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发动机 小型化 技术 发展

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日口孤动发动机小型化技术的发展 发动机 型化 技术的发展 撰文湖南奔腾动力科技有限公司范明强 为了减少排放量与燃油耗和汽车动力性之间的目标冲突 减小排量并采用废气涡轮增压技术来实现发 动机小型化是众所周知被认可的解决方案 一 减 小发动机排量并采用废气涡 轮增压技术实现发动机小型 化是现代车用发动机的一个重要 发展方向 特别是汽油机完全有可 能在获得良好行驶动力性能的同 时降低燃油耗和排放量 为了 展示创新发动机小型化方案的可行 性及其核心技术 马勒公司开发出 了一台 型化汽油机 其全负 荷性能指标使发动机小型化的效果 达到 同时新欧洲行驶循环 的燃油耗和排放量具有 降低的潜力 在进一步严格 和 排放限值的同时 降低排放量 是对未来发动机和汽车开发者的巨 大挑战 出于环境保护的需要 欧 洲议会提出了到年轿车的 排放量降低到爪的目标 这无 论是在汽车还是发动机技术上都是 有相当大的难度 因此欧洲汽车制 造商协会只承诺到年 轿车的排放量降低到 的目标图 但是 无论如何都必 须朝着减轻整车重量和实现发动机 小型化的方向努力 图示出的现代柴油机和汽油 机排放量的统计结果表明 即 使是新欧洲行驶循环排 放量达到 对于搭载排量 大于的自然吸气汽油机轿车来 讲也是难 以达到的 然而 如果 自然吸气汽油机排量缩小到的 话 其所可能达到的扭矩和功率将 被限制在大约和 那 么随着汽车尺寸和重量的增加 汽 车的动力性能将变差 为了缓和排放量与燃油耗 和汽车动力性之间的目标冲突 就 汽油机而言 减小排量并采用废气 涡轮增压技术来实现发动机小型化 是众所周知被认可的解决方案 多 年来 世界汽车和发动机制造商都 在努力实施这种方案 并已经在功 率相同的情况下 自然吸气发动机 的排量大约可减小 同时燃油 耗最多能降低 现在 基于汽 油直接喷射技术的发展 在行驶功 技术与应用吻 一 率相同的情况下 发动机小型化可 以超过 同时能够改善燃油耗 以上 如果发动机小型化技术方案要 进一步创新和提高 其低转速范围 内的扭矩特性和瞬态响应性能是创 新的小型化方案及其能否被用户认 可的关键因素 开发目标 废气涡轮增压系统 汽油直接 喷射和可变气门正时作为核心技术 始终是开发小型化发动机的关键 获得良好效率的基本前提条件是热 力学优化以及减少摩擦和减轻发动 机重量 对于应用在发动机上的系 统和零部件 包括以下将要介绍的 创新的零部件而言 重要的是其成 本和实现批量生产的解决方案 马 勒公司的小型化汽油机方案采用排 量为的 缸发动机 并具有单 级或两级废气涡轮增压 由表 所列举出的该机全负荷 特性和燃油耗的目标值可以看出 排量的小型汽油机 单级增压 时的升功率和最大平均有效压力已 分别达到和 而采用 两级增压时更分别高达 和 强化程度已达到相当高 的水平 具有如此优异全负荷扭矩 和功率值的小型汽油机用于净重大 约为的轿车上 其行驶动 力性能相当于搭载了排量的自 然吸气汽油机 这样发动机的小型 化率就能够达到 而新欧洲行 驶循环 闪 的燃油耗和排放 量大约可降低 该机在整个发 动机特性曲线场内以入 二 均质混 合气运转 能使整车排放满足欧 法规限值 基础发动机 表列出了该发动机最重要的 结构参数 气缸盖 对于该发动机的热力工作过程 设计而言 气缸盖是一个关键部 件 其上布置有进气门 排气门 燃烧室 喷油嘴 火花塞以及进 排气道 气缸盖结构设计的主要 目 标是要具有性能优良的燃烧室形状 和最佳的冷却效果 图示出了该发动机 的燃烧 室 缸径 每缸有个气 门 