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1、3.3 汽油機(jī)發(fā)展的其他新技術(shù)3.3.1 可變機(jī)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(jī)部分負(fù)荷性能的必要性v汽油機(jī)與柴油機(jī)在高負(fù)荷時(shí),有效效率相差不大,但部分負(fù)荷相差很遠(yuǎn),主要是由于部分負(fù)荷節(jié)流損失大。而且轎車汽油機(jī)主要在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行,考核排放指標(biāo)的循環(huán)也主要集中在部分負(fù)荷。因而提高汽油機(jī)部分的性能非常必要。v提高部分負(fù)荷性能主攻方向就是減少進(jìn)氣節(jié)流損失。提高汽油機(jī)部分負(fù)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(jī)工況點(diǎn)向高負(fù)荷轉(zhuǎn)移改善外特性、減小排量:v多氣門技術(shù);v可變進(jìn)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(yùn)動(dòng);3.3.1 可變機(jī)構(gòu)v可變配氣機(jī)構(gòu):可變氣門定時(shí);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(jìn)氣系統(tǒng):可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度;可變進(jìn)氣管截面積;可變進(jìn)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?。可變配氣機(jī)構(gòu)v汽油機(jī)的氣門定時(shí)和升程規(guī)律,影響汽油機(jī)的換氣過程、充氣量、排氣再循環(huán)以及進(jìn)氣渦流強(qiáng)度,從而影響汽油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放等性能。v傳統(tǒng)汽油機(jī)只有一個(gè)固定的氣門定時(shí)和
3、升程規(guī)律,只有在汽油機(jī)一定的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi),其性能最佳。在其他工況汽油機(jī)沒能發(fā)揮到最佳,所以根據(jù)汽油機(jī)性能優(yōu)化的要求,改變各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的氣門定時(shí)和升程規(guī)律,可以更好地發(fā)揮汽油機(jī)地性能。汽油機(jī)對(duì)配氣系統(tǒng)的要求v動(dòng)力性方面:氣門開啟面積升程和作用角(高速時(shí)獲得大的開啟面積)最佳脈動(dòng)效應(yīng)正時(shí)(最佳進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻)v經(jīng)濟(jì)性方面:泵吸損失正時(shí);重疊角(部分負(fù)荷時(shí)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(shí)小的氣門重疊角)湍流1個(gè)氣門鎖定(低速時(shí)需要渦流)摩擦升程(低速時(shí)有小的氣門升程)v排放方面:內(nèi)部EGR重疊角(部分負(fù)荷時(shí)大氣門重疊角)工作穩(wěn)定性重疊角(暖機(jī)時(shí)小的氣門重疊角)湍流1
4、個(gè)氣門鎖定(暖機(jī)時(shí)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(fù)荷時(shí),調(diào)節(jié)配氣定時(shí),使膨脹比大于壓縮比。v米勒循環(huán)的優(yōu)點(diǎn):相同壓縮終了壓力p2下允許達(dá)到較高的平均有效壓力pe。指示熱效率i高。起動(dòng)及低負(fù)荷時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好。(a) 汽油機(jī)方式;(b)、(c)柴油機(jī)方式可變氣門定時(shí)機(jī)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響氣門重疊角對(duì)排放的影響氣門重疊角對(duì)油耗的影響氣門重疊角對(duì)怠速穩(wěn)定性的影響豐田VVT-i與無VVT汽油機(jī)性能對(duì)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(shí)機(jī)構(gòu)BM
5、W可變氣門定時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)氣門可變42BMW可變氣門定時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)氣門可變60、排氣門可變40 其他可變氣門定時(shí)機(jī)構(gòu)阿爾發(fā)氣門可變機(jī)構(gòu)22 兩級(jí)可變奧迪氣門可變機(jī)構(gòu)25 兩級(jí)可變可變氣門升程本田VTEC工作原理本田VTEC機(jī)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(jī)與傳統(tǒng)汽油機(jī)的對(duì)比其他可變氣門升程機(jī)構(gòu)凸輪切換鈴木可變氣門升程機(jī)構(gòu)三菱可變氣門升程機(jī)構(gòu)其他可變氣門升程機(jī)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(jìn)氣凸輪作用角??勺儞u臂比日產(chǎn)可變搖臂比機(jī)構(gòu)分段可變本田可變搖臂比機(jī)構(gòu)連續(xù)可變BMWBMW的可變搖臂比機(jī)構(gòu)的可變搖臂比機(jī)構(gòu)
