汽车动力总成现代技术.html.pdf

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1、丛书总序 作为国家中国制造2025战略部署的主要支点之一，汽车业持续、快速、健康的发展将为实现中国制造业强国目标奠定 坚实的基础。面对中国汽车产业大而不强的现状，自主品牌汽车产业的发展壮大时不我待。重庆自主品牌汽车协同创新中心，依 托国家“2011计划”，立足于重庆地区汽车产业的资源和优势，以我国自主品牌汽车发展重大需求为牵引，以体制机制创新为 手段，探索我国汽车自主品牌的发展模式。中心面向国内自主品牌汽车产业，重点开展培养高端人才，汇聚优秀团队，研发核心 技术，推广产业应用，整合优势资源，搭建交流平台等工作。重庆自主品牌汽车协同创新中心瞄准“节能环保、安全可靠、智能 舒适”的国际汽车三大发展

2、趋势，凝练学科发展方向，汇聚创新资源和汽车及相关领域的优势学科群，建立了全面涵盖汽车行业 研究领域的创新团队。 为了满足汽车领域人才培养的多学科交叉性、行业化、工程化和国际化需求，重庆自主品牌汽车协同创新中心委托中心特别 顾问、福特汽车亚太区技术总监韩维建博士作为本套“汽车工程专业系列丛书”的主编，组织多位具有多年国际知名汽车公司研 发工作经验的专家和国内一线汽车领域的专家组成编写团队，立足汽车行业现有先进技术，紧跟国际前沿，把握创新特点，遴选 汽车领域最新技术成果及发展方向，编写本套丛书。本套丛书的出版将为中国汽车领域高层次人才培养提供支撑。 书籍是知识传播的介质，也是人才培养及创新意识传承

3、的基础。正如重庆大学建校宣言“人类之文野，国家之理乱，悉以人 才为其主要之因”所阐释的，本套丛书秉承重庆自主品牌汽车协同创新中心人才培养方针，主要面向高校汽车相关学科的本科及 研究生教学，同时也可为汽车行业工程人员提供参考。相信本套丛书会对我国汽车领域学科及行业产生积极良好的推动作用。 重庆自主品牌汽车协同创新中心主任 自序 中国的汽车产业发展迅速，已经成为我国国民经济的支柱产业之一。随着家庭平均汽车保有量的迅速增长，汽车给整个社会 带来的能源、环境、交通和安全的压力日益加大。尽管汽车在轻量化、电动化、排放控制技术和安全技术方面已经有了长足的进 步，尤其是近几年互联网和通信技术在汽车的独立驾驶

4、和智能化方向提供了极大的发展和创新的空间，但诸多的发展给汽车产业 带来无限的挑战和机遇。因此，行业的快速变化亟需培养一大批不仅懂专业技术，更熟悉跨界知识的创新型人才。 重庆大学汽车协同创新中心认识到人才培养的迫切需求，组织我们为新成立的汽车学院编写一套教材。参与这套教材编写的 所有作者都身在汽车行业的科研和技术开发的第一线，其中大部分作者是近年海归的年轻博士。教材的选题经过专家在传统学科 和新兴学科中反复地论证和研讨，遴选了汽车行业面临紧迫挑战性的技术和话题。第一批教材有八本，包括汽车材料及轻量化 趋势汽车设计的耐久性分析汽车动力总成现代技术汽车安全的仿真与优化设计汽车尾气排放处理技术汽车 系

5、统控制及其智能化中国汽车二氧化碳减排路径和汽车制造系统和质量控制。 这套教材的一个共同特点就是与国际发展同步、内容新颖。编著者对于比较传统的学科，在编写过程中尽可能地把最新的技 术和理念包括进去，比如在编写汽车材料及轻量化趋势的过程中，不仅介绍了各种轻量化材料的特点和动向，而且强调了轻 量化材料的应用必须系统地考虑材料的性能、部件的加工方法和成本。有些选题针对汽车行业发展的新的技术动向，比如汽车 安全的仿真与优化设计主要介绍汽车安全仿真的模型验证和优化，这是汽车产品开发采用电子认证的必经之路；而汽车系统 控制及其智能化概括了汽车的主要系统及其控制，以及智能化技术在各个系统中的应用，这些都是汽车

6、自动驾驶的基础。 这套教材的另一个突出的特点是实用，比如一般汽车设计要求非磨损件的寿命是24万公里。汽车设计的耐久性分析着 重介绍了汽车行业用于耐久性分析的主要工具和方法，以及这些方法的理论基础。这是进行汽车整车和零部件寿命耐久性正向设 计的基础。随着环境保护的法规日益严格，汽车排放控制技术也在不断发展提高。汽车动力技术已经形成化石燃料到其他燃料的 多元化发展，汽车尾气排放处理技术和中国汽车二氧化碳减排路径介绍了排放控制技术的进程和法规实施的协调，以及 达到法规要求的不同技术路线。汽车质量一直是热门话题，也是一个汽车企业长期生存的关键问题之一。汽车制造系统和质量 控制介绍了现代汽车制造系统与质

