全面理解发动机

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1、舍弗勒亚太区 2010 年汽车技术研讨会舍弗勒亚太区 2010 年汽车技术研讨会发动机全面理解发动机Kurt Kirsten引言在过去，汽车及其动力系统的发展，在许多情况下受到最新技术应用的影响，并由其推动向前发展。这意味着市场参与者们可以在普遍增长的市场内通过直接分化来加强他们或其产品品牌的地位。目前的市场情况受到以下影响： 不断缩短的产品生命周期 更加细分的市场 高昂成本的压力 苛刻的客户期望 高的社会期望值这种情况另外的特点是： 更多的法律规定 有关资源限制越来越普遍的看法 显著产能过剩的生产舍弗勒亚太区 2010 年汽车技术研讨会 不同地区和市场领域的具体要求所有这些要求和挑战需要采取

2、综合的方法，通过新技术来实现相比于目前批量生产产品更高的附加值。附加值的发展可能会影响客户、社会、立法者或生产者。掌握或控制这种复杂性是当今时代所要面对的挑战。当前动力系统发展的核心问题乘用车动力系统发展的核心问题是解决减少油耗（二氧化碳排放量）和限制污染物排放量两者之间的目标冲突（图 1）。边界条件，如成本、品牌形象、驾驶乐趣、舒适性、噪声和可靠性也必须考虑。关于油耗和排放之间的目标冲突，汽油和柴油发动机的定位完全不同。汽油发动机定位于低排放类型，因为它有非常有效的排气后处理。柴油发动机则定位于低油耗类型，因为其热动力效率和低端扭矩特性相对有利得多。本文以下内容主要关注汽油发动机。 图 2

3、显示了汽油机在 NEDC 循环下的图 1 油耗 /排放排放目标油耗汽油机变速箱技术混合动力目标范围柴油机CO2 目标排放（ HC, NOX, 颗粒）内燃机一个损失分布分析作为参考。改善的出发点集中于可变凸轮轴驱动的领域。它们是： 凸轮轴调相器 部分可变气门机构系统 全可变气门机构系统由于气门机构的可变性，在低压过程范围内的热力学过程受到影响，从而可以减少泵气损失，在高压过程范围内的燃烧过程也得到了优化。这些措施也对内燃机内部排放的形成有直接的影响，因此，部分地影响了发动机排出的废气量。机械性能的改善指的是尽量减少摩擦损失以及附件的机械损失。机械损失大约占燃料能量使用的 10 % 至 12 %。

4、也就是说，如果能减少 10 % 至 20 % 的机械损失，就可以提高整个循环中 1 % 至 2 % 的效率。热力学优化之所以有巨大的改善潜力，是因为可以减少热力学损失。热力学优化的目标是运转中不由节气门来控制负荷。不同于正常情况下的由节气门来控制进气量，而是由气门来控制吸入新鲜空气的多少。进气管内的压力提高可以减少所需的泵气损失。对吸入新鲜空气量的控制，主要是通过改变进气门开启的时间，或者通过凸轮型线来改变气门升程曲线。同时，采用可变气门机构可以直接影响燃烧室内的气体流动。通过进气道的设计，可以将由活塞运动引起的吸入气体流动转化为涡流或翻滚运动。如果气门在不同的时间开启，缸内气流也会受到强烈影

5、响。与火花塞位置及燃烧室的总体布局相结合，这给众多的优化措施提供了机会。舍弗勒亚太区 2010 年汽车技术研讨会图 2 汽油机在 NEDC 循环中的效率链现代汽油机的效率链100 % 使用能量78 % 发动机损失22 % 有效作功35.3 % 排气热量损失30.0 % 其它热量损失8.5 % 发动机摩擦损失4.2 % 泵气损失4.1 % 附件 + 机械损失 7.0 % 加速阻力4.0 % 滚动阻力热力学优化 凸轮轴调相器气门机构- 部分可变- 全可变机械优化- 摩擦- 减振- 噪声，振动，平顺性基于 NEDC 循环工况参考： Prof. Leohold, U. Kassel6.9 % 空气阻力

