第三章汽油机其它新技术(3)

3.3汽油机发展的其他新技术3.3.1可变机构;3.3.2顶置凸轮轴;3.3.3多气门技术;3.3.4谐振效应;3.3.5废气再循环；3.3.6增压、中冷技术。提高汽油机部分负荷性能的必要性汽油机与柴油机在高负荷时，有效效率相差不大，但部分负荷相差很远，主要是由于部分负荷节流损失大。而且轿车汽油机主要在部分负荷工况下运行，考核排放指标的循环也主要集中在部分负荷。因而提高汽油机部分的性能非常必要。提高部分负荷性能主攻方向就是减少进气节流损失。提高汽油机部分负荷性能的措施减少换气损失改善换气控制：可变凸轮轴相位；可变气门升程；可变气门相位；谐振效应。稀释混合气：优化排气再循环；稀混合气燃烧。将汽油机工况点向高负荷转移改善外特性、减小排量：多气门技术；可变进气系统；可变压缩比；增压。关闭部分气缸（气缸休眠）：停止气门运动；3.3.1可变机构可变配气机构：可变气门定时；可变气门升程：凸轮切换3D凸轮；可变凸轮作用角；可变摇臂比；电磁气门、液压气门。可变进气系统：可变进气管长度；可变进气管截面积；可变进气涡流。可变燃烧系统：可变气缸数；可变压缩比；可变燃烧室。可变配气机构汽油机的气门定时和升程规律，影响汽油机的换气过程、充气量、排气再循环以及进气涡流强度，从而影响汽油机的动力性、经济性和排放等性能。传统汽油机只有一个固定的气门定时和升程规律，只有在汽油机一定的运转范围内，其性能最佳。在其他工况汽油机没能发挥到最佳，所以根据汽油机性能优化的要求，改变各种运转状态下的气门定时和升程规律，可以更好地发挥汽油机地性能。汽油机对配气系统的要求动力性方面：气门开启面积－升程和作用角（高速时获得大的开启面积）最佳脉动效应－正时（最佳进气门关闭时刻）经济性方面：泵吸损失－正时；重叠角（部分负荷时大气门重叠角）；气门锁定（用于可变排气量）工作稳定性－重叠角（怠速时小的气门重叠角）湍流－1个气门锁定（低速时需要涡流）摩擦－升程（低速时有小的气门升程）排放方面：内部EGR－重叠角（部分负荷时大气门重叠角）工作稳定性－重叠角（暖机时小的气门重叠角）湍流－1个气门锁定（暖机时需要涡流）米勒循环（MillerCycle）米勒循环是1951年由米勒提出。部分负荷时，调节配气定时，使膨胀比大于压缩比。米勒循环的优点：相同压缩终了压力p2下允许达到较高的平均有效压力pe。指示热效率i高。起动及低负荷时运转性能良好。(a)汽油机方式；(b)、(c)柴油机方式可变气门定时机构－丰田VVT-i丰田智能化气门相位连续可变系统VVT-i丰田VVT-iVVT-i对发动机性能的影响气门重叠角对排放的影响气门重叠角对油耗的影响气门重叠角对怠速稳定性的影响丰田VVT-i与无VVT汽油机性能对比丰田五气门VVT五气门VVT结构五气门VVT性能其他可变气门定时机构BMW可变气门定时结构进气门可变42BMW可变气门定时结构进气门可变60、排气门可变40其他可变气门定时机构阿尔发气门可变机构22两级可变奥迪气门可变机构25两级可变可变气门升程－本田VTEC工作原理本田VTEC机构本田VTEC结构本田VTEC-E结构与本田VTEC性能VTEC气门升程变化曲线VTEC汽油机与传统汽油机的对比其他可变气门升程机构－凸轮切换铃木可变气门升程机构三菱可变气门升程机构其他可变气门升程机构－3D凸轮3D凸轮，型线连续可变可变凸轮作用角Rover公司可变进气凸轮作用角。可变摇臂比日产可变摇臂比机构分段可变本田可变摇臂比机构连续可变BMW的可变摇臂比机构液压气门与电磁气门与前述机械调节的可变气门定时与气门升程机构相比，液压气门与电磁气门具有控制方便，可同时控制气门定时与升程等优点。