的气缸同步进行压缩比调节，使压缩比连续可调变得困难。此外，活塞上部活动方式使活塞重量增加1倍，不适用于高转速。

在静止部分采用可变机构包括：①多连杆方式，如图2-35（d）所示；②气缸盖旋转方式，如图2-35（e）所示；③曲轴主轴颈偏心移位方式，如图2-35（f）所示；④可变气缸盖形状，如图2-35（g）所示。多连杆方式是把连杆分为两部分，通过改变二者的弯曲角以实现连杆长度的调节，从而改变活塞行程；气缸盖旋转方式就是相对于气缸体使气缸盖转动一个角度，从而改变燃烧室容积；曲轴主轴颈偏心移位方式就是相对于气缸体使曲轴上下移动一个位移，从而改变燃烧室容积；可变气缸盖形状则是通过设置在气缸盖内的柱塞的往复运动，改变燃烧室容积。其中，可变气缸盖形状的调整方式是德国大众公司开发的，已经在两气门发动机上实现，但在四气门发动机气缸盖上很难实现。而其他三种在静止部分采用可变机构调整发动机压缩比的方式优点更突出一些。

1.多连杆配置的可变压缩比汽油增压发动机

图2-36为日本日产公司的VCR（Variable Compression Ratio）可变压缩比增压发动机。它采用在曲柄销传动部位摆动的杠杆的一端与连杆连接，而杠杆的另一端则采用与控制轴延伸出来的连杆相连接的构造。连杆与控制轴的偏心部分连接，当控制轴转动时，控制轴连杆使曲柄销回转而使杠杆摆动。由此活塞的上止点的位置做上下移动，从而能够连续改变压缩比。压缩比的变化范围可从8连续变到14。

控制轴连杆使杠杆的一端向下运动时，则杠杆的另一端把曲轴连杆向上推压，于是活塞的上止点向上移动，压缩比提高；而控制轴连杆把杠杆的一端向上抬起时，则连杆的另一端把曲轴连杆向下推压，活塞的上止点向下移动，于是压缩比降低。由于曲柄销杠杆扩大了1.3倍的杠杆行程，所以能够缩短曲柄长度并提高曲轴的刚性。如果保持与原来相同的刚性，则曲柄销可以小径化。另一方面宽度增加的曲柄销起到确保杠杆两端连接销轴承面积的作用，日产曲柄销杠杆的放大行程功能如图2-37所示。

控制臂由电动执行器驱动。电动执行器是由电动机、梯形螺钉、螺帽构成。当电动机转动梯形螺钉时，则螺帽做轴向移动。这种位移被传递到控制轴的叉形部分，其弯曲角最大达到100°时控制轴做旋转运动。压缩比从最大值变化到最小值，需时0.4s。

该发动机装在日产车上进行试验，试验车速为100km/h，在该车速下稳定行驶时，油耗比普通发动机降低13%。而且在高压缩比时燃烧性能良好，即使在大量废气再循环下燃烧性能仍然稳定。

2.气缸盖可旋转的可变压缩比汽油增压发动机

该项可变压缩比技术是由瑞典的萨博（SAAB）公司开发的，简称SVC（Saab Variable Compression）技术。SVC是通过改变燃烧室的容积来改变压缩比的。该结构中将燃烧室与曲轴箱动态连接在一起。当燃烧室的位置提高时，燃烧室容积变大、压缩比就相应减心；降低燃烧室的位置，燃烧室容积变小、压缩比就会相应增大。

通过液压调节装置使气缸盖相对于曲轴箱发生倾斜如图2-38所示，上部的整体式气缸盖，包含着气缸盖和做成一体的气缸筒。整体气缸盖可以绕曲轴箱转动如图2-39所示，下部的曲轴箱由机体、曲轴、连杆和活塞组成。气缸盖与气缸体通过一组摇臂连接，摇臂能在ECU的控制下，通过液压调节装置使气缸盖相对于曲轴箱转过一个角度，当燃烧室向右侧偏转时，燃烧室的容积变大、压缩比相应减小；当燃烧室向左侧偏转时，燃烧室的容积减小，相应地，压缩比增大。

SVC能通过ECU根据发动机的转速、负荷、工作温度、燃料使用状况等进行压缩比的连续调节，调节范围从8到14。不但降低了油耗，而且使发动机功率增大，同时也非常环保，所以达到了动力、油耗和排放的完美平衡。

SVC技术应用在SAAB 9-3轿车的1598mL排量、直列5缸、20气门的发动机上，产生了165.4kW（225hp）的最大功率和304N·m的最大转矩，动力与本田的3.2L V6发动机相似，而比普通相同功率发动机减少超过30%的燃油消耗。这款SVC发动机升功率能达到110.3kW/L。同时，废气排放满足欧Ⅳ标准。这款发动机另外一个非常重要的优点是：ECU能通过传感器判断汽油的标号，并选择最适合的压缩比。这样，它就能适应不同标号的汽油，特别是低标号的汽油。

