第三章汽油機其它新技術(shù)(3)

1、3.3 汽油機發(fā)展的其他新技術(shù)3.3.1 可變機構(gòu);3.3.2 頂置凸輪軸;3.3.3 多氣門技術(shù);3.3.4 諧振效應(yīng);3.3.5 廢氣再循環(huán)；3.3.6 增壓、中冷技術(shù)。提高汽油機部分負荷性能的必要性v汽油機與柴油機在高負荷時，有效效率相差不大，但部分負荷相差很遠，主要是由于部分負荷節(jié)流損失大。而且轎車汽油機主要在部分負荷工況下運行，考核排放指標的循環(huán)也主要集中在部分負荷。因而提高汽油機部分的性能非常必要。v提高部分負荷性能主攻方向就是減少進氣節(jié)流損失。提高汽油機部分負荷性能的措施v減少換氣損失改善換氣控制：v可變凸輪軸相位；v可變氣門升程；v可變氣門相位；v諧振效應(yīng)。稀釋混合氣：v優(yōu)化排

2、氣再循環(huán)；v稀混合氣燃燒。v將汽油機工況點向高負荷轉(zhuǎn)移改善外特性、減小排量：v多氣門技術(shù)；v可變進氣系統(tǒng)；v可變壓縮比；v增壓。關(guān)閉部分氣缸（氣缸休眠）：v停止氣門運動；3.3.1 可變機構(gòu)v可變配氣機構(gòu)：可變氣門定時；可變氣門升程：v凸輪切換v3D凸輪；可變凸輪作用角；可變搖臂比；電磁氣門、液壓氣門。v可變進氣系統(tǒng)：可變進氣管長度；可變進氣管截面積；可變進氣渦流。v可變?nèi)紵到y(tǒng)：可變氣缸數(shù)；可變壓縮比；可變?nèi)紵??？勺兣錃鈾C構(gòu)v汽油機的氣門定時和升程規(guī)律，影響汽油機的換氣過程、充氣量、排氣再循環(huán)以及進氣渦流強度，從而影響汽油機的動力性、經(jīng)濟性和排放等性能。v傳統(tǒng)汽油機只有一個固定的氣門定時和

3、升程規(guī)律，只有在汽油機一定的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，其性能最佳。在其他工況汽油機沒能發(fā)揮到最佳，所以根據(jù)汽油機性能優(yōu)化的要求，改變各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的氣門定時和升程規(guī)律，可以更好地發(fā)揮汽油機地性能。汽油機對配氣系統(tǒng)的要求v動力性方面：氣門開啟面積升程和作用角（高速時獲得大的開啟面積）最佳脈動效應(yīng)正時（最佳進氣門關(guān)閉時刻）v經(jīng)濟性方面：泵吸損失正時；重疊角（部分負荷時大氣門重疊角）；氣門鎖定（用于可變排氣量）工作穩(wěn)定性重疊角（怠速時小的氣門重疊角）湍流1個氣門鎖定（低速時需要渦流）摩擦升程（低速時有小的氣門升程）v排放方面：內(nèi)部EGR重疊角（部分負荷時大氣門重疊角）工作穩(wěn)定性重疊角（暖機時小的氣門重疊角）湍流1

4、個氣門鎖定（暖機時需要渦流）米勒循環(huán)（Miller Cycle）v米勒循環(huán)是1951年由米勒提出。v部分負荷時，調(diào)節(jié)配氣定時，使膨脹比大于壓縮比。v米勒循環(huán)的優(yōu)點：相同壓縮終了壓力p2下允許達到較高的平均有效壓力pe。指示熱效率i高。起動及低負荷時運轉(zhuǎn)性能良好。(a) 汽油機方式；(b)、(c)柴油機方式可變氣門定時機構(gòu)豐田VVT-i豐田智能化氣門相位連續(xù)可變系統(tǒng)VVT-i豐田VVT-iVVT-i對發(fā)動機性能的影響氣門重疊角對排放的影響氣門重疊角對油耗的影響氣門重疊角對怠速穩(wěn)定性的影響豐田VVT-i與無VVT汽油機性能對比豐田五氣門VVT五氣門VVT結(jié)構(gòu)五氣門VVT性能其他可變氣門定時機構(gòu)BM

