汽車新技術(shù) 第一章

Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)第一節(jié)可變壓縮比技術(shù)第二節(jié)可變氣門正時及升程技術(shù)第三節(jié)廢氣渦輪增壓技術(shù)第四節(jié)可變進氣系統(tǒng)VISHome第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)第一節(jié)可變壓縮比技術(shù)一、可變壓縮比的意義二、可變壓縮比技術(shù)的發(fā)展史三、可變壓縮比的技術(shù)方案四、典型的可變壓縮比技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)一、可變壓縮比的意義壓縮比是內(nèi)燃機氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，如圖1-1-1所示?；钊幱谙轮裹c時，活塞頂上面整個空間的容積，稱為氣缸總?cè)莘e，用Va表示；活塞處于上止點時氣缸內(nèi)的容積稱為燃燒室容積，用Vc表示。內(nèi)燃機的壓縮比為：Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)壓縮比增高，氣缸壓縮壓力、最高燃燒壓力均升高，使汽油機容易產(chǎn)生爆震，這種不可控制的燃燒會損壞發(fā)動機，尤其在全負荷時，汽油機最容易發(fā)生爆震。在傳統(tǒng)的發(fā)動機中，根據(jù)全負荷條件下避免發(fā)生爆震來確定發(fā)動機的最大壓縮比。然而，在傳統(tǒng)發(fā)動機中，壓縮比一旦選定就無法改變。這樣選定的壓縮比必定是對各種可能工況下的壓縮比的折衷。所以，許多汽車制造商正在努力開發(fā)具有可變壓縮比的汽油機，因為可變壓縮比系統(tǒng)在各種工況下都能表現(xiàn)出巨大的優(yōu)點：油耗可以大幅下降，但不影響發(fā)動機的功率輸出，小排量發(fā)動機通過增壓技術(shù)和可變壓縮比技術(shù)相結(jié)合，可以最大限度地挖掘發(fā)動機的潛力，有效提高熱效率，進而提升發(fā)動機的綜合性能。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)二、可變壓縮比技術(shù)的發(fā)展史可變壓縮比VCR（VariableCompressionRotio）技術(shù)的研究起步較早，最早主要針對壓燃式發(fā)動機進行研究。英國內(nèi)燃機研究所（BICERI）于1952年就開始了對可變壓縮比活塞的研究，后來其將高壓渦輪增壓技術(shù)推廣到了中速壓燃式發(fā)動機上，獲得了高的動力性又不使氣缸壓力超過限度。美國大陸公司于1961年開始研究的用于坦克動力的可變壓縮比柴油機，其壓縮比可高達9∶1～16∶1。我國西安交通大學(xué)于20世紀70年代末研制成可變壓縮比擺盤柴油機，這種柴油機將擺盤設(shè)計成可以沿軸向移動的結(jié)構(gòu)，通過控制擺盤的軸向位置來改變活塞的上下止點位置，使擺盤柴油機的壓縮比可變；其結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，在起動性能和低負荷性能方面也表現(xiàn)優(yōu)越。在20世紀80年代，前蘇聯(lián)拖拉機研究所做了可變壓縮比柴油機的試驗研究，達到了在相同的增壓條件下提高功率，提高部分負荷的經(jīng)濟性，并降低發(fā)動機零部件熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的目的。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)最近數(shù)十年來，隨著日益嚴峻的能源問題和越來越嚴格的排放限制，可變壓縮比技術(shù)的研究在點燃式發(fā)動機上進展迅速，出現(xiàn)了許多相關(guān)的新技術(shù)和專利，如瑞典薩博（SAAB）汽車公司于2000年開發(fā)的1.6L可變壓縮比發(fā)動機SVC（SAABVariableCompression），壓縮比可在8∶1～14∶1之間變化，其最大功率為168kW，最大扭矩為305N·m，CO、HC排放值平均可降低30%，百公里耗油為8.3L。法國的MCE-5Development公司開發(fā)的MCE-5VCR可變壓縮比發(fā)動機，壓縮比可以從7∶1～20∶1無級地變化，壓縮比控制的過程非?？欤捎昧碎L壽命的齒輪和滾珠軸承系統(tǒng)導(dǎo)向的活塞，燃燒熱效率可以提高20%，燃油消耗可降低30%。德國的FEV公司研發(fā)的1.8L可變壓縮比汽油機，壓縮比可在8∶1～16∶1之間進行調(diào)節(jié)，其扭矩達300N·m，功率達165kW，且相對于固定壓縮比的原型車油耗降低了7.8%，也滿足歐IV排放標準。日本的日產(chǎn)公司于2005年研制的VCR發(fā)動機，壓縮比可在8∶1～14∶1之間變化，在100km/h定速行駛時，其燃油消耗可降低13%，且在高壓縮比時燃燒性能良好，即使在大量廢氣再循環(huán)的工況下燃燒性能仍然穩(wěn)定。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)三、可變壓縮比的技術(shù)方案現(xiàn)有的實現(xiàn)可變壓縮比的技術(shù)方案有很多種，從結(jié)構(gòu)原理上分析，大致可以歸納為以下五種方案，如圖1-1-3所示。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)方案一是氣缸蓋活動方式。例如薩博SVC發(fā)動機，其氣缸蓋可以圍繞曲軸箱轉(zhuǎn)動，通過橡膠密封件跟曲軸箱隔開，不會有機油噴出。利用液壓調(diào)節(jié)裝置將整體氣缸蓋相對于曲軸箱轉(zhuǎn)過一個角度，從而改變?nèi)紵胰莘e，同時相應(yīng)地改變了壓縮比。但是，SVC發(fā)動機可活動部分的質(zhì)量大，其移動需要很大的能量，成本很高。

方案二是偏心襯套方式。具體又可分為活塞銷偏心襯套方式、曲柄銷偏心襯套方式和曲軸偏心襯套方式。德國FEV公司的VCR發(fā)動機曲軸支承在一個偏心輪上，通過使偏心輪轉(zhuǎn)過一個角度，實際上改變了曲軸在豎直方向上的位置，因而活塞上下止點的位置也相應(yīng)改變，實現(xiàn)壓縮比可變。但是，這種方案由于輸出軸位置要移動，所以必須考慮與變速器結(jié)合或配合的問題，必須對驅(qū)動系統(tǒng)進行補償，具有很強的針對性，不便于大量生產(chǎn)推廣。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)方案三是多連桿方式。把連桿分為兩部分，改變兩者的夾角以實現(xiàn)改變連桿長度的目的。其配置方式有很多，日產(chǎn)公司開發(fā)的一款發(fā)動機采用在曲柄銷轉(zhuǎn)動部位擺動杠桿的一端與連桿連接，而杠桿的另一端則采用與控制軸延伸出來的連桿相連接的構(gòu)造。多連桿方式存在一些問題，如發(fā)動機外形尺寸增加，運動學(xué)的改變使慣性力增加，振動和噪聲也增加，而且由于可活動部件增加而導(dǎo)致摩擦損失相應(yīng)增加，使燃油經(jīng)濟性下降。