背景知识加油站1 发动机新技术

一、发动机新技术概述

汽车发动机新技术的发展趋势是努力实现“节能减排”，改善汽车的动力性、经济性、舒适性及环保性，同时电子技术的发展促使发动机新技术具有综合性，主要技术特点如下：

①利用热力原理，通过优化气缸燃烧室结构设计，控制燃烧室面积与容积之比，使燃烧室更加紧凑，从而改变燃油在燃烧室的燃烧状态，在确保一个较高的压缩比的前提下，使压缩比更加有利于提高热效率，有效提升发动机功率。

②改进燃烧室点火系统，使混合燃油在火花塞放电的瞬间燃烧更充分。传统的小型汽油发动机的热效率为25%～30%，目前可提升到35%～40%，甚至更高。

③配合新型气缸燃烧室结构，改变配气系统，使进气、排气更加均衡、匹配，进入燃烧室的混合燃油经过充分燃烧后，再排出发动机，减少了爆燃，有效控制和降低了发动机废气排放中的CO、HC、SO2、NOx等有害物质。

二、发动机新技术的应用

发动机新技术目前主要应用在高级豪华轿车上，如智能可变气门正时系统在丰田、本田、大众车系中采用，兼顾高速及低速不同工况，提高发动机的动力性和经济性；降低发动机的排放；改善发动机怠速及低速时的性能及稳定性。

1.什么是FSI技术？

（1）定义FSI是Fuel Stratified Injection的缩写，即缸内直接喷射，是大众公司开发的，与传统汽油发动机供油方式相比提高了燃烧效率。

（2）结构特点 采用FSI技术的发动机通过一个活塞泵提供所需的10MPa以上的压力，将汽油提供给位于气缸内的电磁喷油器。然后通过电脑控制喷油器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，其控制的精确度非常高。

学习提示：FSI技术采用了两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。ECU不断地根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。

1.发动机低速或中速运转时采用分层注油模式

分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其他地方只需空气含量较高的混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。

2.发动机高速运转时采用均匀注油模式

均匀注油模式是在节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入气缸形成较强涡流并与汽油均匀混合，从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。

2.什么是TSI技术？

（1）定义 TSI是Turbo-charging（涡轮增压技术）、Super-charging（机械增压技术）和Injection（燃油直喷技术）三个首字母的缩写，它是在FSI技术的基础上开发的，主要应用于新宝来、高尔夫A6、速腾及迈腾等大众车系。

（2）结构特点

1）涡轮增压技术。涡轮增压器实际上就是一个空气压缩机，利用发动机排出的废气推动涡轮高速旋转，将空气压缩进入气缸，如图1-1所示。

图1-1 涡轮增压系统结构

学习提示：随着发动机转速加快，废气排出速度加快，使涡轮转速也加快，空气压缩程度就增大，发动机的进气量就相应增加，从而提高发动机动力。

2）燃油直喷技术。如图1-2所示，喷油器安装于气缸内，直接将燃油喷入气缸内与空气混合，使油气能够在整个气缸内充分、均匀地混合，从而使燃油充分燃烧，能量转化效率更高。

3.增压直喷发动机有哪些优势？

缸内直喷和增压技术的应用实现发动机动力的提升，最明显的优势特征在于TSI发动机在低转速时即可产生高转矩，并在一个很宽的转速范围内保持最大转矩输出，实现了节能、环保、增强动力的目的。

图1-2 燃油直喷系统结构

学习提示：

①汽油经新型高压燃油泵和6孔喷油器直接喷入气缸内与压缩空气混合，带来更理想的油气混合及更高的压缩比，使燃烧过程更充分。

②燃油消耗下降，而且车辆动态响应更迅速，中速加速性能更强。

4.什么是SOHC与DOHC技术？

（1）定义

1）SOHC（Single Overhead Camshaft）是指单顶置凸轮轴发动机。如图1-3所示，它在气缸盖上用一根凸轮轴直接驱动进、排气门，适用于高速发动机。

