未来链传动和皮带传动的竞争

在设计内燃机时,选择正时传动系统的技术是1项关键的决策,它会对发动机的最终结构和组装尺寸等发动机的总体特性起到决定性作用。对于乘用车发动机,主要有2种主流的正时传动技术:齿形皮带和链条传动。两者都有几种派生变型式,例如,干式皮带和湿式皮带传动,或者齿形链和滚子链。研究了这些技术对发动机关键特征(主要包括组装尺寸、成本、质量、耐久性、噪声-振动-平顺性和摩擦损失产生的不同影响)。根据从最近发动机开发项目中收集到的数据和文献研究获取的数据,以及来自零部件供应行业的数据,进行了尽可能的定量评价。根据当前和预期的未来发动机开发趋势,对这些不同的影响进行了综合评述,以期在未来几年里为发动机设计师选择合适的正时传动技术提供基础。

采用低热损失燃烧概念的高效率柴油机--丰田直列4缸2.8 LESTEC1GD-FTV发动机

为了应对柴油机日益增长的需求,并力求在提高扭矩性能的同时实现节能,开发了1款新型高效率2.8L直列4缸柴油机。该发动机以1种创新的燃烧概念为基础,通过减少冷却损失,使发动机效率得到了提高。通过限制缸内气流及改善燃烧室隔热,减少了冷却损失。为了避免限制气流对排放产生影响,开发了1种能够通过优化缸内燃油分布来提高缸内气体利用率的新燃烧室形状。采用了1种能够根据气体温度改变壁面温度的新型隔热涂层来提高燃烧室的隔热性能,因而减少了冷却损失,并避免了进气加热的协调作用。为了采用这种燃烧概念,并同时提高动力性能,必须着重调整进排气道的高流量特性。通过采用具有独立功能的进气道、优化进气门的直径和布置、以及提高进排气系统的总体效率实现了这种调整。由于优化气道形状需要更大的设计自由度,因此开发了1种具有较高密封性能的新型气缸盖衬垫,这种缸径为92mm的气缸盖衬垫仅采用4个缸盖螺栓。由于整台发动机都贯彻这种燃烧概念,并结合各种减小摩擦的技术,该发动机的CO2排放比原有机型的减少了约15%,最高热效率约达到44%。

采用高强度钢减轻连杆质量

为了提高汽车的燃油经济性,需要进一步减轻零部件的质量。减轻运动件(例如连杆)的质量对于降低相邻运动件的质量尤为重要。采用高强度钢能减小连杆杆身横截面,从而减轻连杆的质量。然而,传统高强度钢的机加工性能很差。因此,开发了1种连杆用的新高强度钢,它以中碳微合金钢为基础,并添加了能够提高屈强比的钒元素。与传统钢相比,新开发的高强度钢的强度提高了10%。采用新高强度钢制造的连杆其质量能减轻8%。这种连杆已从2013年开始进行批量生产,应用于车用发动机。

新型1.5 L涡轮增压汽油直喷发动机的开发

为了实现较好的动力和环保性能,开发了1种小型化1.5L涡轮增压发动机。该发动机旨在替代1.8~2.4L的自然吸气发动机。在小型化涡轮增压发动机中,混合气均匀性对抑制爆燃和减排十分重要。特别是在发动机高负荷运行时,创造快速燃烧和均匀混合气是关键的技术。采用了长行程直喷发动机作为满足这些要求的基本机型,它具有显著的快速燃烧能力和较高的热效率。将长行程与高滚流气道和支持滚流的浅盆形活塞相结合,增强了混合气在气缸内的流动。建立的燃烧系统包含1个能减少爆燃的充钠排气门和1个有利于形成均匀混合气和减少燃油湿壁的多孔(6孔)喷射器。依靠快速燃烧,能够实现很高的缸内压力,因而能提高平均指示有效压力,即使在转速1500r/min全负荷下推迟点火正时的情况下也是如此。双气门正时控制(VTC)有可能为不同的发动机转速和负荷设定最佳的进排气门重叠角和气门正时。VTC与上述燃烧系统相结合实现了220g/(kW·h)^(-1)的最低比油耗和38%的最大热效率。还介绍了发动机的动力输出性能和燃油经济性,以及为达到低排放、减少振动和噪声、实现轻量化和整车性能采用的技术。

乘用车柴油机进气节流低压排气再循环阀的优化开发

与目前广泛使用的高压排气再循环系统(HP EGR)相比,低压排气再循环系统(LP EGR)能使EGR工作区进一步扩大,因此,燃油消耗和排放能得到改善。为了满足欧5排放法规的要求,采用了1种排气节流LP EGR系统。与其他车辆相比,采用该系统开发的欧5车辆具有更大的优点。由于排气节流LP EGR阀是毗邻后处理系统安装的,因而为了能承受热应力,LP EGR阀必须选用不锈钢材料,相应成本也会增加。为了降低欧6车辆使用成本,开发了1种进气节流LP EGR系统,以取代排气节流LP EGR系统。为了采用这种进气节流LP EGR系统,将EGR阀安装在涡轮增压器压气机的前面。在这种情况下,材料选择范围更广(例如可选用铝、钢)。因此,进气节流LP EGR阀能同时实现降低成本和质量。介绍这种LP EGR阀的设计方案,它能保持一定的进气性能、安装及连接稳定性、热稳定性和振动强度。为了确保进气性能,对阀瓣形状的有效性进行了研究。对LP EGR阀合适的安装结构进行了研究。通过这些研究,达到了进气性能、热应力和振动强度的开发目标要求。因此,实现了进气节流LP EGR阀及其安装结构的设计优化。

丰田公司混合动力车用新款直列4缸1.8L ESTEC2ZR-FXE汽油机

第四代Prius车用的发动机沿用了第三代车用2ZR-FXE发动机的基本结构,并采用了各种改进措施来提高燃油效率。被称作ESTEC 2ZR-FXE的新发动机,在降低摩擦的同时,采用了各种提高燃油效率的技术来改善燃烧特性、减少爆燃、优化热管理。由于采用了这种注重细节的方法来提高燃油效率,使得ESTEC 2ZR-FXE发动机成为世界上首款最高热效率达到40%的汽油机。介绍此款发动机采用的提高燃油效率的技术。