法國MCE-5Development公司的MCE-5VCR可變壓縮比發(fā)動機其本質(zhì)也是多連桿方式，但是采用滾珠軸承系統(tǒng)導(dǎo)向活塞方式改變上止點位置，工作平穩(wěn)且壓縮比變化范圍大，在MCE-5Development公司內(nèi)部得到小規(guī)模的應(yīng)用。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)方案四是可變活塞方式。通過改變活塞銷與活塞頂面的距離來實現(xiàn)可變壓縮比的方案，包括液壓活塞和壓力自適應(yīng)活塞兩種。液壓活塞質(zhì)量大，不易于高速旋轉(zhuǎn)，而且響應(yīng)有滯后，需要幾個熱機循環(huán)的時間。壓力自適應(yīng)活塞很好地彌補了這一缺點，它是自適應(yīng)控制的，壓縮比的改變不需要附加控制力，活塞頂面高度完全取決于汽油機缸內(nèi)壓力的大小。方案五是副燃燒室容積可變方式。通過設(shè)置在氣缸內(nèi)的副活塞往復(fù)運動改變?nèi)紵胰莘e。這種調(diào)節(jié)方案易產(chǎn)生密封問題，為了保證副活塞在高溫高壓工況下能夠持久工作，必須對其進行冷卻，而且對燃燒室布置改變的不合理會導(dǎo)致放熱損失急劇增加，使得汽油機熱效率減小。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)四、典型的可變壓縮比技術(shù)薩博公司可變壓縮比技術(shù)薩博（SAAB）公司是開發(fā)渦輪增壓汽油機的先鋒之一，并且在20世紀80年代就已經(jīng)形成了一種可變壓縮比的想法。SVC（SAABVariableCompression）發(fā)動機為了實現(xiàn)其可變壓縮比功能，在其氣缸體和氣缸蓋的設(shè)計上完全打破了傳統(tǒng)的設(shè)計理念。薩博公司開發(fā)的SVC發(fā)動機以改變壓縮比來控制發(fā)動機的燃油消耗量。它的核心技術(shù)就是在缸體與缸蓋之間安裝楔形滑塊，缸體可以沿滑塊的斜面運動，使得燃燒室與活塞頂面的相對位置發(fā)生變化，改變?nèi)紵业娜莘e，從而改變壓縮比。其優(yōu)點是提高了增壓發(fā)動機的工作效率以及動力輸出的平順性，發(fā)動機的體積小，重量輕，能適應(yīng)各種不同標號的燃油，環(huán)保性好。其缺點是氣缸蓋異常復(fù)雜。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)如圖1-1-4所示，SVC發(fā)動機有一個活動的集成缸蓋。SVC發(fā)動機的本體，可分成上方的氣缸頂蓋與活塞、氣門總成為第一部分；而下方杠桿與曲軸箱則為第二部分。下方的曲軸箱保持固定不動，上方的氣缸與活塞部分會以曲軸為中心，借助液壓促動器的推動，偏轉(zhuǎn)些微的角度，因此氣缸內(nèi)燃燒室的空間就會改變，燃燒室的體積改變了，壓縮比也會跟著改變，再加上機械增壓器，就可以控制在增壓作用的時候，將壓縮比降低，讓高轉(zhuǎn)時的增壓效果提高發(fā)動機的輸出功率；而一般自然進氣的時候，壓縮比變高，讓發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速的時候，可以有效燃燒每一滴汽油。因此可讓小排量的發(fā)動機也能有大扭矩、大功率的輸出。SVC發(fā)動機的上方氣缸總成部分是可以繞著曲軸中心偏轉(zhuǎn)的，它的斜率可以輕微進行調(diào)節(jié)（升高達4），缸體與缸蓋間安裝楔形滑塊，缸體通過液壓促動器（HydraulicActuation）（圖1-1-5），連接在氣缸頭上，利用液壓推動旋轉(zhuǎn)，而讓氣缸頭產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，達到連續(xù)改變壓縮比的效果。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)缸體通過液壓執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)可以沿滑塊的斜面運動，使得燃燒室與活塞頂面的相對位置發(fā)生變化，改變?nèi)紵业捏w積。當(dāng)活塞達上止點時，這樣一個微小的調(diào)整會引起壓縮比巨大的變化，壓縮比的變化范圍為8∶1～14∶1。SVC設(shè)計的特點是，沒有額外添加移動部件或任何往復(fù)運動的組件，這使得它的結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，不會因為增添了其他部件而產(chǎn)生泄漏。集成缸蓋是獨立的，有其自身的冷卻系統(tǒng)。SVC能根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、負荷、工作溫度、燃料使用狀況等進行連續(xù)調(diào)節(jié)壓縮比，發(fā)動機管理系統(tǒng)能夠分析這一系列的數(shù)據(jù)，保證在任何工況下都能有最佳的動力輸出和更優(yōu)化的排放率。薩博SVC發(fā)動機是1.6L五缸發(fā)動機，每缸缸徑68mm，活塞行程88mm，最大功率168kW，最大扭矩305N·m，綜合油耗比常規(guī)發(fā)動機降低了30%，并且滿足歐洲Ⅳ號排放標準。SAAB的發(fā)動機氣缸體如圖1-1-6所示。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)2.FEV公司可變壓縮比技術(shù)FEV發(fā)動機技術(shù)公司借助于曲軸的偏心移位，從結(jié)構(gòu)上解決了可變壓縮比的問題。這種解決方法在結(jié)構(gòu)空間方面特別有利，可以集成于原型發(fā)動機內(nèi)，價格低廉，其原理如圖1-1-7所示。這項技術(shù)的核心是曲軸的偏心支承。曲軸支承在偏心器中，偏心器支承曲軸的孔中心線和它的旋轉(zhuǎn)中心線并不重合，兩者之間的距離稱為偏心度，如圖1-1-8所示。利用一臺標定功率為200W的永磁激勵無刷同步電動機通過偏心器上的扇形齒輪帶動偏心器轉(zhuǎn)動，曲柄中心線就會相對于氣缸蓋的位置發(fā)生改變，因而可以連續(xù)地調(diào)節(jié)壓縮比。壓縮比可在8∶1～16∶1之間進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)時間在減小壓縮比時為0.1s，在提高壓縮比時為0.3s。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)在壓縮比的調(diào)節(jié)過程中，曲軸中心線的位置將發(fā)生改變，但是，與曲軸變速器端和前端相連接的其他部件的位置是不變的。因此，專門采用了平行的曲柄傳動機構(gòu)對其進行必要的補償，這個機構(gòu)不增加安裝空間，如圖1-1-9所示。驅(qū)動側(cè)的離合器單元也適合于采用雙質(zhì)量飛輪的起動機/發(fā)電機或者集成的起動機/發(fā)電機。氣缸缸數(shù)對此影響不大。借助于偏心器調(diào)節(jié)壓縮比的原理也可以用于V型發(fā)動機，V型發(fā)動機中V型角對壓縮比的影響很小，其影響可以通過軟件中點火時刻的自適應(yīng)功能得到補償。