FSAE大學(xué)生方程式賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋及配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).doc

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FSAE大學(xué)生方程式賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋及配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 以FSAE大學(xué)生方程式賽車(chē)中最常用的HONDA CBR600-F4i發(fā)動(dòng)機(jī)為例，探討了該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)中缸蓋及配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，并計(jì)算缸蓋總體尺寸，凸輪型線方程式，并校核氣門(mén)彈簧力。氣缸蓋是提高整機(jī)性能的重要結(jié)構(gòu)件之一，是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。氣缸蓋的氣門(mén)排列方式與氣道結(jié)構(gòu)形式影響進(jìn)氣充量和氣流在氣缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，從而影響了燃燒效率，對(duì)整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放都有直接的影響；配氣機(jī)構(gòu)的形式影響充氣系數(shù)和整機(jī)噪聲等；缸蓋燃燒室決定了影響整機(jī)動(dòng)力性能的壓縮比ε，影響HC排放的F/V和對(duì)擠流起決定性作用的擠氣面積以及擠氣間隙，所以燃燒室對(duì)整機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放等都有重要的影響；氣缸蓋是整機(jī)熱負(fù)荷與熱應(yīng)力最大的部件之一，熱負(fù)荷過(guò)高將不利于發(fā)動(dòng)機(jī)壽命以及可靠性的提高。在實(shí)際中要特別防止發(fā)動(dòng)機(jī)的局部過(guò)熱，因而對(duì)缸蓋必須要有充分的冷卻。 關(guān)鍵詞 FSAE；發(fā)動(dòng)機(jī)；缸蓋；氣門(mén) Abstract In this paper, Formula in FSAE college students the most commonly used HONDA CBR600 - F4i engine as an example, discusses the model of Cylinder head and gas distribution agencies, and calculate overall size of cylinder head, equation of CAM contour line, and check valve spring force. Cylinder head is one of the core parts that affect the performance of the engine. It is the the focus of the competition. The disposal of the valves and intake manifold structure not only affect fresh air charge but airflow in the cylinder, which immediately affect combustion efficiency and the performance of dynamic, economic and emission. The structure of the air distributing institution has influence on charging efficiency and the noise of engine. The combustion chamber affects compression scale which has great influence on dynamical performance; F/V which affects the exhaust of HC; Squash area and clearance which have great influence on the intensity of squash. So, combustion chamber has great influence on dynamical performance, economical performance, emission and so on. Cylinder head is one of the highest temperature parts. Higher heat stress will lower the engine’s useful life and security. In practical, it is important to avoid local overheating. To full cool to cylinder head is necessary. Key words: FSAE; Engine; Cylinder head; The valve 30 目 錄 摘要 1 Abstract 1 1 緒論 1 1.1 FSAE大學(xué)生方程式大賽 3 1.1.1 賽事起源 3 1.1.2 賽事簡(jiǎn)介 3 1.1.3 FSAE大賽的意義 4 1.2 論文的研究背景及意義 4 1.3 論文研究的主要內(nèi)容 5 2 發(fā)動(dòng)機(jī) 5 2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程 5 2.2 我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 6 2.3 