汽车新技术8可变配气相位.ppt

汽油机可变配气相位 汽油机可变配气相位 其特性参数主要是三个 气门开启相位 气门开启持续角度 指气门保持升起持续的曲轴转角 和气门升程 这三个特性参数对发动机的性能 油耗和排放有重要影响 通常将气门开启相位和气门开启持续角度统称为气门正时 随着发动机负荷和转角的改变 这三个特性参数 特别是进气门开启相位和开启持续角度 的最佳选择是根本不同的 进气门开启相位提前 一方面为进气过程提供了较多的时间 特别有利于解决高转速时进气时间不足的问题 另一方面 气门叠开角增大 有更多的废气进入进气管 随后又同新鲜充量一起返回气缸 造成了较高的内部排气再循环率 可降低油耗和NOX排放 但同时也导致启动困难 怠速不稳定和低速工作粗暴 进气门关闭相位推迟 一方面在高转速时有利于利用高速气流的惯性提高体积效率 另一方面在低转速时又会将已经吸人气缸的新鲜充量重又推回到进气管中 气门升程增大 一方面在高负荷时有利于提高体积效率 另一方面在低负荷时又得不将节气门关得更小 造成更大的泵气损失和节流损失 综上所述可见 出于不同的考虑 对气门特性参数提出了不同要求 为了提高标定功率 要提早开启 推迟关闭进气门 并提高进气门升程 为了提高低速扭矩 要提早关闭进气门 为了改善启动性能并提高怠速稳定性 则要推迟开启进气门 减小气门叠开 显然 进气门特性参数对发动机的影响比排气门特性参数更大 进气门关闭相位的影响比开启相位大 由于环境保护和人类可持续发展的要求 低能耗和低污染已成为汽车发动机的发展目标 要求发动机既要保证良好的动力性又要降低油耗满足排放法规的规定 在各种现代技术手段中 可变配气相位技术已成为新技术发展方向之一 1 无凸轮轴可变配气相位机构 电磁控制 该类机构没有凸轮轴 直接对气门进行控制 其优点是能对气门正时的所有因素进行控制 在各种工况下获取最佳气门正时 另外 还能关闭部分气缸的气门 实现可变排量 直接对气门控制是比较理想的状况 但该类控制机构操纵时需要消耗较高的能量 如何降低能量消耗是这类机构必须解决的问题 每对气门在不同工况由凸轮轴上 滞止凸轮 0 65mm最大升程 中速凸轮 7 3mm升程 高速凸轮 lOmm升程 分别控制 相应的凸轮推动的摇臂也有三个 主摇臂 中间摇臂 次摇臂 另外 还有两个转换柱塞协同转换驱动凸轮 低速时 如图1 93 a 所示 各个摇臂分离独立工作 主摇臂驱动主气门正常工作 次摇臂驱动次气门 最大升程为0 65mm 主要是产生最适当的涡流实现稀薄燃烧 变换凸轮型线的可变配气相位机构 1 凸轮轴 2 低速凸轮 3 高速凸轮 4 主摇臂 5 二中间摇臂 6 次摇臂 7 液压柱销A8 液压柱销B 9 止推销 10 空行程弹簧 11 排气门 12 进气门 可变式配气机构 随着发动机各缸采用多气门化 发动机的高速动力性有了很大的提高 同时却带来了中小负荷经济性变差和低速扭矩的降低 为了解决此矛盾 近来高性能轿车发动机广泛采用了可变配气相位与气门升程电子控制 VTEC 机构 从而使从高速到低速整个使用范围性能得到提高 本田汽车采用一种可变配气相位与气门升程电子控制 VTEC 机构 来控制进气时间与进气量 从而使发动机产生不同的输出功率 气门定时和升程可变的可变进气系统 VTEC 装有VTEC机构的发动机每个气缸和常规的高速发动机一样配置有两个进气门和两个排气门 它的两个进气门有主次之分 即主进气门和次进气门 每个进气门均由单独的凸轮通过摇臂来驱动 驱动主次进气门的凸轮分别叫主 次凸轮 主 次摇臂 中间摇臂 不与任何气门接触 三摇臂并在一起 均可在摇臂轴上转 中间凸轮 升程最大 中间凸轮升程最大是按发动机双进双排气门工作最佳输出功率的要求而设计的 主凸轮升程小于中间凸轮 它是按发动机低速工作时单气门开闭要求设计的 次凸轮的升程最小 最高处只是稍微高于基圆 其作用只是在发动机怠速运行时 通过次摇臂稍微打开次气门 