這臺1.8LVCR發(fā)動機扭矩達300N·m，功率達165kW，升功率超過90kW/L。將這臺樣機裝在一輛成批生產(chǎn)的汽車上進行試驗，結(jié)果表明，樣車在新歐洲行駛循環(huán)中相對于固定壓縮比的原型車油耗降低7.8%，排放滿足歐IV排放法規(guī)要求。對這臺概念發(fā)動機進行了摩擦、功能和磨損方面的試驗及超過400小時的耐久試驗，證明了發(fā)動機樣機的摩擦與成批生產(chǎn)的原型機曲柄連桿機構(gòu)沒有什么差別（因為平行的曲柄傳動機構(gòu)的傳力元件是用滾針軸承支承的），無論機械噪聲還是燃燒噪聲都不顯著。可變壓縮比與縮小排量和高增壓概念相結(jié)合會因為它所要求增添的零部件而使得制造成本增加，但是由此帶來的優(yōu)點使這種做法變得很值得。偏心曲軸移位的方案還有以下優(yōu)點：對燃燒室?guī)缀涡螤畹挠绊懞苄。徽{(diào)節(jié)機構(gòu)需要的力比較??；慣性力沒有改變；摩擦沒有增加；噪聲沒有惡化；良好的可調(diào)節(jié)性；適中的制造費用。在以后投入成批生產(chǎn)時，還有以下優(yōu)點值得考慮：不必為新的加工設(shè)備高額投資，傳統(tǒng)的加工設(shè)備可以繼續(xù)使用；主要尺寸基本保持不變，安裝空間幾乎可以不變。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)3.日產(chǎn)公司可變壓縮比技術(shù)日產(chǎn)汽車公司選定多連桿方式實現(xiàn)可變壓縮比。這種方式存在的問題是：發(fā)動機外型尺寸或振動增加；由于可活動部分增加而導(dǎo)致摩擦損失相應(yīng)增加。而日產(chǎn)汽車公司依然選用了這種方式是因為，通過多連桿有效配置，具有解決問題的可能性。經(jīng)過數(shù)億次的對多連桿配置進行計算機仿真，日產(chǎn)VCR可變壓縮比機構(gòu)終于研發(fā)成功，如圖1-1-10所示。這種機構(gòu)如圖1-1-11所示，它采用在曲柄銷轉(zhuǎn)動部位擺動的杠桿的一端與連桿連接，而杠桿的另一端則采用與控制軸延伸出來的連桿相連接的構(gòu)造。連桿與控制軸的偏心部分連接，當(dāng)控制軸轉(zhuǎn)動時，控制軸連桿使曲柄銷回轉(zhuǎn)而使杠桿擺動。因此，活塞的上止點的位置做上下移動，從而能夠連續(xù)改變壓縮比。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)控制軸連桿使杠桿的一端向下運動時，杠桿的另一端把曲軸連桿向上推壓，于是活塞的上止點向上移動，壓縮比提高。而控制軸連桿把杠桿的一端向上抬起時，連桿的另一端把曲軸連桿向下推壓，活塞的上止點向下移動，于是壓縮比降低。壓縮比的變化范圍在渦輪增壓發(fā)動機中設(shè)定在8∶1～14∶1之間，在低增壓低負荷時提高壓縮比，有利于降低燃油耗，而在高增壓高負荷時降低壓縮比以防止爆震。此外，曲軸銷杠桿具有擴大行程達到原來1.3倍的功能，所以能夠縮短曲柄臂長度并提高曲軸的剛性。如果保持與原來相同的剛性則使曲柄銷小徑化，另一方面寬度增加的曲柄銷起到確保杠桿兩端連接銷軸承面積的作用，如圖1-1-12所示?？刂票塾呻妱訄?zhí)行器驅(qū)動。電動執(zhí)行器由電動機、梯形螺釘和螺帽構(gòu)成。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動梯形螺釘時，螺帽做軸向移動。這種位移被傳遞到控制軸的叉形部分，其彎曲角最大達到100時控制軸做旋轉(zhuǎn)運動。壓縮比從最大值變化到最小值所需要的時間比增壓壓力上升所需要的時間要短，為0.4s。經(jīng)過數(shù)億次對連桿配置進行計算機仿真所獲得的結(jié)果表明，該機構(gòu)還具有活塞往復(fù)運動的改進與活塞敲缸的限制效果的優(yōu)點，即活塞的往復(fù)運動幾乎接近正弦曲線，使直列四缸發(fā)動機特有的慣性二次振動接近于零，同時，由于增加連桿而導(dǎo)致摩擦增加，相互抵消，顯著降低了活塞的敲缸聲。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)4.法國MCE-5可變壓縮比技術(shù)法國MCE-5Development公司在2005年發(fā)布了一款“可變壓縮比發(fā)動機”，該方案是一種機械的組合方案，整合了功率傳輸和壓縮比控制功能，可替代傳統(tǒng)的固定壓縮比發(fā)動機組，能夠讓大量生產(chǎn)的可變壓縮比發(fā)動機達到所要求的質(zhì)量，從而使生產(chǎn)成本符合汽車工業(yè)所追求的效益標準。MCE-5Development公司表示，可變壓縮比發(fā)動機可以滿足汽車業(yè)有關(guān)環(huán)境和能源方面的一些關(guān)鍵要求。它能讓汽車制造商生產(chǎn)出功率強大但燃油消耗經(jīng)濟的汽車，從而把燃油消耗降低了30%，進一步滿足歐洲和全球減少溫室效應(yīng)氣體排放的目標。如圖1-1-13所示，該發(fā)動機組采用了長壽命的齒輪和滾珠軸承系統(tǒng)導(dǎo)向的活塞，因此活塞不會產(chǎn)生垂直拍擊和徑向負荷，保證發(fā)動機的堅固耐用和可靠性，并保證汽車的里程數(shù)。這表示MCE-5VCR發(fā)動機又克服了大功率、大力矩發(fā)動機的缺點，大幅提高了其使用壽命Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)MCE-5Development公司進一步表示，其可變壓縮比發(fā)動機組從1997年開始研究和測試，并分階段進行了改良。新一代的MCE-5VCR發(fā)動機已經(jīng)可以商用化，其發(fā)動機的組成部分都是按照大量生產(chǎn)的要求所設(shè)計的。如圖1-1-14所示，它采用該公司稱為“滾子導(dǎo)向活塞”，即下部由特殊形狀的轉(zhuǎn)軸進行剛性連接的活塞。齒輪上有螺紋的轉(zhuǎn)軸部分的運動通過位于氣缸壁之間的滾子與反向一側(cè)的擺桿進行控制。位于機構(gòu)中央的擺桿在兩側(cè)部分的齒輪刻有螺紋，一方面與活塞連接，另一方面與液壓式執(zhí)行器運動的控制齒桿連接。擺桿與齒桿連接，把活塞的運動傳遞到曲軸。從整個機構(gòu)的運動來看，如果液壓執(zhí)行器使控制齒桿向上運動，則在擺桿的作用下活塞向下運動（反之亦然）。由此在活塞行程不改變的情況下，使上下止點的燃燒室容積發(fā)生變化。也就是說，采用液壓控制的控制齒桿，使擺桿做空間移動，即利用幾何學(xué)的空間位移變化，在適應(yīng)發(fā)動機負荷變化情況的同時，改變壓縮比。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)MCE-5可變壓縮比發(fā)動機可使發(fā)動機燃燒熱效率提高20%，并可減少運動部件的磨損。它是以部分節(jié)氣門開啟方式減少泵氣損失。目前正在進行實車試驗。為了實現(xiàn)批量生產(chǎn)的目標，還需在技術(shù)上不斷改進，并在減少重量和降低成本方面下功夫。對不同的設(shè)計方案進行評估，結(jié)果見表1-1-1所示。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)燃燒室的幾何形狀只有在可變?nèi)紵倚螤畹那闆r下才會受干擾到不可接受的地步。