提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的途徑 8 2.3.1 渦輪增壓技術(shù) 8 2.3.2 燃油直噴技術(shù) 8 2.3.3 分層燃燒技術(shù) 10 2.3.4 連續(xù)可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu) 10 3 氣缸蓋 10 3.1 氣缸蓋的工況及設(shè)計(jì)要求 10 3.2 氣缸蓋的材料 11 3.3 氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式的選擇 11 3.4 進(jìn)排氣道的布置 12 3.5 氣缸蓋螺栓的布置 13 4 氣缸蓋罩 4.1進(jìn)氣門(mén)室罩 4.2排氣門(mén)室罩 4.3蓋板 5 配氣機(jī)構(gòu) 14 5.1 配氣機(jī)構(gòu)的作用及要求 14 5.1.1 配氣機(jī)構(gòu)的功用 14 5.1.2 配氣機(jī)構(gòu)的要求 14 5.2 配氣機(jī)構(gòu)采用的新技術(shù) 14 5.2.1 頂置凸輪軸技術(shù) 14 5.2.2 多氣門(mén)技術(shù) 15 5.2.3 可變氣門(mén)正時(shí)配氣機(jī)構(gòu)(VVA) 15 5.3 總布置設(shè)計(jì) 16 5.3.1 氣門(mén)的布置形式 16 5.3.1.1 氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu) 16 5.3.1.2 凸輪軸的布置形式 16 5.3.1.3 凸輪軸的傳動(dòng)方式 16 5.3.1.4 每缸氣門(mén)數(shù)及其排列方式 16 5.3.1.5 氣門(mén)間隙 17 5.3.2 配氣定時(shí)工作原理 17 6 配氣機(jī)構(gòu)的零件和組件 18 6.1 氣門(mén) 18 6.2 凸輪型線設(shè)計(jì) 20 6.2.1 簡(jiǎn)介 20 6.2.2 緩沖段設(shè)計(jì) 20 6.2.3 工作段設(shè)計(jì) 20 6.3 氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì) 22 6.3.1 氣門(mén)彈簧特性的確定 22 6.3.2 氣門(mén)彈簧基本尺寸的確定 22 6.3.2 彈簧的疲勞強(qiáng)度校核 23 6.3.3 彈簧的振動(dòng)校核 23 參考文獻(xiàn) 24 設(shè)計(jì)總結(jié) 26 致謝 27 附錄1 附錄2 1 緒論 1.1 FSAE大學(xué)生方程式大賽 1.1.1 賽事起源 FSAE方程式（Formula SAE）系列賽源于1978年。第一次比賽于1979年在美國(guó)波斯頓舉行，13支隊(duì)伍中有11支完賽。當(dāng)時(shí)的規(guī)則是制作一臺(tái)5馬力的木制賽車(chē)。SAE方程式（Formula SAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生、研究生團(tuán)隊(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)與制造小型具有越野性能的方程式賽車(chē)的能力。為給車(chē)隊(duì)最大的設(shè)計(jì)彈性和自我表達(dá)創(chuàng)意和想象力的空間，在整車(chē)設(shè)計(jì)方面將會(huì)限制很少。賽前車(chē)隊(duì)通常用8至12個(gè)月組的時(shí)間設(shè)計(jì)、建造、測(cè)試和準(zhǔn)備賽車(chē)。在與來(lái)自世界各地的大學(xué)代表隊(duì)的比較中，賽事給了車(chē)隊(duì)證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術(shù)能力的機(jī)會(huì)。 為了達(dá)到比賽的目的、學(xué)生可以把自己假想設(shè)計(jì)人員。某一制造公司聘請(qǐng)他們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)、制造和論證一輛用來(lái)評(píng)估該公司某一量產(chǎn)項(xiàng)目的原型車(chē)。預(yù)期的銷(xiāo)售市場(chǎng)是周末業(yè)余汽車(chē)比賽。因此，該車(chē)必須在加速，制動(dòng)和操控性能方面表現(xiàn)出色。該車(chē)必須成本低廉、易于維修、可靠性好。此外，考慮到市場(chǎng)銷(xiāo)售的因素，該車(chē)需美觀、舒適，零部件也需要有通用性。制造企業(yè)計(jì)劃每天生產(chǎn)四輛該型車(chē), 并要求原型車(chē)實(shí)際耗資應(yīng)低于2.5萬(wàn)美元（該規(guī)則09年已經(jīng)取消）。設(shè)計(jì)小組受到的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和組裝一輛滿足各種要求的車(chē)。各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將作為競(jìng)賽比較和評(píng)判的內(nèi)容。 1.1.2 賽事簡(jiǎn)介 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽（簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)FSC”）是一項(xiàng)由高等院校汽車(chē)工程或汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車(chē)隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車(chē)制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車(chē)，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。 