以免燃油集聚在次进气门口 中间摇臂的一端和中间凸轮接触 另一端在低速时可自由活动 三个摇臂在靠近气门一端均有一个油缸孔 油缸孔中都安置有活塞 由此可见 根据发动机转速 负荷 水温及车速信号 由ECM进行计算处理后将信号输出给电磁阀来控制油压 进而使不同配气定时和气门升程的凸轮工作 VTFC不工作时 正时活塞和主同步活塞位于主摇臂缸内 和中间摇臂等宽的中间同步活塞位于中间摇臂油缸内 次同步活塞和弹簧一起则位于次摇臂油缸内 正时活塞的一端和液力油道相通 液力油来自工作油泵 油道的开启由ECM通过VTEC电磁阀控制 在发动机低速运行时 ECM无指令 油道内无油压 活塞位于各自的油缸内 各摇臂均独自上下运动 于是主摇臂紧随主凸轮开闭主进气门 以供给低速运行时发动机所需混合气 次凸轮则迫使次摇臂微微起伏 微微开闭次进气门 中间摇臂虽然随着中间凸轮大幅度运动 但是它对于任何气门不起作用 此时发动机处于单进双排工作状态 吸人的混合气不到高速时的一半 由于仍然是所有气缸参与工作 所以运转十分平顺均衡 发动机高速运行 ECM就会向VTEC电磁阀供电开启工作油道 工作油道中的压力油就推动活塞移动 压缩弹簧 这样主摇臂 申间摇臂和次摇臂就被主同步活塞 中间同步活塞和次同步活塞串联为一体 成为一个同步活动的组合摇臂 由于中间凸轮的升程大于另两个凸轮 而中间凸轮角度提前 故组合摇臂随中间摇臂一起受中间凸轮驱动 主 次气门都大幅度地同步开闭 因此配气相位发生变化 吸人的混合气量增多满足了发动机大负荷时的进气要求 低速时 如图所示 各个摇臂分离独立工作 主摇臂驱动主气门正常工作 次摇臂驱动次气门 最大升程为0 65mm 主要是产生最适当的涡流实现稀薄燃烧 中速时如图所示 电脑控制中速油路开启 液压油驱动中速转换柱塞 使主 次摇臂联结在一起 中速凸轮开始起作用 驱动两个气门运转 高速时 如图所示 电脑控制打开高速油路 液压油推动高速转换柱塞 主 次摇臂与中间摇臂联结在一起 由高速凸轮驱动 当转速降低时 油路内油压降低 柱塞在回位弹簧的作用下推回 三根摇臂又依次分开 该机构使发动机根据自身转速和负荷自动改变气门的配气相位及气门升程 改变进气量 低速时 VTEC E开启一个气门实现稀燃 中速时 采用中速凸轮型线驱动两个进气门 确保中速扭矩 高速时 VTEC E加大气门升程及延长开启时间 使迸气量增加 以输出更大功率 3 改变凸轮轴相角的可变配气相位机构 该类机构利用凸轮轴调相原理 凸轮型线是固定的而凸轮轴相对曲轴的转角是可变的 因为配气相位中影响发动机性能较大的是进气门关闭角和进排气重叠角 在多气门双顶置凸轮轴发动机上 单独控制进 排气凸轮轴 可以实现对这两个因素的控制 改善发动机性能 虽然这类机构不能改变气门升程和持续期 但是它机构原理简单 可以保持原发动机气门系不变 只用一套额外的机构来改变凸轮轴相角 对原机改动较小 便于采用 应用较广泛 以日本NISSAN公司开发的一种液压机构为例 用在双顶置凸轮轴发动机上 改变进气凸轮轴相角 实现配气相位可变 改变凸轮与气门之间连接的可变配气相位机构 1 凸轮 2 挺柱 3 高压油腔 4 蓄压罐 5 电磁阀 6 气门 电控液压挺柱式可变配气相位机构原理如图所示 当电磁阀关闭时 凸轮推动第一挺柱 由于挺柱室内的液压油不能溢出 油压推动第二挺柱 使气门工作 当电磁阀打开 由于一部分液压油溢出到储油室 第二挺柱延缓推动气门 使气门晚开或早关 气门升程也可以减小 这种机构比较简单 它只需改变液力挺柱 当液压油溢出到储油室足够多 可以完全消除气门升程 实现可变排量 广州本田思迪 CITY 广州本田思迪 CITY 思迪 CITY 除了精心设计的造型外 还汇集了众多反映当今汽车发展水平的领先技术 从动力 操控 悬挂等方面实现了优异的综合性能 这也让思迪 CITY 成为一款真正代表着高科技的车型 驾驶思迪 CITY 