汽車(chē)可變技術(shù)

1、 汽車(chē)可變技術(shù)一. VCC (Variable Combustion Chamber)本文采用仿真技術(shù)和模擬試驗(yàn)的方法對(duì)可變?nèi)紵?VCC：VariableCombustion Chamber)活塞的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究。提出了新的VCC活塞的技術(shù)方案，優(yōu)化改進(jìn)了VCC活塞的結(jié)構(gòu)；通過(guò)擴(kuò)充模型庫(kù)進(jìn)一步完善了VCC活塞動(dòng)力學(xué)仿真分析平臺(tái)；分析了影響VCC活塞動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)鍵控制參數(shù)及其它們之間的相互關(guān)系；采用VCC活塞的動(dòng)力學(xué)仿真和發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真的耦合迭代計(jì)算預(yù)測(cè)了VCC活塞的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性：分析了VCC活塞的溫度場(chǎng)和熱變形對(duì)機(jī)構(gòu)預(yù)緊力的影響。新的VCC活塞的技術(shù)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括有：提出了連

2、桿小端復(fù)位凸輪的設(shè)計(jì)，保證VCC機(jī)構(gòu)能在一個(gè)循環(huán)內(nèi)及時(shí)復(fù)位；完成了支撐盤(pán)和限位盤(pán)的型線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了VCC活塞的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：改進(jìn)了VCC機(jī)構(gòu)的預(yù)緊方式，能夠在不同預(yù)緊力的情況下保持預(yù)緊位置不變；此外，優(yōu)化后的VCC活塞的質(zhì)量減輕和結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。小結(jié):VCC發(fā)動(dòng)機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷不同轉(zhuǎn)速下的缸內(nèi)壓力均被VCC位移控制到接近于低壓縮比原型機(jī)缸內(nèi)壓力，能夠有效地防止爆燃和控制爆震，這說(shuō)明VCC機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速工況對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。不同負(fù)荷下VCC機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如下：在25低負(fù)荷下VCC發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力與高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)基本一致，VCC發(fā)動(dòng)機(jī)以高壓縮比運(yùn)行；在50的負(fù)荷下，VCC發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力比高壓

3、縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的稍低一些：在75負(fù)荷下，VCC發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力介于低壓縮比原型發(fā)動(dòng)機(jī)和高壓縮比原型發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力之間，避免了爆燃的同時(shí)也在一定程度上提高了缸內(nèi)壓力。在100負(fù)荷下，VCC發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力與低壓縮比原型機(jī)基本相同，能夠有效控制高負(fù)荷工況時(shí)的氣缸壓力，防止爆燃和爆震。通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真的方法能研究偏差因素對(duì)VCC活塞動(dòng)力學(xué)性能的影響。此外VCC技術(shù)還能在一定程度上改善缸內(nèi)壓力不均勻性。算例表明：與原型機(jī)相比VCC發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力循環(huán)波動(dòng)范圍約降低了51左右。二. VVT(VariableValveTiming)VVT機(jī)構(gòu)能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定配氣相位機(jī)構(gòu)，使配氣動(dòng)作優(yōu)化，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工

4、作轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍下，提供合適的氣門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)刻，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣性能，較好地解決高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷與小負(fù)荷時(shí)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和廢氣排放的矛盾。對(duì)于汽油機(jī)而言，應(yīng)用VVT技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)改善怠速穩(wěn)定性和低速平穩(wěn)性；(2)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩；(3)擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍；(4)降低部分負(fù)荷燃油消耗率；(5)改善廢氣排放。國(guó)外可變配氣技術(shù)的發(fā)展歷程三.VNT(Variable Nozzle Turbocharge)由于在動(dòng)力、節(jié)能和排放等方面的優(yōu)勢(shì)，柴油機(jī)已成為節(jié)能環(huán)保汽車(chē)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)選擇，隨著全球車(chē)用動(dòng)力“柴油化”趨勢(shì)的形成，增壓技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用愈加廣泛。本文結(jié)合國(guó)家科技部“86