2010年第一屆中國(guó)FSC由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)、中國(guó)二十所大學(xué)汽車(chē)院系、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的汽車(chē)傳媒集團(tuán)——易車(chē)（BITAUTO）聯(lián)合發(fā)起舉辦。中國(guó)FSC秉持“中國(guó)創(chuàng)造擎動(dòng)未來(lái)”的遠(yuǎn)大理想，立足于中國(guó)汽車(chē)工程教育和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，吸收借鑒其他國(guó)家FSC賽事的成功經(jīng)驗(yàn)，打造一個(gè)新型的培養(yǎng)中國(guó)未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和工程師的交流盛會(huì)，并成為與國(guó)際青年汽車(chē)工程師交流的平臺(tái)。中國(guó)FSC致力于為國(guó)內(nèi)優(yōu)秀汽車(chē)人才的培養(yǎng)和選拔搭建公共平臺(tái)，通過(guò)全方位考核，提高學(xué)生們的設(shè)計(jì)、制造、成本控制、商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)、溝通與協(xié)調(diào)等五方面的綜合能力，全面提升汽車(chē)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，為中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行長(zhǎng)期的人才積蓄，促進(jìn)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)從“制造大國(guó)”向“產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略方向邁進(jìn)。 中國(guó)FSC是一項(xiàng)非盈利的社會(huì)公益性事業(yè)，利在當(dāng)代，功在未來(lái)。項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)和發(fā)展結(jié)合優(yōu)秀高等院校資源、整車(chē)和零部件制造商資源，獲得了政府部門(mén)和社會(huì)各界的大力支持以及品牌企業(yè)的資助。社會(huì)各界對(duì)項(xiàng)目投入的人力支持和資金贊助全部用于賽事組織、賽事推廣和為參賽學(xué)生設(shè)立賽事獎(jiǎng)金。 1.1.3 FSAE大賽的意義 目前，中國(guó)汽車(chē)工業(yè)已處于大國(guó)地位，但還不是強(qiáng)國(guó)。從制造業(yè)大國(guó)邁向產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)已成為中國(guó)汽車(chē)人的首要目標(biāo)，而人才的培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)目標(biāo)的基礎(chǔ)保障之一。大學(xué)生方程式賽車(chē)活動(dòng)將以院校為單位組織學(xué)生參與，賽事組織的目的主要有：一是重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、制造能力、成本控制能力和團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力，使學(xué)生能夠盡快適應(yīng)企業(yè)需求，為企業(yè)挑選優(yōu)秀適用人才提供平臺(tái)；二是通過(guò)活動(dòng)創(chuàng)造學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)氛圍，為 院校間提供交流平臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)科建設(shè)的提升；大賽在提高和檢驗(yàn)汽車(chē)行業(yè)院校學(xué)生的綜合素質(zhì)，為汽車(chē)工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展積蓄人才,增進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研三方的交流與互動(dòng)合作等方面具有十分廣泛的意義。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)于對(duì)汽車(chē)的了解僅限于書(shū)本和個(gè)人駕乘體驗(yàn)的大學(xué)生而言，組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一輛純粹而高性能的賽車(chē)并將它制造出來(lái)，是一段極具挑戰(zhàn)，同時(shí)也受益頗豐的過(guò)程。在天馬行空的幻想、大腦一片空白的開(kāi)始、興奮的初步設(shè)計(jì)、激烈的爭(zhēng)執(zhí)、毫無(wú)方向的采購(gòu)和加工、無(wú)可奈何的妥協(xié)、令人抓狂的一次次返工、絞盡腦汁的解決難題之后，參與者能獲得的不僅僅是CATIA UG ANSYS以及焊接、定位、機(jī)加工技能,更有汽車(chē)工程師的基本素養(yǎng)和豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。與此同時(shí)，管理和運(yùn)營(yíng)整個(gè)團(tuán)隊(duì)讓未來(lái)的企業(yè)管理者接受了一次難度十足的鍛煉。FSAE賽事也給了汽車(chē)廠商發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀人才和創(chuàng)意想法的機(jī)會(huì)。 1.2 論文的研究背景及意義 目前，隨著人們生活水平的提高，汽車(chē)、摩托車(chē)日益成為人們生活當(dāng)中重要交通工具，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需求量是越來(lái)越大，產(chǎn)品質(zhì)量要求是越來(lái)越高。