3.曲轴偏心移位实现可变压缩比的增压汽油机

这项技术是由德国FEV工程公司开发的。其核心是曲器中，偏心器支承曲轴的孔的中心线与它的旋转中心线并不重合，两者之间的距离称为偏心度，FEV的可变压缩比（VCR）机构与原理如图2-40所示利用一。台标定功率为200W的永磁激励无刷同步电动机通过偏心器上的扇形齿轮带动偏心器转动，曲柄中心线就会相对于气缸盖的位置发生改变，因而可以连续地调节压缩比压缩比可在。（8∶1）~（16∶1）之间进行调节。调节时间在减小压缩比时为0.1s，在提高压缩比时为0.3s。

在压缩比的调节过程中，曲轴中心线的位置将发生改变。但是，与曲轴变速器输入端和发动机前端相连接的其他部件的位置是不变的。因此，专门采用了平行的曲柄传动机构对其进行必要的补偿，这个机构不增加安装空间，平行的曲柄传动机构如图2-41所示。驱动侧的离合器单元也适合于采用双质量飞轮的启动机/发电机或者集成的启动机/发电机。气缸缸数对此影响不大。借助于偏心器调节压缩比的原理也可以用于V形发动机，V形发动机中V形角对压缩比的影响很小，其影响可以通过软件中点火时刻的自适应功能得到补偿。

偏心移位实现可变压缩比的方案在一台1.8L VCR（可变压缩比）发动机上进行了试验，发动机转矩达300N·m、功率达165kW、升功率超过90kW/L。将这台样机装在一辆成批生产的汽车上进行试验，结果表明，样车在新欧洲行驶循环中相对于固定压缩比的原型车油耗降低7.8%，排放满足欧Ⅳ排放法规要求。对这台概念发动机进行了摩擦、功能和磨损方面的试验及超过400h的耐久试验后，证明发动机样机的摩擦与成批生产的原型机曲柄连杆机构没有差别（因为平行的曲柄传动机构的传力元件是用滚针支承的），无论机械噪声还是燃烧噪声都不显著。

偏心移位实现可变压缩比的方式具有以下优点：对燃烧室几何形状的影响很小；调节机构需要的力比较小；惯性力没有改变；摩擦没有增加；噪声没有恶化；良好的可调节性；适中的制造费用；若成批生产时，不需要新的加工设备；发动机的主要尺寸基本保持不变。

七、其他新技术

1.分缸断油（闭缸技术）

汽车的行驶阻力由坡度阻力、加速阻力、滚动阻力和空气阻力四部分组成。其中，空气阻力与车速的平方成正比；滚动阻力随车速增大而略有增加；其余两项与车速无关。汽车低速行驶时，以前面三项为主，阻力几乎与车速无关，所以对发动机的功率要求与车速成正比；但高速行驶时，阻力以空气阻力为主，大体上与车速平方成正比，所以对发动机的功率要求与车速的三次方成正比。经济型轿车对车速要求较低，可是豪华型轿车对车速要求很高，甚至可达200km/h以上，所以，后者装备的发动机功率甚至可达前者的10倍。这种大功率轿车在都市中行驶时，功率要求不会比经济型轿车大许多，所以只利用了发动机标定功率的很小一部分。汽油机在这种低工况下运行时经济性和排放都极差。如果在低工况下切断一部分气缸的燃油供应，那么，其余各缸就会工作在经济性和排放都大为改善的工况区域，一旦这几个缸不能满足功率要求，停油各气缸便单独地或成组地恢复供油并点火工作。这种工作方式称为分缸断油或闭缸技术。

以分缸断油的方式实现部分负荷调节时，不必将节气门开度减小。与传统汽油机相比，这种调节方式显然减少了泵气损失和节流损失，进一步提高了经济性。

图2-42以六缸机为例示出了分缸断油电子控制的原理。部分负荷时，ECU通过设在燃油系统中的阀门切断右面3个气缸的燃油供应，只有左面3个气缸得到燃油供应并点火工作，一部分废气被送回进气管。进气总管中设有ECU控制的阀门，可将这两组气缸的进气歧管分隔开，所以回流废气可经进气管流入已经断油的3个气缸，再经过专门为这一组气缸设置的排气管排出。让废气流入断油气缸的目的是保证发动机整体上温度分布均匀，提高断油气缸中机油的温度以减少摩擦损失和磨损。全负荷时，各缸一起工作。进气总管中的阀门将两组气缸的进气歧管接通，各缸都得到新鲜空气和燃油供应。