7、量控制的基本概念和实践。 本套丛书不仅对汽车专业的学生大有裨益，也可以作为汽车从业人员和所有对汽车技术感兴趣者的参考读物。由于时间有 限，选题的范围还不全面。每本书的内容也会反映出作者的知识和经验的局限性。在此，真诚地希望广大读者提出意见，供我们 不断修改和完善。 推荐序 随着我国汽车工业的快速发展，先进的汽车设计理论和技术在车身开发中越来越受到重视。同时，汽车发展遇到了环保、能 源、交通等各个方面的诸多问题，在这种新形势下，从业者掌握和熟练运用核心设计技术显得尤为重要。 汽车的设计与制造是一个非常复杂的系统工程，需要考虑零件、子系统、系统，乃至整车等各个层面，综合运用材料科学、 能源科学、信

8、息科学和制造科学的相关知识、理论和方法。本套“汽车工程专业系列丛书”涵盖了汽车制造系统和质量、汽车动 力总成、汽车材料及轻量化、车身耐久性、汽车安全仿真与优化、汽车系统控制及其智能化、汽车尾气排放处理与二氧化碳减排 等多个方面的内容，涉及汽车轻量化、安全、环保、电子控制等关键技术。 本套丛书的作者既有在汽车相关领域工作多年、经验丰富的专家，也有学成回国、已崭露头角的后起之秀；内容安排上既有 适合初学者学习的大量基础理论知识，也融入了编著者在相关领域多年来的研究体会和经验，从中我们能充分体会到现代汽车技 术节能、环保和智能化的发展趋势。本套丛书结合大量实例，取材丰富、图文并茂。 本套丛书可作为汽

9、车设计的参考工具，也可作为车辆工程、机械工程、环境工程等专业研究生的专门教材及学习参考书。相 信该套书对于汽车行业相关领域的研究生、企业研发人员和科研工作者会产生重要的启发作用，特作序推荐。 上海交通大学 前言 作为汽车专业研究生的阅读材料，本教材将集中介绍汽车，特别是乘用车动力总成的历史沿革、原理构造、设计方法，以及 所依托的先进理论与分析手段。 与国内传统教材相比，本教材在众多前辈工作的基础上，以汽车动力总成的功能描述为出发点，进而解释内燃机的关键性能 指标、原理、设计方法，再通过介绍相关基础学科与开发方法，力图建立一幅动力总成的技术全景图。鉴于作者知识所限，本教 材以汽油机为主，介绍了内

10、燃机的主要性能参数，继而引出内燃机的工作原理，以及相应的设计理念与方法。此外，本教材亦试 图通过能源、经济与环境等社会因素的分析，解释汽车动力总成的历史、现状与未来之路。同时，本教材通过总结理论知识，并 结合若干工程应用，简单阐述了理论在工程实践中的应用。 本教材并不打算在具体的工程技术细节方面花费过多笔墨。关于这些内容，相信读者一定可以找到相关书籍，并且在实践当 中不断深化认识与应用。之所以如此安排，是希望理工科学生在专注研究工程技术的同时，能够从宏观层次来理解动力总成这一 人类历史的重要发明。21世纪，不但需要工程师，更加需要具备工程、经济、社会等综合视野的人才。本教材的目的在于抛砖 引玉

11、，为汽车相关专业研究生、工程师，以及从业人员开拓思路，提供帮助。 人类社会的进步离不开对历史的记录与学习，本教材的编写也离不开前人的工作与铺垫。在此，作者谨向那些为本教材提供 参考与素材的专家与同行，致以最诚挚的谢意！ 张亮 第一章 动力总成综述 按照传统理解，汽车动力总成，是一种将蕴藏于汽柴油的化学能转变为动能，进而驱动汽车运动的一种能源转换与利用装 置。通俗地讲，就是汽油机与柴油机这两种发动机，及其相应的变速箱系统。在实际的汽车产品中，由发动机输出的动力，就是 通过变速箱以及后续传动系统转化为驱动力的。 21世纪，科学技术日新月异，以往只能存在于人们脑海中或是图纸之上的设想与设计，都逐渐地

12、在现实中生根发芽，比如 混合动力、燃料电池、纯电动汽车等，都已经出现并且量产。这些人类社会的文明成果，必须依靠技术进步，同时又离不开商业 推动。虽然这些新技术、新方向，目前在数量上所占的比例很低，但在不同程度上改变了人们对动力总成的认识。人们逐渐认识 到，动力来源并不仅限于内燃机。鉴于作者本身经验以及篇幅限制，本教材将以汽油机为主，重点介绍乘用车动力总成。关于新 能源技术，本教材在后续若干章节亦会探讨。 第一节 动力总成的定义与构成 作为一种能源转换与应用装置，动力总成至少具备两项功能：一是能源转换，比如将化学能转换为机械能，这就是发动机的 一种典型应用；二是机械能的利用，必须使发动机输出的机