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品與設(shè)備也日益向高速、高效、精密、輕量化和自動(dòng)化方向發(fā)展。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，對(duì)其工作性能的要求也越來(lái)越高，為使產(chǎn)品能夠安全可靠地工作，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須具有良好的靜動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，會(huì)損害操作者的身心健康，污染環(huán)境。因此必須對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，以滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性與低振動(dòng)、低噪聲的要求。這一切都要求工程師在設(shè)計(jì)階段就能精確的預(yù)測(cè)出產(chǎn)品或工程的技術(shù)性能，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度以及溫度場(chǎng)等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。為了在工程應(yīng)用中節(jié)約成本、提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，很多廠家已經(jīng)把前期的軟件模擬作為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成敗的一個(gè)關(guān)鍵步驟。 發(fā)動(dòng)機(jī)在車(chē)輛中是動(dòng)力部件，其性能直接影響車(chē)輛在使用中的工作狀況和可靠性。發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展向著大功率輕重量的方向發(fā)展，使得其剛度不斷減少，從而加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲，這類(lèi)振動(dòng)將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與分析，把動(dòng)態(tài)特性作為設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。 氣缸蓋是燃燒室的組成部分，燃燒室的形狀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作影響很大，由于汽油機(jī)和柴油機(jī)的燃燒方式不同，其氣缸蓋上組成燃燒室的部分差別較大。汽油機(jī)的燃燒室主要在氣缸蓋上，而柴油機(jī)的燃燒室主要在活塞頂部的凹坑。氣缸蓋的作用是密封氣缸套并與活塞共同形成燃燒室空間，結(jié)構(gòu)及形狀復(fù)雜，除須承受高溫、高壓燃?xì)獾淖饔猛?，還須承受很大的螺栓預(yù)緊力。氣缸蓋各部分的溫度分布很不均勻，如底面燃燒室部分溫度很高，而冷卻水套部分的溫度較低，進(jìn)、排氣道溫度相差也很大。因此，氣缸蓋承受的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力都很大。此外，其結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，鑄造殘余應(yīng)力大，是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)難度最大的零件之一。要把氣缸蓋布置得既緊湊又合理，既要能組織有效的冷卻水流，又避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，是非常重要的。壓縮比、進(jìn)氣量、進(jìn)氣溫度、燃油霧化質(zhì)量、進(jìn)排氣系統(tǒng)的構(gòu)造、燃燒室積碳情況、配氣相位、活塞與氣缸的配合間隙、發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)與排量等，這些都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，而這些參數(shù)都與發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋的結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，所以為增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性必須注重氣缸蓋的設(shè)計(jì)。 配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)，經(jīng)常處在高溫、高壓下工作，因此氣門(mén)機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)最容易發(fā)生故障的零部件之一。而配氣機(jī)構(gòu)性能的好壞, 直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性, 并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲與振動(dòng)產(chǎn)生直接影響。 而配氣機(jī)構(gòu)的主要零件氣門(mén)既是燃燒室的組成部分，又是氣體進(jìn)、出燃燒室的通道，工作時(shí)需承受很高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，尤其是排氣門(mén)，由于經(jīng)常受到高溫燃?xì)獾臎_刷，從而更加容易產(chǎn)生漏氣、腐蝕與燒損等現(xiàn)象，工作條件也就更為嚴(yán)酷。其后果將影響氣缸內(nèi)的換氣質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和可靠性。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)特別是氣門(mén)進(jìn)行深入研究是非常有必要的。 