闭缸技术在国外已有应用。例如，波尔舍研制的V6发动机，可以闭缸一半，在公路上行驶节油率可达16%，在市内行驶节油率可达28%；日本三菱汽车公司2L排量发动机采用闭缸技术，怠速时节油42%，车速40km/h时节油22%，车速60km/h时节油可达16%。

2.与变速器换挡相关的发动机控制

变速器换挡控制属于汽车底盘电子控制的范畴，不在本节范围以内。这里只介绍一下其他与发动机控制有关的问题。

变速器换挡控制可降低油耗、改善换挡舒适性并提高可传递的功率和变速器寿命。它可与发动机电子控制系统做成一体，变速器电子控制系统如图2-43所示。所需的输入信号由发动机负荷传感器、发动机转速传感器、节气门开关以及变速器输出轴转速传感器、变速器挡位开关、程序模块开关和加速踏板终端开关等提供。执行器是变速器液压系统压力调节器、电磁阀和故障信号灯。

在平路上行驶时，汽车对发动机的功率需求由车速惟一地确定。发动机功率等于转矩和转速的乘积。为了实现某一车速，发动机功率和转速可以有不止一种的组合，由变速器速比决定。每一种组合对应于发动机的一个工况点和一个比油耗值。ECU会选择其中比油耗最低的一种组合所对应的变速器速比。为此目的设置的程序模块称作节油程序模块。当然还有其他程序模块可供选择，例如，手动换挡程序模块和运动驾驶程序模块等，分别适应不同的要求。

变速器换挡电子控制换挡时可推迟点火以降低发动机转矩。全负荷时换挡本来是特别危险的。推迟点火使得全负荷换挡就跟部分负荷换挡一样平稳。换挡结束以后，点火正时恢复正常。

3.停车-启动运行电子控制

据资料显示，汽车在城市行驶工况中，停车时常常不关闭发动机，怠速运行时间占总运行时间的比例可高达20%~30%，而怠速油耗占总油耗的5%左右。因此，如果停车时关闭发动机，取消怠速，对改善整车燃料消耗损失大有好处。如前所述，怠速转速电子控制是为了减少怠速燃油消耗和怠速稳定。达到同样目的另一种办法是采取停车-启动运行。当离合器脱开、汽车停住或只是以大约2km/h的速度爬行时，发动机在几秒钟内就自动关闭。这种情况主要发生在都市交通信号灯前面或堵车时。借此可节省燃油并减少排放。重新启动发动机时只要将离合器踏板踩到底，并将加速踏板踩下达其行程1/3就可以了。此时，ECU会令启动机转动，并按照起动程序模块控制喷油和点火。

停车-启动运行虽然节省了怠速燃油，但增加了起动燃油的消耗。因此，严格限制起动燃油的消耗就成了特别重要的任务。

4.空调压缩机电子控制

汽车空调压缩机通常装在发动机上，通过电磁离合器从发动机获取功率。电磁离合器由ECU控制。

空调压缩机电子控制原理如图2-44所示，当驾驶员接通空调开关时，空调请求信号输送给ECU。ECU根据其他信号分析后决定是否开启空调。若可以开启，则发出信号给空调压缩机离合器继电器，接通空调压缩机电磁离合器的磁线圈电路，使离合器接合，发动机便带动空调压缩机旋转。

当出现下列的一种或几种情况时，空调请求将被响应：①发动机转速超过某一数值，如5400r/min；②发动机转速超过某一稍低于上述的数值若干秒，如超过4500r/min达5s；③点火电压低于某一数值，如10.5V；④节气门开度大于某一程度，如90%；⑤制冷剂压力过高或过低，如高于2.9MPa或低于0.24MPa；⑥冷却液温度过高，如超过125℃；⑦进气温度过低，如低于5℃。

空调请求信号也可以不是由驾驶员发出，而是以电子方式自动发出，例如，根据太阳光照强度、环境空气温度、人体皮肤温度、汽车车厢内温度等信息由ECU确定是否发出空调请求信号。

5.冷却风扇电子控制

现代轿车发动机冷却风扇通常不是直接装在曲轴前端，而是与散热器做成一体。受发动机舱尺寸所限，散热器常为长方形，两台冷却风扇并列布置，各由一台电动机驱动。

ECU根据输入信息控制冷却风扇电动机。冷却风扇电子控制原理如图2-45所示，当ECU发给冷却风扇继电器2、3和4发出信号时，两台电动机都不通电；当ECU只发出信号给冷却风扇继电器2并使它接通时，冷却风扇电动机5和6串联，低速旋转；当ECU同时发出信号给冷却风扇继电器2、3和4并使它们都接通时，冷却风扇电动机5和6并联，高速旋转。