5、W可變氣門定時結(jié)構(gòu)進氣門可變42BMW可變氣門定時結(jié)構(gòu)進氣門可變60、排氣門可變40 其他可變氣門定時機構(gòu)阿爾發(fā)氣門可變機構(gòu)22 兩級可變奧迪氣門可變機構(gòu)25 兩級可變可變氣門升程本田VTEC工作原理本田VTEC機構(gòu)本田VTEC結(jié)構(gòu)本田VTEC-E結(jié)構(gòu)與本田VTEC性能VTEC氣門升程變化曲線VTEC汽油機與傳統(tǒng)汽油機的對比其他可變氣門升程機構(gòu)凸輪切換鈴木可變氣門升程機構(gòu)三菱可變氣門升程機構(gòu)其他可變氣門升程機構(gòu)3D凸輪3D凸輪，型線連續(xù)可變可變凸輪作用角vRover公司可變進氣凸輪作用角?？勺儞u臂比日產(chǎn)可變搖臂比機構(gòu)分段可變本田可變搖臂比機構(gòu)連續(xù)可變BMWBMW的可變搖臂比機構(gòu)的可變搖臂比機構(gòu)

6、液壓氣門與電磁氣門v與前述機械調(diào)節(jié)的可變氣門定時與氣門升程機構(gòu)相比，液壓氣門與電磁氣門具有控制方便，可同時控制氣門定時與升程等優(yōu)點。v電磁控制全可變氣門機構(gòu)汽油機中可以通過氣門開啟時間來控制進氣量，因而可以取消節(jié)氣門，減少了節(jié)流損失。并且配氣相位可靈活控制，增加內(nèi)部廢氣再循環(huán)量，降低NOx排放。液壓氣門機構(gòu)通用公司液壓氣門機構(gòu)Lotus公司液壓氣門機構(gòu)福特公司液壓氣門機構(gòu)電磁氣門機構(gòu)vFEV電磁氣門機構(gòu)中，有上下兩個電磁極，一個銜鐵固定在氣門上，磁極和銜鐵之間的距離減小了一半，所需電磁力較小。電磁鐵不通電時，氣門靜止狀態(tài)位于最大氣門升程的一半。下面電磁鐵通電時，氣門達到最大升程；上面電磁鐵通電

7、時，氣門關(guān)閉。v這種機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，能耗低，除了可以改變配氣定時外，還可以改變進氣門的最大升程和升程曲線。電控氣門v優(yōu)點：優(yōu)點：v無節(jié)氣門，經(jīng)濟性無節(jié)氣門，經(jīng)濟性好好v可以使用三元催化可以使用三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化器其他電磁氣門機構(gòu)Aura公司電磁氣門機構(gòu)通用公司電磁氣門機構(gòu)可變進氣系統(tǒng)v汽油機的最大扭矩和功率很大程度上取決于進氣量。v增加進氣量的措施：利用可變進氣系統(tǒng)來利用氣波充氣；增壓和可變壓縮比。v主要可變進氣系統(tǒng)形式：可變進氣管長度；可變進氣管截面積；可變進氣渦流。可變進氣管長度v傳統(tǒng)化油器和單點噴射汽油機，要求進氣道盡可能短，以避免過多的燃油在進氣管壁上形成油膜，影響發(fā)動機的動態(tài)性能。v燃

8、油多點噴射發(fā)動機，由于燃油噴射緊挨進氣門，進氣管長度可以允許較大的變化?？梢愿淖冞M氣管長度來利用氣波充氣來增加進氣量。充氣系數(shù)與進氣管長度的關(guān)系v進氣管越長充氣效率的峰值越靠近低轉(zhuǎn)速。進氣管長度無級可變機構(gòu)可變進氣管截面積v進氣道截面較小的發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時，有較好的波動充氣效果，扭矩較大。但在高速時，由于進氣道截面小而降低了發(fā)動機的充氣系數(shù)和發(fā)動機功率。因此高轉(zhuǎn)速時應(yīng)該具有大的進氣道截面積。v多氣門發(fā)動機，可根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷，通過關(guān)閉部分進氣道或其他方法來改變進氣道截面積，來提高高低轉(zhuǎn)速時發(fā)動機的充氣系數(shù)。充氣系數(shù)和進氣管徑的關(guān)系v進氣管徑越大，對應(yīng)的充氣系數(shù)峰值越移向高轉(zhuǎn)速。可變進氣管