电磁控制全可变气门机构汽油机中可以通过气门开启时间来控制进气量，因而可以取消节气门，减少了节流损失。并且配气相位可灵活控制，增加内部废气再循环量，降低NOx排放。液压气门机构通用公司液压气门机构Lotus公司液压气门机构福特公司液压气门机构电磁气门机构FEV电磁气门机构中，有上下两个电磁极，一个衔铁固定在气门上，磁极和衔铁之间的距离减小了一半，所需电磁力较小。电磁铁不通电时，气门静止状态位于最大气门升程的一半。下面电磁铁通电时，气门达到最大升程；上面电磁铁通电时，气门关闭。这种机构结构简单，能耗低，除了可以改变配气定时外，还可以改变进气门的最大升程和升程曲线。电控气门优点：无节气门，经济性好可以使用三元催化转化器其他电磁气门机构Aura公司电磁气门机构通用公司电磁气门机构可变进气系统汽油机的最大扭矩和功率很大程度上取决于进气量。增加进气量的措施：利用可变进气系统来利用气波充气；增压和可变压缩比。主要可变进气系统形式：可变进气管长度；可变进气管截面积；可变进气涡流。可变进气管长度传统化油器和单点喷射汽油机，要求进气道尽可能短，以避免过多的燃油在进气管壁上形成油膜，影响发动机的动态性能。燃油多点喷射发动机，由于燃油喷射紧挨进气门，进气管长度可以允许较大的变化。可以改变进气管长度来利用气波充气来增加进气量。充气系数与进气管长度的关系进气管越长充气效率的峰值越靠近低转速。进气管长度无级可变机构可变进气管截面积进气道截面较小的发动机在低转速时，有较好的波动充气效果，扭矩较大。但在高速时，由于进气道截面小而降低了发动机的充气系数和发动机功率。因此高转速时应该具有大的进气道截面积。多气门发动机，可根据发动机的转速和负荷，通过关闭部分进气道或其他方法来改变进气道截面积，来提高高低转速时发动机的充气系数。充气系数和进气管径的关系进气管径越大，对应的充气系数峰值越移向高转速。可变进气管截面积系统其他可变进气管截面积机构丰田V6可变进气系统丰田V6可变进气系统性能丰田可变进气管截面积机构其他可变进气系统马自达多段可变进气系统欧宝三段可变进气系统谐振可变进气系统谐振充气，是将一组点火间隔相等的气缸，通过短的进气管和谐振箱连接在一起，在进气波动频率和自振频率相等时，取得较好的充气效果。几种谐振可变进气系统保时捷3.6LV6发动机上，两个谐振箱由两个谐振管连在一起，其中一个谐振管可以关闭，当这个谐振管打开时，谐振管的截面增加，谐振频率提高。在标致6054V发动机上，低转速时，A和B3个阀门都关闭，进气系统是两个互不相干的谐振充气系统。在中等转速时，两个A阀门打开，使得进气系统称为两个相连的谐振充气系统。在高转速时，B阀门也打开，减小了谐振管截面，提高了谐振转速。可变进气涡流可变进气涡流的可变进气系统主要是配合稀燃汽油机在不同负荷下对进气涡流强度的不同要求而开发的。稀燃汽油机低负荷时进行分层燃烧，需要强涡流；而在大负荷工况下，进行均匀较浓混合气燃烧时，需要弱涡流。右图中，低负荷，将部分气道挡住，获得加大的涡流强度；高负荷时，将阻风门打开，减小进气涡流。可变燃烧系统可变气缸数（气缸休眠）；可变压缩比。可变气缸数（气缸休眠）因为汽油机在高负荷工况的热效率较高，而低负荷热效率过低。在低负荷工况，为使发动机仍具有较高的热效率，可使部分气缸不工作，这样工作的气缸仍在高负荷工作，因而热效率高。这种方法称为气缸休眠。卡迪拉克SevilleV86.0升可变气缸发动机可变气缸发动机工作模式可变气缸发动机性能改善可变压缩比发动机根据热力学角度分析，发动机压缩比越高，其热效率越高。但发动机的压缩比受到满负荷时最大允许机械负荷以及汽油机爆震的限值，故不能太高。然而在发动机低负荷时，机械负荷离最大允许负荷相差很远，提高热效率还有很大的潜力。