（载运工具运用工程专业论文）往复活塞式发动机多工作模式的研究.pdf

摘要 摘要 发动机作为车辆的动力来源，其性能的好坏直接影响到车辆的动力性、经济性、排 放性及工作的可靠性和耐久性。随着汽车新技术的不断涌现，人们对发动机性能的要求 也越来越高，要求其能够在更宽的工作范围具有更好的性能表现。本文介绍了车用发动 机的研究现状和面临的问题，通过对往复活塞式发动机的结构和工作原理进行创新，在 无凸轮轴气门驱动等先进发动机技术的支持下，提出了发动机多工作模式理论，论述了 m w m ( m u n i p l ew o r k i n gm o d e ，多工作模式) 发动机二冲程工作模式、四冲程工作模 式、六冲程工作模式、工作模式之间的相互转换和连续可变压缩比的工作原理。m w m 发动机在普通四冲程发动机的气缸侧壁增加了一个排气口，且由气门控制其开闭，通过 处于不同位置气门的配合工作，从而实现其各种工作模式和工作过程。 本文通过m a t i a b 的m 文件编程得到m w m 发动机各主要零部件的具体优化参数，采 用s o l i d w o r k s 三维建模软件构建各零部件的实体模型；在完成了虚拟样机装配之后，利 用虚拟样机仿真了m w m 发动机的各种工作模式和工作过程，得到了其最佳的结构和运 动参数，排除了零部件之间可能存在的静态和动态干涉；利用f 1 a w i z a r d 软件对二冲程工 作模式三种换气方案的缸内流场进行了数值模拟，经过比较分析之后得出“顶进一侧 出”方案为较好的二冲程工作模式换气方案。 m w m 发动机在理论上实现了一台发动机在二冲程、四冲程与六冲程工作模式之间 的相互转换，填补了发动机单工作循环作功行程数与总行程数比值中1 3 的空白，同时 具备一定范围连续可变的压缩比，整合了二冲程与四冲程发动机的优点，拓展了发动机 的工作范围。 关键词往复活塞式发动机；多工作模式；可变压缩比；虚拟样机；数值模拟 a b s t r a c t a st h ep o w e rs o u r c eo fv e h i c l e ，w h e i h e rt h ep e r f o n n a n c e so fe n 百n ea r eg o o do fb a d ，t h a t a f f l c d i n gt h ep o w e rp e r f o 珊a n c e ，e n o m i cp e d b 皿a n c e ，e m i s s i o n sp e r f b h n a n c e ，a sw e l la s a f f c c t i n gt h er e l i a b i l i t y 柚dw e a rp e b 珊卸c e so ft h ew 血o l ev e b i c l e 舢o n gw i t ht h ec o m ef o n l l o ft h ev e h i c l e sn e wt e c h n i c ，p e 叩l ed e m a dh i g h e ra n dl l i g h e rp e 晌瑚a n c ea n dab e t t e r p e r f o 加a n c cr e p r e s c n ti naw i d e rw l m 【i l l gr a n g eo fe n g i n e t h i sp 印e ri n 胁d u c e dm es t a t u s q u oa l l dp m b l e m so fe n g i n es t u d y ，s u p p o n i n gw i t ht h es u j t e da “a n c c de n 百n et e c h n o l o g yo f s h a f t l e s sv a l v ea c t u a t i o n ，e t c ，i tp u tf o r w a r dt h em u l t i p l ew o f l 【i n gm o d et l l e o r yo fe n 百n e t h r o u 驴i i i i l o v a i i o ni n t h es t n l c t u r c 锄dw o r l 【i n gt h e o r yo fr e c i p m c a t i n g p i s t o ne n g i i l e ， e x p l a i n i n gm w m ( m u n i p l ew o r l 【i n gm o d e ) e n 舀n e sw o r k i i l gt l i e o r yo ft w d s t r o k em o d e ，f o u r - s t m k em o d e ，s i x s t m k em o d e ，c o n v e r s i o n 珊o n gd i f f e r c mw o r k j n gm o d ea n dv a r i a b l e - c o m p r c s s i o nr a t i 0 m w me n 垂n ea d d a ne x