13、械能为车所用，这就必须考虑车辆的各种工作条件，比如不同的车 速、不同的载荷，以及不同的驾驶习惯，这就引入了传动系统的概念。 一般来讲，发动机在整车的位置可以分为前置、中置和后置三种；而车辆驱动方式则可以分为前轮驱动、后轮驱动与四轮驱 动等。这样就会产生不同的组合。从目前的市场来看，以前置前驱、前置四驱为主，一些高端车型也会采用其他组合形式。较为 典型的是前置前驱，如图1-1所示。其中，发动机横置，其动力经过变速箱，再通过左右半轴传递到车轮，进而驱动车辆运动。 这种前置前驱系统，可以称为最基本的布置方式。而更复杂的布置方式，比如前置四驱，如图1-2所示，是在变速箱后面添加一 个分动器，把变速箱输

14、出的动力分为两路：一路到前驱动半轴；另一路通过中间传动轴到后驱动半轴。四驱方案的好处在于通过 能力更强，满足了某些市场需求。当然，随着技术进步，传统的机械四驱方案也会逐渐走向电动化，比如机械前驱外加电子后驱 等方式。 图1-1 前置前驱 图1-2 前置四驱 所以，动力总成主要由发动机与变速箱组成，其功能在于将燃油的化学能转化为机械能，再通过合理地转换与分配，进而驱 动车辆，满足不同使用场景的需求。为简化问题，本教材在接下来的章节中，将重点讨论汽油机。 第二节 动力总成的发展简史 动力总成的历史，可以分为内燃机与变速箱两个部分。 最早出现的内燃机是以煤气为燃料的煤气机。1860年，法国人雷诺瓦尔

15、制成了第一台单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤 气机，输出功率为7401470W，转速约为100r/min，热效率为4%。法国工程师德罗沙认识到，要想尽可能提高内燃机的热效 率，就必须使单位气缸容积的冷却面积尽量减小，膨胀时活塞的速率尽量快，膨胀的冲程尽量长。在此基础上，他在1862年提 出了著名的燃烧循环四冲程：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气。1877年，德国人奥托制成了第一台单缸四冲程往复活塞式煤气 机，功率约为2210W，转速约为180r/min。在这台发动机上，奥托增加了飞轮，使运转平稳，把进气道加长，又改进了汽缸 盖，使混合气充分形成。这是一台非常成功的发动机，其热效率相当于当时蒸汽机的

16、两倍。奥托把三个关键的技术思想：内燃、 压缩燃气、四冲程融为一体，使这种内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点。在1878年巴黎万国博览会 上，它被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就”。等容燃烧四冲程循环由奥托实现，也被称为奥托循环。 煤气机虽然比蒸汽机具有很大的优越性，但在社会化大生产情况下，不能满足交通运输业所要求的高速、轻便的性能要求。 因为它以煤气为燃料，需要庞大的煤气发生炉和管道系统，而且煤气的热值低（1.751072.09107J/m3），故煤气机转速 慢、比功率小。到19世纪下半叶，随着石油工业的兴起，用石油产品取代煤气作为燃料已成为必然趋势。 1883年，戴姆勒和

17、迈巴赫制成了第一台四冲程往复式汽油机，安装了迈巴赫设计的化油器，用白炽灯管解决了点火问题。 以前内燃机的转速都不超过200r/min，而戴姆勒的汽油机转速一跃为8001000r/min。它的特点是功率大、质量小、体积小、 转速大和效率高，特别适用于交通工具。与此同时，本茨研制成功了现在仍在使用的点火装置和水冷式冷却器。 到19世纪末，四冲程往复活塞式内燃机进入了实用阶段，很快显示出巨大的生命力。内燃机在广泛应用中不断地得到改善 和革新，迄今已达到一个较高的技术水平。 在这100多年的发展历史当中，有两个重要的具有划时代意义的发展阶段：一是20世纪50年代增压技术在发动机上的广泛应 用；二是20

18、世纪70年代开始的电子与计算机技术在发动机研制中的应用，这两个发展趋势至今都方兴未艾。我们可以按照提高 汽油机的功率、热效率、比功率和降低油耗等主要性能指标的过程，来回顾一下汽油机在20世纪的发展历程，大致分为四个阶 段。 第一阶段是20世纪的最初20年，为适应交通运输的要求，以提高功率和比功率为主。采取的主要技术措施是提高转速，增 加缸数和改进相应的辅助装置。这个时期内，转速从20世纪的500800r/min提高到10001500r/min，比功率从3.68W/kg提 高到441.3735.5W/kg，这对提高负载能力具有重大的意义。 第二阶段是20世纪的20年代，主要解决汽油机的爆震燃烧问

