汽车可变技术

1、 汽车可变技术一. VCC (Variable Combustion Chamber)本文采用仿真技术和模拟试验的方法对可变燃烧室(VCC：VariableCombustion Chamber)活塞的动力学特性进行了研究。提出了新的VCC活塞的技术方案，优化改进了VCC活塞的结构；通过扩充模型库进一步完善了VCC活塞动力学仿真分析平台；分析了影响VCC活塞动力学特性的关键控制参数及其它们之间的相互关系；采用VCC活塞的动力学仿真和发动机性能仿真的耦合迭代计算预测了VCC活塞的动态响应特性：分析了VCC活塞的温度场和热变形对机构预紧力的影响。新的VCC活塞的技术方案和优化设计主要包括有：提出了连

2、杆小端复位凸轮的设计，保证VCC机构能在一个循环内及时复位；完成了支撑盘和限位盘的型线优化设计，进一步提高了VCC活塞的动态响应：改进了VCC机构的预紧方式，能够在不同预紧力的情况下保持预紧位置不变；此外，优化后的VCC活塞的质量减轻和结构更简单。小结:VCC发动机在满负荷不同转速下的缸内压力均被VCC位移控制到接近于低压缩比原型机缸内压力，能够有效地防止爆燃和控制爆震，这说明VCC机构满足发动机不同转速工况对动态响应的要求。不同负荷下VCC机构的动态响应如下：在25低负荷下VCC发动机的缸内压力与高压缩比发动机基本一致，VCC发动机以高压缩比运行；在50的负荷下，VCC发动机的缸内压力比高压

3、缩比发动机的稍低一些：在75负荷下，VCC发动机的缸内压力介于低压缩比原型发动机和高压缩比原型发动机的缸内压力之间，避免了爆燃的同时也在一定程度上提高了缸内压力。在100负荷下，VCC发动机的缸内压力与低压缩比原型机基本相同，能够有效控制高负荷工况时的气缸压力，防止爆燃和爆震。通过动力学仿真的方法能研究偏差因素对VCC活塞动力学性能的影响。此外VCC技术还能在一定程度上改善缸内压力不均匀性。算例表明：与原型机相比VCC发动机的缸内压力循环波动范围约降低了51左右。二. VVT(VariableValveTiming)VVT机构能够代替传统的固定配气相位机构，使配气动作优化，可以使发动机在整个工

4、作转速和负荷范围下，提供合适的气门开启、关闭时刻，从而改善发动机进、排气性能，较好地解决高转速与低转速、大负荷与小负荷时的动力性、经济性和废气排放的矛盾。对于汽油机而言，应用VVT技术有以下优点：(1)改善怠速稳定性和低速平稳性；(2)提高发动机功率和扭矩；(3)扩大发动机转速范围；(4)降低部分负荷燃油消耗率；(5)改善废气排放。国外可变配气技术的发展历程三.VNT(Variable Nozzle Turbocharge)由于在动力、节能和排放等方面的优势，柴油机已成为节能环保汽车的实现技术选择，随着全球车用动力“柴油化”趋势的形成，增压技术在柴油机上的应用愈加广泛。本文结合国家科技部“86

5、3”项目“长丰新一代桥车用高效环保柴油机研发"，对可变喷嘴增压器与柴油机的匹配及其控制展开研究，以解决常规涡轮增压柴油机存在低速转矩不足、部分负荷经济性差以及瞬态响应迟缓等问题。本文建立了涡轮增压柴油机各物理子系统工作过程的数学模型，在此基础上，利用GT-Power-维仿真软件，建立D01柴油机仿真计算模型，并与试验数据进行对比，验证该模型的准确性。利用仿真计算模型，开展了VNT与D01柴油机的匹配仿真研究，确定了全工况下，可变喷嘴环的最佳开度以及相应的最佳增压压力。根据仿真计算结果，分析了喷嘴环开度对发动机动力性与经济性的影响，并确定了最佳喷嘴环开度随发动机转速及负荷的变化规律。在