设计得十分紧凑 具有较小的 表面积 为了实现汽油直接喷射 选择了喷油嘴位于燃烧室中央的 油束主导系统主要 是为了实现均质运转 而火花塞 稍微偏移气缸中央位置 对 高增压发动机来说 这样的结构布 置型式就能采用相对较高的压缩比 但是 选择这样的燃烧室形状 对气缸盖的冷却提 出了较高的要 求 以便将燃烧室中和燃烧室附近 的热负荷保持在较低的水平 从而 保护喷油嘴 并将爆震倾向降低到 最低程度 这是通过气缸盖采用横 流式冷却 并优化冷却水套结构设 计来达到的 气缸盖是由铝合金采用 工艺方法铸造而成的 这 种铸造方法能够使几何形状较为复 杂的构件在铸造工艺所能达到的公 差下获得较小的壁厚 从而以较轻 的重量为有效的冷却提供非常有利 的前提条件 进气道进行机加工 并选用了整体式涡流调节阀 图 示出了气缸盖及其几何形状复杂的 冷却水套泥芯 冷却水套 进气道 和气门尺寸都是借助于计算流体力 学和 一 模拟计算进 行设计的 气缸体和曲轴箱 对于气缸体和曲轴箱结构设计 田 一 技术与应用 曰翻 发动机小型化技术的发展 全负荷特性 单级增压 最大扭矩 二 扣 最大功率 二 两级增压 低速扭矩 最大扭矩 自 汉刃州汉心面帕 最大功率 部分负荷燃油耗 最佳点 刽 旧叮巾不 氏阅白时 胭 二 二 最大平均有效压力声 升功率 功刀 从画沼韶 最大平均有效压力 限大平均有效压力闪 升功率 二 几 乐四匆撇响 目叮包皿骤鱿即班困证郑 气缸体喃造 决治铝合金 刁刃 直列缸 一一 王龙铝合金 双顶皿凸轮 轴 滚子摇俄进 排气相位调节 鸽 佗 丁 重量优化的马勒锻造活塞 逗马勒活塞环组 包括两个 压缩环物理蒸汽沉淀尸涂层矩 形球面环和鼻形斜面环和一个刮 油环 区 伙 类金刚石石墨涂层活塞肖 匹模锻马勒钢连杆 钢曲轴 连杆轴承因同样需要具有高的 承载能力采用热喷涂 曲轴轴承采 用厚壁轴瓦 以便尽量减少 温度对轴承间隙的影响 在该机开 发过程中 对活塞和活塞环的组合 进行了广泛的试验 以期获得更多 的减少摩擦的潜力 气门机构是双顶置凸轮轴结构 型式 由一条宽的低噪声链 条传动 并采用独立的进排气相位 调节器和液压挺柱 重量轻 磨损 小 摩擦损失低 为了减轻重量采 用了装配式凸轮轴 钢凸轮 并通 过滚子摇臂驱动气门 进排气门采 用了专门设计的中空式轻型结构 重量轻 只需要较小的弹簧力 降 低了气门机构摩擦 而且由于气门 落座冲击较小 减小了气门与气门 座圈之间的磨损 此外 这种中空 式轻型结构气门内部具有较大的空 腔 其中充满了钠 比传统气门具 有明显高的散热能力 能够承受更 高的热负荷 因此用于增压直喷式 稀薄燃烧混合气汽油机乃至全负荷 运转具有明显的优越性 此外 考虑到在将来必要时应 用可变气门升程机构 在气缸盖和 气门机构的设计上已留有余地 直列式 缸发动机存在不平衡的 旋转惯性力矩以及阶和 阶往复惯 性力矩 因此其运转平稳性没有直 列式 缸发动机好 为了在重量 结构空间和摩擦等方面以尽可能少 的附加消耗来改善这种发动机的质 缸径 行程 行彻缸径 单缸排 气缸数和排列型式 总排皿 缸心距 连杆中心距 气缸体高度 压缩比 点火次序 气缸盆 每缸气门数 配气机构型式 进排气门阀盘直径 进川卜 气门阔杆宣径 进用卜气门最大升程 邀排气门锥凭 洲比造 而言 有两个目标特别重要一是 在具有高强度和气缸变形小 减小 摩擦的前提条件 的同时零件重量 要轻二是要达到最佳的热平衡和 最佳的冷却效果 与气缸盖一样 铝气缸体也是由铝合金采用 方法铸造而成的 为了获 得高的强度 气缸体图设计成 封闭式顶面结构 并具有准整体式 气缸工作表面马勒镍硅网涂 层 以获得 良好的热传导 为了 减小气缸的变形和减轻零件重量 气缸盖 上缸体 气缸体和下缸体 主轴承座框架底座用拉杆螺栓连 接图 其拧紧力矩必须确保在任 