增压汽油机中这个矛盾更加突出。寻找合适的可变压缩比方案是开发高增压汽油机的关键。可变压缩比方案：改变气缸压缩容积：改变气缸盖内燃烧室容积；采用可移动气缸盖和气缸体；采用可变活塞压缩高度；采用偏心活塞销；采用可变长度连杆；采用偏心连杆轴承；采用偏心主轴承；采用可变曲轴连杆机构。改变工作容积：采用偏心连杆轴承。可变压缩比燃烧室结构左图可变燃烧室容积系统优点是结构简单，缺点是在高负荷时，燃烧室形状不理想，在多气门汽油机上布置困难。可变压缩高度活塞结构左图是奔驰汽车公司和玛勒活塞公司联合开发的可变压缩高度活塞。这种活塞由活塞内芯和活塞外套等组成。它们之间相对位置的变化就可以改变活塞的压缩高度，进而改变压缩比。3.3.2顶置凸轮轴OHC传统下置凸轮轴的缺点：系统零件多；质量大；刚性差；难以保证高速发动机的要求。顶置凸轮轴的优点：零件少；质量轻；高速性好。顶置凸轮轴的分类按凸轮轴个数：单顶置凸轮轴SOHC（SingleOverHeadCamshaft）；双顶置凸轮轴DOHC（DoubleOverHeadCamshaft）。按气门的驱动方式：OHC直接驱动式：机械间隙调整式；液压间隙调整式。OHC摆臂驱动式：滑动式；滚子式。OHC摇臂式：滑动式；滚子式。SOHC与DOHCFordZtec-SEEngineDOHCOHC直接驱动式OHC摆臂驱动式OHC摇臂驱动式3.3.3多气门技术多气门技术的优点：充分利用气缸顶面积；进排气阻力小，利于提高充气系数。气门尺寸小、质量轻，适合于高速运转。小排气门热负荷小，工作可靠性容易保证。FZR750Engine3进2排五气门发动机四气门与二气门发动机对比大众四气门2L汽油机四气门与二气门发动机示功图对比四气门与二气门2.0L发动机性能对比五气门发动机性能五气门与四气门发动机进气量对比五气门与四气门发动机性能对比3.3.4谐振效应谐振效应：进气谐振效应；排气谐振效应。进气谐振在前面可变进气系统中已讲过，在此不赘述。排气谐振效应让气门重叠期间与负的峰值压力同步，防止排气倒“灌入”气缸，增加废气残余系数。谐振排气系统的设计设计策略：降低排气被压；双排气管、可变排气系统；合理解决排气噪声与排气被压的矛盾。为消除排气噪声（低频），增加消声器容量，这会造成排气被压增加，可以才用双排气管解决。降低排气被压对扭矩的影响扭矩双排气管对扭矩的影响3.3.5汽油机增压技术汽油机增压最初目的是提高功率和扭矩。目前批量生产的增压汽油机升功率达到50～80kW/L，平均有效压力为13～25bar。汽油机增压主要受到高负荷爆震的限值。目前增压汽油机的主要开发目标，是通过增压来减小排量，降低部分负荷油耗，同时减小发动机质量和体积，比较容易车内安装。在一辆奔驰C系列车内，一台2.0L自然吸气汽油机与一台1.0L增压汽油机对比试验表明，在欧洲循环中，增压汽油机可降低油耗20%。增压与非增压汽油机性能对比接通三通阀的始点来决定，喷油量由三通阀接通的持续时间来控制。电控废气放气增压器汽油机汽油机在中小负荷（左图），电控单元使废气门电磁阀克服弹簧作用力而打开，压气机来的高压空气和废气门膜片分隔开的右腔内带有压力的残留空气经电磁阀回流到压气机进口，废气门处于关闭状态，所有废气直接直接进入涡轮，使压气机后的增压空气压力达到与涡轮转速（即压气机转速）相适应的值。电控废气放气增压器汽油机汽油机在高速大负荷或出现爆震时，电控单元切断送给废气门电磁阀的电信号，废气门电磁阀在弹簧力的作用下关闭。压气机出来的高压空气进入废气门膜片分隔开的右腔并克服弹簧作用力而将废气门打开，汽油机排出的废气有一部分经废气门旁通流入排气管，这样就可以减少进入涡轮的一部分能量。带废气放气的增压器与汽油机是低速匹配。