其他方案對燃燒室?guī)缀涡螤畹母蓴_不明顯。在調(diào)節(jié)壓縮比所需要的力方面，必須考察作用在調(diào)節(jié)機構(gòu)上的力?；顒託飧咨w和氣缸筒的效果不好，因為調(diào)節(jié)機構(gòu)本身的原理決定了它處在力流之中。在連桿分成兩段的方案中，受力情況比較有利——但是操縱桿的偏心軸受到的力矩相當(dāng)大。其余幾個方案都比較好，其中的副活塞方案只在當(dāng)時的氣體力和慣性力可用于調(diào)節(jié)壓縮比，而且系統(tǒng)是自動穩(wěn)定的情況下才比較好。在慣性力方面，壓縮高度可調(diào)的活塞有缺點，因為這種系統(tǒng)使得做往復(fù)運動的質(zhì)量增加了。在分段的可操作連桿的方案中，除了往復(fù)運動的質(zhì)量提高了以外，運動學(xué)的改變還會導(dǎo)致慣性力增大，以致在三缸和四缸機中必須進行強制性的慣性力平衡。壓縮比的可調(diào)節(jié)性除了與作用在調(diào)節(jié)機構(gòu)上的力有關(guān)以外，還與機構(gòu)是否易于接近有關(guān)。在制造費用方面，對其制造過程相對于原型發(fā)動機的改變進行了評估。分成兩段、且?guī)в胁倏v機構(gòu)的連桿以及布置在氣缸體內(nèi)的折疊式機構(gòu)對原型發(fā)動機的影響最大；其他方案帶來的影響比較小。關(guān)于安裝空間的考慮表明，在采用折疊式機構(gòu)的方案中，進氣側(cè)和排氣側(cè)必須跟著轉(zhuǎn)過一個角度。反之，在連桿分成兩段的方案中，側(cè)置的操縱機構(gòu)對發(fā)動機主尺寸的影響就成為一種缺點。然而，特別有利的是，在曲軸移位的方案中發(fā)動機主尺寸和安裝空間的緊湊性都可以保持不變。這種方案幾乎不改變安裝空間就可以在原型發(fā)動機上實施。在進行這樣的比較時，沒有對所評估的各個方面進行加權(quán)。通過這樣的比較發(fā)現(xiàn)，曲軸移位方案非常有利。對于這樣一種改造起決定性作用的是制造費用是否合適。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)第二節(jié)可變氣門正時及升程技術(shù)一、配氣定時原理二、日系汽車可變氣門技術(shù)三、德系汽車可變氣門技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)一、配氣定時原理配氣定時就是進、排氣門的實際開閉時刻，通常用相對于上下止點曲拐位置的曲軸轉(zhuǎn)角的環(huán)形圖來表示。理論上，四行程發(fā)動機的進氣門應(yīng)在曲拐位于上止點時開啟，在曲拐轉(zhuǎn)到下止點時關(guān)閉；排氣門則在曲拐位于下止點時開啟，在曲拐轉(zhuǎn)到上止點時關(guān)閉。但實際發(fā)動機的轉(zhuǎn)速很高，活塞每一個行程歷時都很短，例如：上海桑塔納轎車發(fā)動機在最大功率時的轉(zhuǎn)速為5600r/min，一個工作行程歷時僅為0.0054s。這么短的時間，往往會引起發(fā)動機進氣不足，排氣不凈，造成功率下降。因此，現(xiàn)代發(fā)動機都采用延長進、排氣時間的方法，以改善進、排氣狀況，從而提高發(fā)動機的動力性。配氣定時如圖1-2-1所示。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)由圖1-2-2可見，由于進氣門在上止點前即開啟，而排氣門在上止點后才關(guān)閉，這就出現(xiàn)了一段時間內(nèi)排氣門和進氣門同時開啟的現(xiàn)象，稱為氣門重疊，重疊時期的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣門重疊角。由于新鮮氣流和廢氣流的流動慣性都比較大，在短時間內(nèi)是不會改變流向的，因此只要氣門重疊角選擇適當(dāng)，就不會有廢氣倒流入進氣管和新鮮氣體隨同廢氣排出的可能性，這對換氣是有利的。但應(yīng)注意，如氣門重疊角過大，當(dāng)汽油機小負荷運轉(zhuǎn)、進氣管內(nèi)壓力很低時，就可能出現(xiàn)廢氣倒流，使進氣量減少。對于不同發(fā)動機，由于結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)速各不相同，因此配氣定時也不相同。合理的配氣定時應(yīng)根據(jù)發(fā)動機性能要求，通過反復(fù)試驗確定。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)盡管不同發(fā)動機配氣定時是根據(jù)試驗而取得的最佳配氣定時，從而成為設(shè)計配氣凸輪型線以及確定各氣缸進、排氣凸輪在凸輪軸上相對位置的依據(jù)，但實際上，當(dāng)配氣凸輪軸設(shè)計已定，發(fā)動機的配氣定時也就確定下來了，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中是不能改變的。然而，發(fā)動機轉(zhuǎn)速的高低對進、排氣流動以及氣缸內(nèi)燃燒過程是有影響的。轉(zhuǎn)速高時，進氣氣流流速高，慣性能量大，所以希望進氣門早些打開，晚些關(guān)閉，盡量多進一些混合氣或空氣；反之，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，進氣流速低，流動慣性能量也小，如果進氣門過早開啟，由于此時活塞正在上行排氣，很容易把新鮮氣體擠出氣缸，使進氣反而少了，發(fā)動機工作更趨向不穩(wěn)定。因此，在低轉(zhuǎn)速時，希望發(fā)動機進氣門稍晚些開啟。所以，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同時，對配氣定時的要求是不同的。如果凸輪型線所規(guī)定的配氣定時適用于高速，那么在低速時，性能就不會太好；反之亦然。為了取得平衡，一般凸輪型線設(shè)計時，配氣定時既要照顧到高速，又要兼顧低速，所以是一個折衷的配氣方案，很難達到真正的最佳配氣定時。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)1.本田VTECVTEC是日本本田汽車公司開發(fā)的可變氣門技術(shù)，是世界上第一個能同時控制氣門開閉時間和氣門升程的氣門控制系統(tǒng)。VTEC（VariableValveTimingandValveLiftElectronicCoritrolSystem），中文意思是“可變氣門正時和氣門升程電子控制系統(tǒng)”。二、日系汽車可變氣門技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)VTEC發(fā)動機每缸有4氣門（2進2排）、凸輪軸和搖臂等，與普通發(fā)動機不同的是凸輪與搖臂的數(shù)目及控制方法。如圖1-2-3所示，它采用三個搖臂，即中間搖臂、主搖臂及副搖臂。中間搖臂上裝有兩個可以左右運動的液壓活塞，并在凸輪軸上設(shè)有兩種不同定時和升程的凸輪（高速凸輪和低速凸輪。中間搖臂在高速時使用，主、副搖臂在低速時使用。凸輪之間的切換是通過VTEC電磁閥控制液壓油的走向，來控制進氣搖臂的分合。