何运转工况下这三大结构件始终处 于压应力状态 而所有的工作载荷 均由拉杆螺栓来承担 在设计下缸 体时放弃了主轴承座钢镶件结构 而在其铸件中集成了一个兼作机油 通道的钢镶座 气缸盖采用多层钢片密封垫作 为密封件 这对于这种升功率大 爆发压力高的高增压发动 机来说是必需的 它具有十分良好 的运转可靠性 曲柄连杆机构 在该发动机的设计中将高爆发 压力 低磨损和低摩擦损失放在很 重要的地位 图 示 出了该机的整 个曲柄连杆机构 其中包括曲轴传 动机构 凸轮轴传动机构 气门传 动机构和质量平衡机构等 其中 曲轴传动机构包括 技术与应用印 一 一 巨 皿藏目 量不平衡状况 已经选用了一种由 两块小质量组成的平衡机构 它们 通过塑料齿轮由曲轴来传动 冷却和机油供应 冷却系统的主要设计目标是尽可 能精确地控制冷却 以优化燃烧和降 低摩擦与磨损 因此该发动机的冷却 系统将流往气缸盖和气缸体的冷却水 流彼此分开 并采用电动水泵通过电 子控制阀和集成在气缸盖垫片中的温 度传感器 根据发动机运转工况的需 要来分酉 岭却水流量 在设计机油供应 和发动机润 滑系统时 最重要的是要摩擦损 失少 重量轻 并且占用的空间 小 活塞通过一条单独的油道直 接用未经滤清的机油来冷却 这 样在润滑系统中就不会出现明显 的机油压力损失 同时 操纵 凸 轮轴相位调节器的机油供应与润 滑凸轮轴轴承的机油是分开的 以确保凸轮轴相位调节器正常而 精确的控制 功 能 为了减轻重 量 采用了全塑料机油滤清器总 成 整体式 的铝制机油冷却器和 用工艺铸造的机油泵体 两级废气涡轮增压两种不同的增压 方案 这两种增压系统都是借助于 丁一尸 软件进行完整的换气模 拟计算来设计的 开发的重点是两 级增压系统 它能够实现表中所 列出的高功率和高扭矩指标以及最 佳的瞬态响应特性 如图所示 这种两级增压 系统 由两只串联布 置的废气涡轮增压器 调节阀和整 体式增压空气中冷器与废气再循环 装置组成 图示出了所选用 的增压器的压气机特性曲线场 采用小废气涡轮增压器的高压 级在发动机低转速工况时运转 而此时采用大废气涡轮增压器的低 压级在增压压力中并不占明显的 份额 为了获得最大的增压空气 量 两只涡轮的废气放气阀都是关 闭的 随着发动机转速的提高 在 全负荷和 时小增压器 达到其最高转速 此时其涡轮的废 气放气阀和其压气机的旁通阀都打 开 增压压力的供应全部由大增压 器来承担 最高增压压力可达到 绝对压力 高压级的涡轮壳与铸钢排气歧 管做成一体 并且所有的零件都是 按照最高废气温度 设计的 单级增压系统采用的可变截面 废气涡轮增压器是在用于柴油机的 标准规格基础进行二次开发的 为 了将废气温度降低到零件所能承受 的 在接近全负荷范围内单 级增压系统所采用的水冷铝排气歧 管和冷却仁 日发挥了很大的作用 进气系统 的设计目标是 重量 轻 结构紧凑 流动损失小 并具 有良好的响应特性 为此 将空气 滤清 空气量计量 节气门和空气 分配一并集成为一个系统 并且两 种增压方案都包含有增压空气中冷 器 为了获得良好的响应特性和低 的流动损失采用单个节气门 并在 空气滤清器后面设置了一个亥姆霍 兹谐振消声器 而在增压器压气机 进口前安装了一个缝隙式消声器 以降低噪声辐射 增压系统 进气系统和废气再循环 首先 为发动机选择了单级或 辅助和附加设备 在为发动机选择和设计辅助与 附加设备时应优先考虑降低传动损 失 此外为了实现前面所述的冷 却系统的仔细优化 冷却水泵采用 电传动 同时 为了进一步降低汽 车行驶中的燃油消耗 在传动系统 中集成了一个组合式起动机 一 发电 机替代标准的发电机 用于电起动 轻度混合动力 田 一 技术与应用

内容简介：

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