6、内燃机 留在汽缸内的残余废气的百分比，直接受气门叠开角或气门开启相位的影响。在新鲜混合气中增加热残余废气可以影响压缩行程开始时的气体温度。这也使得在压缩冲程结束时的温度受到间接的影响。这种可变性使得对现代自动点火燃烧系统的优化有了新的替代方法。以下因素可能影响热力学过程： 部分负荷下降低节流损失（进气循环） 控制新鲜空气吸入量（负荷控制） 缸内气体流动 燃烧室内残余废气百分比 压缩行程的起始温度为优化发动机的特性（图 3），针对负荷和转速有不同的要求：A 在额定转速下的全负荷范围，需要较长的进气和排气门升程，以及更大的气门叠开角，以确保发动机可以“自由地呼吸”（进气门推迟关闭）。B 进气和排气

7、门开启时间应缩短，以优化在低转速和高负荷范围内的充气效率。此时的气门叠开角也必须要比额定转速下的小。C 在发动机特性图的中间区域，应该通过提前关闭进气门来降低泵气损失。D 在低负荷范围内，需要对缸内气体流动施加额外的影响并保持混合气的温度，从而优化燃烧过程。停缸技术在此有更大的潜力。E 发动机起动时，为了改进起动性能，需要采取单独的措施来保证最高和最有效地压缩比。通过减小气门升程或关闭气门来限制充气量已被证明可以使起停功能下的再起动更加容易。舍弗勒亚太区 2010 年汽车技术研讨会图 3 发动机特性的各种要求燃烧过程优化（气体流动）优化泵气损失最大扭矩最大充气效率提前关闭 （ 缩短气门开启时间

8、）最大功率全升程滞后关闭 （增加气门开启时间） 大气门叠开角优化泵气损失燃烧过程优化扭矩发动机转速内燃机可变气门机构的种类以下是气门机构可变性的特征（图 4）： 气门开启的相位 气门开启的持续时间 气门开启的最大升程在图 5 中，根据相位和升程，以及非连续或连续调节的特性，对可变气门机构进行了分类。在图中可变性的等级从左到右相应提高。图 6 以一个有四个稳定工况点的发动机特性图作为例子，以表示降低节流损失对发动机油耗的影响。可以看出，通过不同的措施手段可以降低节流损失: 仅调节进气相位 调节进气和排气相位 调节进排气相位以及改变气门升程尤其突出的是在特性图的低速区域，在稳定工况下可以最多降低

9、12 % 的燃油消耗。与传统气门机构相比，采用不同的可变机构可以在驾驶循环下降低 4 % 到 6 % 的油耗。控制范围和动态响应速度对系统的瞬时工作特性尤为重要。可靠的识别各个汽缸的当前工作模式对于控制空气、燃油和点火顺序尤为关键。因此，“动态”的气门机构系统具有更大的潜力来降低驾驶循环中的油耗。图 4 可变气门机构的种类相位 气门开启持续时间 升程图 5 气门机构可变性的等级舍弗勒亚太区 2010 年汽车技术研讨会气门机构相位调节 气门升程连续可变液压驱动电机驱动非连续可变两段式切换可切换挺杆液压支撑件滚子摇臂凸轮移位滚子挺柱三段式切换滚子摇臂凸轮移位连续可变电动式机械式Valvetroni

10、c电液式UniAir内燃机舍弗勒亚太区 2010 年汽车技术研讨会图 6 通过降低节流损失来改进油耗发动机转速（转 /分）发动机特性图平均压力（bar）节气门控制，无可变气门机构可变进气凸轮正时可变进排气凸轮正时无节气门，凸轮轴正时和可变气门机构相结合图 7 不同可变气门机构系统的比较凸轮轴调相器轮轴调相器 + 电液式可切换挺杆凸轮轴调相器 + 凸轮移位 + 电动执行器凸轮轴调相器 + 电机控制中间轴电液系统 （仅进气）燃油节省*：控制：动态响应：特性：批产始于：大约 4 %每汽缸组慢连续可变1997 年（福特，宝马，大众，奥迪，通用，菲亚特，欧宝，保时捷，法拉利，上汽，克莱斯勒，沃尔沃，）大

11、约 7 %每汽缸组慢两段切换1989 年， 1999 年，（保时捷，本田，）大约 8 %每个汽缸中等两段切换（或三段切换）2006 年（奥迪，）大约 8 %每汽缸组慢连续可变2001 年（宝马，标致雪铁龙） 大约 8 % 到 15 %每个气门每个汽缸快连续可变2009 年（菲亚特）* 基于 NEDC 循环，相比标准气门机构内燃机比油耗 %比油耗 %比油耗 %比油耗 %比油耗 %设计实例和可变气门机构对发动机工作特性的影响图 7 展示了当前可变气门机构系统及其市场应用的概况。以下是对不同系统进行评价的指标： 驾驶循环下的油耗 控制范围 动态响应特性 正时特性可变气门机构对燃烧过程的影响基于以下五