5、3”項(xiàng)目“長(zhǎng)豐新一代橋車(chē)用高效環(huán)保柴油機(jī)研發(fā)"，對(duì)可變噴嘴增壓器與柴油機(jī)的匹配及其控制展開(kāi)研究，以解決常規(guī)渦輪增壓柴油機(jī)存在低速轉(zhuǎn)矩不足、部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性差以及瞬態(tài)響應(yīng)遲緩等問(wèn)題。本文建立了渦輪增壓柴油機(jī)各物理子系統(tǒng)工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，利用GT-Power-維仿真軟件，建立D01柴油機(jī)仿真計(jì)算模型，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。利用仿真計(jì)算模型，開(kāi)展了VNT與D01柴油機(jī)的匹配仿真研究，確定了全工況下，可變噴嘴環(huán)的最佳開(kāi)度以及相應(yīng)的最佳增壓壓力。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，分析了噴嘴環(huán)開(kāi)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的影響，并確定了最佳噴嘴環(huán)開(kāi)度隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的變化規(guī)律。在

6、對(duì)VNT與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配結(jié)果進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，確定了VNT在各工況下的控制策略：穩(wěn)態(tài)采用增壓壓力反饋PID控制；瞬態(tài)典型工況采用葉片位置式控制；怠速工況通過(guò)水溫判斷來(lái)確定噴嘴開(kāi)度的大小。在此基礎(chǔ)上對(duì)控制算法進(jìn)行了研究，并利用Simulink建立了VNT控制系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了控制系統(tǒng)執(zhí)行部件選型研究。利用dSPACE平臺(tái)，搭建了硬件在環(huán)系統(tǒng)，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制模型連接，對(duì)VNT進(jìn)行了位置式反饋控制，實(shí)現(xiàn)軟硬件聯(lián)合調(diào)試。結(jié)果表明，系統(tǒng)誤差較小，響應(yīng)迅速，達(dá)到了控制要求。在不同的轉(zhuǎn)速工況下，總有一最佳的噴油定時(shí)和噴油壓力20。傳統(tǒng)的高壓油泵供油系統(tǒng)，燃油壓力大小受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，為改變供油

7、提前角以適應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，一般是在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝供油角度提前器，但該提前器受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，改變的角度有限，不能實(shí)現(xiàn)全工況的噴油定時(shí)優(yōu)化。傳統(tǒng)的噴油泵系統(tǒng)的噴射壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系很大，因而在低速時(shí)噴射壓力較低?，F(xiàn)代先進(jìn)的電控高壓共軌燃油系統(tǒng)可以對(duì)噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期、噴油壓力、噴油規(guī)律進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)的采用可以使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能都有進(jìn)一步的提高21。四.可變進(jìn)氣系統(tǒng) 可變進(jìn)氣系統(tǒng)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)進(jìn)氣管道的動(dòng)態(tài)效應(yīng)來(lái)提高充氣效率，以達(dá)到在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)增大發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率。為了有效利用進(jìn)氣動(dòng)態(tài)效應(yīng)、提高充氣效率，在國(guó)外的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上采用設(shè)置動(dòng)力腔、諧振腔及各種結(jié)構(gòu)形式的可

8、變進(jìn)氣系統(tǒng)。合適的進(jìn)氣道長(zhǎng)度、直徑（截面積）與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。一個(gè)長(zhǎng)度和截面固定的進(jìn)氣道，只能在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較好動(dòng)態(tài)效應(yīng)和充氣效果。一般在低轉(zhuǎn)速工作時(shí)，較細(xì)長(zhǎng)的進(jìn)氣道充氣效果較好，而在高轉(zhuǎn)速工作時(shí)，短而粗進(jìn)氣道充氣效果較好，如果采用長(zhǎng)度可變的進(jìn)氣道，則可使發(fā)動(dòng)機(jī)在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有較好的充氣效果22。根據(jù)進(jìn)氣管的不同長(zhǎng)度,氣流脈動(dòng)效應(yīng)表現(xiàn)也不同。比如進(jìn)氣管變長(zhǎng),最佳脈動(dòng)效應(yīng)就向低速區(qū)域移動(dòng)。進(jìn)氣管脈動(dòng)次數(shù)按下式計(jì)算調(diào)整進(jìn)氣管長(zhǎng)度，使脈動(dòng)次數(shù)為整數(shù)和進(jìn)氣門(mén)重疊時(shí)間同步就可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況下,進(jìn)氣阻力對(duì)進(jìn)氣影響較大,短進(jìn)氣管阻力小,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)氣更充分。