h a u s tp o r ta taf o u r _ s t m k ee n g j n ec y i i i l d e fw a l l ，柚d i tb ec o n 仃o l l e dt oo p e n i n go rc i o s eb yav a l v e ，t h i ss t m c t u r ec a nm a k ei h ee n 西n eh a sd i 任b r e n t w o r k j n gm o d eb yd i f f e r e n tv a l v ew o d d n gt o g e t h e r 1 h i s p a p e fg o tt h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e ro fm w me n 舀n e s m a i np a r t st h m u g l l p m 铲锄m eb ym a t l a b smf i l e ，b u i l tt h ee n t i t ym o d e lo fp a n su s i n gs o l i d w b r k st h r c e - d i m e n s i o n a ls o f t w 盯e a f t e ra s s e m b l yt h em w m e n 百n e sp a r t si n t ov i n u a lp r o t o t y p i n g t h i s p 印e rg a i n e dm eo p t i m i z a t i o ns t m c t i l r c 柚dm o v e m e n tp a r a m c t c ro fm w me 百e ，d i m i n a t e t h es t a t i ci n t e r f e r c n c e 姐dd y n a m i ci n t c r f e r c n c e b ys i m u l a t i n gm w me n g i ，sd i f f e r e n t w o r l ( i n gm o d e 柚dw o r k i n gp t o c e s s r 1 1 l i sp a p e rc h o s et i l eb e s to e “t o p - i n 柚ds i d e o u t ”劬m t l l r e eh n d so fg 髂c x c h a n 醇p m c c s so f 锕o - s t r o k em o d e t l l l r 0 吡曲姐a l y z e dt h e mr e 蹄e c t i v e l yb y f 1 0 w i z a r ds 0 行w a r cu s i i l gt h em e t h o do fn u m e r i c a ls i i n u l a t i i i ic r o c k m w m e n 舀n em a k e st h ec o n v e r s i 衄锄o n gt w o - s t r o k em o d e f o u r - s t r ( ) k em o d ea l l ds i x s t r o k em o d eo fo n ee n g i i l cc o m et n l ei nt h e o r y ，f i l l c si nt h eb l 如kw i t h1 ，3w h i c hi st h em t i oo f t o t a ls 咖k e st ow o r h n gs 细) k e si ns i n 西ew o r k i n gc y c l eo fe n 百n e ，p o s s e s s i i l gt h ec o n t i n u o u s v a r i a b l ec o m p r c s s i o nm t i oo fac e n a i n 珀n g ca t t h es 锄et i m c ，m b i n e st h ea d v 孤t a g c so f t w o s 仃d k ee n 舀n ea n df o u r s t r o k ee n 沓n e ，e x p 柚d e st i l ew o 蹦n gr a l i g eo fe n 百n eg r e a t l y k e y w o r d s r e d p m t i n gp i s t o nc n g i n e ；m u l t j p l e 、o r k i n gm o d e ；v a r i a b l e c o m p r c s s i o nr a t i o ； v i n u a lp m t o t y p i n 瞽n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着汽车新技术的发展和排放标准的日益严格，社会对汽车动力性、经济性和排放 性等的要求也越来越高，这就促使汽车各个部分向完美协调的方向发展。