12、个因素来进行评估： 泵气损失 残余废气百分比 压缩行程起始温度 气体流动 吸入新鲜空气量图 8 用一张蜘蛛图来评价各种设计实例。蜘蛛图的“包容范围”也随着可变性的提升而增加。总之，在热力学优化方面有以下几点： 可变气门机构不仅仅是为了减少泵气损失，而且还保证了燃烧过程中降低油耗和排放的可能性（特别是直喷汽油机和柴油机）。 小型化和低速化对驱动机构的基本布置提出了更高的要求。 起停功能改变了正时驱动的负荷特性。 快速的根据工况循环进行变化才能满足瞬时工况下的要求，从而提高起停功能的舒适性，以及改善混合动力的切换点。 一个好的正时驱动不仅仅是各个优质零部件的总和，更是一个综合性的整体设计。机械优化

13、正如已经在图 2 中所示，机械性能的改善与摩擦和附件的附加损失有关。总体而言，以下优化标准必须考虑： 摩擦 减振 NVH 特性舍弗勒亚太区 2010 年汽车技术研讨会图 8 不同可变气门机构系统的评价泵气损失残余废气百分比压缩行程起始温度气体流动吸入新鲜空气量凸轮轴调相器凸轮轴调相器 + 电液式可切换挺杆凸轮轴调相器 + 凸轮移位 + 电动执行器凸轮轴调相器 + 电机控制中间轴电液系统 （仅进气）内燃机 除了能够传递驱动力以外，对于正时和附件驱动系统零部件的基本设计还有更多的要求： 尽可能降低预载荷（减小承载力，降低摩擦） 尽可能减少正时系统噪音 避免动态尖峰载荷图 9 是一些设计实例。潜在的

14、改善可以从图 2 中看出。在 NEDC循环下，由于发动机中的机械摩擦和驱动附件造成的损失百分比大约占主要能量的 12 % 到 13 %。图 10 展示了舍弗勒集团供应的典型发动机零部件和模块。可以看出，大部分零部件都需要滑动或者转动。舍弗勒亚太区 2010 年汽车技术研讨会图 9 内燃机的附件和正时驱动正时驱动凸轮轴平衡轴喷油泵驱动 / 能量转换附件（ FEAD）图 10 典型的应用于发动机的零部件可变凸轮轴相位系统挺杆滚子摇臂+液压支撑件附件驱动平衡轴模块 正时驱动内燃机 减小摩擦损失尤为重要。而且，这些零部件是振动系统的组成部分，对其单个零部件只能进行有限的优化，因此必须作为一个整体系统进

15、行优化。图 11 用一台四缸发动机的链传动凸轮轴作为例子来体现这种关系。假设在整个动态模拟中的激励是由曲轴平面产生，并考虑到以下零部件的工作： 链条 链条动轨 液压张紧器以及凸轮轴侧的气门驱动零部件 滚子摇臂 气门弹簧 气门然后，进行整体系统的模拟。优化的系统解决方案带来的挑战是寻求降低摩擦和保证必要的减振性之间的平衡。这要求一个校准过且验证过的模拟模型来模拟整体的关系。总结图 12 是对现代内燃机进行各种改进的可能性的概括。可以看出，对柴油机通过热力学措施只有很小的改善潜力。但对汽油机可以达到 10 % 到 12 % 的改善。另外，通过发动机中的机械措施可以释放3 % 到 5 % 的总体潜力。通过起停功能、小型化以及热管理可以作进一步的改善。随着零部件的模块化和工程服务的提供，舍弗勒发动机系统具备为提高改善油耗的可能性做出贡献的良好条件。舍弗勒亚太区 2010 年汽车技术研讨会图 11 整体系统模拟完整的带链条的模型：工程验证试验比较（ 5000 转 /分）气门加速度凸轮轴正时角气门加速度凸轮轴正时角图 12 改进的可能性概括柴油机小于 3 %，汽油机小于 7 %燃烧系统优化4 % - 6 %节流损失汽油机3 % - 5 %起停功能1 % - 2 %按需控制的附件2 %