高速時，搖臂在液壓的作用下合在一起，由中間漸開線角度最大的高速凸輪驅(qū)動，增大了氣門升程；低速時則分開，由角度較小低速的凸輪驅(qū)動，使氣門升程變小。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)如圖1-2-4所示，當(dāng)發(fā)動機在中、低速工作時，控制系統(tǒng)使主、副搖臂與中間搖臂分離，利用兩側(cè)的低速凸輪驅(qū)動主、副搖臂，壓動氣門開啟。中間搖臂在彈簧的作用下與高速凸輪一起轉(zhuǎn)動，但此時由于沒有油壓作用于同步活塞，所以中間搖臂與氣門的開閉無關(guān)。當(dāng)發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，控制系統(tǒng)使搖臂內(nèi)部的液壓活塞沿箭頭方向移動。此時主、副及中間搖臂在同步活塞的作用下連成一體，均由高速凸輪來驅(qū)動，從而獲得高功率所需的配氣正時和氣門升程。但是VTEC系統(tǒng)對于配氣相位的改變是階段性的，也就是說其改變配氣相位只是在某一轉(zhuǎn)速下的跳躍，而不是在一段轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)可變。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)2.豐田VVT-I在本田的VTEC技術(shù)問世后，豐田公司也推出了可變氣門正時技術(shù)VVT-i（VariableValveTiming-intelligent）。VVT-i控制器的結(jié)構(gòu)如圖1-2-5所示，主要由正時帶驅(qū)動的外齒輪和與進氣凸輪軸剛性連接的內(nèi)齒輪，以及一個內(nèi)齒輪、外齒輪之間的可動活塞組成。活塞的內(nèi)、外表面上有螺旋形花鍵?；钊剌S向的移動，會改變內(nèi)、外齒輪相對位置，從而產(chǎn)生配氣相位的連續(xù)改變。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)豐田的VVT-i系統(tǒng)可連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時，但不能調(diào)節(jié)氣門升程。工作原理是：當(dāng)發(fā)動機由低速向高速轉(zhuǎn)換時，ECU就自動地將機油壓向進氣凸輪軸驅(qū)動齒輪內(nèi)的活塞。這樣，在壓力的作用下，活塞就相對于齒輪殼旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而使凸輪軸在60的范圍內(nèi)向前或向后旋轉(zhuǎn)，從而改變進氣門開啟的時刻，達到連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時的目的。當(dāng)凸輪軸正時控制閥位于圖1-2-6（a）所示位置時，機油壓力施加在活塞的左側(cè)，使得活塞向右移動。由于活塞上的旋轉(zhuǎn)花鍵的作用，進氣凸輪軸相對于凸輪軸正時帶輪提前某一角度。當(dāng)凸輪軸正時控制閥位于圖1-2-6（b）所示位置時，活塞向左移動，并向延遲的方向旋轉(zhuǎn)。進而，凸輪軸正時控制閥關(guān)閉油道，保持活塞兩側(cè)的壓力平衡，從而保持配氣相位，得到理想的配氣正時。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)3.豐田VVTL-I在VVT-i基礎(chǔ)上，豐田進一步開發(fā)了VVTL-i（VariableValveTiming&Lift-intelligent）。

VVTL-i在VVT-i技術(shù)基礎(chǔ)上再對搖臂與凸輪軸進行結(jié)構(gòu)改進。結(jié)構(gòu)如圖1-2-7所示，在搖臂內(nèi)VVTL-i用油壓來使一個小墊片（pin）移動來決定頂?shù)侥膫€尺寸的凸輪。低速時，pin的位置決定由低速凸輪帶動搖臂，驅(qū)動氣門的開關(guān)，此時高速凸輪空轉(zhuǎn)；高速時，pin的位置決定由高速凸輪驅(qū)動氣門。

如圖1-2-8所示，低、中轉(zhuǎn)速時，凸輪軸上只有低速凸輪頂?shù)綋u臂。轉(zhuǎn)速低時，雖然凸輪軸一樣在轉(zhuǎn)動，但是，由于搖臂內(nèi)pin未移動，低速凸輪部分有效地頂?shù)綋u臂，進而驅(qū)動到氣門的開關(guān)，高速凸輪一樣在轉(zhuǎn)動（因為在同一根凸輪軸上），但在無效地空轉(zhuǎn)。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)如圖1-2-9所示，高轉(zhuǎn)速時，凸輪軸上只有高速凸輪頂?shù)綋u臂。轉(zhuǎn)速變高時，雖然凸輪軸一樣在轉(zhuǎn)動，但是，由于搖臂內(nèi)pin已移動，換成高速凸輪部分有效地頂?shù)綋u臂，進而驅(qū)動到氣門的開關(guān)，低速凸輪一樣在轉(zhuǎn)動（因為在同一根凸輪軸上），但在無效地空轉(zhuǎn)。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)4.本田i-VTECi-VTEC是本田公司在VTEC的基礎(chǔ)上，配合可以連續(xù)控制進氣門正時相仿的VTC（VariableTimingControl）功能，成為高智能的可變氣門正時和升程的構(gòu)造。其結(jié)構(gòu)如圖1-2-10所示?！癷”即intelligence，指發(fā)動機智能化。i-VTEC能根據(jù)車輛的行駛狀況和負荷情況，智能化地控制氣門開閉和升程，大幅度提升了車輛的節(jié)油性能和清潔環(huán)保性能。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)它通過液壓和齒輪傳動機構(gòu)，根據(jù)車輛的行駛狀況和負荷動態(tài)調(diào)節(jié)氣門正時。當(dāng)發(fā)動機由低速向高速轉(zhuǎn)換時，ECU控制機油壓向進氣、凸輪軸驅(qū)動齒輪內(nèi)的小渦輪。這樣，在壓力的作用下，小渦輪就相對于齒輪殼旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而使凸輪軸在60的范圍內(nèi)向前或向后旋轉(zhuǎn)，如圖1-2-11所示。從而改變進氣門開啟的時刻，達到連續(xù)調(diào)整氣門正時的目的。i-VTEC是在VTEC的基礎(chǔ)上加入VTC，利用連續(xù)式地轉(zhuǎn)動凸輪軸，達到氣門重疊角的控制。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)5.日產(chǎn)VVEL日產(chǎn)是可變氣門升程領(lǐng)域的后來者，2007年末，日產(chǎn)發(fā)布了可變氣門升程技術(shù)VVEL，這項技術(shù)最先被用在VQ37VHR發(fā)動機上，日產(chǎn)也有計劃將VVEL普及到自己的低端車型上。為了實現(xiàn)連續(xù)可變就必須研發(fā)出一種可無級改變工作狀況的機構(gòu)。日產(chǎn)的VVEL系統(tǒng)利用一個簡單的螺桿和螺套達到了這個目的。