但由于作为 汽车心脏的发动机( 本文中“发动机”专指往复活塞式发动机) ，在各种工况下的表现 并非都十分理想，发动机性能的提升成为目前研究的重点。经过努力，车用发动机在电 子控制燃油喷射技术。“、可变配气定时技术、废气三元催化技术、废气再循环技术”3 等 方面已经取得了很大的成果，汽油机缸内直喷技术”1 和无凸轮轴气门驱动技术的诞生， 又给车用发动机性能的大幅度提升带来了新的生机，特别是现在市场对高性能、低磨 损、油耗低、乘坐舒适的车辆需求很高，因此开发适合市场需求的车辆及与其相匹配的 高性能发动机是今后的方向。 根据对二冲程和四冲程发动机的使用和研究经验可知，它们各有自己的工作领域和 优缺点4 1 ，一方不能被另一方所替代。能否将二者的工作模式融合，使一部发动机同时 具备二冲程和四冲程发动机的优点，一直是发动机工程师梦寐以求的事情，因为这样的 发动机将同时具备两个不同工况下的最佳性能点，使发动机的扭矩和功率能在更大的工 况范围内有良好的表现。本文从这点出发，设计出了一种新型的发动机m w m 发动 机，在发动机新技术的支持下，m w m 发动机具有多种工作模式，不仅实现了单台发动 机的“可变工作模式”，而且在可变压缩比技术。“”上实现了压缩比变化的连续性。 m w m 发动机的这些特性使发动机的工作范围大大拓宽，拥有更好的性能表现，为车用 发动机今后的研究提出了一种新的思路。 1 2 新型发动机的研究现状 随着社会对车辆性能的要求越来越高，车辆发动机的改进和开发工作进行的也越来 越快。世界各国已经有不少对新型发动机“”的研究和开发，引起了人们的重视。 4 7 岁的澳大利亚农场主m a l c o l mb e a r c ，自行设计制造了一台将二冲程与四冲程相结 合的发动机，被人们称作“六冲程”发动机“。其结构是将二冲程气缸倒置放在上面，下 面为个四冲程气缸，上面气缸壁上设置有进、排气口，当活塞上下滑动时，可打开或 关闭它们。该机由两个化油器通过一套舌簧阀供应混合气，在压缩和燃烧行程，上面活 塞封闭两气口，两个活塞同时吸收燃烧压力，从而增加功率。这项技术最大的好处是舍 弃了四冲程传统的蘑菇状气门，从而省去了气门振动变形带来的麻烦。b e a r e 用杜卡迪 9 0 0 s s 车进行改造，将转速提高至9 0 0 0 r m i n ，实际功率可达到6 3 2 k w ，而原车仅为 5 1 5 k w 。其优点至少有三个，即减少振动、增加扭矩和提高节气门开度的灵敏性，而且 经济性能也可得到改善。 东北林业人学硕士学位论文 瑞士的r o g e r 工程师发明了一种六冲程发动机，这种发动机的气缸盖设有辅助燃烧 室，燃烧室的四周有空气预热室“。除了正常的进、排气门之外，还有两个独立工作的 气门；一个气门连通辅助燃烧室，另一个气门连通预热室，凸轮轴转速为曲轴的1 3 。 第一行程进气；第二行程被压缩的空气进入预热室，并使辅助燃烧室燃烧：第三行程燃 烧物由辅助燃烧室进入正在膨胀过程的气缸中，完成第一工作行程。第四行程排气，第 五行程加热后的空气进入气缸，并完成第二工作行程。第六行程空气进入预热室，并重 复上述工作循环。 往复活塞式六行程发动机o ”是应用于汽车、火车、船舶及工程机械的动力装置，它 是将现有四冲程发动机的工作过程加以扩展，增加进空气和排空气两个行程，其工作顺序 为：进气、压缩、作功、排气、进空气、排空气，其有益效果是：清除残余废气，提高 可燃混合气品质，使燃烧更完全：降低进气行程之前气缸内温度，提高充气效率，并避 免混合进入气缸时不正常燃烧；可不设置复杂的冷却机构，减少热量损失，有利于陶瓷 材料在发动机上的应用。综合效果是：减少燃料消耗，降低有害气体排放。 美国通用电气公司雅安( y 孤) 博士发明“”了一种新型发动机，被称之为发动机技术 的场革命”，其容积效率和有效压力都比典型的四冲程发幼机高一倍，而燃料消耗、 排放污染和热量损失又较低。其独特的结构是活塞头部与活塞体分开，活塞头部带有油 环与气环，起密封与润滑作用。活塞体则起承载作用；并且活塞头部与活塞体还不完全 同步运动，工作时活塞头部单独完成进气行程，然后再与活塞体结合起来共同完成压缩 与爆发行程，最后又由活塞头部单独完成排气行程，各行程的工作速度也与传统的不 同，其压缩与爆发行程的速度要慢5 0 ，使燃烧更充分，排放污染更低。而进气、排气 行程则要快5 0 ，因此热量损失少，动力性好。目前这一发明己投入小排量摩托循环发 动机的试生产。 日本雅马哈发动机公司以其特有的技术，开发成功了s d 发动机“”，他的独到之处 在于：可变压缩比；部份直喷燃烧；含润滑油在内的综合电子控制技术等，以简单的结 构达到了高度排气净化，实现了超低油耗和排放。 澳大利亚生产的澳必托发动机1 采用燃料直接喷入气缸的电控燃油供给系统，正确 的选择喷油时间程序，以解决在传统二冲程发动机换气过程中燃油通过排气口跑掉的损 失；其次是采用独特的燃烧室设计和优化燃油喷射特性曲线来控制分层燃烧过程中c o 和h c 的排放量。由于其特有的技术( 湍流燃烧室、分层燃烧、电子控制排气门及进气 门、电控润滑系统、全电子点火系统) 使澳必托发动机保留了二冲程机的优点，克服了 其缺点，使燃料的经济性和排放获得了重大改善，并优于电控四冲程发动机的水平，曾 获得了很多项专利，为二冲程发动机的广泛应用创造了条件。 