9、低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣頻率較低,長(zhǎng)進(jìn)氣管能降低脈動(dòng)次數(shù),聚集更多空氣,從而改善進(jìn)氣充氣效率。另外,長(zhǎng)進(jìn)氣歧管還能降低空氣流速,能讓空氣和燃料混合更為充分,從而改善燃燒在各種車(chē)型上采用的可變進(jìn)氣系統(tǒng)并不完全一樣，圖1-1、1-2、1-3 為經(jīng)常見(jiàn)到的幾種可變進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1-1 為奧迪V6 發(fā)動(dòng)機(jī)可變進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣歧管的幾何形狀。在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管內(nèi)設(shè)置進(jìn)氣轉(zhuǎn)換閥，它接受ECU 的控制。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于4100r/min 時(shí)，每個(gè)氣缸進(jìn)氣道中的轉(zhuǎn)換閥門(mén)總是處于關(guān)閉位置，形成路徑較長(zhǎng)而截面積較小進(jìn)氣管道，如圖1-1(a)所示；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于4100r/min 時(shí)，進(jìn)氣道中的轉(zhuǎn)換閥門(mén)開(kāi)啟，構(gòu)成的路

10、徑較短而截面較大進(jìn)氣管道，如圖1-1(b)所示。發(fā)動(dòng)機(jī)采用這種可變進(jìn)氣系統(tǒng)后，提高了充氣效率，其輸出扭矩和功率都有提高。圖1-2 為一日產(chǎn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可變進(jìn)氣系統(tǒng)的原理圖。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低速中、小負(fù)荷工作時(shí)，轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉，進(jìn)氣僅通過(guò)細(xì)長(zhǎng)的進(jìn)氣管流入，可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的漩渦，提高進(jìn)氣流速，由于細(xì)長(zhǎng)管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，改善了中低速的扭矩特性；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工作時(shí)，轉(zhuǎn)換閥開(kāi)啟，短而粗的進(jìn)氣管道，大大提高了充氣量，從而獲得較大的功率。圖1-3 為日本豐田公司采用的雙進(jìn)氣管分別參加工作的可變進(jìn)氣系統(tǒng)原理圖。圖中顯示每個(gè)氣缸配有4 個(gè)氣門(mén)。2 個(gè)進(jìn)氣門(mén)各配有一個(gè)進(jìn)氣管道。其中一個(gè)進(jìn)氣管道中裝有進(jìn)氣轉(zhuǎn)換閥。在發(fā)動(dòng)機(jī)低

11、速中、小負(fù)荷工作時(shí)，轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉，只利用一個(gè)進(jìn)氣通路，將進(jìn)氣通路減半，如圖1-3(a)，此時(shí)進(jìn)氣流速提高，進(jìn)氣慣性大，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工作時(shí)，轉(zhuǎn)換閥開(kāi)啟，進(jìn)氣通路為兩條，如圖1-3(b)，此時(shí)進(jìn)氣截面大大增加，進(jìn)氣阻力減小，充氣量增加，同時(shí)最佳動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速也移向高速，使高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)的動(dòng)力性能得到很大提高。五.可變配氣相位 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電控可變配氣相位是國(guó)外近10 年來(lái)應(yīng)用的一項(xiàng)高新技術(shù)，是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代發(fā)展方向之一2429。我國(guó)也已從20世紀(jì)90 年代開(kāi)始展開(kāi)了這一技術(shù)的實(shí)用研究30,31，并取得了一些成果。它改變了配氣相位固定不變的狀態(tài)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)提供最佳的配氣正

12、時(shí)，提高了充氣系數(shù)，較好地解決了高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷與小負(fù)荷下動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾，在一定程度上改善了廢氣排放、怠速穩(wěn)定性和低速平穩(wěn)性，降低了怠速轉(zhuǎn)速34。傳統(tǒng)的轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣凸輪位于一根凸輪軸上, 且配氣相位選擇某一工況為最佳的配氣相位而固定不變, 其余工況不能使發(fā)動(dòng)機(jī)性能最佳。近代的轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)多采用頂置雙凸輪軸結(jié)構(gòu), 利用螺旋花鍵軸的軸向運(yùn)動(dòng)而使進(jìn)、排氣凸輪提前、遲后一定角度,進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況不同而使發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位改變, 如寶馬公司的VANOS 系統(tǒng)35 ，此類(lèi)機(jī)構(gòu)利用凸輪軸的調(diào)相原理,凸輪型線(xiàn)不變, 僅改變凸輪軸相對(duì)曲軸的轉(zhuǎn)角, 進(jìn)而控制和改變進(jìn)、排氣門(mén)相位角和進(jìn)、排氣門(mén)重