2）DOHC（Double Overhead Camshaft）表示双顶置凸轮轴发动机，一般每缸有多个气门，普遍是4气门（即2个进气门和2个排气门），如图1-4所示。

图1-3 单顶置凸轮轴发动机

图1-4 双顶置凸轮轴发动机

（2）优缺点SOHC结构简单，维修容易，而DOHC结构复杂但控制更精确，点火控制更好，目前DOHC相对SOHC应用更为广泛。

5.什么是多气门技术？

多气门是指每个气缸有超过两个气门的技术。采用最多的是2进2排的4气门，也有3进2排的5气门，如图1-5所示。与传统的每缸一个进气门和一个排气门的发动机相比，多气门技术大幅度提高了发动机的吸气、排气效率。

图1-5 3进2排的5气门发动机

6.什么是废气再循环技术？

（1）定义 废气再循环技术的英文为Exhaust Gas Recirculation，它是针对发动机排气中有害气体之一的氮氧化合物NOx所设置的排气净化装置。

（2）结构特点 发动机控制单元即ECU根据发动机的转速、负荷（节气门开度）、温度、进气流量、排气温度控制电磁阀适时地打开，进气管真空度经电磁阀进入EGR阀真空膜室，膜片拉杆将EGR阀门打开，排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧。

学习提示：当发动机在怠速、低速、小负荷及冷机时，ECU控制废气不参与再循环，避免发动机性能受到影响；当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时，ECU控制少部分废气参与再循环，而且参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同，以使废气中的NOx最低。

7.什么是可变进气系统技术？

（1）定义 可变进气系统技术简称VIS（Variable Intake System），它是根据发动机不同转速的转矩需求，控制VIS阀的打开或关闭，从而调整进气歧管路径的长短。与传统的进气系统相比，VIS可提高发动机的最佳进气效率，提升发动机动力性。它主要应用于丰田、大众等车系中。

（2）结构特点 可变进气系统技术有效改变进气歧管的长度，有效控制进气气流在进气道中的流动惯性，使气流的流动压力波的频率和进气门的频率在不同工况下适时吻合，从而最大程度保证发动机在任何工况达到最佳充气效率状态。

学习提示：当发动机转速小于4500r/min，VIS不起作用，VIS阀门关闭，气流路径较长；当发动机转速大于4500r/min，VIS起作用，VIS阀门打开，气流路径较短。

8.什么是可变配气相位技术？

（1）定义 可变配气相位技术是指进、排气门开闭时刻和开启持续时间随发动机工况的变化而改变，从而提高了发动机充气效率。

（2）结构特点 进气配气相位为180°+进气提前角α+进气迟后角β；排气配气相位为180°+排气提前角γ+排气迟后角δ，如图1-6所示。

图1-6 可变配气相位

学习提示：

①进气提前角α为10°～30°。

②进气迟后角β为40°～80°。

③排气提前角γ为40°～80°。

④排气迟后角δ为10°～30°。

⑤气门重叠角为α+δ。

9.丰田VVT-i系统的结构与原理如何？

（1）VVT-i定义 VVT-i是Variable Valve Timing-intelligent的缩写，其含义是智能正时可变气门控制。与传统的配气系统相比，VVT-i可根据发动机的状态控制进气凸轮轴，通过调整凸轮轴转角对配气时机进行优化，以获得最佳的配气正时。

学习提示：VVT-i主要作用是提高了进气效率，实现了低、中转速范围内转矩的充分输出，保证了各个工况下都能得到足够的动力表现。

（2）VVT-i的结构与原理 如图1-7所示，VVT-i系统由VVT-i控制器、凸轮轴正时机油控制阀和VVT传感器三部分组成，它主要是由发动机ECU发出控制指令，控制凸轮轴正时控制阀开启或关闭，然后通过VVT-i控制器内部油压的作用实现配气正时的改变。