6、对VNT与发动机的匹配结果进行深入分析的基础上，确定了VNT在各工况下的控制策略：稳态采用增压压力反馈PID控制；瞬态典型工况采用叶片位置式控制；怠速工况通过水温判断来确定喷嘴开度的大小。在此基础上对控制算法进行了研究，并利用Simulink建立了VNT控制系统模型。在此基础上，进行了控制系统执行部件选型研究。利用dSPACE平台，搭建了硬件在环系统，将执行机构与控制模型连接，对VNT进行了位置式反馈控制，实现软硬件联合调试。结果表明，系统误差较小，响应迅速，达到了控制要求。在不同的转速工况下，总有一最佳的喷油定时和喷油压力20。传统的高压油泵供油系统，燃油压力大小受发动机转速控制，为改变供油

7、提前角以适应不同的转速，一般是在发动机上安装供油角度提前器，但该提前器受发动机转速控制，改变的角度有限，不能实现全工况的喷油定时优化。传统的喷油泵系统的喷射压力与发动机转速关系很大，因而在低速时喷射压力较低。现代先进的电控高压共轨燃油系统可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节，该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都有进一步的提高21。四.可变进气系统 可变进气系统是利用发动机工作时进气管道的动态效应来提高充气效率，以达到在发动机转速范围内增大发动机的扭矩和功率。为了有效利用进气动态效应、提高充气效率，在国外的汽车发动机上采用设置动力腔、谐振腔及各种结构形式的可

8、变进气系统。合适的进气道长度、直径（截面积）与发动机转速有关。一个长度和截面固定的进气道，只能在一定的转速范围内有较好动态效应和充气效果。一般在低转速工作时，较细长的进气道充气效果较好，而在高转速工作时，短而粗进气道充气效果较好，如果采用长度可变的进气道，则可使发动机在较大的转速范围内都有较好的充气效果22。根据进气管的不同长度,气流脉动效应表现也不同。比如进气管变长,最佳脉动效应就向低速区域移动。进气管脉动次数按下式计算调整进气管长度，使脉动次数为整数和进气门重叠时间同步就可以提高发动机的充气效率。发动机在高转速工况下,进气阻力对进气影响较大,短进气管阻力小,从而使发动机高转速时进气更充分。

9、低转速时发动机进气频率较低,长进气管能降低脉动次数,聚集更多空气,从而改善进气充气效率。另外,长进气歧管还能降低空气流速,能让空气和燃料混合更为充分,从而改善燃烧在各种车型上采用的可变进气系统并不完全一样，图1-1、1-2、1-3 为经常见到的几种可变进气系统的结构示意图。图1-1 为奥迪V6 发动机可变进气系统的进气歧管的几何形状。在发动机的进气歧管内设置进气转换阀，它接受ECU 的控制。在发动机转速低于4100r/min 时，每个气缸进气道中的转换阀门总是处于关闭位置，形成路径较长而截面积较小进气管道，如图1-1(a)所示；当转速大于4100r/min 时，进气道中的转换阀门开启，构成的路

10、径较短而截面较大进气管道，如图1-1(b)所示。发动机采用这种可变进气系统后，提高了充气效率，其输出扭矩和功率都有提高。图1-2 为一日产汽车发动机可变进气系统的原理图。当发动机在低速中、小负荷工作时，转换阀关闭，进气仅通过细长的进气管流入，可以产生强烈的漩涡，提高进气流速，由于细长管的动态效应，改善了中低速的扭矩特性；当发动机在高转速大负荷工作时，转换阀开启，短而粗的进气管道，大大提高了充气量，从而获得较大的功率。图1-3 为日本丰田公司采用的双进气管分别参加工作的可变进气系统原理图。图中显示每个气缸配有4 个气门。2 个进气门各配有一个进气管道。其中一个进气管道中装有进气转换阀。在发动机低

11、速中、小负荷工作时，转换阀关闭，只利用一个进气通路，将进气通路减半，如图1-3(a)，此时进气流速提高，进气惯性大，可提高发动机转矩；当发动机高转速大负荷工作时，转换阀开启，进气通路为两条，如图1-3(b)，此时进气截面大大增加，进气阻力减小，充气量增加，同时最佳动态转速也移向高速，使高转速大负荷时的动力性能得到很大提高。五.可变配气相位 汽车发动机电控可变配气相位是国外近10 年来应用的一项高新技术，是汽车发动机现代发展方向之一2429。我国也已从20世纪90 年代开始展开了这一技术的实用研究30,31，并取得了一些成果。它改变了配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正