目前对现代化发动机的改进，主要集中在凸轮轴调节装置、进气系统的切换装置 o “、废气再循环、燃烧方法以及传统的减少摩擦等方面，这些措施已经在许多成批生产 的汽车中得到了成功的应用。但对基于单工作模式的发动机而言，想实现在较大工况范 围内提升发动机性能，还是具有一定难度，所以使一台发动机具备多种工作模式就显得 1 绪论 必要，而在技术不断进步的今天，这种设想已经变得可行。 1 3 本文的主要工作 本文对往复活塞式二冲程和四冲程发动机做了深入的研究和对比分析，认为主要难 点在于，对m w m 发动机的结构进行设计和对其多工作模式工作原理的阐述与完善。考 虑到目前各方面的条件，所以本文将主要进行以下几部分工作： ( 1 ) 在理论上详细论述m w m 发动机的各种工作模式的工作过程和工作原理。主要 论述的知识体系构成见图1 1 。基于发动机结构设计规范和已知原型机的部分结构参 数，通过m a t l a b 的m 文件编程，获得m w m 发动机各零部件的具体优化参数，并进行相 应的校核、检验。利用s o l i d w b r k s 三维建模软件，建立发动机各零部件的三维实体模 犁。 图l 一1m 叭d 发动机知识体系构成框图 ( 2 ) 对已经建立好的发动机零部件实体模型进行装配，在集成于s o l i d w b r k s 环境下 的c o s m o s m o t i o n 运动学和动力学仿真模块中，对装配好的虚拟样机进行仿真。采用虚 拟样机仿真m w m 发动机各种工作模式的工作循环过程、工作模式的相互转换过程和可 变压缩比的变化过程。通过虚拟样机的运行仿真，不仅实现了m w m 发动机工作过程的 可视化，而且可以在m w m 发动机的设计阶段，使各零部件的静态和动态物理干涉、碰 撞等结构优化问题得到解决。 ( 3 ) 将运动学和动力学仿真环境下的虚拟样机，经过数据格式转换，转换为流体仿 真软件f 1 0 w i z a r d 可识别格式的分析区域模型。对m w m 发动机的二冲程工作模式三种换 气方案进行缸内数值模拟，获得缸内流场仿真参数，并对参数进行分析评价，选择出三 者中最佳的换气方案。 本文具体工作流程和技术路线框图如图1 2 所示： 图1 2 工作流程和技术路线框图 2m w m 发动机的工作原理与关键支持技术 2m w m 发动机的工作原理与关键支持技术 目前有二冲程和四冲程两种往复活塞式发动机，它们有各自的优点“2 1 5 1 和应用领 域。通过对两种发动机的深入研究发现，可以将二者的结构进行有机融合，在当今先进 发动机技术，尤其是无凸轮轴气门驱动技术的支持下，融合后的新型发动机m w m 发动机，经过控制程序的切换，不仅既可以进 行二冲程工作模式，又可以进行四冲程工作模 式，还使得“六冲程”工作模式变得可能，而 且具备一定区间连续可变的压缩比。由于压缩 比与发动机负荷和转速有密切的关系，所以对 压缩比进行连续的调节，是很有意义的。 这样，一部发动机就可以具有比二冲程或 四冲程发动机更宽的工作范围，多种工作模式 使m w m 发动机具备更好的性能表现和可塑 性。m w m 发动机的结构示意图如图2 1 所示。 2 1 m w m 发动机的工作原理 进气门顶排气门 图2 1m w m 发动机的结构示意图 m w m 发动机具备多种工作模式，包括二冲程工作模式、四冲程工作模式和六冲程 工作模式，而且可以实现工作模式之间的相互转换和压缩比在一定区间内的连续可调。 下面将对m w m 发动机的各种作模式和工作过程分别进行论述。 2 1 1 二冲程工作模式的工作原理 由于m w m 发动机具有的特殊结构，使其二冲程工作模式具有三种换气方案，在本 文的第五章将通过缸内数值模拟的方法，对二冲程工作模式的三种换气方案进行择优。 本文将三种二冲程工作模式换气方案分别称为“顶进一侧出”方案、“项进一顶出”方案 和“顶进一顶、侧出”方案，下面将分别对二冲程工作模式不同换气方案的工作原理进 行论述。 ( 1 ) “顶进一侧出”方案 第一行程( 膨胀换气行程) ：火花塞点火，活塞从上止点开始下行作功，此时进气 门、顶排气门和缸侧排气门关闭。当活塞下行至其封住缸侧排气口的过程中，缸侧排气 门开启，当刚露出缸侧壁排气口时，气缸内压力迅速降低，随后进气门开启，换气开 始，直至活塞到达下止点。 第二行程( 换气一压缩行程) ：活塞从下止点开始上行，此时进气门开启，顶排气门 关闭，缸侧排气门打开。当活塞上行至完全封住气缸侧壁排气口之前，进气门关闭，随 着缸侧排气口被活塞封闭，缸侧排气门关闭，压缩过程开始，直至活塞到达上止点。 ( 2 ) “顶进一顶出”方案 东北林业大学硕士学位论文 第一行程( 膨胀一换气行程) ：火花塞点火，活塞从上止点开始f 行作功，此时进气 门、顶排气门、缸侧排气门关闭。当活塞下行至刚露出气缸侧壁排气口时，项排气门打 开，气缸内压力迅速降低，随后进气门开启，换气开始，直至活塞到达下止点。 第二行程( 换气一压缩行程) ：活塞从下止点开始上行，此时进气门、顶排气门开 启，缸侧排气门关闭。当活塞上行至完全封住气缸侧壁排气口时，进气门、顶排气门关 闭，压缩行程开始，直至活塞到达上止点。 ( 3 ) “顶进一顶、侧出”方案 第一行程( 膨胀一换气行程) ：火花塞点火，活塞从上止点开始下行，此时进气门、 顶排气门和缸侧排气门关闭。当活塞下行至刚露出气缸侧壁排气口时，顶排气门和缸侧 排气门同时打开，气缸内压力迅速降低，随后进气门开启，换气开始，直至活塞到达下 止点。 第二行程( 换气一压缩行程) ：活塞从下止点开始上行，此时进气门、顶排气门和缸 侧排气门开启。当活塞上行至完全封住气缸侧壁排气口时，进气门、顶排气门和缸侧排 气门关闭，压缩行程开始，直至活塞到达上止点。 2 1 。2 四冲程工作模式的工作原理 第一行程( 进气行程) ：活塞从上止点开始下行，此时进气门开启，顶排气门和缸 侧排气门关闭，直至活塞到达下止点为止。 第二行程( 压缩行程) ：活塞从下止点开始上行，此时进气门、顶排气门和缸侧排 气门关闭( 高压缩比工作模式) ，直至活塞到达上止点为止；如果在此过程中，从下止 点开始缸侧排气门打开，活塞密封缸侧排气口之后，缸侧排气门关闭，则为低压缩比四 冲程工作模式( 这里及本文中提及的“低压缩比”和“高压缩比”指可变压缩比的最低 和最高值) 。 第三行程( 作功行程) ：火花塞点火，活塞从上止点开始下行作功，此时进气门、 顶排气门关闭，缸侧排气门关闭，直至活塞到达下止点为止。 第四行程( 排气行程) ：活塞从下止点开始上行，此时进气门关闭，顶排气门打 开，缸侧排气门关闭( 高压排气) ，直至活塞到达上止点为l = 。如果在此过程中，活塞 密封缸侧排气口之前缸侧排气门打开，之后关闭，则为低压排气。 2 1 3 六冲程工作模式的工作原理 第一行程( 进气行程) ：活塞从上止点开始下行，此时进气门开启，顶排气门和缸 侧排气门关闭，直至活塞到达下止点为止。 第二行程( 压缩行程) ：活塞从下止点开始上行，此时进气门、顶排气门关闭，缸 侧排气门关闭( 高压缩比) ，直至活塞到达上止点为止。 第三行程( 膨胀一换气行程) ：火花塞点火，活塞从上止点开始下行作功，此时进气 门、顶排气门关闭，在活塞密封缸侧排气口的情况下缸侧排气门打开，当活塞下行至露 出缸侧排气口时，在缸内巨大的压力下，废气迅速通过缸侧排气管排出，缸内压力迅速 2m w m 发动机的【作原理与关键支持技术 降低，然后进气门打开开始进气( 换气过程开始) ，当活塞达到下止点时，这一过程仍 在继续。 第四行程( 换气一压缩行程) ：活塞从下止点开始上行，此时进气门开启、顶排气门 关闭，缸侧排气门打开，当活塞上行至封住气缸侧壁排气口前，进气门关闭，活塞封住 缸侧排气口后( 换气行程结束) ，缸侧排气门关闭，直至上止点为止。 第五行程( 作功行程) ：火花塞点火，活塞从上止点开始下行，此时进气门、项排 气门、缸侧排气门关闭，直到活塞下行至下止点。 第六行程( 排气行程) ：活塞从下止点开始上行，此时进气门关闭，顶排气门开 启，开始排气，直至活塞到达上止点为止。如果在此过程中，活塞密封缸侧排气口之前 缸侧排气门处于关闭状态，为高压排气；处于开启状态，则为低压排气。 2 1 4 工作模式转换的工作原理 由于m w m 发动机的新型结构，使得一台发动机拥有三种工作模式，具备了可变工 作模式的基础。要实现可变工作模式的关键，是选择合适的进、排气门、火花塞和缸内 直接喷射喷油器控制程序的转换时刻，只要以上各部件的控制程序转换时刻选择得当， 就可以在二冲程、四冲程、六冲程工作模式之问实现无缝的相互转换，从而实现可变工 作模式的目的。 经过对各工作模式工作过程的仔细研究，选择的控制程序转换时刻在每种工作模式 的压缩行程或换气一压缩行程( 针对二冲程发动机而言) 的结束时刻，也就是作功开始 之前的上止点的时刻，只有在此时刻，各工作模式才有相同的部件状态和控制参数值。 也就是说各种工作模式的对应部件的各种参数轨迹在此时刻对应相交，此时进行各部件 的控制程序转换，就可以顺利进行工作模式转换，而不会出现异常现象。 2 1 5 压缩比连续可变的工作原理 当四冲程工作模式和六冲程工作模式处于第二行程( 即四冲程工作模式的压缩行程 和六冲程工作模式的压缩行程) 时，在活塞上行密封住缸侧排气口之前，缸侧排气门从 此行程的开始就处于打开状态，直至活塞上行封闭住缸侧排气口，则处于最低压缩比的 工作模式；缸侧排气门从此行程的开始就处于关闭状态，直至活塞上行封闭住缸侧排气 口，则处于最高压缩比的工作模式( 在m w m 发动机设计中，缸侧排气门也由无凸轮轴 气门驱动装置驱动，缸侧排气门驱动装置置于缸侧排气口上部还是下部皆可，根据发动 机的实际结构布局而定) ；通过调节缸侧排气门开启和关闭的时刻，可以获得最高与最 低压缩比之间的任意值。 2 2m w m 发动机的关键支持技术 以当今发动机先进技术为基础，在发动机结构和工作理论上进行创新，将成为实现 其性能突破的关键。m w m 发动机的结构设计，从“多工作模式”的功能实现出发，以 电子控制燃油喷射技术、废气涡轮增压技术o ”州、缸内燃油直接喷射技术和无凸轮轴气 查i ! 整兰兰查兰堡圭兰些笙兰 门驱动技术为关键支持技术，结合二冲程、四冲程发动机的工作特点，使一台发动机同 时具备多种工作模式，并且实现在各种工作模式之问的相互转换。这里将对后两项 m w m 发动机的关键支持技术进行介绍。 