19、题。当汽油机的压缩比达到4时，汽油机就发生爆震。美国通用 汽车公司研究室的米格雷和鲍义德通过在汽油中加入少量的四乙基铝，干扰氧和汽油分子化合的正常过程，解决了爆震的问题， 使压缩比从4提高到了8，大大提高了汽油机的功率和热效率。当时另一严重影响汽油机功率和热效率的因素是燃烧室的形状和 结构，英国的里卡多及其合作者通过对多种燃烧室及燃烧原理的研究，改进了燃烧室，使汽油机的功率提高了20%。 第三阶段是从20世纪20年代后期到40年代早期，主要是在汽油机上装备增压器。废气涡轮增压可使气压增至1.41.6个大气 压，为提高汽油机的功率和热效率开辟了一个新的途径。其真正的广泛应用，则是在20世纪50年

20、代后期才普及的。 第四阶段从20世纪50年代至今，可以这么讲，汽油机技术在原理重大变革之前已经发展近极致，结构越来越紧凑，转速越 来越高，缸内喷射、多气门技术、进气滚流、稀薄分层燃烧、废气再循环、三元催化等排放处理技术，点火正时、汽油喷射及空 燃比随工况精确控制等全面电子发动机管理等。这些技术在近年来成功研制并量产的缸内直喷汽油机（GDI）上得到了充分的体 现。有兴趣的读者可以自行研究。 变速箱作为动力总成不可获取的部分，最初的想法就是寻求如何将活塞的往复运动转换为旋转运动。尼古拉斯约瑟夫屈尼 奥于1769年将棘齿式的运动转换装置与蒸汽机结合，制造了一台三轮蒸汽机车，如图1-3所示。从此，变速

21、箱的历史就与所有发 动机的发展紧密地结合在一起了。1784年，詹姆斯瓦特获得了常啮合机构与齿轮的专利，并制造了采用牙嵌离合器接合的2挡 变速箱。自此，可变速度的传动装置诞生了。 手动变速箱（manual transmission，MT）出现的最早，又称机械式变速箱，必须用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿 轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。目前，主流的乘用车手动变速箱一般采用4个前进挡或者6个前进挡，外加1个 倒挡。 图1-3 棘齿式三轮蒸汽机车 自动变速箱（automatic transmissions，AT），则是在MT的基础上发展而来。最初由斯特蒂文特兄弟于1904年开发，具 有

22、两个前进挡。但是很遗憾，由于当时的冶金技术不过关，这款自动变速箱经常会毫无征兆地出现故障。1908年，可以说是自 动变速箱发展史的一个里程碑，亨利福特在T型车上采用了两挡变速箱，并且装备了采用行星齿轮的倒挡，尽管仍然需要驾驶人 员通过踏板来选取挡位，但从某种程度上讲，这款变速箱降低了对驾驶技巧的要求。1934年，GM开发了一款半自动变速箱 （semi-automatic transmission），仍然需要离合器来控制发动机与变速箱的啮合。与此同时，克莱斯勒则在研究利用液力耦 合的自动换挡装置，但从未应用。直到1939年，GM才正式第一次量产了名为“Hydra-Matic”的自动变速箱，并于1

23、940年装 备Oldsmobile和之后的Cadillac车。这款变速箱在之后的时间里大行其道，Bentley、Hudson、Kaiser、Nash、Rolls-Royce， 以及Lincoln等众多车型均使用过。为改善换挡品质，GM在1956年引入了“jetaway hydra-matic”自动变速箱，采用了两个 液力耦合器，其中一个解决发动机与变速箱的耦合，另一个则代替了离合器，这样的设计极大地改善了1挡和2挡的换挡品质， 但传动效率下降，结构更加复杂。在这之后，又出现了多种自动变速箱的液力耦合器设计方案。随着电子控制技术的出现与进 步，自动变速箱也变得越来越先进。2002年，采埃孚与宝马

24、在7系车上推出E65首款6速自动变速箱。2003年，梅塞德斯奔驰推 出7G-Tronic的7速自动变速箱。2007年，丰田在LexusLS460上应用8速自动变速箱。2014年，吉普Cherokee首先量产了世界 上首款9速自动变速箱。 双离合变速箱（dual-clutch transmission，DCT），最早于第二次世界大战前由法国人Adolphe Kgresse提出，但从未 开发。世界上最早的双离合变速箱开发，是在哈里韦伯斯特的指导下进行的，并且应用于Ford Fiesta Mk1、Ford Ranger以及 Peugeot 205，其主要特征是采用了一个干式离合器和一个多盘湿式离合器