13、疊角, 使發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化。該種機(jī)構(gòu)由于可以改變氣門(mén)重疊角, 因此可使發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)重疊角減小, 降低怠速轉(zhuǎn)速, 提高怠速穩(wěn)定性, 也可通過(guò)重疊角調(diào)整改變內(nèi)部量, 降低發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)耗和排放,減小泵吸損失。改變進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)角及排氣門(mén)早開(kāi)角還可調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓縮比和膨脹比, 使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性最佳。通過(guò)改變凸輪與氣門(mén)之間聯(lián)結(jié)進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位改變, 如MEC 可變配氣相位36 通過(guò)移動(dòng)搖臂支點(diǎn)改變搖臂比進(jìn)而使氣門(mén)升程及持續(xù)歷程或相角改變。利用電磁閥機(jī)構(gòu)直接控制氣門(mén)的開(kāi)、閉, 是較為理想的一種氣門(mén)可變機(jī)構(gòu), 不僅能實(shí)現(xiàn)氣門(mén)的迅速開(kāi)啟和關(guān)閉、提高氣門(mén)的有效流通截面、增大氣門(mén)流通能力, 而且便于對(duì)氣門(mén)正

14、時(shí)所有因素的電子控制, 但此種控制機(jī)構(gòu)操縱時(shí)需消耗較高能量, 氣門(mén)關(guān)閉的慣性力也較大。目前德國(guó)FEV 公司電磁控制全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)37及美國(guó)Ford 公司與德國(guó)Benz 公司的無(wú)凸輪電控液可變配氣相位機(jī)構(gòu)38等均為此類(lèi)型的典型機(jī)構(gòu)。六.可變凸輪線(xiàn)型 現(xiàn)代轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)常采用每缸進(jìn)或進(jìn)和排的、氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī), 以減小進(jìn)氣流通阻力, 最大限度地增大發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣截面以提高充氣效率, 實(shí)現(xiàn)良好的燃燒以節(jié)約能源, 降低發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放。由于發(fā)動(dòng)機(jī)高、低轉(zhuǎn)速時(shí)所需求的缸內(nèi)渦流強(qiáng)度不同和氣流在高低速時(shí)氣門(mén)截面表現(xiàn)的節(jié)流作用不同, 日本Honda 公司在1989 年投入市場(chǎng)的VTEC-E 系統(tǒng)39，發(fā)動(dòng)機(jī)采用每缸4 氣

15、門(mén)（2 進(jìn)2 排氣門(mén)結(jié)構(gòu)）。凸輪軸上的兩個(gè)進(jìn)氣凸輪有兩種線(xiàn)型，在低速時(shí)，每個(gè)搖臂按各自的凸輪線(xiàn)型工作，其中一個(gè)進(jìn)氣門(mén)升程僅0.65mm，以保證副氣道燃料導(dǎo)入燃燒室，此時(shí)得到較強(qiáng)的渦流，而在高速時(shí)，通過(guò)搖臂上的液壓活塞使兩個(gè)搖臂按照一個(gè)大升程凸輪線(xiàn)型工作，大大地提高了氣門(mén)的流通能力，使充量系數(shù)提高并獲得良好的動(dòng)力性能。該結(jié)構(gòu)兼顧了發(fā)動(dòng)機(jī)低、高轉(zhuǎn)速性能，擴(kuò)大了稀燃極限，改善NOx 排放和油耗。七.可變氣缸排量 轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在中、低負(fù)荷下運(yùn)行,但又要求具有較大的功率儲(chǔ)備以備加速超車(chē)之用, 這使得轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在中、低負(fù)荷下的各項(xiàng)性能均欠佳。由于隨著負(fù)荷率的減小, 發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率降低, 而轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的

16、標(biāo)定功率又較高。為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷下的性能，采用變排量控制技術(shù)可以極大地發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。在中、低負(fù)荷下關(guān)閉一組氣缸工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率提高，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下的性能改善。當(dāng)然欲成功地應(yīng)用變排量技術(shù)，必須解決好發(fā)動(dòng)機(jī)變速器動(dòng)力總成搖振控制和停缸控制模式優(yōu)化，以達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載率下經(jīng)濟(jì)性改善的目的。除此之外，采用VSE(Variable-Stroke-Engine)技術(shù)可使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率改善18%21%，低負(fù)荷高轉(zhuǎn)速下改善更顯著40。八.可變渦輪增壓技術(shù) 增壓技術(shù)可大幅提高車(chē)用柴油機(jī)的升功率。為了改善增壓車(chē)用柴油機(jī)低速扭矩特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，除了利用脈沖增壓系統(tǒng)外，車(chē)用柴油機(jī)增壓系統(tǒng)常采用一些可變技術(shù)如可變幾何截面增壓器、可變噴嘴環(huán)、帶廢氣