2 2 1 缸内直接喷射技术 汽油机缸内直接喷射技术是近几年发展起来的发动机新技术，它的应用使发动机的 各项性能得到了大幅度提高，在今后将较多的应用在汽油发动机中。当发动机在中小负 荷工况工作时，喷射定时控制在压缩行程后期，靠进气道产生的进气滚流配合活塞顶的 特殊形状成层状混合气，可实现总空燃比高达4 j d 的稀薄燃烧，取得优异的经济性；而在 中大负荷工作时，喷射定时控制在进气行程，以利用燃油汽化吸热降低混合气温度，提 高充量系数，得到优于进气管多点喷射发动机的动力性。结合适当的排气后处理系统， 装用缸内直接喷射系统发动机的车辆可取得很高的排放水平。 缸内直接喷射技术在中小负荷为获得分层可燃混合气，燃油必须在压缩行程结束附 近喷射。由于气缸压力很高，喷射时间很短，分层混合气必须在燃料分散之前，富油区 达到理想空燃比之后的瞬间点燃，所以要求喷油嘴有很好的高速、高压喷射性，高压涡 流喷油嘴o ”“1 的诞生适应了这一需求。如d 一4 汽油机喷油嘴喷射压力为1 2 m p a ，是传统 汽油机的4 0 倍。高压喷射保证射入直径不大于2 吮m 的油滴瞬时汽化，保证了短时间内 喷射足够多的燃料。这也使得缸内燃油直接喷射技术得以稳定高效的发挥作用，目前这 项技术在高档轿车中已有成熟的应用。 2 2 2 无凸轮轴气门驱动技术 众所周知，配气系统的任务就是保证气缸更好地充气、排气及在较大的转速范围内 达到更高的扭矩。燃油直接喷射技术已经成为发动机的发展趋势，所以对配气系统就提 出了更高的要求。为了实现对充量交换的可变气门控制，同时为了节气损失的完全避 免，可变气门技术0 2 1 “，尤其是无凸轮轴气门驱动技术汹1 已经成为重要的开发方向和开 发重点。 汽车发动机采用可变气门驱动，使气门正时、气门开启延续时间、气门升程随发动 机工况变化，可以改善怠速稳定性，增加低速外特性扭矩，改善部分负荷燃油经济性和 降低有害排放。长期以来，人们提出了包括无凸轮轴气门驱动在内的数以千计的可变气 门驱动机构方案，并对采用可变气门驱动的好处进行了广泛研究。目前，已有几种基于 传统气门驱动方式的可变气门驱动机构用于批量生产的汽车发动机上，同时取代传统气 门驱动的无凸轮轴气门驱动机构，也已从纯实验室研究进入了在汽车发动机上装机试用 的发展阶段。 无凸轮轴气门驱动( c a m s h a f t l e s sv a l v ea c t u a t i o n ) 就是取消发动机传统气门机构中的 凸轮轴及其从动件，而以电磁、电液、电气或其他方式驱动气门”6 “1 。它除了能使发动 机在燃油经济性、动力性和降低排放等方面得到好处，还有一些其它方面特别的好处。 a u r as y s t e m s 公司、f e v 公司和通用汽车公司分别提出了工作原理基本相同的采用双弹 2m w m 发动机的_ 作原理与关键支持技术 簧、双电磁铁气门驱动方案，并进行了多年的研究”。 图2 - 2f e v 公司的e m v t 系统 ( b ) 仙辑嚣 t - d n 首碍事 蝶控 髓转螺崎 骨葱 译捧销 j ：l 山区性 i 训怔甑 j l “ f 也避饶 图2 2 为f e v 发动机技术公司可变进、排气门控制的e m v t f 电气一机械式气门驱动) 系 统。在f b v 进行的发动机台架试验和整车试验研究表明，废气涡轮增压与电气一机械式 气门控制装置相结合，使得由增压原理决定的油耗和排放方面的大多数缺点都被克服， 或者明显地减少，而且加速性能也得以改善。精确考察e m 、丌与汽油直喷机相结合的潜 力后发现，同样采用e m v t ，与传统的多点喷射汽油机相比，汽油直喷发动机在均质混 合气运行区域内部的冷却使压缩比得以提高，从而达到了部分负荷区域内数量级约为 4 的油耗降低，同时扭矩特性保持不变。 巴依尔公司研制的4 缸电磁气门缸内直喷式汽油机的试验样机，己在慕尼黑进行了 台架试验。此发动机气门驱动方式如下：装有弹簧的气门位于两块可将其控制在全开、 全闭位置的电磁铁之间。一专用传感器将气门所处位置的信息随时传至控制单元，这一 点对于气门以最小的速度接触气门座极为重要。进入气缸的空气数量取决于气门开启持 续时间，而其升起高度不可调。此系统的工作能力不受任何限制，只需改变气门的控制 程序，可使每缸4 气门的发动机于所需时间内变为2 或3 气门发动机；可有选择地关闭某 气缸，使4 缸发动机变为2 或3 缸发动机；可在任何转速下利用发动机有效地实旌制动； 可于行驶中改变发动机的工作行程，将其由四行程变为二、六行程，甚至八行程( 在部 分负荷工况时) 。 戴姆勒本茨公司也在进行优化气门控制的研究。其试验样机为单缸，排量为2 l ， 最大转速不超过2 0 0 0 r m 访。但此配气机构的优点很明显：进、排气门开启相位于整个转 速及负荷范围内均得以优化，节油及降低排放均可达1 0 。虽然载货车的高转速柴油机 尚不能采用此机构液压驱动气门( 目前仅可达到6 0 0 0 r m i n ) ，但用于桥车是极为可能 的。对载货车而言，以改变排气相位宽度、关闭若干气缸而改变多缸发动机排量的方式 东北林业大学顾士学位论文 实施以发动机控制整个制动过程这一优点极有前景。 