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高, 氣缸蓋和配氣機(jī)構(gòu)已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要而且困難的環(huán)節(jié)。這不只是由于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的急劇增長(zhǎng), 使機(jī)構(gòu)零件慣性力和振動(dòng)迅速提高,而且還由于內(nèi)燃機(jī)平均有效壓力的增加。因此氣缸蓋及配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究已經(jīng)成為研究小型高速內(nèi)燃機(jī)的重要課題。此外隨著發(fā)動(dòng)機(jī)低排放、高速化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其性能指標(biāo)要求越來(lái)越高，要求其在高速運(yùn)行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠地工作，因此對(duì)氣缸蓋和配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。 1.3 論文研究的主要內(nèi)容 （1）根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，做詳細(xì)的調(diào)研，并在此基礎(chǔ)上確定合理的方案。 （2）設(shè)計(jì)合理的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案。 （3）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的參數(shù)計(jì)算。 （4）繪制零件圖。 （5）編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 在發(fā)動(dòng)機(jī)方面，我綜合了賽道的條件和比賽要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的氣缸蓋、配氣機(jī)構(gòu)等部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2 發(fā)動(dòng)機(jī) 2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程 18世紀(jì)中葉，瓦特發(fā)明了蒸氣機(jī)，此后人們開(kāi)始設(shè)想把蒸汽機(jī)裝到車(chē)子上載人。法國(guó)的居紐（N.J.Cugnot）是第一個(gè)將蒸汽機(jī)裝到車(chē)子上的人。1770年，居紐制作了一輛三輪蒸汽機(jī)車(chē)。這輛車(chē)全長(zhǎng)7.23米，時(shí)速為3.5公里,是世界上第一輛蒸汽機(jī)車(chē)。 　　1858年，定居在法國(guó)巴黎的里諾發(fā)明了煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1860年申請(qǐng)了專(zhuān)利。發(fā)動(dòng)機(jī)用煤氣和空氣的混合氣體取代往復(fù)式蒸汽機(jī)的蒸汽，使用電池和感應(yīng)線圈產(chǎn)生電火花，用電火花將混合氣點(diǎn)燃爆發(fā)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)有氣缸、活塞、連桿、飛輪等。煤氣機(jī)是內(nèi)燃機(jī)的初級(jí)產(chǎn)品，因?yàn)槊簹獍l(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為零. 　　1867年，德國(guó)人奧托（Nicolaus August Otto）受里諾研制煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)的啟發(fā)，對(duì)煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量的研究，制作了一臺(tái)臥式氣壓煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)，后經(jīng)過(guò)改進(jìn)，于1878年在法國(guó)舉辦的國(guó)際展覽會(huì)上展出了他制作的樣品。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率高，引起了參觀者極大的興趣。在長(zhǎng)期的研究過(guò)程中，奧托提出了內(nèi)燃機(jī)的四沖程理論，為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)。德國(guó)人奧姆勒和卡爾·本茨根據(jù)奧托發(fā)動(dòng)機(jī)的原理，各自研制出具有現(xiàn)代意義的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，為汽車(chē)的發(fā)展鋪平了道路。 　　1892年，德國(guó)工程師狄塞爾根據(jù)定壓熱功循環(huán)原理，研制出壓燃式柴油機(jī)，并取得了制造這種發(fā)動(dòng)機(jī)的專(zhuān)利權(quán)。 　　1957年，德國(guó)人汪克爾發(fā)明了轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，這是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是利用內(nèi)轉(zhuǎn)子圓外旋輪線和外轉(zhuǎn)子圓內(nèi)旋輪線相結(jié)合的機(jī)構(gòu)，無(wú)曲軸連桿和配氣機(jī)構(gòu)，可將三角活塞運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它的零件數(shù)比往復(fù)活塞式汽油少40%，質(zhì)量輕、體積小、轉(zhuǎn)速高、功率大。