12、时，提高了充气系数，较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾，在一定程度上改善了废气排放、怠速稳定性和低速平稳性，降低了怠速转速34。传统的轿车发动机进、排气凸轮位于一根凸轮轴上, 且配气相位选择某一工况为最佳的配气相位而固定不变, 其余工况不能使发动机性能最佳。近代的轿车发动机多采用顶置双凸轮轴结构, 利用螺旋花键轴的轴向运动而使进、排气凸轮提前、迟后一定角度,进而可实现随发动机工况不同而使发动机的配气相位改变, 如宝马公司的VANOS 系统35 ，此类机构利用凸轮轴的调相原理,凸轮型线不变, 仅改变凸轮轴相对曲轴的转角, 进而控制和改变进、排气门相位角和进、排气门重

13、叠角, 使发动机性能优化。该种机构由于可以改变气门重叠角, 因此可使发动机在怠速时重叠角减小, 降低怠速转速, 提高怠速稳定性, 也可通过重叠角调整改变内部量, 降低发动机内耗和排放,减小泵吸损失。改变进气门晚关角及排气门早开角还可调节发动机的有效压缩比和膨胀比, 使发动机经济性、动力性最佳。通过改变凸轮与气门之间联结进而使发动机配气相位改变, 如MEC 可变配气相位36 通过移动摇臂支点改变摇臂比进而使气门升程及持续历程或相角改变。利用电磁阀机构直接控制气门的开、闭, 是较为理想的一种气门可变机构, 不仅能实现气门的迅速开启和关闭、提高气门的有效流通截面、增大气门流通能力, 而且便于对气门正

14、时所有因素的电子控制, 但此种控制机构操纵时需消耗较高能量, 气门关闭的惯性力也较大。目前德国FEV 公司电磁控制全可变气门机构37及美国Ford 公司与德国Benz 公司的无凸轮电控液可变配气相位机构38等均为此类型的典型机构。六.可变凸轮线型 现代轿车发动机常采用每缸进或进和排的、气门发动机, 以减小进气流通阻力, 最大限度地增大发动机的进气截面以提高充气效率, 实现良好的燃烧以节约能源, 降低发动机的有害排放。由于发动机高、低转速时所需求的缸内涡流强度不同和气流在高低速时气门截面表现的节流作用不同, 日本Honda 公司在1989 年投入市场的VTEC-E 系统39，发动机采用每缸4 气

15、门（2 进2 排气门结构）。凸轮轴上的两个进气凸轮有两种线型，在低速时，每个摇臂按各自的凸轮线型工作，其中一个进气门升程仅0.65mm，以保证副气道燃料导入燃烧室，此时得到较强的涡流，而在高速时，通过摇臂上的液压活塞使两个摇臂按照一个大升程凸轮线型工作，大大地提高了气门的流通能力，使充量系数提高并获得良好的动力性能。该结构兼顾了发动机低、高转速性能，扩大了稀燃极限，改善NOx 排放和油耗。七.可变气缸排量 轿车发动机经常在中、低负荷下运行,但又要求具有较大的功率储备以备加速超车之用, 这使得轿车发动机在中、低负荷下的各项性能均欠佳。由于随着负荷率的减小, 发动机的机械效率降低, 而轿车发动机的

16、标定功率又较高。为了改善发动机在部分负荷下的性能，采用变排量控制技术可以极大地发动机在部分负荷运行时的经济性。在中、低负荷下关闭一组气缸工作，使发动机的负荷率提高，进而使发动机在不同负荷下的性能改善。当然欲成功地应用变排量技术，必须解决好发动机变速器动力总成摇振控制和停缸控制模式优化，以达到提高发动机负载率下经济性改善的目的。除此之外，采用VSE(Variable-Stroke-Engine)技术可使发动机燃油消耗率改善18%21%，低负荷高转速下改善更显著40。八.可变涡轮增压技术 增压技术可大幅提高车用柴油机的升功率。为了改善增压车用柴油机低速扭矩特性和动态响应特性，除了利用脉冲增压系统外，车用柴油机增压系统常采用一些可变技术如可变几何截面增压器、可变喷嘴环、带废气