具备上述功能的无凸轮轴气门驱动装置，为发动机性能的改进和提升提供了一种方 法，就是可以继续利用一切发动机已有的机构，并且也能够满足在紧凑性、可靠性、重 量和经济性方面的要求，这种气门驱动控制装置允许利用完全独立的、根据需要实施的 对进气门和排气门的控制，使得每一个气门都能够在气门定时和气门升程方面得到适合 于它的驱动。它将全面地满足油耗特性和功率数据以及严格的排放法规的要求，同时还 保持极佳的瞬态特性。 2 3 本章小节 通过以上对m w m 发动机各种工作模式的工作原理和关键支持技术的论述，可以看 出，此发动机具有很多自身的特色。 在二冲程工作模式时，顶排气门总关，通过进气门和缸侧排气门的开启关闭来实现 二冲程的工作循环过程；可以不让缸侧排气门开启，顶排气门与顶进气门配合形成二冲 程结构；还可通过同时让顶排气门和缸侧排气门与进气门配合工作，形成二冲程结构。 m w m 发动机还可以在二冲程与四冲程工作模式之间实现六冲程工作模式，即理论 上升功率在二冲程与四冲程发动机之间，六冲程工作模式单工作循环中有两次作功。若 将单循环作功次数与活塞行程数的比值作为评价参数，二冲程发动机用1 2 来表示，四 冲程发动机用1 ，4 来表示，则六冲程工作模式时的m w m 发动机可以用2 6 = 1 ，3 来表示，满 足了评价参数的连续性。 相对大容积、单功率脉冲( 单工作循环单行程作功) 的传统往复活塞式发动机，小 容积、多功率脉冲特征的发动机是一个发展趋势。这种特征不只使发动机结构紧凑、体 积小，而且小容量( 小排量、短行程、小缸径) 混合气的爆发可大大降低燃烧噪音，排 气温度较低，是现代发动机气缸向小型化多气缸方向发展的原因之一。可以进行双功率 脉冲工作的m w m 发动机与普通发动机相比，在相同功率输出的情况下拥有更加紧凑的 结构，在相同重量或体积的情况下拥有更大的功率输出。 3m w m 发动机主要零部件的设计与建摸 3m w m 发动机主要零部件的设计与建模 本文用到的参数符号含义见附录a ，设计及校核的详细理论见汽车工程手册“”相关 内容。本文采用广州本田汽车有限公司9 8 款美国版本田雅阁轿车的f 2 3 a 1 型发动机作为 原型机，原型机各零部件参数见附录b 。 3 1 发动机的概念设计 发动机设计是从发动机的使用要求开始的，然后确定其排量，要确定发动机排量， 首先要初定发动机的平均有效压力。其根据是：和同类先进机型进行比较；燃烧系统的 开发能力；是否采用增压及中冷技术( 柴油机) ；每缸气门数和采用的供油系统，满足 排放法规。 排量确定之后需要确定发动机的缸径及行程，这时需要综合考虑以下因素： ( 1 ) 活塞平均速度近年来，由于整车对发动机的动力性要求越来越高，通过提高 发动机转速来提高升功率已被广泛采用，特别是随着四气门技术的推广，通过提高发动 机转速来提高升功率显得更为有效。但是随着发动机转速的提高，发动机主要摩擦副的 摩擦损失迅速上升，磨损量也随之加大。提高发动机转速在很大程度上取决于发动机主 要摩擦副的加工工艺水平，而能将发动机转速和主要摩擦副的磨损联系起来的参数就是 活塞平均速度。 ( 2 ) 排气净化性能长行程可以保证气缸内燃烧较完全、降低冷却损失、减少h c 的 排放量，但会使活塞平均速度较高，因此要根据能够接受的活塞平均速度确定合理的行 程。 ( 3 ) 气缸轴距及发动机高度行程缸径比s d 值越大，气缸轴距越小，但发动机高度 尺寸要增加。概念设计时要根据发动机在整车上的实际安装情况确定一合理的值， 一般s 值不应超过1 2 。 ( 4 ) 压缩比在相同s 归值条件下，如果需要给定几种压缩比，s 仍值越小，改变压 缩比越容易，活塞顶面形状变化越小，从而增大了活塞顶面燃烧室的设计自由度，同时 能降低活塞的热负荷及热应力。但是，如果s 值太小，会增加燃烧室的面容比，对排 放和燃油经济性不利。 在发动机的概念设计中，确定发动机最高燃烧压力是发动机设计中的关键一环。初 定最高燃烧压力的主要目的是，在概念设计之初为发动机主要零部件的机械设计提供一 先决条件，以确保在满足发动机性能要求的前提下对影响发动机主要零部件结构的机械 负荷进行限制“。其关键是要在保证发动机性能及排放标准的同时确保气缸盖衬垫的密 封、梯形框架和机体的连接强度，另外要保证气缸盖、气缸、活塞、气门座及气门等不 过热。初定最高燃烧压力的过程，是以拟开发发动机的性能指标及排放水平、以往的经 验并和同类机型进行比较，然后使用发动机性能模拟软件确认其是否能够满足发动机的 东北林业大学硕十学位论文 性能要求。最高爆发压力得以确定，发动机主要零部件的结构设计就可以此为基础进 行，但最高燃烧压力最后要经过实验验证。 3 2m w m 发动机主要零部件的设计与建模 由于本文的主要目的，是求证一种新型结构发动机多工作模式的可行性和优越性， 所以在进行结构设计时，大部分主要结构参数采用原型发动机的参数，只在局部进行结 构改造，然后通过发动机设计的理论知识和经验，验证其结构的合理性。这样不仅可以 保证所构建的模型机在结构上科学合理，避免了不必要的探索求证过程，而且能在有限 的时间内更好的投入到对发动机工作模式和工作过程的研究中去。另外，将来制造出实 验样机后，进行台架实验获得的实验数据，可以与这款原型机进行比较分析。基于以上 原因，本文采用“相同结构的主要尺寸，利用原型机参数；细节、独特的结构尺寸，自 己设计”的原则，构建各零部件的实体模型。 