1958年汪克爾將外轉(zhuǎn)子改為固定轉(zhuǎn)子為行星運(yùn)動(dòng)，制成功率為22.79千瓦、轉(zhuǎn)速為5500轉(zhuǎn)/分的新型旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)具有重要的開(kāi)發(fā)價(jià)值，因而引起各國(guó)的重視。日本東洋公司（馬自達(dá)公司）買(mǎi)下了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的樣機(jī)，并把轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)裝在汽車(chē)上，可以說(shuō)，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)生在德國(guó)，長(zhǎng)在日本。 2.2 我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 首先回顧一下中國(guó)新能源汽車(chē)的發(fā)展道路。中國(guó)新能源汽車(chē)基本上從八五時(shí)期，90年代初期，我們國(guó)家有了國(guó)家的投入開(kāi)始正式在做，當(dāng)年就是國(guó)家紀(jì)委立項(xiàng)，拿到850萬(wàn)塊錢(qián)，當(dāng)時(shí)委托清華在做，當(dāng)時(shí)在做純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)；在九五期間，國(guó)家投入的主體從當(dāng)時(shí)的紀(jì)委變成了科技部，當(dāng)時(shí)還是科委，大體上有兩千萬(wàn)左右的投入去做示范運(yùn)行，當(dāng)時(shí)實(shí)際上在當(dāng)時(shí)技術(shù)不是很成熟的情況下，就已經(jīng)去做示范運(yùn)行；當(dāng)然我們國(guó)家新能源汽車(chē)比較大規(guī)模的啟動(dòng)還是從十五初期，現(xiàn)在我們科技部長(zhǎng)萬(wàn)鋼先生，當(dāng)時(shí)還是同濟(jì)大學(xué)的校長(zhǎng)，他倡導(dǎo)的做新能源汽車(chē)，當(dāng)時(shí)把新能源汽車(chē)從幾個(gè)技術(shù)分成三縱三橫，三縱就是作為純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)，燃料電池汽車(chē)；三橫：電池、電機(jī)、整車(chē)控制技術(shù)，這樣來(lái)進(jìn)行了發(fā)展。并且提高到國(guó)家能源安全這樣一個(gè)比較重要的角度來(lái)做這個(gè)事情，當(dāng)然在十一五，當(dāng)然十五就已經(jīng)把這個(gè)投入，我們國(guó)家投資發(fā)展到十億以上，十一五試圖把十五成果更加實(shí)用化，大型的投資提高了20億左右。 從后兩個(gè)五年計(jì)劃比較大的投入，產(chǎn)生的結(jié)果來(lái)看。因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)提的是，我們和國(guó)外站在同一起跑線上，但是經(jīng)過(guò)十年左右的發(fā)展，我們已經(jīng)全面地落后，就是從整體技術(shù)上來(lái)講，方方面面都與國(guó)外有了更大的差距，無(wú)論是在電池還是在做電機(jī)以及整車(chē)技術(shù)上，這個(gè)當(dāng)然是現(xiàn)實(shí)，不是誰(shuí)說(shuō)，我跟人家同步或者什么，這個(gè)基本上是趨勢(shì)，我們國(guó)家推出“十城千輛”，政府有了補(bǔ)貼，這樣拿單子的基本上是國(guó)外的，你的電機(jī)、電池、整車(chē)控制器，自己的產(chǎn)品基本上拿不出來(lái)，基本上還是用國(guó)外的這些方案。實(shí)際上我們需要反思，這十年來(lái)，這新能源發(fā)展的路，走得對(duì)還是不對(duì)，從大的方向上來(lái)講，你是不是找到了這個(gè)新能源汽車(chē)的關(guān)鍵？這個(gè)需要我們進(jìn)行反思的。 第二，談一談我們國(guó)家在新能源汽車(chē)方面技術(shù)的進(jìn)展，當(dāng)然從三縱三橫來(lái)談一談，首先電機(jī)，當(dāng)然電機(jī)確實(shí)技術(shù)上還是有了非常大的進(jìn)步，但是總體體現(xiàn)是投入不足，到現(xiàn)在為止，還沒(méi)有形成一個(gè)能夠提供在汽車(chē)上可以用的電機(jī)產(chǎn)品，現(xiàn)在還是一個(gè)樣機(jī)的階段，一個(gè)做個(gè)十臺(tái)八臺(tái)，沒(méi)有上百臺(tái)的電機(jī)的出現(xiàn)，因此電機(jī)主要的差距一個(gè)是效益方面，我們電機(jī)效率基本上無(wú)論是充電還是發(fā)電效率跟國(guó)外差十個(gè)百分點(diǎn)左右。 另外，就是它的壽命和可靠性，這些還有比較大的差距，第二個(gè)橫向的技術(shù)就是電池了，電池也是一樣的，到目前為止，說(shuō)的廠家一些資金投入有一些了，現(xiàn)狀還是拿不出，這個(gè)能夠產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品出來(lái)，因?yàn)楹芏嗥髽I(yè)從宣傳來(lái)講，它都說(shuō)他的電池研發(fā)怎么樣，但是實(shí)際上還是拿不出實(shí)際的東西來(lái)，這個(gè)電池差距主要體現(xiàn)幾個(gè)方面，充、放電的效力，你的充電效率和放電效率跟人家有很大的差距，第二就是一致性，你充多少，有的好，有的沒(méi)有，這個(gè)一致性還是有很大的差異，其他[綜述 圖片]的由于一致性導(dǎo)致的差異的可靠性或者性能優(yōu)一定的差距的。 