图1-7 VVT-i的结构与原理

10.VTEC系统的结构与工作原理如何？

（1）VTEC定义 本田VTEC（Variable Valve Timing＆Lift Electronic Control System）即电子控制可变气门正时控制系统，当改变气门升程时，气门正时与气门重叠角随之改变。

（2）VTEC结构与工作原理 VTEC主要由凸轮轴、主摇臂、中间摇臂、次摇臂、主同步活塞、中间同步活塞、次同步活塞等部件组成，如图1-8所示。VTEC工作原理及过程如图1-9所示。普通的发动机配气相位和气门升程固定不变，无法适应不同转速下发动机对进排气的需求，而采用VTEC系统，无论是高转速还是低转速，发动机都能获得最佳的配气相位。

图1-8 VTEC结构

图1-9 VTEC工作过程

学习提示：

①当发动机在中低速工作时，控制系统控制主、次摇臂与中间摇臂分离，利用两侧的低速凸轮驱动主、次摇臂，压动气门开启。中间摇臂在弹簧的作用下与中凸轮一起转动，但此时由于没有油压作用于同步活塞，所以中间摇臂与气门的开闭无关。

②当发动机高速运转时，控制系统使摇臂内部的液压活塞沿箭头方向移动。此时主、副及中间摇臂在同步活塞的作用下连成一体，均由中凸轮来驱动，从而获得高功率所需的配气正时和气门升程。

图1-10 PCV结构与工作原理

1—PCV阀 2—PCV阀软管 3—至节气门体 4—至进气歧管 5—曲轴箱通风软管

11.PCV系统的结构与工作原理如何？

（1）PCV定义 PCV是英文Positive Crankcase Ventilation的缩写，中文的意思是曲轴箱强制通风控制系统。它的功用是将曲轴箱内的窜气导入发动机燃烧室燃烧，以免活塞和气缸壁之间的窜气逸入大气中，造成环境污染。

（2）PCV结构与工作原理 PCV装置主要由通气软管、PCV阀组成，如图1-10所示。通气软管一条接通空气滤清器至节气门体，另一条接通PCV阀至进气歧管。

学习提示：PCV系统的工作过程：经空气滤清器过滤的新鲜空气进入曲轴箱内，与窜气混合后，由PCV阀控制，再经进气歧管进入燃烧室与可燃混合气一起燃烧。

12.什么是EVAP系统？

（1）定义 EVAP系统是指燃油蒸发控制系统，它的主要功用是存储燃油系统产生的燃油蒸气（HC），然后适时地送入进气歧管，与正常混合气混合后进入发动机燃烧，使燃油得到充分利用。此外，还可以降低油耗，减少环境污染。

（2）EVAP系统结构 EVAP系统一般由活性炭罐、EVAP炭罐净化阀、燃油箱盖、蒸气分离阀和管路等组成，如图1-11所示。

图1-11 EVAP系统结构

（3）EVAP系统工作原理 来自燃油箱内的燃油蒸气（HC），经油箱管道进入活性炭罐后，蒸气中的燃油分子被吸附在活性炭颗粒表面，活性炭罐有一个出口，由软管与发动机进气歧管相连。软管的中部设一个EVAP炭罐净化阀，它由发动机控制单元ECU发出指令控制净化阀的通断，来控制管路蒸气。

13.什么是智能双火花塞顺序点火技术？

（1）定义 智能双火花塞顺序点火技术，简称I-DSI（Intelligent Dual Sequential Ignition），即将1个气缸采用1个火花塞控制点火的方式改为在1个气缸上安装2个火花塞，并分别设在进气侧和排气侧，如图1-12所示。

（2）I-DSI系统的主要功能 ECU根据发动机转速及进气歧管压力来控制进排气侧火花塞的点火相位。

图1-12 双火花塞结构

学习提示：

①当怠速时，两火花塞同时点火可以加快燃烧速度降低油耗。

②当低速、低负荷时，燃烧室内温度较低的进气侧先点火，以促进燃烧，降低油耗。

③当低速、大负荷时，进气侧为点火提前角、排气侧为点火延迟角，增大扭力，防止爆燃。

④当高速时，两火花塞同时点火可以加快燃烧速度提高功率。

（3）优点 I-DSI缩短了燃烧室内火焰传播的时间，并能急速燃烧，降低了发动机爆燃的倾向，提气缸高压缩比，实现了高输出功率、高输出转矩及低油耗的统一，主要应用在飞度和思迪轿车上。