本文采用原型机的直列四缸水冷结构，单缸四气门蓬型燃烧室。具体发动机部件设 计如下。 3 2 1 蓬形燃烧室的设计与建模 发动机的结构设计实际是从气缸盖开始的，这是由于气缸盖、燃烧室、气门和气道 的布置方式对发动机其他部分的结构设计有很大影响。由于简化模型的需要，在本文中 只对处于缸盖上的燃烧室、气门和气道进行构建。 燃烧室是由缸盖部分、气缸部分和活塞部分一起构成的，在此只对缸盖部分的构建 进行论述，其它两部分将在后面详细论述其构建过程。设计时首先要确定燃烧室的结构 形式，选择燃烧室的结构形式受很多因素的影响，如发动机的动力性、经济性及燃烧噪 声的控制等。总的来说气门平行布置的燃烧室允许的气门直径最小，气门倾斜布置不仅 增加了燃烧室顶部的面积，还可以采用较大的气门直径。在实际应用中，气门夹角角度 从4 0 0 ( 浅半球形燃烧室) 7 0 0 ( 深燃烧室) 不等，当采用三气门及三气门以上方案 时，燃烧室顶部的倾角一般控制在2 0 0 以内。另外，通过采用二进气门和三进气门来改 善进气能力，进气门早开和排气门晚关就变得没有必要，同时进排气门重叠角减小可大 大降低怠速及低负荷时的排放。在相同工况且没有惯性冲击的情况下，多气门发动机的 功率及转矩在高转速范围内，随着气门数的增加，发动机功率及转矩明显提高，而在低 转速范围改善不明显。可以说增加了气门数就提高了发动机的有效转速范围。 本文考虑到模型机结构需要具有代表性和可比性，采用了四气门蓬形燃烧室结构。 为满足整个发动机转速范围及不同负荷工况下提高动力性并降低油耗，四气门燃烧室越 来越受重视。一般采用每缸两个进气门和两个排气门，进排气道采用横流布置。每缸有 一个进气口，经过一段距离后分离成两个单独的进气道：而两个分离的排气道在缸盖的 排气侧融合成一个排气出口。进排气门相互倾斜使气门头部构成蓬形燃烧室。两个进气 道和两个排气道在缸盖两侧都呈对称布黄，进入缸内的混合气流经气门座和气门头部底 面，形成绕垂直于气缸轴线方向旋转的滚流进入缸内。在压缩行程后期活塞到达上止点 3m w m 发动机主要零部件的设计1 i 建模 前，相对的两个挤气区将滚流转化成涡流。中央布置的火花塞使火焰传播距离很短，火 焰前锋面很宽，混合气的燃烧速率很高且可以控制。与二气门半球形燃烧室相比，可以 将进排气流通面积提高5 0 ；而和二气门浴盆形燃烧室相比，进排气流通面积可以提高 1 0 0 ( 实际充量系数提高幅度不会这样大) 。由于在整个发动机转速范围内都可以获 得较高的充量系数，通常在发动机中等转速获得的最大转矩就可以保持到很高的发动机 转速而不会出现明显的下降。 本文所构建的蓬形燃烧室缸盖部分模型如图3 1 所示： ( a ) ( b ) 图3 1 蓬形燃烧室缸盖部分结构模型 根据此蓬形燃烧室的基本结构和参数可知，基本满足了汽油机燃烧室设计要求。具 体设计遵循原则如下： ( 1 ) 采用尽可能高的压缩比，以提高发动机的热效率： ( 2 ) 具有最小的砸容比以减小热损失； ( 3 ) 具有最短的火焰传播距离，以尽可能缩短燃烧时间； ( 4 ) 具有合适的冷却末端混合气，以防止其过热，但冷却不能过度，否则会引起末 端混合气燃烧不良，从而使h c 的排放过高。 。 ( 5 ) 火花塞尽可能布置在燃烧室中央以使火焰传播距离最短( 或采用双火花塞达到 上述目) ； ( 6 ) 火花塞应尽可能靠近排气门，使火花塞电极周围的混合气温度达到最高； ( 7 ) 进入缸内的混合气应具有一定的流动强度，使空气和燃料迅速混合，但过高的 涡流强度会使热损失很大； ( 8 ) 具有适当的挤气面积，加强缸内混合气在燃烧之前和燃烧期间混合气的湍流； ( 9 ) 适当冷却排气门，以防止其过热变形或被烧蚀； ( 1 0 ) 进入缸内的新混合气应能扫过并冷却火花塞电极，以避免在大负荷工况下火 花塞产生热点而提前点火现象； ( 11 ) 气门直径及气门数量要能够保证发动机在高转速时具有较高的冲量系数； ( 1 2 ) 应防止由于燃烧速度过高引起的发动机工作粗暴及强烈燃烧噪声。 在以上的设计原则中，本文基本符合要求，只有一点稍有差别，就是火花塞为了满 足燃烧特性而没有靠近排气门布置，而是居于燃烧室中心位置，虽然这样会使火花塞电 极周围的混合气温度不是最高，但由于具备了最短的火焰传播距离，从而缩短了燃烧时 东北林业大学硕上学位论文 间，而且位置靠近进气门，进入缸内的新混合气能更好的扫过并冷却火花塞电极，以避 免在大负荷工况下火花塞产生热点而发生提前点火现象。 3 2 2 气门的设计与建模 本发动机设计的目的，是通过对模型机结构的改造来说明发动机多种工作模式的可 行性，所以在具体设计中，不主要的部件将按模型机的参数来设计建模，不再做具体设 计说明，只针对本文中的重要部件进行设计阐述。气门模型的构建参数参照了原型机的 部分结构参数，本文所构建的气门模型如图3 2 所示。 ( a ) 进气门( b ) 顶排气门 图3 2 进气门、顶排气门结构模型 3 2 3 气门导管和气门座的设计与建模 3 2 3 1 气门导管 气门导管具有为气门导向和冷却的双重作用，所以必须选择合适的材料及加工方 式。一般选用铸铁或粉末冶金作为气门导管的材料，为加强导管的冷却，有时也有铜系 合金。在设计排气门导管内孔时，一般在前端设计一个阶