整車(chē)控制器來(lái)講，我們國(guó)家跟國(guó)外差距小一些，整車(chē)的控制器差距小一些，基本上由于電池、電機(jī)的制約，當(dāng)然使得整車(chē)集成方面存在著非常大的障礙，這個(gè)還是現(xiàn)狀，另外一個(gè)在動(dòng)力和自動(dòng)變速這兩個(gè)方面，我們國(guó)家變速這一塊跟國(guó)外有很大的差距，新能源汽車(chē)，如果還是手動(dòng)擋，這個(gè)是不可行的，現(xiàn)在我們有一些混合動(dòng)力汽車(chē)是手動(dòng)擋，混合動(dòng)力汽車(chē)有混合驅(qū)動(dòng)模式，還有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，還有兩個(gè)一起驅(qū)動(dòng)模式，一個(gè)人靠手動(dòng)擋怎么適應(yīng)這樣一個(gè)，你的驅(qū)動(dòng)模式是自動(dòng)變化的，而你的換擋還要手動(dòng)，這個(gè)根本就是不可能實(shí)現(xiàn)的，所以必須要有自動(dòng)變速的重力耦合器，才能實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)技術(shù)。 另外三縱，混合動(dòng)力汽車(chē)，從現(xiàn)在來(lái)講，實(shí)際上我們過(guò)去都開(kāi)發(fā)了一些混合動(dòng)力汽車(chē)，并且很多混合動(dòng)力汽車(chē)得到了國(guó)家的獎(jiǎng)勵(lì)，但是實(shí)際上拿出來(lái)用得時(shí)候，基本還都是不可用的，基本上是一些驗(yàn)收工程的東西，這樣相對(duì)來(lái)說(shuō)比較多，這樣純電動(dòng)汽車(chē)，由于技術(shù)門(mén)檻比較低，純電動(dòng)汽車(chē)在這些里面技術(shù)門(mén)檻比較低的車(chē)，這些有一些應(yīng)用，但是由于他成本問(wèn)題，一次購(gòu)車(chē)的成本以及它的應(yīng)用的成本，是一個(gè)區(qū)域內(nèi)應(yīng)用的設(shè)備，主要是局限在區(qū)域用的車(chē)，不可能是一個(gè)大范圍的用車(chē)。 當(dāng)然燃料電池的車(chē)子，我們國(guó)家從燃料電池的汽車(chē)，也可能和國(guó)際上差距最小的品種，從燃料電池來(lái)講也是跟國(guó)際上差距最小的，當(dāng)然這個(gè)燃料電池汽車(chē)，我自己感覺(jué)也是最不實(shí)用的，由于他的成本的問(wèn)題，是現(xiàn)有汽車(chē)的幾十倍的成本，由于應(yīng)用受到限制，從國(guó)外來(lái)講也沒(méi)花很大的力氣在做這個(gè)事情。 從新能源汽車(chē)的前景來(lái)講，我覺(jué)得今后的道路非常艱辛，絕不是一帆風(fēng)順的就走得通的，也不是國(guó)家拿點(diǎn)財(cái)政，給點(diǎn)補(bǔ)貼，或者說(shuō)刺激你有一定的規(guī)模就能解決的問(wèn)題，我自己的感覺(jué)就是新能源汽車(chē)假如采用目前的方案，混合動(dòng)力、純動(dòng)力、燃料電池新材料來(lái)講，新的資源來(lái)講，假如說(shuō)沒(méi)有突破的話，現(xiàn)在新能源汽車(chē)是不可能普及應(yīng)用的。 因?yàn)樾履茉雌?chē)的目標(biāo)當(dāng)然從我們國(guó)家來(lái)講，從世界來(lái)講，首先是能源安全，很可能現(xiàn)在是放在第一位的，然后很可能才是節(jié)能，才是它的低碳，才是環(huán)保等等。 由于能源的安全，很高的成本是可能需要要做的事情，但是由于受資源的限制，因?yàn)槟愎?jié)能，節(jié)省了很多能源的資源，但是新能源汽車(chē)消耗的材料都是地球上稀缺的材料。比如說(shuō)做電機(jī)的，你的銅的材料，前一些日子智利發(fā)生地震，銅發(fā)生一些反彈，智利銅影響不是很大，智利地震的時(shí)候，他現(xiàn)在是世界上85%的銅礦在他們那里，而它的儲(chǔ)量只有兩億噸，全球目前的儲(chǔ)量不超過(guò)三億噸，銅的銷(xiāo)量我們國(guó)家去年一年是800萬(wàn)噸，銅金礦的儲(chǔ)量200萬(wàn)噸左右，另外200萬(wàn)可能是回收銅產(chǎn)生的，但是如果做新能源汽車(chē)都是新增的銅的消耗，必須采用礦山銅用的，不是回收銅的，很可能冶煉了以后可能還要用到那個(gè)行業(yè)，新增的只有那么多儲(chǔ)量，不可能保持普及或者增長(zhǎng)，你做導(dǎo)向必須要有新的東西出來(lái)，沒(méi)有新的替代銅的材料出來(lái)，新能源汽車(chē)量非常小，這個(gè)矛盾是不突出的，你等到量增大了，你的矛盾就會(huì)非常突出，現(xiàn)在有的銅的儲(chǔ)量不足以支撐新能源汽車(chē)一個(gè)品種新增的一些量。 另外，你的有色材料，制造電機(jī)的有色材料也是稀缺有色材料，地球上資源并不多，真正這個(gè)電機(jī)都拿它做他的材料，以后他會(huì)受到很大的制約。 今后，假如說(shuō)新能源汽車(chē)不能在制造新能源汽車(chē)的資源方面有突破的話，它的前景并不樂(lè)觀，所以我在這里所說(shuō)的描繪了一個(gè)相對(duì)來(lái)講并不是很光明的前景，但是為了能源的安全，你必須要走這條路，因此這個(gè)路將會(huì)是非常艱辛的。 2.3 提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的途徑 2.3.1 渦輪增壓技術(shù) 其實(shí)簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是其利用發(fā)動(dòng)機(jī)排放的尾氣來(lái)驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，以此增大氣缸單位時(shí)間的進(jìn)氣流量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時(shí)候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)過(guò)增壓之后能夠產(chǎn)生更大的功率。