25、。接下来，奥迪与保时捷在20世纪80年代开始将双 离合变速箱应用于赛车。2003年，大众开始在Golf车型上正式使用双离合变速箱。如今，双离合变速箱已经被众多品牌使用。 无级变速箱（continuously variable transmission，CVT），可以追溯到1490年达芬奇提出的概念。米尔顿里夫斯于 1879年发明了一种无级变速装置用于锯铣，并在1896年使用在他的第一台车上。在欧洲，戴姆勒与奔驰于1886年注册了第一个 车用摩擦带式无级变速箱（friction-based belt CVT）专利。美国则于1935年注册了环形无级变速器（toroidal CVT）。20世 纪50

26、年代，哈伯范多尼与其他人合伙成立了Van Doornes Automobiel Fabriek（DAF）汽车公司，设计并制造了名 为“Variomatic”的无级变速箱，用于1958年生产的DAF 600车型。之后，DAF公司的乘用车部门于1975年出售给了沃尔沃， 并在Volvo 340车上使用了无级变速箱技术，专利则转移给了Van Doorne Transmissie B.V.（VDT）公司，这家公司又于1995 年由罗伯特博世有限公司收购。 1987年，斯巴鲁在东京推出装备电子无级变速箱（electronic CVT）的Justy车型，随着技术的不断完善，这款车型产能不 断提高，并且于1

27、989年在美国开始生产。看到车型成功之后，斯巴鲁开始扩大CVT的应用，比如Outback、Forester等车型。 1987年，福特开始在Fiesta车型上使用钢V带无级变速箱，在欧洲成为主流的无级变速箱。20世纪90年后，日本的汽车制造商， 包括日产、本田、丰田都开始研制无级变速箱，并推出多款车型，比如1992年的Nissan March、2003年的Nissan Murano、 2008年的Mitsubishi Lancer、2010年的Suzuki SX4和Kizashi。 通用汽车公司于2002年开发了自己的CVT（VTi），并用于Saturn Vue和Saturn Ion车型。福特在

28、20世纪八九十年代曾在 欧洲销售过Escort和Orion车型，均使用了CVT。2005年，福特将CVT（CFT30）应用于Ford Freestyle、Ford 500、Ford Focus C-MAX以及Mercury Montego。2007年，道奇在Caliber、Jeep Compass和Jeep Patriot使用了CVT。2016年，FCA 美国分公司宣布2017款Chrysler Pacifica Hybrid Minivan将使用CVT，代替之前的9速自动变速箱。 奥迪则在2000年的时候，于奥迪A43.0L V6车型上使用了CVT技术。菲亚特于同期推出Punto（16V 8

29、0 PS ELX，Sporting）和Lancia Y（1.2L 16V）的CVT车型。宝马在2001年推出使用ZF生产的CVT的Mini车型。MG-Rover也推出了 同样使用ZF技术的CVT车型Rover 45和MG ZS。 综合来看，世界各大汽车厂商，对变速箱的研发投入了大笔资金和力量，各种技术层出不穷。在今后相当长的一段时间里， 仍然会保持MT、AT、DCT、CVT相互竞争的格局。无论如何，发动机与变速箱技术的出现与进步，与世界汽车工业的发展是不 可分割的。图1-4简要列出了过去100多年中推动汽车行业动力总成技术进步的若干重要事件，希望可以帮助读者理清脉络。 图1-4 近代汽车动力总

30、成重要事件 以福特汽车为例，1896年，亨利福特制造了一辆由一台4马力双缸内燃机通过链条驱动的四轮车Quadricycle，这辆车 的变速箱仅有两个前进挡和空挡，没有倒挡，最高时速约为32km/h，如图1-5所示。1903年，福特推出了A型车，采用了对置 双缸汽油机，行星齿轮手动变速箱，拥有两个前进挡和一个倒挡。1907年，福特汽车发布了划时代的产品，那就是T型车，如图 1-6所示。T型车之所以伟大，是因为这个产品是世界上第一次将流水线与汽车制造结合，大幅度提升了生产效率和产量，提高 了工人的收入，降低了零件和制造成本，极大地促进了汽车的普及。截至1927年停产时，T型车一共销售了1500万辆

31、，这个纪 录即使从今天来看，仍然是一个非常了不起的成就。1951年，福特推出O-Matic车型，首次装备了自动变速箱。20世纪80年代 早期，福特就已经开始研发双离合变速箱，最早的样车则是Fiesta Mk1和Ranger。2008年，福特在Focus和C-MAX量产车上运 用了“PowerShift”双离合变速箱。 图1-5 福特Quadricycle 图1-6 福特T型车 关于新能源汽车，福特早在1913年便开展了纯电动汽车的研究，由于当时条件限制而未能量产。19971999年，几个主要 的汽车制造商在美国加利福尼亚州开始推广纯电动汽车，包括本田的EV Plus、通用汽车公司的EV1和S-

