书名：现代缸内直喷式汽油机开发（下）：新技术的开发与应用pdf/doc/txt格式电子书下载

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作者：范明强,刘岚校

出版社：机械工业出版社

出版时间：2019-01-01

书籍编号：30612526

ISBN：9787111612896

正文语种：中文

字数：237009

版次：1

所属分类：科学新知-工业技术

本书分上下两册，上册包括缸内直喷式汽油机的基础理论、子系统开发以及整机开发案例，下册内容为新技术的开发与应用。本书内容包括关于缸内直喷汽油机工作机理的基础开发和各个子系统的开发经验，以及全球最新缸内直喷汽油机机型开发的详细介绍及其所运用的新技术、新工艺和新材料，并以翔实的试验数据和曲线图表，以及汽油机整机与零部件的彩色结构剖视图和外形布置图，全面地详细介绍了全球各大公司近20年来，特别是近10年来的最新研究成果和最新量产机型开发的成功经验，充分反映了现代缸内直喷式汽油机的发展历程和现状，及其目前所达到的最高技术水平，颇具实用参考价值。

本书适合汽车行业及内燃机行业技术人员阅读使用，也适合汽车专业及内燃机专业师生参考阅读。

图书在版编目（CIP）数据

现代缸内直喷式汽油机开发.下，新技术的开发与应用/范明强编著.—北京：机械工业出版社，2018.11

（汽车技术创新与研发系列丛书）

ISBN 978-7-111-61289-6

Ⅰ．①现…　Ⅱ．①范…　Ⅲ．①汽车—汽油机—燃油喷射系统—研究　Ⅳ．①U464.136

中国版本图书馆CIP数据核字（2018）第248174号

机械工业出版社（北京市百万庄大街22号　邮政编码100037）

策划编辑：孙　鹏　责任编辑：孙　鹏

责任校对：刘　岚　责任印制：常天培

北京圣夫亚美印刷有限公司印刷

2019年1月第1版第1次印刷

169mm×239mm·22.5印张·10插页·456千字

0001—1900册

标准书号：ISBN978-7-111-61289-6

定价：135.00元

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前言

随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国汽车工业飞速发展，已成为世界汽车生产和消费大国。但是，国内目前能自主开发及生产的乘用车及其发动机甚少，大多是引进国外技术或者合资生产的。面对国内如此巨大的汽车消费市场，我国必须掌握和拥有汽车及其发动机的核心技术，这样才能使我国的汽车工业进入自主开发和持续发展的良性循环的轨道。

当前，世界汽车工业面临能源紧缺和环境保护的双重挑战。由于全球有限的油气资源被加速消耗，能源紧缺状况越来越严重。从目前的发展趋势来看，新能源的开发和大量供应至少在50 年以后，在此之前人类不得不继续利用油气资源作为汽车的主要能源，因此汽车的节能已成为全球关注的焦点。2012年，欧盟实施的强制性汽车二氧化碳排放法规要求所有乘用车的二氧化碳排放达到90g/km（相当于百公里燃油耗：汽油车3.8 L，柴油车3.4 L），而欧洲汽车制造商联合会（ACEA）根据现有的技术水平只能承诺达到120g/km的目标（相当于百公里燃油耗：汽油车5.1 L，柴油车4.5 L），与法规要求尚有不小的差距。美国也已正式通过汽车燃油耗法规，要求各汽车制造商的平均燃油经济性（CAFE）在2020年之前提高40%。这些严格的法规迫使汽车制造商不断开发和应用新技术来大幅度降低能源消耗。另一方面，汽车的大量使用已对全球大气环境造成污染，排放的二氧化碳引发温室效应使全球气候变暖，危及人类的生存环境。为此，继2009 年实施欧Ⅴ废气排放标准后，欧盟议会又于2014年实施更为严格的欧Ⅵ废气排放标准；美国也于2014年全面实施EPA Tier2 Bin5废气排放标准。因此，汽车工业不仅将面临各种法规的压力，还要面对剧烈的技术竞争，其生存环境越来越严峻。

目前，我国乘用车发动机几乎全是传统的火花点火式汽油机，并且可以预计在今后很长一段时间内，火花点火式汽油机仍将是我国乘用车的主要动力装置。无论是从节能和减排，还是从发动机动力性能的角度来讲，现代缸内直喷式汽油机在进气道喷射汽油机的基础上，又将汽油发动机技术向前推进了一大步，从而成为世界汽油机发展历史上又一个重要的里程碑。同时，缸内直喷式汽油机具有明显的节油效果，是当今汽车汽油机节能减排最有效也是最现实的途径，符合我国节能减排的大政方针，应该是我国汽车用汽油机的重要发展方向。