6、液壓氣門與電磁氣門v與前述機(jī)械調(diào)節(jié)的可變氣門定時(shí)與氣門升程機(jī)構(gòu)相比,液壓氣門與電磁氣門具有控制方便,可同時(shí)控制氣門定時(shí)與升程等優(yōu)點(diǎn)。v電磁控制全可變氣門機(jī)構(gòu)汽油機(jī)中可以通過氣門開啟時(shí)間來控制進(jìn)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(jī)構(gòu)通用公司液壓氣門機(jī)構(gòu)Lotus公司液壓氣門機(jī)構(gòu)福特公司液壓氣門機(jī)構(gòu)電磁氣門機(jī)構(gòu)vFEV電磁氣門機(jī)構(gòu)中,有上下兩個(gè)電磁極,一個(gè)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(shí),氣門靜止?fàn)顟B(tài)位于最大氣門升程的一半。下面電磁鐵通電時(shí),氣門達(dá)到最大升程;上面電磁鐵通電
7、時(shí),氣門關(guān)閉。v這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能耗低,除了可以改變配氣定時(shí)外,還可以改變進(jìn)氣門的最大升程和升程曲線。電控氣門v優(yōu)點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):v無節(jié)氣門,經(jīng)濟(jì)性無節(jié)氣門,經(jīng)濟(jì)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(jī)構(gòu)Aura公司電磁氣門機(jī)構(gòu)通用公司電磁氣門機(jī)構(gòu)可變進(jìn)氣系統(tǒng)v汽油機(jī)的最大扭矩和功率很大程度上取決于進(jìn)氣量。v增加進(jìn)氣量的措施:利用可變進(jìn)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(jìn)氣系統(tǒng)形式:可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度;可變進(jìn)氣管截面積;可變進(jìn)氣渦流??勺冞M(jìn)氣管長(zhǎng)度v傳統(tǒng)化油器和單點(diǎn)噴射汽油機(jī),要求進(jìn)氣道盡可能短,以避免過多的燃油在進(jìn)氣管壁上形成油膜,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。v燃
8、油多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī),由于燃油噴射緊挨進(jìn)氣門,進(jìn)氣管長(zhǎng)度可以允許較大的變化??梢愿淖冞M(jìn)氣管長(zhǎng)度來利用氣波充氣來增加進(jìn)氣量。充氣系數(shù)與進(jìn)氣管長(zhǎng)度的關(guān)系v進(jìn)氣管越長(zhǎng)充氣效率的峰值越靠近低轉(zhuǎn)速。進(jìn)氣管長(zhǎng)度無級(jí)可變機(jī)構(gòu)可變進(jìn)氣管截面積v進(jìn)氣道截面較小的發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí),有較好的波動(dòng)充氣效果,扭矩較大。但在高速時(shí),由于進(jìn)氣道截面小而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率。因此高轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)該具有大的進(jìn)氣道截面積。v多氣門發(fā)動(dòng)機(jī),可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷,通過關(guān)閉部分進(jìn)氣道或其他方法來改變進(jìn)氣道截面積,來提高高低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣系數(shù)。充氣系數(shù)和進(jìn)氣管徑的關(guān)系v進(jìn)氣管徑越大,對(duì)應(yīng)的充氣系數(shù)峰值越移向高轉(zhuǎn)速??勺冞M(jìn)氣管
9、截面積系統(tǒng)其他可變進(jìn)氣管截面積機(jī)構(gòu)豐田V6可變進(jìn)氣系統(tǒng)豐田V6可變進(jìn)氣系統(tǒng)性能豐田可變進(jìn)氣管截面積機(jī)構(gòu)其他可變進(jìn)氣系統(tǒng)馬自達(dá)多段可變進(jìn)氣系統(tǒng)歐寶三段可變進(jìn)氣系統(tǒng)諧振可變進(jìn)氣系統(tǒng)v諧振充氣,是將一組點(diǎn)火間隔相等的氣缸,通過短的進(jìn)氣管和諧振箱連接在一起,在進(jìn)氣波動(dòng)頻率和自振頻率相等時(shí),取得較好的充氣效果。幾種諧振可變進(jìn)氣系統(tǒng)v保時(shí)捷3.6L V6發(fā)動(dòng)機(jī)上,兩個(gè)諧振箱由兩個(gè)諧振管連在一起,其中一個(gè)諧振管可以關(guān)閉,當(dāng)這個(gè)諧振管打開時(shí),諧振管的截面增加,諧振頻率提高。v在標(biāo)致605 4V發(fā)動(dòng)機(jī)上,低轉(zhuǎn)速時(shí),A和B 3個(gè)閥門都關(guān)閉,進(jìn)氣系統(tǒng)是兩個(gè)互不相干的諧振充氣系統(tǒng)。在中等轉(zhuǎn)速時(shí),兩個(gè)A閥門打開,使得進(jìn)
10、氣系統(tǒng)稱為兩個(gè)相連的諧振充氣系統(tǒng)。在高轉(zhuǎn)速時(shí),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(jìn)氣渦流v可變進(jìn)氣渦流的可變進(jìn)氣系統(tǒng)主要是配合稀燃汽油機(jī)在不同負(fù)荷下對(duì)進(jìn)氣渦流強(qiáng)度的不同要求而開發(fā)的。v稀燃汽油機(jī)低負(fù)荷時(shí)進(jìn)行分層燃燒,需要強(qiáng)渦流;而在大負(fù)荷工況下,進(jìn)行均勻較濃混合氣燃燒時(shí),需要弱渦流。v右圖中,低負(fù)荷,將部分氣道擋住,獲得加大的渦流強(qiáng)度;高負(fù)荷時(shí),將阻風(fēng)門打開,減小進(jìn)氣渦流。可變?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?yàn)槠蜋C(jī)在高負(fù)荷工況的熱效率較高,而低負(fù)荷熱效率過低。在低負(fù)荷工況,為使發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷工作,因而熱效率高。