32、10电动皮卡、福特的 Ranger电动皮卡，以及丰田的RAV4电动车。尽管首批试用者热情高涨，但这些电动汽车的尝试还是在随后的若干年间销声匿 迹。直到2004年，福特投放了混合动力车Escape，这是北美市场第一次出现混合动力的SUV车型。关于增程式的混合动力汽车 （Plug-in hybrid electric vehicle，PHEV），福特则于2012年在美国推出了商业化的C-MAX Energi车型。 关于内燃机的燃油喷射与燃烧，福特早在1983年就开发了多点气道喷射式（multi-port fuel injection，MPI）汽油机，应 用于Escorts、Mustangs和Thu

33、nderbirds车型。在1986年，这种汽油机就成为福特所有V6以及V8发动机的标配。而所谓稀薄 燃烧系统，福特在20世纪70年代，曾经开发了名为“PROCO”（PR Ogrammed Combustion）的稀薄燃烧发动机，并且有超 过115台的Crown Victoria车型装备了PROCO的V8发动机。但这个尝试很快就终止了，主要原因在于这个系统的电子控制还很 不成熟，稀薄燃烧所产生的氮氧化物也超过了EPA限值。受20世纪70年代末石油危机影响，油价高涨，PROCO系统又重新活跃 起来。但考虑到大环境的不稳定以及V8发动机的未来市场的不确定性，福特还是没有投入过多的力量。2001年，福

34、特欧洲开始 引入直喷汽油及技术。2003年，直喷式汽油机便用于Mondeo车型。2007年，福特开始推出EcoBoost发动机，包括四缸与六缸 机，采用了增压直喷技术。 第三节 动力总成的功能、要求与未来趋势 如前文所述，动力总成的功能可以概括如下。 1.动力总成包括了能源转换装置与机械能利用装置两大模块。 2.发动机作为一种典型的能源转换装置，承担了将化学能转换为机械能的主要功能。 3.变速箱作为机械能的利用装置，实现了发动机输出能源与实际使用工况的结合。 动力总成的发明与进化，永远是围绕着人们的实际生活需求而展开的，同时又面临着自然环境与资源的限制。纵观人类文明 的发展，从远古时代的刀耕火

35、种，到如今的核能利用，我们可以发现新能源以及利用方式，扩大了人类的活动范围，提高了人类 的生活质量，同时也增加了人类对大自然的影响。当前，人类面临的能源与环境问题，无疑是对人类滥用大自然通过千万年蕴藏 的资源的一种警醒。 因此，我们有充分的理由对动力总成提出各种各样的要求。从前文可知，汽车行业，特别是动力总成的相关研发工作，一直 致力于提高发动机的动力性能，降低发动机的能量消耗以及有害气体排放，这符合人类社会的发展需求，也为我们指出了未来的 发展趋势。国际清洁运输委员会（International Council on Clean Transportation，ICCT）对轻型车的燃油消耗与二

36、氧化碳 排放做过总结与预测，如图1-7与图1-8所示。 图1-7 轻型车燃油消耗历史变化与预测（CAFE） 图1-8 轻型车CO2排放历史变化与预测（NEDC） 综合起来，我们会发现，核心的要求有以下几点。 1.更加强大。随着人们对车辆性能要求的逐渐提高，比如更加舒适的操纵、更加人性化的功能、更加舒适的车内环境，包括 温度与空气质量，这都需要发动机输出更多的动力，以满足附加功能的实现。 2.更加高效。本教材主要讨论的动力总成，是以汽柴油作为“食物”。汽柴油作为二次能源，是以原油为原料，经过若干化 学过程提炼而来。地球上的化石能源，终将面临枯竭的一天。在寻找到新的能源以及利用方式之前，人类不得不

37、“省吃俭用”， 这就要求提高动力总成的能源转换与利用效率。 3.更加环保。伴随能源的开采与利用，各种污染物也应运而生，比如二氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物，以及颗粒排放物 等。这些污染物在不同层次影响着人类的生存环境。从宏观角度讲，二氧化碳一直是温室效应的主要贡献者。从微观角度讲，各 种机动车微量排放物则是城市污染的重要来源，严重威胁人类的身体健康。所以，我们也需要动力总成能够更加清洁地利用能 源。 此外，在实际的使用当中，我们还对动力总成提出了更多的要求，比如舒适性、操纵性、可靠性、保养维修、成本低廉等。 所有这些要求，都会体现在任何一项产品设计当中。需要牢记在心的，就是人类的任何一项活动，都

38、不是天马行空，人类必 须对自己负责，对未来负责。动力总成，作为20世纪最伟大的发明之一，概莫能外。 第二章 内燃机原理与设计 如前所述，内燃机是一部能量转换装置，需要把蕴藏于汽柴油的化学能转换为机械动能。这个过程，既是化学反应，又是机 械运动，同时由于化学反应会造成工作介质的成分、温度和压力的变化，再结合机械运动进而产生各种交变的温度与机械载荷， 较为复杂，是一个多学科结合的产品，因此有必要对内燃机的工作原理进行介绍。本章将首先介绍内燃机的主要性能指标与参 数，其次介绍内燃机的工作原理，进而引出内燃机的能量管理、运动学与受力分析。 第一节 内燃机性能指标与参数 内燃机性能包括动力性能、经济性能