几乎一个世纪以来，人们始终在进行汽油缸内直接喷射的试验研究，但是只是在最近约20 年以来，从三菱汽车公司在欧洲推出首款缸内直喷式汽油机开始，首次提供了可实际应用的汽油缸内直接喷射技术，缸内直喷式汽油机才成功地进入市场。它经历了壁面导向型、空气导向型和喷束导向型燃烧过程，以及分层充量和均质充量运行模式的变化历程。与直喷式柴油机相比，缸内直喷式汽油机需解决的难题明显要复杂得多，特别是分层充量运行模式的实现，在混合气形成、燃烧过程以及废气排放等方面的控制都非常复杂，在技术上有较大的难度。因此至目前为止，现代汽油缸内直接喷射的潜力尚未充分发挥，必须对汽油缸内直接喷射技术进行更进一步深入的研究。但是缸内直喷式汽油机在功率和转矩方面所能取得的效益，以及在降低燃油耗和有害物排放方面所存在的巨大潜力，使汽油缸内直接喷射技术成为汽油机发展的必经之路。

发动机小型化是现代乘用车汽油机的重要发展方向，而电控汽油缸内直接喷射技术、废气涡轮增压技术和可变气门控制技术则构成了现代乘用车汽油机小型化的三大核心技术。因此，本书将以较大的篇幅介绍诸如废气涡轮增压和可变气门控制等方面新技术的发展，及其在缸内直喷式汽油机上的应用状况，还有它们在节能减排方面的实际效果。

这种技术含量高的缸内直喷式汽油机，同时也成为现代车用发动机新技术、新工艺和新材料的重要载体，这能进一步增大缸内直喷式汽油机在节能减排方面的潜力。因此，本书也将以一定的篇幅介绍新技术、新工艺和新材料在缸内直喷式汽油机上的应用情况。

上述这些发展状况既为我国汽车工业的发展提供了新的机遇，也对汽车行业工程技术人员特别是产品开发人员的知识更新和开发技术水平提高提出了新的挑战。作者已在机械工业出版社翻译出版了德国内燃机经典著作《汽油机管理系统》和《缸内直喷式汽油机》两部引进版书籍，前者详述了现代汽油机电子控制技术的基础，后者专门介绍了现代缸内直喷式汽油机的基础理论和主要结构特点，可作为普及缸内直喷式汽油机的基础知识。而编写本书则旨在为我国汽车工作者进一步提供开发现代缸内直喷式汽油机的最新试验研究成果，特别是近10 年来在现代缸内直喷式汽油机工程开发方面的经验，以便加深对现代缸内直喷式汽油机工作机理和结构特点的理解，并通过全球主要典型机型开发过程和技术特点的详细介绍，为国内自行开发缸内直喷式汽油机提供有益的借鉴，拓宽开发设计的思路。

本书作者长期从事汽车发动机的研究和产品开发，主持开发成功了多款乘用车汽油机和商用车柴油机，特别是多年来潜心研究汽油缸内直接喷射技术，并一直密切关注世界各大汽车公司缸内直喷式汽油机的研究和发展状况，积累了较为丰富的实践经验和宝贵的技术资料。特别是近10年来，现代缸内直喷式汽油机技术又有了快速的发展，世界各大汽车公司相继开发出许多新技术和新机型，达到了更高的技术水平，作者认为非常有必要从工程开发的角度更为系统和详尽地介绍国外企业在这方面的最新技术成果，提供给国内同行作为借鉴，希望能与国内汽车行业从事实际工作的同仁分享。