螺套就是擰在螺栓上的螺母，螺母隨著轉(zhuǎn)動可沿螺栓上的螺紋上下運動，換個角度來看，這就是一種無級調(diào)節(jié)方式。日產(chǎn)VVEL就是將一組螺桿（螺栓）和螺套（螺母）加到了發(fā)動機的氣門搖臂上來使氣門升程連續(xù)（無級）可變，如圖1-2-12所示。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)首先ECU根據(jù)當(dāng)前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速來決定螺套的所在位置，直流馬達用來驅(qū)動螺套。而螺套由一根連桿與控制桿相連，螺套的橫向移動可以帶動控制桿轉(zhuǎn)動，控制桿轉(zhuǎn)動時上面的搖臂隨之轉(zhuǎn)動，而搖臂又與連桿B相連，搖臂逆時針轉(zhuǎn)動時就會帶動連桿B去頂氣門挺桿上端的輸出凸輪，最后輸出凸輪就會頂起氣門來改變氣門升程，原理如圖1-2-13所示。日產(chǎn)VVEL連續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)（這個范圍的大小由螺桿的長度和輸出凸輪的角度來決定）可實現(xiàn)無級連續(xù)調(diào)節(jié)，針對不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速都有相應(yīng)的氣門升程，這種形式更加靈活自主。目前VVEL系統(tǒng)只應(yīng)用在進氣端，因此還存在改進的余地。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)BMW-Valvetronic寶馬的Valvetronic可變氣門升程技術(shù)在2001年發(fā)布，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用到寶馬旗下車型上。和日產(chǎn)的VVEL一樣，寶馬的Valvetronic也是目前少數(shù)可以實現(xiàn)連續(xù)可變的氣門升程技術(shù)之一。寶馬的Valvetronic系統(tǒng)同樣是依靠改變搖臂結(jié)構(gòu)來控制氣門升程。傳統(tǒng)的發(fā)動機大多都是利用凸輪軸上的凸輪擠壓搖臂帶動氣門挺桿來使氣門上下運動，而寶馬的工程師在凸輪軸與傳統(tǒng)搖臂間加裝了一根偏心凸輪軸，利用偏心凸輪軸上的凸輪位置的改變來實現(xiàn)氣門升程的改變（圖1-2-14、圖1-2-15）。日產(chǎn)的VVEL的作用范圍取決于螺桿長度，而寶馬的Valvetronic的氣門升程范圍則由偏心凸輪的角度及高度而定。不過寶馬的Valvetronic和VVEL一樣，目前也只應(yīng)用在發(fā)動機的進氣端。三、德系汽車可變氣門技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)2.大眾汽車可變氣門正時

PassatB5轎車最新選用2.8LV6發(fā)動機，該發(fā)動機對可變氣門正時進行了特別設(shè)計。從俯視觀察，其傳動方式以及進、排氣凸輪軸分布如圖1-2-16所示，排氣凸輪軸安裝在外側(cè)，進氣凸輪軸安裝在內(nèi)側(cè)。曲軸通過齒形皮帶首先驅(qū)動排氣凸輪軸，排氣凸輪軸通過鏈條驅(qū)動進氣凸輪軸。如圖1-2-17（a）所示為發(fā)動機在高速狀態(tài)下，為了充分利用氣體進入氣缸的流動慣性，提高最大功率，進氣門遲閉角增大后的位置（轎車發(fā)動機通常在高速狀態(tài)下工作，所以這一位置為一般工作位置）。圖1-2-17（b）所示為發(fā)動機在低速狀態(tài)下，為了提高最大扭矩，進氣門遲閉角減少的位置。進氣凸輪軸由排氣凸輪軸通過鏈條驅(qū)動，兩軸之間設(shè)置一個可變氣門正時調(diào)節(jié)器，在內(nèi)部液壓缸的作用下，調(diào)節(jié)器可以上升和下降。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降時，可變氣門正時調(diào)節(jié)器下降，上部鏈條被放松，下部鏈條受到排氣凸輪旋轉(zhuǎn)拉力和調(diào)節(jié)器向下推力的作用。由于排氣凸輪軸在曲軸正時皮帶的作用下不可能逆時針反旋，所以進氣凸輪軸受到兩個力的共同作用：一是在排氣凸輪軸正常旋轉(zhuǎn)帶動下鏈條的拉力；二是調(diào)節(jié)器推動鏈條，傳遞給排氣凸輪的拉力。進氣凸輪軸順時針額外轉(zhuǎn)過角，加快了進氣門的關(guān)閉，亦即進氣門遲閉角減小度。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時，調(diào)節(jié)器上升，下部鏈條被放松。排氣凸輪軸順時針旋轉(zhuǎn)，首先要拉緊下部鏈條成為緊邊，進氣凸輪軸才能被排氣凸輪軸帶動旋轉(zhuǎn)。在下部鏈條由松變緊的過程中，排氣凸輪軸已轉(zhuǎn)過角，進氣凸輪才開始動作，進氣門關(guān)閉變慢，亦即進氣門遲閉角增大度。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)從圖1-2-16和圖1-2-17不難看出，該發(fā)動機左側(cè)和右側(cè)的可變氣門正時調(diào)節(jié)器操作方向要求始終相反。當(dāng)發(fā)動機的左側(cè)可變氣門正時調(diào)節(jié)器向下運動時，右側(cè)可變氣門正時調(diào)節(jié)器向上運動，左側(cè)鏈條緊邊在下邊，右側(cè)鏈條緊邊在上邊。調(diào)節(jié)器向下移動時，緊邊鏈條都由短變長。當(dāng)PassatB5轎車發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于1000r/min時，要求進氣門關(guān)閉得較早，如圖1-2-18（a）所示。左列缸對應(yīng)的可變氣門正時調(diào)節(jié)器向下運動，上部鏈條由長變短，下部鏈條由短變長。右列缸對應(yīng)的可變氣門正時調(diào)節(jié)器向上運動，上部鏈條由短變長，下部鏈條由長變短。左右列缸對應(yīng)的進氣凸輪軸在兩個力的共同作用下都順時針額外轉(zhuǎn)過角，加快了進氣門的關(guān)閉，滿足了低速時進氣門關(guān)閉較早，可提高最大扭矩的要求。當(dāng)PassatB5轎車發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3700r/min時，要求進氣門關(guān)閉得較遲，如圖1-2-18（b）所示。左列缸對應(yīng)的可變氣門正時調(diào)節(jié)器向上運動，上部鏈條由短變長，下部鏈條由長變短。右列缸對應(yīng)的可變氣門正時調(diào)節(jié)器向下運動，上部鏈條由長變短，下部鏈條由短變長。在左列缸的下部鏈條，右列缸的上部鏈條同時由長變短的過程中，排氣凸輪軸已轉(zhuǎn)過角，進氣凸輪才開始動作，進氣門關(guān)閉變慢，滿足了高速時進氣門關(guān)閉較遲，可提高最大功率的要求。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)PassatB5轎車2.8LV6發(fā)動機的可變氣門正時系統(tǒng)由MotronicM3.8.2發(fā)動機控制單元控制。