39、、排放性能、可靠性、NVH性能以及工艺性等各个方面，涉及面很广。本节主要介绍 动力性、经济性与排放性能指标，并简单介绍其内在关系。 一、指示性能指标 指示指标用于评价内燃机工作循环的质量，主要以指示功率与平均指示压力来评价做功能力，以燃油消耗率与热效率来评价 经济性。 （一）指示功与平均指示压力 经历一个实际工作循环，工质对活塞所做的有用功，称为指示功Wi。如果有示功图，就可以通过积分的方式计算出Wi。 指示功反映了内燃机在一个工作循环当中所获得的有用功的数量，不但与热工转换的效率相关，还与汽缸容积相关。为比较 不同汽缸容积的内燃机的热工转换效率，就引入了平均指示压力pi的概念。所谓平均指示压

40、力，就是指单位汽缸容积一个工作循 环所做的指示功，如式（2-1）所示。 式中 Wi指示功（单位：J）； Vh汽缸工作容积（单位：m3）。 由于 式中 D汽缸的直径（单位：m）； S活塞冲程（单位：m）。 所以，式（2-1）可改写为 如此，也可以换一个角度理解平均指示压力，即平均指示压力是一个假想的恒常压力，作用于活塞顶，推动活塞一个冲程S 所做的功，即为指示功。平均指示压力是从实际工作循环的角度来衡量内燃机对汽缸工作容积的利用率，平均指示压力越高，对 汽缸工作容积的利用率也就越高。 一般来说，四冲程内燃机的平均指示压力pi（标定工况）大致范围如下所示： （二）指示功率 内燃机在单位时间内所做的

41、指示功，称为指示功率Pi。若一台内燃机的汽缸数为i，转速为n，冲程数为，则指示功率为 实际工程应用当中，上述指标Pi、n、pi、Vh的单位通常为kW、r/min、MPa、l，那么四冲程内燃机的指示功率可以表示 为 （三）指示燃油消耗率与指示热效率 指示燃油消耗率gi，单位：g/（kWh），是指单位指示功的燃油消耗量，通常以单位千瓦小时的燃油消耗量来表示， 如下式所示 式中 Mb内燃机每小时的燃油消耗量（单位：kg/h）。 指示热效率i是指内燃机实际工作循环指示功Wi与所消耗燃油热值Ql的比值，如下式所示 式中 Hu燃油低热值（kJ/kg）。 因此，在表示实际工作循环的经济性指标i和gi之间存在

42、如下关系 一般来讲，柴油机的指示热效率高于汽油机，四冲程内燃机的热效率高于二冲程内燃机，大致范围如下所示。 从这些数据可以看出：柴油机的指示热效率高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机。 二、有效性能指标 前文所讨论的指示指标只能用于评价内燃机工作循环的优劣。对于用户而言，内燃机的动力性与经济性指标是以通过曲轴的 对外输出为基础的，这些指标代表了内燃机的性能，通常称为有效性能指标。 （一）机械损失功率 实际上，内燃机发出的指示功率Pi在传递过程中，不可避免地面临各种损失，主要包括以下几种。 1.内燃机内部运动零件的摩擦损失，比如活塞、活塞环与缸壁的摩擦、曲柄连杆机构轴承的摩擦、配

43、气机构的摩擦等。 2.附属机构的驱动损失，这些附属机构主要包含水泵、机油泵、喷油泵、发电机、风扇等。 3.泵气损失，是指进排气过程所消耗的功率。 可以将以上损失所消耗的功率统称为机械损失功率Pm。 （二）转速 转速n（单位：r/min）是指内燃机每单位时间内旋转的次数，这个数值越高，说明内燃机单位时间内的做功次数越多。 （三）有效功率、有效转矩与机械效率 从指示功率当中去除机械损失功率，可得有效功率Pe，也就是内燃机对外输出的功率。 内燃机工作时，由功率输出轴，也就是曲轴，输出的转矩，称为有效转矩Me（单位：Nm），它与有效功率Pe之间存在如 下关系 有效功率Pe与指示功率Pi的比值称为机械效

44、率m，也可以认为是有效功We与指示功Wi的比值，即 （四）平均有效压力 与平均指示压力类似，平均有效压力pe是指内燃机单位汽缸工作容积所输出的有效功，与有效功率Pe之间的关系如下 将式（2-10）代入式（2-12），可发现 对于汽缸工作容积（Vhi）一定的内燃机而言，平均有效压力pe反映了输出转矩Me的大小，即 平均有效压力是一个非常重要的用来评价内燃机动力性能的指标，除了前述与有效转矩和有效功率之间的关系，还可以从内 燃机每工作循环吸入的空气量与一些热力学参数来计算平均有效压力。通过这样的计算方式，可以更加深刻地理解内燃机各个参 数与性能指标之间的关系。 为介绍清楚，我们首先引入三个概念，有