14.电子节气门的结构与工作原理如何？

（1）结构 电子节气门一般由节气门位置传感器、节气门执行器、节气门控制ECU、加速踏板位置传感器等组成，如图1-13所示。

图1-13 电子节气门结构

（2）工作原理 加速踏板位置传感器将驾驶人需要加速或减速的信息传递给发动机ECU，ECU根据得到的信息，计算出相应的最佳节气门位置，发出控制信号给节气门执行器，由节气门执行器将节气门开度控制在计算出的最佳节气门位置。

学习提示：ECU通过与其他电子控制单元进行通信，并根据得到的节气门位置传感器、发动机转速传感器、车速传感器等送来的信号对节气门的最佳位置进行不断修正，使节气门的开度达到理想的位置。

（3）优缺点 电子节气门相比传统节气门更省油，能更加精准地控制燃油喷射量，但电控系统结构复杂，不便于故障诊断与维修，目前主要应用于中高级豪华轿车上。

15.电子气门技术结构与工作原理如何？

（1）定义 电子气门技术就是电子气门调节系统，英文为“Valve Tronic”，主要依靠电子控制进气阀门开启的深度来控制进气量。

（2）结构与工作原理 电子气门主要由直流电动机、位置传感器以及气门组件等组成，如图1-14所示。当踩下加速踏板时，信号以电子、数字方式传送给了发动机阀门上端的直流电动机。当直流电动机接到信号后会作适度转动，经由一套额外加的摇臂、控制杆、偏心凸轮等部件，然后改变进气阀门开启的深度来实现气门调节功能。

学习提示：当加速踏板位置越大，进气阀门便开得越深，相应进气量增大；当加速踏板位置越小，进气阀门便开越浅，相应进气量减小。

图1-14 电子气门结构与工作原理

（3）优点 在传统的发动机上，输出功率的控制几乎完全依靠节气门对进气进行“节流”而实现，而电子气门技术能够确保发动机燃油利用率和响应速度达到最佳状态，提高了发动机运转平稳性，主要应用于宝马轿车中。

16.发动机起停系统的功用与工作原理如何？

（1）功用 发动机起停系统（Start-stop System）的功用是最大限度地减少发动机怠速时燃油的损耗，避免能源的浪费，同时还起到降低排放的作用，主要应用于风神S30、长安CX30、中华530混合动力轿车中。

（2）工作原理

1）手动档车型。当车辆处于怠速状态时，发动机自动关闭，而需要重新起动时，驾驶人直接踩离合踏板，发动机将自动起动。如图1-15所示，以车辆过红绿灯为例说明起停系统工作顺序。

学习提示：当车辆遇到红灯减速停车时，将变速杆换入空档，此时再抬起离合器，当车轮转速传感器显示为0，并且蓄电池传感器显示有足够电量可以进行下一次起动时，行车电脑即会自动停止发动机工作；当准备继续前行时，只要踩下离合踏板，系统中的“起动停止器”电动机就会快速将发动机起动，进入正常行车状态。

2）自动档车型。在车辆行驶中只要直接踩下制动踏板，车辆完全停止大概2s后发动机就会自动熄火，一直踩着制动踏板，发动机就会保持关闭。只要一松开制动踏板，或者转动转向盘，发动机将自动起动。

图1-15 手动档车型起停系统工作顺序

17.发动机停缸技术的原理是什么？

（1）定义 当发动机部分负荷时，切断部分气缸的供油而使工作气缸的负荷提高，以改善发动机性能的技术称为停缸技术。

（2）工作原理 发动机停缸技术的原理是在发动机处于中低负荷情况下，控制系统使部分气缸停止工作；当需要大功率时，控制系统则让全部气缸工作。下面以本田开发的VCM技术说明停缸技术。