這種方法稱為氣缸休眠。卡迪拉克Seville V8 6.0升可變氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式可變氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)性能改善可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)v根據(jù)熱力學(xué)角度分析,發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比越高,其熱效率越高。但發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比受到滿負(fù)荷時(shí)最大允許機(jī)械負(fù)荷以及汽油機(jī)爆震的限值,故不能太高。然而在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí),機(jī)械負(fù)荷離最大允許負(fù)荷相差很遠(yuǎn),提高熱效率還有很大的潛力。增壓汽油機(jī)中這個(gè)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(jī)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(dòng)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(zhǎng)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(jī)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是在高負(fù)荷時(shí),燃燒室形狀不理想,在多氣門汽油機(jī)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(duì)位置的變化就可以改變活塞的壓縮高度,進(jìn)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(diǎn):系統(tǒng)零件多;質(zhì)量大;剛性差;難以保證高速發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。v頂置凸輪軸的優(yōu)點(diǎn):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(gè)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(dòng)方式:OHC直接驅(qū)動(dòng)式:v機(jī)械間隙調(diào)整式;v液壓間隙調(diào)整式。OHC擺臂驅(qū)動(dòng)式:v滑動(dòng)式;v滾子式。OHC搖臂式:v滑動(dòng)式;v滾子式。SOHC 與 DOHCFord Ztec-SE Engine DOHCOHC直接驅(qū)動(dòng)式OHC擺臂驅(qū)動(dòng)式OHC搖臂驅(qū)動(dòng)式3.3.3 多氣門技術(shù)v多氣門技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):充分利用氣缸頂面積;進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)。小排氣門熱負(fù)荷小,工作可靠性容易保證。FZR 750
14、Engine 3進(jìn)2排五氣門發(fā)動(dòng)機(jī)四氣門與二氣門發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比大眾四氣門2L汽油機(jī)四氣門與二氣門發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖對(duì)比四氣門與二氣門2.0L 發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比五氣門發(fā)動(dòng)機(jī)性能五氣門與四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量對(duì)比五氣門與四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比3.3.4 諧振效應(yīng)v諧振效應(yīng):進(jìn)氣諧振效應(yīng);排氣諧振效應(yīng)。v進(jìn)氣諧振在前面可變進(jìn)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(fù)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(jì)v設(shè)計(jì)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(huì)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(duì)扭矩的影響扭矩雙排氣管對(duì)扭矩的影響3.3.5 汽油機(jī)增壓技術(shù)v汽油機(jī)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(jī)升功率達(dá)到5080kW/L,平均有效壓力為1325bar。v汽油機(jī)增壓主要受到高負(fù)荷爆震的限值。v目前增壓汽油機(jī)的主要開發(fā)目標(biāo),是通過增壓來減小排量,降低部分負(fù)荷油耗,同時(shí)減小發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)2.0L自然吸氣汽油機(jī)與一臺(tái)1.0L增壓汽油機(jī)對(duì)比試驗(yàn)表明,在歐洲循環(huán)中,增壓汽油機(jī)可降低油耗20%。增壓與非增壓汽油機(jī)性能對(duì)比接通三通閥的始點(diǎn)來決定,噴油量由三通閥接通的持續(xù)時(shí)間來控制。電控廢氣放氣增壓器汽油機(jī)v汽油機(jī)在中小負(fù)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(jī)來的高壓空氣和廢氣門膜片分隔開的右腔內(nèi)帶有壓力
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