微機控制關(guān)系如圖1-2-19所示。左右列缸對應(yīng)的可變氣門正時機構(gòu)均設(shè)置了一個可變氣門正時電磁閥，如圖1-2-20所示。發(fā)動機在獲得轉(zhuǎn)速傳感器的信息后，對左右列缸對應(yīng)的可變氣門正時電磁閥的控制方式做出正確選擇并控制閥體動作。當(dāng)獲得不同閥體位置時，通往可變氣門正時調(diào)節(jié)器內(nèi)的液壓缸油路變換，使得可變氣門正時調(diào)節(jié)器上升或下降，以使左右列缸對應(yīng)的進氣門獲得不同的閉角。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)第三節(jié)廢氣渦輪增壓技術(shù)一、發(fā)動機增壓類型二、渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理三、增壓壓力的調(diào)節(jié)四、渦輪增壓器的潤滑及冷卻五、汽油機增壓Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)一、發(fā)動機增壓類型Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)串聯(lián)前復(fù)合增壓是在廢氣渦輪增壓器前串聯(lián)一個渦輪機，發(fā)動機排出的廢氣先流入前置渦輪機，回收部分能量后再排入渦輪增壓器的渦輪機，由此帶動壓氣機進行增壓。這種增壓系統(tǒng)的特點是可充分利用廢氣的能量，因此可提高整機的熱效率；同時在增壓器前利用渦輪機事先回收廢氣的部分能量，可避免增壓器的轉(zhuǎn)速過高的現(xiàn)象。串聯(lián)后復(fù)合增壓是在增壓器后再串聯(lián)一個廢氣渦輪，其主要目的是進一步回收利用經(jīng)增壓器后排出的廢氣能量，以便提高整機的熱效率。并聯(lián)復(fù)合增壓是將發(fā)動機排出的廢氣分兩路同時排入一個廢氣渦輪和廢氣渦輪增壓器的渦輪的系統(tǒng)。對排量較大的發(fā)動機，通過這種復(fù)合系統(tǒng)提高廢氣能量的回收再利用，在提高整機熱效率的同時減輕了廢氣渦輪增壓器的工作負擔(dān)。根據(jù)增壓器的數(shù)量，廢氣渦輪增壓器又可分為單級增壓和雙級復(fù)合增壓。普通車型常用單級增壓系統(tǒng)，即采用一個廢氣渦輪增壓器；而雙級增壓系統(tǒng)采用兩個廢氣渦輪增壓器，主要用于大排量車用柴油機。根據(jù)兩個增壓器的連接方式不同，雙級增壓方式又可分為直列雙級復(fù)合增壓和并列雙級復(fù)合增壓兩種系統(tǒng)，如圖1-3-2所示。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)直列雙級復(fù)合增壓系統(tǒng)一般由一個小型增壓器和一個大型增壓器直列布置構(gòu)成，并根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速分別使用。低速時關(guān)閉進氣切換閥和排氣切換閥，使小型增壓器工作，以提高低速進氣量，改善低速轉(zhuǎn)矩特性；中、高速時如圖1-3-2（a）所示，打開排氣切換閥和進氣切換閥，使排氣流向大型增壓器，以便增壓發(fā)動機在高效率區(qū)進行匹配，提高發(fā)動機的經(jīng)濟性。此時，小型增壓器渦輪的進、出口壓力相等，所以自動停止工作。六缸發(fā)動機常采用并列式雙級復(fù)合增壓系統(tǒng)，1、2、3缸和4、5、6缸分別采用相同的增壓器。與六個缸采用一個增壓器相比，采用并列雙級增壓器時流過廢氣渦輪的排氣流量減少一半，所以采用小型增壓器，由此達到兼顧低速轉(zhuǎn)矩特性和中、高速在高效率區(qū)的良好匹配，提高整機性能的目的；多缸發(fā)動機采用并列式雙級復(fù)合增壓系統(tǒng)的另一個目的，是為了避免產(chǎn)生各缸排氣干涉現(xiàn)象。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)1.組成車用渦輪增壓器由離心式壓氣機、徑流式渦輪機和中間體三部分組成（圖1-3-3）。增壓器軸通過兩個浮動軸承支承在中間體內(nèi)。中間體內(nèi)有潤滑和冷卻軸承的油道，還有防止機油漏入壓氣機或渦輪機中的密封裝置等。二、渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)2.離心式壓氣機離心式壓氣機由進氣道、壓氣機葉輪、無葉式擴壓管及壓氣機蝸殼等組成。葉輪包括葉片和輪轂，并由增壓器軸帶動旋轉(zhuǎn)。當(dāng)壓氣機旋轉(zhuǎn)時，空氣經(jīng)進氣道進入壓氣機葉輪，并在離心力的作用下沿相鄰壓氣機葉片之間形成的流道，從葉輪中心流向葉輪的周邊。空氣從旋轉(zhuǎn)的葉輪獲得能量，使其流速、壓力和溫度均有較大的增幅，然后進入葉片式擴壓管。擴壓管為漸擴形流道，空氣流過擴壓管時減速增壓，溫度也有所升高，即在擴壓管中，空氣所具有的大部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，如圖1-3-4所示。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)擴壓管分葉片式和無葉式兩種。無葉式擴壓管實際上是由蝸殼和中間體側(cè)壁所形成的環(huán)形空間，其構(gòu)造簡單，工況變化對壓氣機效率的影響很小，適于車用增壓器。葉片式擴壓管是由相鄰葉片構(gòu)成的流道，其擴壓比大，效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況變化對壓氣機效率有較大的影響。蝸殼的作用是收集從擴壓管流出的空氣，并將其引向壓氣機出口。空氣在蝸殼中繼續(xù)減速增壓，完成其由動能向壓力能轉(zhuǎn)變的過程。壓氣機葉輪和蝸殼由鋁合金精密鑄造。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)3.徑流式渦輪機渦輪機是將發(fā)動機排氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的裝置。徑流式渦輪機由蝸殼、噴管、葉輪和出氣道等組成（圖1-3-5）。蝸殼的進口與發(fā)動機排氣管相連，發(fā)動機的排氣經(jīng)蝸殼引導(dǎo)進入葉片式噴管。噴管是由相鄰葉片構(gòu)成的漸縮形流道。排氣流過噴管時降壓、降溫、增速、膨脹，使排氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。由噴管流出的高速氣流沖擊葉輪，并在葉片所形成的流道中繼續(xù)膨脹做功，推動葉輪旋轉(zhuǎn)。