VCM通过VTEC系统关闭进、排气门，以中止特定气缸的工作，与此同时，由动力传动系控制模块切断这些气缸的燃油供给，如图1-16所示，它通过一套液压装置来驱动链接的气门摇臂的断开或结合来实现。

图1-16 VCM结构

学习提示：实现停缸的方法有三种，第一种仅仅停止供油；第二种停止气门运动和断油；第三种断油的同时引入工作缸的废气到不做功的气缸内。目前主流停缸方式是关闭进排气门和切断燃油喷射。

（3）优点 发动机停缸技术能够在气缸与气缸之间实现不同的工作模式，保证动力性的同时，使燃油利用率和排放净化性能达到最佳水平，主要应用在凯迪拉克、克莱斯勒及广汽本田雅阁3.5L等系列轿车中。

18.混合动力汽车的结构与工作原理如何？

（1）定义 混合动力汽车（英文为Hybrid Electric Vehicle，缩写为HEV）是指车上装有两个以上动力源，如蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机。

学习提示：目前混合动力汽车一般是指内燃机，再加上蓄电池的汽车。

（2）结构与工作原理 混合动力动力汽车主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等系统构成，具体部件分布如图1-17所示。

HEV采用发动机-发电机和电动驱动系统，发动机的动力保证HEV正常行驶时所需要的基本动力。电动驱动系统作为辅助动力，一般在车辆起动、加速和爬坡时起作用。此外还能起发电机的作用，使发动机的动能转换为电能，储存到电池组中。

图1-17 HEV结构与原理

（3）优点 与汽油发动机相比，HEV的发动机能一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量更低，目前主要应用于途锐、凯美瑞、思域、宝马7系和X6等高级轿车中。

19.燃料电池汽车工作原理如何？

（1）定义 燃料电池汽车（英文Fuel Cell Vehicles，缩写为FCV）是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能获得。燃料电池技术目前已在本田和丰田汽车中应用，是新一代汽车的发展趋势。

（2）FCV工作原理 FCV工作过程主要分为加速、制动、负载功率过小三种状态，其原理如图1-18所示。

学习提示：

①加速状态：在驾驶人踩下加速踏板状态下，对应于峰值功率指令，燃料电池系统与峰值电源两者都向电动机驱动子系统供给牵引功率。

②制动状态：在驾驶人踩下制动踏板状态下，电机运行于发电机状态，将部分制动能量转换为电能，并储存在峰值电源中。

③负载功率过小状态：当负载功率小于燃料电池系统的额定功率时，峰值电源也能从燃料电池系统补充、恢复其能量。

图1-18 FCV工作原理

20.太阳能汽车结构和工作原理如何？

（1）定义 太阳能汽车（英文Solar Energy Automobile）就是利用太阳能作为能源行驶的汽车，具有节能、安全、环保的特点。

（2）结构和工作原理 太阳能汽车主要是由太阳能电池板、储能装置和电机三大系统组成，其结构和工作原理如图1-19所示。光照射在电池板上产生电流，通过峰值功率跟踪仪以及蓄电池的充电控制器输送至蓄电池存储或直接送给电动机工作，然后驱动汽车行驶。

学习提示：

①太阳能汽车在行驶过程中，日照条件比较好时，电能将直接输送给电动机驱动太阳能汽车，同时将剩余的电能通过蓄电池充电控制器送给蓄电池储存备用。

②如果日照条件不佳，太阳能汽车将使用蓄电池中存储的电能和太阳能电池产生的电能共同驱动电动机工作。

③太阳能汽车停止时，电能全部用于蓄电池存储。

图1-19 太阳能汽车结构和工作原理

（3）优点 太阳能汽车以光能代替石油，可节约有限的石油资源。太阳能电池板能把光能转换为电能自动存储在蓄电池中。目前太阳能汽车已引起人们的极大重视，并将在今后得到迅速的发展。