9、截面積系統(tǒng)其他可變進氣管截面積機構(gòu)豐田V6可變進氣系統(tǒng)豐田V6可變進氣系統(tǒng)性能豐田可變進氣管截面積機構(gòu)其他可變進氣系統(tǒng)馬自達多段可變進氣系統(tǒng)歐寶三段可變進氣系統(tǒng)諧振可變進氣系統(tǒng)v諧振充氣，是將一組點火間隔相等的氣缸，通過短的進氣管和諧振箱連接在一起，在進氣波動頻率和自振頻率相等時，取得較好的充氣效果。幾種諧振可變進氣系統(tǒng)v保時捷3.6L V6發(fā)動機上，兩個諧振箱由兩個諧振管連在一起，其中一個諧振管可以關(guān)閉，當這個諧振管打開時，諧振管的截面增加，諧振頻率提高。v在標致605 4V發(fā)動機上，低轉(zhuǎn)速時，A和B 3個閥門都關(guān)閉，進氣系統(tǒng)是兩個互不相干的諧振充氣系統(tǒng)。在中等轉(zhuǎn)速時，兩個A閥門打開，使得進

10、氣系統(tǒng)稱為兩個相連的諧振充氣系統(tǒng)。在高轉(zhuǎn)速時，B閥門也打開，減小了諧振管截面，提高了諧振轉(zhuǎn)速?？勺冞M氣渦流v可變進氣渦流的可變進氣系統(tǒng)主要是配合稀燃汽油機在不同負荷下對進氣渦流強度的不同要求而開發(fā)的。v稀燃汽油機低負荷時進行分層燃燒，需要強渦流；而在大負荷工況下，進行均勻較濃混合氣燃燒時，需要弱渦流。v右圖中，低負荷，將部分氣道擋住，獲得加大的渦流強度；高負荷時，將阻風(fēng)門打開，減小進氣渦流?？勺?nèi)紵到y(tǒng)v可變氣缸數(shù)（氣缸休眠）；v可變壓縮比?？勺儦飧讛?shù)（氣缸休眠）v因為汽油機在高負荷工況的熱效率較高，而低負荷熱效率過低。在低負荷工況，為使發(fā)動機仍具有較高的熱效率，可使部分氣缸不工作，這樣工作的

11、氣缸仍在高負荷工作，因而熱效率高。這種方法稱為氣缸休眠?？ǖ侠薙eville V8 6.0升可變氣缸發(fā)動機可變氣缸發(fā)動機工作模式可變氣缸發(fā)動機性能改善可變壓縮比發(fā)動機v根據(jù)熱力學(xué)角度分析，發(fā)動機壓縮比越高，其熱效率越高。但發(fā)動機的壓縮比受到滿負荷時最大允許機械負荷以及汽油機爆震的限值，故不能太高。然而在發(fā)動機低負荷時，機械負荷離最大允許負荷相差很遠，提高熱效率還有很大的潛力。增壓汽油機中這個矛盾更加突出。v尋找合適的可變壓縮比方案是開發(fā)高增壓汽油機的關(guān)鍵。v可變壓縮比方案：改變氣缸壓縮容積：v改變氣缸蓋內(nèi)燃燒室容積；v采用可移動氣缸蓋和氣缸體；v采用可變活塞壓縮高度；v采用偏心活塞銷；v采用

