第三章汽油機(jī)其它新技術(shù)(3)

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