在澎湃的动力与随心的操控中实现自在穿行都市的梦想 先进的5速自动变速器 思迪 CITY 是唯一一款在同级车型中使用了在高级车上广泛装备的5速自动变速器 5AT 的车型 该款5AT专门为思迪 CITY 开发设计 与4AT相比 达到了更好的操控感和燃油经济性 同级车型中高水平的换挡平顺性 思迪 CITY 的5AT采用了高效 理想的直接控制系统 使变速时离合油压十分理想 有效地抑制了换挡冲击 实现了平顺 迅捷的变速 使驾驶更为顺畅 乘坐更为舒适 更宽的5挡速比范围及1 4挡低速比 5AT实现了较4AT范围更宽更合理的变速比 在相同高速状下 发动机转速更低 行驶更安静 燃油经济性更优 而在相同低速状态下 5AT的低速比相对4AT行驶动力更为充沛 使行驶性能得到进一步提高 全速锁止实现了极佳的油耗 思迪 CITY 的5AT使用了带锁止离合器的液力变矩器 在锁止状态下 动力通过直接连接的方式进行传递 减少动力的损失 提高燃油经济性 为了缩短形成锁止的时间 思迪 CITY 的5AT还采用盘状锁止弹簧辅助锁止 与标准锁止模式相比大大缩短了所用的时间 更进一步降低了油耗 同时 思迪 CITY 的5AT不仅可以在日常使用的速比范围 2 5速 内实现锁止 更可从1速开始就进行锁止 使燃油消耗降低了2 真正满足人们的使用需求 极为紧凑的变速器结构 采用本田独创的变速器内部排列结构 四 五速共用齿轮 极大地减小了变速器体积 为实现整车的轻量化做出了贡献 强劲动力与超低油耗的和谐统一 思迪 CITY 搭载了倍受赞誉的1 3L及1 5LVTEC发动机 不仅让人体验到驾驶的畅快 更能满足对油耗和排放的高要求 1 3Li DSI发动机具备由低速就开始的平顺扭矩曲线 扭矩充分 令驾驶者能够切身体会到充沛的行驶动力 与同级车相比 油耗格外出色 百公里最低油耗仅为5 0L 90km h等速 最大功率为60kW 5700rpm 最大扭矩则达到119Nm 2800rpm 1 5LVTEC发动机继承了混合动力车型INSIGHT的低燃油技术 实现了与稀薄燃烧式发动机同等的燃油经济性 百公里最低油耗仅为5 1L 90km h等速 VTEC发动机的进气气门可以分别控制正时时间和升降行程 在低转速时 一个进气气门微微开启 由另一个气门吸入混合气体 在燃烧室内产生更强的涡流效应 提高了燃烧效率 改善燃烧稳定性 在高转速时 主副进气气门同时升降 将更多的混合气吸入气缸 实现高扭矩 高功率的性能 因此 VTEC发动机具备低转速时扭矩提升平稳 常用转速扭矩曲线平顺以及高转速时动力顺畅的特性 最大功率为79kW 5800rpm 最大扭矩为143Nm 4800rpm 发动机吸气温度的降低 与燃烧效率的提高关系密切 同时也影响发动机功率 燃油经济性的提高 为了使发动机的优势得到更为充分的发挥 思迪 CITY 不遗余力地对降低发动机吸气温度进行了研究 同时改变散热器风扇形状和风扇旋转方向 将散热器热量向与进气口相反的方向进行疏导 成功实现了发动机吸气温度的降低 提高进气效率 充分发挥了发动机的强劲动力 发动机增压技术 一 所谓内燃机增压就是利用增压器将空气或可燃混合气进行预压缩 再送人气缸的过程 增压后 每循环进人气缸的新鲜充量密度增大 使实际充量增加 从而达到提高发动机功率和改善经济性的目的 二 增压的基本类型分涡轮增压 机械增压 气波增压 复合增压四种 对应的增压器称涡轮增压器 机械增压器 气波增压器 略 汽油发动机不同于柴油发动机 它进入气缸的不是空气 而是汽油与空气的混合气 压力过大容易爆燃 因此 安装涡轮增压器必须要避免爆燃 这里涉及两个相关问题 一个是高温控制 另一个是点火时间控制 1 涡轮增压器 由涡轮机和压气机构成 将发动机发出的废气引入涡轮机 废气的能量推动涡轮机叶轮旋转 并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作 