第一章：汽车发动机新技术
论述可变气门正时技术。
可变气门定时技术(Variable Valve Timing，VVT)指的是发动机气门升程和配气相位定时可以根据发动机工况作实时的调节。VVT 技术可分为3种：可变相位技术，可变升程技术，以及可变相位和升程技术。代表性的VVT 技术是本田公司的VTEC、丰田公司的VVT-i以及宝马公司的Valvetronic技术。
连续可变气门定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有效压缩比的目的，从而使发动机在中小负荷时有优异的热效率。可变气门技术也可使汽油机排放品质达到更好的水平。发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。它的特点是在大幅提高了燃油的经济效率的同时增加发动机的功率。但对油品的要求十分苛刻。
燃油缸内直喷技术的原理是什么？
直喷式发动机的原理：直喷式发动机(缸内喷注式汽油发动机)与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置；GDI装置引进了柴油机直接将柴油喷入缸内的理念直接在缸内喷射汽油，利用缸内气体流动与空气混合组织形成分层燃烧。汽油直喷入缸内有利于汽油的雾化，使汽油和空气更好的混合，燃烧更为完全。另外进气管道中没有狭窄的喉管，空气流动的阻力小，充气性能好，因此输出的功率也较大。喷油嘴喷油后大部分油雾都集中在活塞的凹坑中，靠进气系统形成涡流带动油雾在缸内形成混合气，与周围的稀区形成分层气体，虽然混合比达到40:1，但高压旋转喷射器喷射出雾状汽油，在压缩冲程后期的点火前夕，被气体的纵涡流融合成球状雾化体，形成一种以火花塞为中心，由浓到稀的层状混合气状态，聚集在火花塞周围的混合气很浓厚，很容易点火燃烧。这种形式与直喷式柴油机相似，因此有人认为缸内喷注式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。
缸内直喷汽油机稀燃技术的原理：缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术分为均质稀燃和分层稀燃两种燃烧模式。中小负荷时。在压缩行程后期开始喷油，通过与燃烧系统的合理配合。在火花塞附近形成较浓的可燃混合气。在远离火花塞的区域，形成稀薄分层混合气；大负荷及全负荷时，在早期进气行程中将燃油喷人气缸。使燃油有足够时间与空气混合，形成完全的均质化计量比进行燃烧。另外，也有采用分段喷油技术分层混合气，即在进气早期开始喷油，使燃油在气缸中均匀分布，在进气后期再次喷油，最终在火花塞附近形成较浓的可燃混合气，这种将一个循环中的喷油量分两次喷人气缸可以很好的实现混合气的分层。
什么是HCCI技术？其有什么优势？
HCCI是一种火花点燃式发动机和压缩点燃式发动机概念的混合体，是一种预混合燃烧和低温燃烧相结合的新型燃烧方式：在进气过程形成均质的混合气，当压缩到上止点附近时均质混合气自燃着火。由于不受燃油和氧化物分离面处混合比的限制，也没有点火式燃烧的局部高温反应区，使得NOx和微粒(PM)排放很低，而且具有较高的热效率。将压缩点燃式发动机改装成HCCI的主要目的是减少氮氧化物和微粒物排放 将火花点燃式发动机改装成
HCCI的目的是减少部分负荷时的燃油消耗．就是减少泵气损失。HCCI发动机为预混合均质压缩点火燃烧，是一种从优化燃烧的角度来降低NO 和碳烟排放的新燃烧理论与技术。其燃烧模式是在进气及压缩过程形成均质混合气，当活塞压缩到上止点附近时，均质混合气自燃着火。
优点：从HCCI燃烧方式看，HCCI发动机可以同时综合火花点火发动机(SI)和直接喷射压缩点火发动机(DI)的优点，同时避免它们的缺陷，即HCCI燃烧可以同时实现降低排放和达到高热效率的目的，这与传统控制排放方法相比，实现了很大进步。表1-5所示为三种燃烧方式的发动机比较。
表1-5 三种燃烧方式的发动机比较
比较内容 燃料 过量空气系数 混合气形成方式 稀薄燃烧 点火方式 点火系统 燃烧方式 节气门 扭矩调节方式 压缩比 火焰 压缩终了温度 燃烧温度 理论循环 泵气损失 向气缸散热 热效率 燃油经济性 NOx PM HC CO 燃烧起点控制 燃烧剧烈程度 点燃式发动机 汽油等 1左右 喷射-均质 否 点燃 有 预混合燃烧 有 变量调节 较低 有 较低 较高 等容加热 较高 较多 低 低 高 低 高 高 点火定时 较小 压燃式发动机 柴油、乙醇、天然气等 1.6～2.2 喷射-浓稀 是 压燃 无 扩散燃烧 无 变质调节 较高 有 较高 局部较高 混合加热 较低 较少 高 高 高 高 低 低 喷油定时 较大 HCCI发动机 均可，范围更广 范围更广 均质 是 续上表 压缩自燃 无 同时着火 无 变质调节 较高 无明显火焰前锋 较高 相对低温 等容加热 较低 较低 高 高 低 低 高 高 综合控制 较大
1、超低的氮氧化物和碳烟排放