12、可變長度連桿；v采用偏心連桿軸承；v采用偏心主軸承；v采用可變曲軸連桿機構(gòu)。改變工作容積：v采用偏心連桿軸承?？勺儔嚎s比燃燒室結(jié)構(gòu)v左圖可變?nèi)紵胰莘e系統(tǒng)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是在高負荷時，燃燒室形狀不理想，在多氣門汽油機上布置困難。可變壓縮高度活塞結(jié)構(gòu)v左圖是奔馳汽車公司和瑪勒活塞公司聯(lián)合開發(fā)的可變壓縮高度活塞。v這種活塞由活塞內(nèi)芯和活塞外套等組成。它們之間相對位置的變化就可以改變活塞的壓縮高度，進而改變壓縮比。3.3.2 頂置凸輪軸OHCv傳統(tǒng)下置凸輪軸的缺點：系統(tǒng)零件多；質(zhì)量大；剛性差；難以保證高速發(fā)動機的要求。v頂置凸輪軸的優(yōu)點：零件少；質(zhì)量輕；高速性好。頂置凸輪軸的分類v按凸輪軸個數(shù)：

13、單頂置凸輪軸SOHC（Single Over Head Camshaft）；雙頂置凸輪軸DOHC（Double Over Head Camshaft）。v按氣門的驅(qū)動方式：OHC直接驅(qū)動式：v機械間隙調(diào)整式；v液壓間隙調(diào)整式。OHC擺臂驅(qū)動式：v滑動式；v滾子式。OHC搖臂式：v滑動式；v滾子式。SOHC 與 DOHCFord Ztec-SE Engine DOHCOHC直接驅(qū)動式OHC擺臂驅(qū)動式OHC搖臂驅(qū)動式3.3.3 多氣門技術(shù)v多氣門技術(shù)的優(yōu)點：充分利用氣缸頂面積；進排氣阻力小，利于提高充氣系數(shù)。氣門尺寸小、質(zhì)量輕，適合于高速運轉(zhuǎn)。小排氣門熱負荷小，工作可靠性容易保證。FZR 750

14、Engine 3進2排五氣門發(fā)動機四氣門與二氣門發(fā)動機對比大眾四氣門2L汽油機四氣門與二氣門發(fā)動機示功圖對比四氣門與二氣門2.0L 發(fā)動機性能對比五氣門發(fā)動機性能五氣門與四氣門發(fā)動機進氣量對比五氣門與四氣門發(fā)動機性能對比3.3.4 諧振效應(yīng)v諧振效應(yīng)：進氣諧振效應(yīng)；排氣諧振效應(yīng)。v進氣諧振在前面可變進氣系統(tǒng)中已講過，在此不贅述。排氣諧振效應(yīng)v讓氣門重疊期間與負的峰值壓力同步，防止排氣倒“灌入”氣缸，增加廢氣殘余系數(shù)。諧振排氣系統(tǒng)的設(shè)計v設(shè)計策略：降低排氣被壓；雙排氣管、可變排氣系統(tǒng)；合理解決排氣噪聲與排氣被壓的矛盾。v為消除排氣噪聲（低頻），增加消聲器容量，這會造成排氣被壓增加，可以才用雙排氣

15、管解決。降低排氣被壓對扭矩的影響扭矩雙排氣管對扭矩的影響3.3.5 汽油機增壓技術(shù)v汽油機增壓最初目的是提高功率和扭矩。目前批量生產(chǎn)的增壓汽油機升功率達到5080kW/L，平均有效壓力為1325bar。v汽油機增壓主要受到高負荷爆震的限值。v目前增壓汽油機的主要開發(fā)目標，是通過增壓來減小排量，降低部分負荷油耗，同時減小發(fā)動機質(zhì)量和體積，比較容易車內(nèi)安裝。v在一輛奔馳C系列車內(nèi)，一臺2.0L自然吸氣汽油機與一臺1.0L增壓汽油機對比試驗表明，在歐洲循環(huán)中，增壓汽油機可降低油耗20%。增壓與非增壓汽油機性能對比接通三通閥的始點來決定，噴油量由三通閥接通的持續(xù)時間來控制。電控廢氣放氣增壓器汽油機v汽油機在中小負荷（左圖），電控單元使廢氣門電磁閥克服彈簧作用力而打開，壓氣機來的高壓空氣和廢氣門膜片分隔開的右腔內(nèi)帶有壓力