新鲜空气在压气机内增压后进入气缸 涡轮增压的最大优点 是燃油经济性好油耗率可降低5 10 可提高功率20 50 并可大幅度降低有害气体的排放和噪声水平 缺点 是低速时排气能量低 增压效果差 低速加速性能较差 1 排气口 2 涡轮机 3 压气机 4 进气口 5 进气管 6 排气管 2 机械增压器 由发动机曲轴1经齿轮增速器5驱动 图a 或由曲轴齿形传动带轮经齿形传动带9及电磁离合器6驱动 1 发动机曲轴 2 排气管 3 进气管 4 机械增压器 5齿轮增速器 6 电磁离合器 7 开关 8 蓄电池 9 齿形传动带 机械增压能有效提高发动机功率 由于机械增压器与发动机直接机械联接 因此 其变工况的瞬态响应性好 加速性好 尤其是低速时加速性好 但发动机驱动机械增压器要消耗输出功率 因此发动机的燃油经济性较差 1 发动机曲轴 2 排气管 3 进气管 4 机械增压器 5齿轮增速器 6 电磁离合器 7 开关 8 蓄电池 9 齿形传动带 三 复合增压系统1 串联式复合增压系统 空气先经过涡轮增压器提高压力后 进入中间冷却器降温 再经机械增压器增压 这种增压方式主要用于高增压发动机上 2 并联式复合增压系统 由机械增压器和涡轮增压器同时向发动机供给增压后的空气 在低速范围内主要靠机械增压 而在高转速范围内主要靠涡轮增压 这种增压系统使发动机低转速转矩特性得到改善 T 涡轮 K 压气机 中冷器涡轮增压器吸进的空气经压缩温度增高了 在流动时与进气管壁摩擦还会进一步增高 这样不仅影响充气效率 还容易产生爆燃 因此要装置降低进气温度的设备 这就是中间冷却器它安装在压气机出口与进气管之间 对进入气缸的空气进行冷却 中间冷却器就象散热器 据测试 性能良好的中间冷却器不但可以使发动机压缩比能保持一定值而不会产生爆燃 同时降低温度也可提高进气压力 进一步提高发动机的有效功率 涡轮增压 一 涡轮增压系统 涡轮增压系统分单涡轮增压系统和双涡轮增压系统 涡轮增压系统除包括涡轮增压器之外 还包括进气旁通阀1 排气旁通阀9和排气旁通阀控制装置10等 如图示 1 进气旁通阀 2 节气门 3 进气管 4 空滤 5 空气流量计 6 压气机 7 涡轮机 8 三元催化器 9 排气旁通阀 10 排气旁通阀控制装置 11 排气管 六缸电控汽油喷射式汽油机常采用双涡轮增压系统 如图示 其中 不连续发火的1 2 3缸作为一组 4 5 6缸作为另一组 每组三个气缸的排气驱动一个涡轮增压器 此系统除包括涡轮增压器9 进气旁通阀2 排气旁通阀10及排气旁通阀控制装置11之外 还包括中冷器3 谐振室4和增压压力传感器5等 1 空气滤清器 2 进气旁通阀 3 中冷器 4 谐振室 5 压力传感器 6 进气管 7 喷油器 8 火花塞 9 涡轮增压器 10 排气旁通阀 11 排气旁通阀控制装置 12 排气管 二 涡轮增压器的结构及工作原理 涡轮增压器由离心式压气机和径流式涡轮机及中间体三部分组成 增压器轴5通过两个浮动轴承9支承在中间体14内 中间体内有润滑和冷却轴承的油道 还有防止润滑油漏入压气机或涡轮机中的密封装置等 离心式压气机由进气道6 压气机叶 轮3 无叶片扩压管2及压气机涡壳1等组成 1 压气机 2 扩压管 3 压气机叶轮 4 密封套 5 轴 6 进气道 7 推力轴承 8 挡油板 9 浮动轴承 10 叶轮 11 出气道 12 隔热板 13 涡壳14 中间体 当压气机旋转时 空气经进气道进入压气机叶轮 并在离心离的作用下沿着压气机叶片1之间形成的流道 从叶轮中心流向叶轮的周边 空气从旋转的叶轮获得能量 使其流速 压力和温度均有较大的提高 然后进入叶片式扩压管3 扩压管为渐扩形流道 空气流过扩压管时减速增压 温度也有所提高 在扩压管中 空气所具有的大部分动能转变为压力能 增压器轴承车用发动机增压器轴承采用浮动轴承 实际是套在轴上的圆环 圆环与轴以及圆环与轴承座之间都有间隙 形成双层油膜 圆环浮在轴与轴承座之间 