與壓氣機的擴壓管類似，渦輪機的噴管也有葉片式和無葉式之分?，F(xiàn)代車用徑流式渦輪機多采用無葉式噴管。渦輪機的蝸殼除具有引導(dǎo)發(fā)動機排氣以一定的角度逆流入渦輪機葉輪的功能外，還有將排氣的壓力能和熱能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿淖饔?。渦輪機葉輪經(jīng)常在700℃左右高溫的排氣沖擊下工作，并承受巨大的離心力作用，所以采用鎳基耐熱合金鋼或陶瓷材料制造。用質(zhì)量輕并且耐熱的陶瓷材料可使渦輪機葉輪的質(zhì)量大約減輕2/3，渦輪增壓加速滯后的問題也在很大程度上得到了改善。噴管葉片用耐熱和抗腐蝕的合金鋼鑄造或經(jīng)機械加工而成。蝸殼用耐熱合金鑄鐵鑄造，內(nèi)表面應(yīng)該光潔，以減少氣體流動損失。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)4.轉(zhuǎn)子渦輪機葉輪、壓氣機葉輪和密封套等零件安裝在增壓器軸上，構(gòu)成渦輪增壓器轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子以超過10×104r/min，最高可達20×104r/min的高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此，轉(zhuǎn)子的平衡非常重要。增壓器軸在工作中承受彎曲和扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力，一般用韌性好、強度高的合金鋼40Cr或18CrNiWA制造。5.增壓器軸承增壓器軸承的結(jié)構(gòu)是保證車用渦輪增壓器可靠性的關(guān)鍵之一?，F(xiàn)代車用渦輪增壓器都采用浮動軸承（圖1-3-6）。浮動軸承實際上是套在軸上的圓環(huán)。圓環(huán)與軸以及圓環(huán)與軸承座之間都有間隙，形成雙層油膜。圓環(huán)浮在軸與軸承座之間。一般內(nèi)層間隙為0.05mm左右，外層間隙大約為0.1mm。軸承壁厚約為3～4.5mm，用錫鉛青銅合金制造，軸承表面鍍一層厚度約為0.005～0.008mm的鉛錫合金或金屬銦。在增壓器工作時，軸承在軸與軸承座中間轉(zhuǎn)動。增壓器工作時產(chǎn)生軸向推力，由設(shè)置在壓氣機一側(cè)的推力軸承承受。為了減少摩擦，在整體式推力軸承兩端的止推面上各加工有四個布油槽；在軸承上還加工有進油孔，以保證止推面的潤滑和冷卻。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)在渦輪增壓系統(tǒng)中都設(shè)有進氣旁通閥和排氣旁通閥，用以控制增壓壓力。排氣旁通閥及其控制裝置在增壓器上的安裝位置如圖1-3-7所示?？刂颇ず兄械哪て瑢⒛ず蟹譃樽笫液陀沂遥沂医?jīng)連通管與壓氣機出口相通，左室設(shè)有膜片彈簧作用在膜片上。膜片還通過連動桿與排氣旁通閥連接。當(dāng)壓氣機出口壓力，也就是增壓壓力低于限定值時，膜片在膜片彈簧的作用下移向右室，并帶動連動桿使排氣旁通閥保持關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)增壓壓力超過限定值時，增壓壓力克服膜片彈簧力，推動膜片移向左室，并帶動連動桿將排氣旁通閥打開，使部分排氣不經(jīng)過渦輪機而直接排放到大氣中，從而達到控制渦輪機轉(zhuǎn)速及增壓壓力的目的。進氣旁通閥的工作原理與排氣旁通閥相似。在有些發(fā)動機上，排氣旁通閥的開閉由電控單元操縱的電磁線圈控制。電控單元根據(jù)壓氣機出口增壓壓力的高低，對電磁線圈進行通電或斷電控制，以開閉排氣旁通閥。有的電控單元還能按照預(yù)編的程序，在發(fā)動機突然加速時，允許增壓壓力短時間超出限定值，以提高發(fā)動機的加速性。三、增壓壓力的調(diào)節(jié)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)來自發(fā)動機潤滑系統(tǒng)主油道的機油，經(jīng)增壓器中間體上的機油進口進入增壓器，潤滑和冷卻增壓器軸和軸承。然后，機油經(jīng)中間體上的機油出口返回發(fā)動機油底殼（圖1-3-8）。在增壓器軸上裝有油封，用來防止機油竄入壓氣機或渦輪機蝸殼內(nèi)。如果油封損壞，將導(dǎo)致機油消耗量增加和排氣冒藍煙。因為汽油機增壓器的熱負荷大，所以在增壓器中間體的渦輪機側(cè)設(shè)置冷卻水套，并用軟管將其與發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)連通。冷卻液自中間體上的冷卻液進口流入中間體內(nèi)的冷卻水套，從冷卻液出口流回發(fā)動機冷卻系統(tǒng)。冷卻液在中間體的冷卻水套中不斷循環(huán)，使增壓器軸和軸承得到冷卻。有些渦輪增壓器在中間體內(nèi)不設(shè)置冷卻水套，只靠機油及空氣對其進行冷卻。當(dāng)發(fā)動機在大負荷或高轉(zhuǎn)速工作之后，如果立即停機，那么機油可能由于軸承溫度太高而在軸承內(nèi)燃燒。因此，這類渦輪增壓發(fā)動機應(yīng)該在停機之前，至少在怠速下運轉(zhuǎn)1min。四、渦輪增壓器的潤滑及冷卻Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)五、汽油機增壓汽油機廢氣渦輪增壓的研究意義增壓技術(shù)首先在柴油機領(lǐng)域得到發(fā)展，目前工業(yè)發(fā)達國家大中功率柴油機已全部采用增壓技術(shù)，中小型車用柴油機增壓也達80%。汽油機增壓的發(fā)展相對較晚，技術(shù)水平也落后于柴油機。20世紀70年代末國外汽油機開始逐漸采用增壓技術(shù)，并得到了迅速發(fā)展，1990年美國生產(chǎn)的汽油機已有1/4采用了增壓技術(shù)，目前國外的汽油機增壓技術(shù)正處于完善和推廣應(yīng)用階段。內(nèi)燃機增壓的先進技術(shù)主要集中于美國、德國和日本。相對于柴油機而言，汽油機在小排量，尤其是轎車發(fā)動機領(lǐng)域，有其獨特的應(yīng)用優(yōu)勢及地位，所以汽油機的增壓研究對于節(jié)約能源及提高汽車性能都具有重要意義。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)2.汽油機增壓的特點（1）車用汽油機的速度和功率范圍廣，工況變化頻繁，扭矩儲備要大，這些在采用廢氣渦輪增壓后，如不采取特殊措施，會限制其推廣。（2）汽油機的比較小，所以工作溫度比柴油機高，增壓后尤為突出。而且汽油機空燃比由于工作循環(huán)的性質(zhì)決定，仍需限制在較濃的狹窄范圍內(nèi)，又不能用較大的氣門重疊角增加掃氣量來降低燃燒室零件和排氣的溫度。（3）對增壓汽油機來說，進入氣缸的混合氣，因受壓氣機壓縮的影響，其溫度一般要比非增壓高30～600℃左右，這就為加速混合氣的焰前反應(yīng)創(chuàng)造了有利條件。又由于增壓汽油機的熱負荷高，燃燒室和氣缸的壁面溫度較高，對新鮮充量的熱輻射和熱傳導(dǎo)都將增加，這也會導(dǎo)致焰前反應(yīng)的增加，促使正常燃燒速度增加，但對未燃混合氣的壓爆作用也會增強。Home第一章發(fā)動機可變結(jié)構(gòu)技術(shù)（4）汽油機增壓易發(fā)生爆燃。增壓使壓縮終了混合氣的溫度、壓力升高，致使爆燃的傾向增大。汽油機由于受爆燃限制，壓縮比較低，因而造成膨脹不充分，致使排氣溫度較高，熱效率下降。（5）汽油機增壓熱負荷大。汽油機混合氣的濃度范圍窄（過量空氣系數(shù)=0.85～1.1），燃燒時的過量空氣少，造成單位數(shù)量混合氣的發(fā)熱量大。同時，汽油機又不能通過提高氣