45、效热效率e、充气效率V与过量空气系数。 1.有效热效率e，是指内燃机实际工作循环输出的有效功We与所消耗的燃油热值Ql的比值，即 将式（2-7）与式（2-11）代入式（2-15），可发现 2.充气效率V，是指每工作循环进入汽缸的空气量，换算为进气口状态（Ts，ps）的体积，与汽缸排量的比值。 式中 ml实际进入汽缸的空气质量（单位：kg）； msh进气口状态下能充满汽缸工作容积的空气质量（单位：kg）。 3.过量空气系数，是指燃烧单位质量（1kg）燃油所消耗的实际空气量与理论空气量的比值。 式中 gb每工作循环的燃油供给量（单位：kg）； l01kg燃油完全燃烧所需要的理论空气量（单位：kg/

46、kg）。 整个运行工况中，汽油机可以遇到1和k，如图2-12给出了膨胀过程多变指数n2在膨胀过程中的变化情况。若考虑 平均膨胀多变指数n2，则需要保证以计算的多变过程，在始点z与终点b的工质状态与实际膨胀过程相同即可，其大致范围如 下。 汽油机膨胀终点b的工质温度和压力计算如下 由于柴油机的燃烧过程需要考虑定压加热过程，所以可以用后膨胀比来代替压缩比，即 由于柴油机的后膨胀比较大，所以柴油机膨胀终了的温度和压力一般都比汽油机小，也就是说热效率更高。当然，主要原因 还是在于柴油机的压缩比较高，这在根本上决定了柴油机较高的能源利用效率。 5.排气过程。排气过程如图2-9a和b中的b-r线所示。在这

47、个过程中，排气门打开，活塞由下止点返回上止点，将汽缸内的废 气推出。由于排气系统的阻力，所以排气终了时r点的压力pr会大于大气压力p0，两者的压差越大，排气的效果就越差，残留在 汽缸内的废气就越多。而排气温度Tr也是很有用的，这个温度越低，说明由工质的内能转化的有用工就越多，所以常用排气温度 来衡量内燃机工作过程的好坏程度。 内燃机的实际工作循环，包含了上述五个过程。图2-9a中，由曲线b-c-c-z-b-b所围成的面积Si，代表了工质对活塞所做 的功，为正；由曲线b-r-r-a-b所围成的面积S1，称为泵气损失，对于自然吸气内燃机而言为负，对于增压内燃机而言为正， 原因在于增压内燃机的进气压

48、力高于排气压力。所以Si+S1即为实际工作循环的有用功。 上述分析说明内燃机的实际工作循环与理论工作循环是有差距的，所以很有必要对内燃机工作过程中的能量转换进行分析。 第四节 内燃机热平衡与能量管理 关于内燃机的能量转换，可以用热平衡这个概念来描述，它表示了燃油的化学能转化为有效功以及各项损失的情况，如图2- 13所示。 图2-13 内燃机热平衡 1.燃油的热量QT。燃油的热量是指燃油的总热值 2.燃油不完全燃烧热损失QB。无论汽油机还是柴油机，都不可避免地会产生不完全燃烧，比如空气不足，或者空气与燃油 混合不均，总会有一部分燃油的化学能没有转化为热量。这部分能量可以假定为QB。 3.排气带走

49、的热量QR。排气带走的热量是指由内燃机的排气所带走的热量。内燃机工作时，汽缸内产生废气所携带的一部 分能量会经过机体、排气管、增压器等机械零部件转化为内燃机进气的能量，另一部分则会通过机械零部件表面转化为热辐射， 还有一些热量则会加热冷却液，进而转化为冷却液的热量。刨除前述的这些能量，才是由内燃机排气所带走的热量。 4.冷却介质带走的热量QS。冷却介质带走的热量是指由冷却液带走的热量。以内燃机燃烧传递给缸壁的热量为主，再考虑 各种从其他途径转化为冷却液的热量，比如燃烧废气用于加热冷却液的部分、内燃机各运动副摩擦生热的部分等，这些组合构成 了冷却介质带走的热量。 5.有效功QE。有效功是指转化为内燃机曲轴通过运动所输出的有效功，只是指示工Qi的一部分。 6.其他热损失QL。其他热损失是指所有前述项目未曾考虑的能量损失，一般无法准确估计，可以采用式（2-51）来表示 内燃机热平衡的各项数值范围大致如下。 可以看出，仅有25%45%的总化学能转化为有效功，其余的化学能都损失了，主要由排气带走，冷却液其次。主要原因在 于内燃机的实际循环存在许多不可避免的损失，不可能达到理论循环的热效率和平