造成传统柴油机NOx和碳烟排放较高的原因主要是传统柴油机燃烧存在高温区，即在火焰前锋高温区容易产生N排放，在火焰内部高温区由于缺氧容易产生碳烟排放。而HCCI发动机为稀薄燃烧，所以不存在缺氧情况，因而可有效降低碳烟排放；同时HCCI发动机燃烧为预混合均质压缩点火燃烧，即燃烧室内部混合气为均质混合气，在活塞压缩作用下燃烧室内多点同时着火，减少了火焰传播距离和燃烧持续期，避免了高温区的产生，可大大减少NOx排放。众多研究者通过实验确认，HCCI发动机在部分工况下燃烧的NOx排放相对DI发
动机可降低。
2、燃烧热效率高
由于HCCI发动机采用压缩自燃，因而可以大大提高压缩比，从而提高其燃烧效率。另外，压缩点火方式避免了SI发动机的节流损失，其热效率与SI相比更显优势。热效率的提高来源于以下3方面。图1-24所示为HCCI发动机和直喷式发动机放热效率曲线图，在一定工况下，放热效率接近奥托循环，而且没有高温区和不发光的燃烧，热损失较小。
(1)减小了节流损失
HCCI发动机对负荷的控制是通过调节燃油喷射量、改变空燃比来实现的，因此它可以减少节气门带来的节流损失。
(2)提高了压缩比
常规汽油机由于空燃比限制在化学计量比附近，其压缩比不能太高(8～12)，否则容易出现爆燃。HCCI发动机工作混合气较稀，如采用汽油作燃料可以在过量空气系数为3～9的范围内进行稳定燃烧，为了实现压缩自燃，必须采用高压缩比(12～21)，与直喷柴油机相近)。高压缩比意味着高的指示效率。
(3)缩短了燃烧持续期
HCCI是多点同时着火，火焰不需要在整个气缸内传播，使燃烧持续期缩短。较短的燃烧持续期使得HCCI发动机在燃烧效率上具有优势。
HCCI NOx/(g/kW·h) 放热速率直喷式柴油机 采用EGR的直喷柴油机 HCCI 阐述可变压缩比技术的优缺点。
可变压缩比技术有以下5个优点：
(1)提高了发动机的热效率，很大程度上改善了发动机的燃油经济性。这是可变压缩比技术对发动机最大的好处。采用VCR后，无论是何种工况，发动机总在爆震限制条件下工作，获得最佳热效率。
(2)适合于多元燃料驱动
可变压缩比使得汽油机在所用燃料种类方面非常机动灵活，因为可变压缩比汽油机总是以最适合于所选用的燃料的压缩比工作。如果可变压缩比汽油机采用其辛烷值超过汽油的燃料工作，那么上述优点就会变得更大。例如，甲醇是一种经常被用来代替汽油的代用燃料，其马达法辛烷值为88，而研究法辛烷值为108。因此，在高转速下，甲醇达到了实际上跟汽油相同的抗爆震性；而在低转速下则相反，它的抗爆震性远远超过汽油。可变压缩比汽油机概念能够充分利用这种高抗爆震性，更好地利用燃料的能量。
(3)有利于降低排放
为了使催化转化过程能够顺利地进行，三效催化转化器必须达到400℃左右的工作温度。冷发动机起动后需要经历一段所谓的“起燃时间”才能达到这一温度，大约是1至2分钟。在起燃时间尚未结束之前，三效催化转化器对排放的净化转化作用十分有限。采用可
/(KJ/。直喷式柴油机 CA) 曲轴转角/°CA 负荷/%
图1-24 规范化放热曲线 图1-25 NOx排放曲线比较图
变压缩比汽油机概念，与推迟点火一样，能够降低热效率进而提高单位排量的废气热流量，迅速地加热三效催化转化器，就可以缩短起燃时间，明显地降低冷起动和暖机阶段排放。在部分负荷工况，针对HC随着压缩比增大而升高的现象，一方面，由于本概念可以接受较大的排气再循环率，因而能够更多地降低NOx排放；另一方面，在较高负荷下通过提高压缩比能够提高热效率，增大扭矩，可以部分地替代混合气加浓的程度，因而降低对混合气加浓的要求，这样就可以扩大闭环控制的工况范围，进一步降低有害物质CO和HC的排放。
(4)提高运行稳定性
传统的固定压缩比汽油机在冷机怠速阶段为了加热三效催化转化器，要大幅度地减小点火提前角以降低热效率。这样一来就会明显地降低扭矩，有可能使得发动机运行不稳定。在全负荷工况为了减少增压汽油机的爆震倾向性也要依靠减小点火提前角。但是，过多地减小点火提前角会导致扭矩过多地下降，使得发动机运行不稳定。
可变压缩比汽油机可以先通过减小压缩比在一定程度上降低热效率，然后根据实际的转速变动情况在较小范围内调节点火提前角，使得发动机在冷机怠速和全负荷时平稳地运行。另外，通过提高压缩比可以提高扭矩，抵消高的排气再循环率给发动机运行带来的负面效应。
(5)实现发动机的小排量，结构更紧凑，比质量更高。 可变压缩比技术存在的问题如下（缺点）：
(1)VCR发动机一般都结构复杂，通常需要对发动机结构进行大幅改变，有时加工困难。如何简化机构以在有限的空间里实现理想的效果是需解决的一个问题。
(2)那些新增的控制及辅助机构等可活动零部件导致了振动、摩擦损失和磨损的增加，也使发动机质量增加，这些大质量体的移动需要耗费很大一部分能量。
(3)适时准确地改变发动机的压缩比，需要相应的高精度控制设备，匹配难度大。
(4)密封性问题。当压缩比过高时，漏气会耗损发动机的动力，并导致发动机机体等零部件的故障。若过多的混合气漏人曲轴箱内，会引起润滑油的变质。
简要论述柴油机电控高压共轨燃油喷射系统的原理。