本书由范明强教授级高级工程师编著，分上下两册，上册包括缸内直喷式汽油机的基础理论、子系统开发及整机开发案例，下册内容为新技术的开发与应用。本书编写时十分注重运用试验数据和结果，使读者能得到清晰的物理概念，而尽量避免不必要的数学推导。特别是注重使各方面的内容更适合工程实际运用。本书的内容丰富多彩，信息量大，涉及范围广，既有关于工作机理的基础开发和各个子系统开发方面的经验，又有全球最新机型开发的详细介绍，及其所运用的新技术、新工艺和新材料，并提供了翔实的试验数据和曲线图表，以及各种最新机型整机与零部件的彩色结构剖视图和外形布置图片，较全面地详细介绍了全球各大汽车企业近20年来，特别是近10年来的最新试验研究成果和最新量产机型开发的成功经验，充分反映了当今世界现代缸内直喷式汽油机的发展历程和现状，及目前所达到的最高技术水平。因此，本书既能作为学习基础理论的教科书，又能作为广大工程设计和研发人员的工具书，具有非常好的实用价值。特别是读者可从国外现代缸内直喷式汽油机的发展历程中得到启示，根据我国的具体实际情况（燃油品质、使用和维修水平等），以及相关配套产业（燃油喷射系统、增压系统、可变气门机构、排气后处理系统等）的发展水平，按照先易后难的原则，采取分步开发的策略，例如先开发均质混合气燃烧机型再开发分层混合气燃烧机型，先开发单纯的缸内直喷式机型再开发与可变气门机构组合的机型，先开发非增压机型再开发增压机型直至两级增压机型，使我国自主开发的缸内直喷式汽油机的燃油耗逐步改善，废气排放水平跟随国家实施的排放标准逐步提高，稳步推进我国乘用车汽油机的发展，避免或者尽量少走弯路，尽快赶上国际先进水平。因此，本书特别适合于工程技术和产品开发工作的参考，使我国从事现代缸内直喷式汽油机技术研究和产品开发的工程技术人员在实际工作中有所借鉴，有助于提高缸内直喷式汽油机的技术开发水平，同时也适用于大专院校中与内燃机相关专业的教师、研究生和大学生的知识更新和参考。

在本书编写过程中所引用的大量资料中，除了作者多年来在实际工作中积累的经验和技术资料外，还参考了很多国外已公开发表的相关的文献资料，特此说明并对相关公司和作者一并表示感谢。

2017年恰逢作者范明强教授级高级工程师75周岁暨从事内燃机事业50周年，谨以本书作为一点有意义的纪念奉献给广大读者，也可算是编著者从事内燃机事业一生中为我国内燃机行业所做的一点绵薄贡献。

最后，作者希望本书能对国内汽车行业广大工程技术人员和大专院校师生的实际工作和学习有所帮助，也竭诚欢迎广大读者对本书的不足之处予以指正。

范明强

第1章 活塞组-气缸套

现代缸内直喷式汽油机可通过应用诸如增压、可变气门机构以及它们的组合等众多技术创新来缩小其与柴油机的燃油耗差距，但是不仅要从热力学工作过程方面予以改进，而且基础发动机的零部件也能为此做出重大贡献，在这方面活塞组和气缸套起着重要的作用，除了降低摩擦功率之外，通过新的活塞和气缸套设计方案，还可提高承载能力和减小往复运动质量。

1.1 新一代轻型活塞

缸内直喷式汽油机降低燃油耗和废气排放的开发力度，明显提高了零部件的负荷，这并非是简单地加大壁厚从而增加零件重量的结构设计方法所能应付得了的。图1-1示出了爆发压力与升功率的发展趋势，其中最高爆发压力代表活塞的机械负荷，而升功率则可看作是活塞热负荷的特性参数。从图中就能清晰地看出缸内直喷式汽油机机械负荷和热负荷不断提高的趋势，增压机型的爆发压力已明显超过12MPa。

图1-1 缸内直喷式汽油机升功率和爆发压力的发展趋势

在增压缸内直喷式汽油机的发展中，有时会因极高的侧压力而使活塞承受非常高的负荷，其原因是爆发压力曲线直至点火上止点后30 °CA非常晚的时刻才达到压力峰值（图1-2），在这样的范围内倾斜的连杆位置会产生非常大的侧压力，完全能达到柴油机的侧压力数值。在活塞使用寿命期内，如此大的负荷肯定会在筒形壁范围内对活塞裙部产生明显的影响（图1-3）。

图1-2 爆发压力曲线和活塞侧压力曲线

图1-3 活塞侧压力负荷（DS=侧压力；GDS=侧压力对侧）

在气缸直径较大的情况下，这种状况使得采用传统的活塞结构就不再能确保发动机开发成功，因而不得不采用具有更高强度的新型活塞结构形式。

（1）对活塞的要求

除了必须减小质量之外，活塞组总是必须满足当前的标准规范：

· 良好的漏气和机油耗特性；

· 低的摩擦功率；

· 高的运转平稳性；

· 即使在诸如冷起动等极端条件下仍保持良好的运行可靠性；

· 在延长机油换油周期的同时仍具有长的使用寿命；

· 低的成本。

由此就可推导出其应具备的性能：

· 通过具有高的结构强度获得高的形状稳定性；

· 活塞裙部具有最佳的承载性能和尽可能均匀的压力分布；

· 良好的

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