在增压器工作时 圆环在轴与轴承座之间缓慢转动 增压器工作时产生轴向推力 由设置在压气机一侧的推力轴承承受 四 涡轮增压器的润滑与冷却 来自发动机润滑系统主油道的机油 经增压器中间体上的机油进口1进入增压器 润滑与冷却增压器轴与轴承 然后 机油经机油出口2返回发动机油底壳 在增压器轴上安装油封 若损坏 将导致机油消耗剧增 发动机排气冒蓝烟 汽油机涡轮增压器的热负荷大 因此必须在涡轮机一侧设置冷却水套 并用软水管与发动机的冷却系连通 进水口3和出水口4均在中间体上 如果只靠机油和空气对涡轮增压器进行冷却 则当发动机在大负荷或高转速工作之后 如果立即停机 那么机油可能因轴承温度太高而燃烧 涡轮增压器调节的目的是为了保证发动机在低速时具有较高的增压压力和较高的转矩 同时发动机在高速时增压压力又不致过高 防止发动机热负荷过高和涡轮增压器超速 涡轮增压器的调节 涡轮增压器的调节可以通过旁通放气 变截面涡轮和变截面压气机实现 1 排气旁通1 减少进人涡轮的排气及能量涡轮增压发动机的离心式压气机 通常在1 4发动机额定转速以下的转速范围内 出口工质压力增加很小 高于该转速后 压力逐上升 如果不控制 会超过发动机能承受的最高增压力 为此 涡轮增压器常采用排气旁通 使其压力控制在许用值以下 在一定条件下 采用较大涡轮及蜗壳 也可以使增压压力更低 但这是不经济的 如图排气旁通增压系统 旁通阀3与增压器2的涡轮并联地连接在内燃机1的排气管上 1 内燃机 2 涡轮增压器 3 旁通阀 旁通阀的阀门固定在膜片上 膜片上部通大气 并受弹簧的作用 下部与压气机出口的增压空气相通 平时 弹簧将旁通阀的阀门压在阀座上 内燃机排气管来的废气不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内 增压压力对膜片的作用力超过弹簧预压紧力 旁通阀打开 一部分废气不经涡轮做功而直接从涡轮出口排人大气中 涡轮做功减少 使压气机压缩空气的功减少 工质的增压压力回落 从而实现了工质增压压力的自动调节 旁通掉的废气量最多可达30 40 仍可使空气增压压力不变 但这种调节只限于在全负荷时的增压压力调节 控制旁通阀开 关有两种方法 一种是用压气机出口的增压气体控制 该方法是用软管将压气机涡壳空腔与膜片作用器的空腔连接起来 传递压气机出口处工质压力变化信号 当发动机在正常的稳定状态下工作 增压压力不高 旁通阀是关闭的 a 当增压压力超过某一规定值时 旁通阀打开 部分排气不进入涡轮 而由旁通管直接排人大气中 b 因此涡轮转速不会上升 压气机出口压力也保持在限定值以下 另一方法是用排气背压和压气机入口处形成的真空度联合控制 见下图 a 当发动机在中等转速部分负荷工作时 排气背压通过钢管传递 作用在膜片作用器的膜片上 使旁通阀部分打开 下图 b 实现控制增压压力的目的 如果发动机在中速 高速大负荷工况工作 输入涡轮的排气能量增加 使压气机转速及出口压力进一步上升 此时压气机入口处真空度增大 其与背压同时作用在膜片作用器上图 c 更多的排气旁通排人大气中 使增压压力保持在一定范围内 用已增压气压力或者用排气背压控制旁通阀开启完全取决于旁通阀上的弹簧刚度和作用在膜片上的反压 这种控制方式对内燃机转速 缸内压力或燃烧粗暴性并不敏感 因此最好采用较弱的弹簧以及电磁线圈控制旁通阀 如下图所示 该系统主要由电控单元ECU 压力传感器 转速传感器 图中通过分配器提供转速变化信号 及敲缸传感器组成 输人信号经过处理后 ECU给电磁线圈发出指令 控制旁通阀开启或者关闭 由于采用了ECU控制 在发生敲缸时 可以自动推迟点火提前角 而避免敲缸 因此采用这种控制系统的汽油机增压后 可以不降低压缩比 并采用原先使用的汽油 限制进入压气机工质量的方法是将节气门通过杆件与工质直接进人气缸的旁通进气道中一阀门连接在一起 当节气门开度很小 例如小于1 3开度 那