电控高压共轨燃油喷射系统共轨管中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定，其大小由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连续压力调节。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程，喷油量的大小取决于共轨管中的油压和喷油器电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性。工作时，该系统将共轨管内形成的恒定高压燃油，通过高压油管分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁阀的开启与闭合，控制喷油器定时、定量地将燃油喷射至燃烧室。
采用共轨油管把高压油泵输出的燃油积蓄起来，通过各高压油管送到每个喷油器。喷油过程由ECU根据工况控制执行器完成，它通过高速电磁阀实现对预喷油量、主喷油量、预喷间隔、喷油正时以及喷油速率的柔性控制和精确控制。
共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至燃烧室的油量，从而保证达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。
预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷人气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。这样，缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和。同时，缸内温度降低使得NOx排放减少。预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。
主喷射初期降低喷射速率，也可减少着火延迟期内气缸内的油量。提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间，从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。
第二章：汽车传动系统新技术
1、典型的CVT结构有哪几种？并论述各自的特点。
无级变速传动(Continuously Variable Transmission，CVT)指无级控制速比变化的变速器。它能提高汽车的动力性、燃料经济性，驾驶舒适性，行驶平顺性。电控的CVT可实现动力传动系统的综合控制，充分发挥发动机特性。
(1)液压式。它与液力传动同属流体传动，其区别在于：它是依靠液体压能的变化来传动或变换能量，是用工作腔的容积变化进行工作的。液压元件主要是液压泵与液压马达，有液压车轮马达与液压驱动轴两种。它的优、缺点除与液力式类同外，还有液压元件不适应汽车高转速、高负荷和转速变化频繁、振动大等不利的工作条件，故仅在推土机、装载机上有所应用，汽车上应用较少。
(2)电动式。发动机作为动力装置的优点很多，但在部分负荷时效率低并产生有害排放而导致了电传动的发展。为了适应与给定的电动机匹配，有的用单速变速器(与异步电动机共同工作)，有的需两挡以上(与永磁同步电动机配合)，而有的则要多挡(与直源串绕电动机匹配)，以达到设计的性能。纯电传动虽有零污染与低噪声的突出优点，但储存于电池中的可用能量行驶范围有限，除在高能镍、钠、锂基等电池及燃料电池方面继续研究外；也有采用发动机与电源的复合驱动方案，起步或加速时使用电动机作辅助动力，改善加速性能；在城市行驶时可多用电驱动，以克服发动机污染严重的问题；而在郊区以外，则多用发动机与传统驱动方式配合行驶。这种复合驱动既利用了一种能源具有高功率的优势，又发挥了另一种能源有良好的储能容量，在汽车减速和制动时可回收能量。
(3)机械式。因为是通过摩擦传递转矩，故总有打滑的危险。进而在接触面产生高温而磨损。它经历百余年的改进、提高，目前也仅金属带或链带式及牵引环式有实用价值。
1)带式CVT
带式CVT用挠性的带或链与带轮的摩擦力传递动力。人们首先应用的是橡胶带式，它装用于DAT公司的微型乘用车及Volvo 340系列乘用车上，但因传递功率容量低，而被橡胶与金属带、金属带及链带等形式所取代。其中又以VDT(Van Doorne’s Transmission)的金属带最为成功。除这类湿式带外，最近由树脂和铝合金等构成的干式带也问世，它用直流电机控制，其特点是：起步由定传动比的齿轮，即副传动路线来传递动力，保证起步性能；当达到规定车速时，再变换到由带传动确定的主传动路线。
2)链式CVT
链式CVT是带的另一种形式，类似自行车的链条，它由3部分组成：内连接片、压板连接片和连接它们的浮动销，销相互滚动，使链条在弯曲时摩擦力小，且具柔性。销的表面被冲压，以使其与轮的接触随旋转半径的减小而从上移到下，使链表面保持磨损稳定。链轮表面的沿轮向凸起是防止链因摩擦系数下降而打滑。链可不必有固定周节，从而消除纯音色，有利于降低噪声。另外，它比带式CVT简单价廉。
3)摩擦式CVT
它是以刚性转动体接触的摩擦力传递动力，形式多样，其中以Toroidal最优。它具有良好的动态响应性能，且能从正转过渡到反转，因此它无须前进离合器和正反转运动的切换机