就拿我們最常見(jiàn)的1.8T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)增壓之后，動(dòng)力可以達(dá)到2.4L發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，但是耗油量卻比1.8發(fā)動(dòng)機(jī)并不高多少，在另外一個(gè)層面上來(lái)說(shuō)就是提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放。 不過(guò)也有它的缺點(diǎn)，其中最大的就是動(dòng)力輸出的滯后性，現(xiàn)在全世界很多國(guó)家的汽車(chē)制造商都熱衷于這項(xiàng)技術(shù)，并在不斷研發(fā)與改進(jìn)，以前在中國(guó)幾乎這就是一個(gè)盲區(qū)，隨著近幾年自主品牌的快速發(fā)展，像奇瑞和吉利等的這種技術(shù)也很快就會(huì)出現(xiàn)在量產(chǎn)的車(chē)型當(dāng)中。 2.3.2 燃油直噴技術(shù) 就像是從化油器到電噴一樣，直噴技術(shù)又是發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)的一大改革，N多年后一樣會(huì)像電噴代替化油器那樣取代了電噴普及在所有的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上。 在構(gòu)造上，傳統(tǒng)多點(diǎn)噴射系統(tǒng)的噴油嘴是位于進(jìn)氣歧管前方，在引擎需要供油時(shí)，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出最佳的供油量并與進(jìn)入引擎的空氣混合后，經(jīng)由進(jìn)氣閥門(mén)到達(dá)汽缸內(nèi)部，并進(jìn)行壓縮、爆炸等動(dòng)作。至于缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，則是將噴油嘴置于汽缸內(nèi)部，其特色在于引擎燃油的取得不需要經(jīng)過(guò)氣門(mén)的開(kāi)啟，而能夠藉由計(jì)算機(jī)主動(dòng)控制噴油時(shí)間、壓力與噴射量。與傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)相較，缸內(nèi)直噴不受限于傳統(tǒng)機(jī)械構(gòu)造的進(jìn)氣方式，而且能夠依照引擎所需隨時(shí)調(diào)整空燃比例等特點(diǎn)，均使其表現(xiàn)擁有無(wú)限的想象空間。 圖1 燃油直噴系統(tǒng) 眾所皆知，內(nèi)燃機(jī)在一般工作狀態(tài)中所需的理想油氣比例為1：14.7，這種調(diào)配是傳統(tǒng)化油器的專(zhuān)長(zhǎng)，不論天候、溫度，永遠(yuǎn)進(jìn)行著一成不變的工作。然而在少數(shù)狀態(tài)下如冷車(chē)啟動(dòng)、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)、急加速或低氣壓環(huán)境等，這樣固定的供油方式實(shí)際上并無(wú)法全面滿足引擎的運(yùn)轉(zhuǎn)需求，甚至可能因而產(chǎn)生黑煙、燃燒不全與馬力不足等狀況。至于噴射供油系統(tǒng)，則相對(duì)顯得智能許多，其中樞系統(tǒng)會(huì)隨時(shí)偵測(cè)引擎溫度、進(jìn)氣流量、轉(zhuǎn)速變化、震動(dòng)狀況，并依照實(shí)際需求調(diào)整供油量與點(diǎn)火時(shí)間，因此在動(dòng)力輸出、燃油經(jīng)濟(jì)與排污表現(xiàn)上可以取得相當(dāng)不錯(cuò)的平衡。 但是由于引擎構(gòu)造的先天限制，噴射引擎所吸進(jìn)油氣的時(shí)間只有在氣門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)下才能進(jìn)行，故行車(chē)計(jì)算機(jī)所能控制的因子其實(shí)也相當(dāng)有限。直到缸內(nèi)直噴系統(tǒng)問(wèn)世后將噴油嘴內(nèi)移到汽缸內(nèi)部后，才開(kāi)啟了全新的視野，其能直接由計(jì)算機(jī)主動(dòng)決定噴油時(shí)機(jī)與份量，至于氣門(mén)則僅看管“純空氣”的進(jìn)入時(shí)程，兩者則是在進(jìn)入到汽缸內(nèi)才進(jìn)行混合的動(dòng)作。 也由于油、氣的混合空間、時(shí)間都相當(dāng)短暫，故缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的噴油嘴必須輔以高增壓系統(tǒng)，以大幅提高燃油的噴射壓力與效率，并達(dá)到高度霧化的效果，期有更佳的混合表現(xiàn)。此外，缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的燃燒室、活塞也大多具有特殊的導(dǎo)流槽，以供油氣在進(jìn)入燃燒室后能夠產(chǎn)生氣旋渦流，藉以提高混合油氣的霧化效果與燃燒效率。 在構(gòu)造改變之后，供油動(dòng)作已完全獨(dú)立于進(jìn)門(mén)與活塞系統(tǒng)之外，中央計(jì)算機(jī)也因而擁有更多的主導(dǎo)權(quán)。于是乎，超乎傳統(tǒng)噴射理論的稀薄燃燒與更多元的混合比便得以發(fā)生。 在穩(wěn)定行進(jìn)或低負(fù)載狀態(tài)下，采用缸內(nèi)直噴設(shè)計(jì)的引擎得以進(jìn)入U(xiǎn)ltra lean(精實(shí))模式。在此設(shè)定下，引擎于進(jìn)氣行程時(shí)只能吸進(jìn)空氣，至于噴油嘴則在壓縮行程才供給燃料，以達(dá)到節(jié)約效果。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，其最高能達(dá)到1：65的油、氣比例，除了節(jié)能表現(xiàn)相當(dāng)驚人，整體動(dòng)力曲線也能夠維持在相當(dāng)高的平順程度。然而本模式由于會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大量的NOx(硫化物)與高溫氣體，所幸在近期由于技術(shù)與材料科學(xué)的突破，故也已得到相當(dāng)程度的解決。 3.2升的奧迪A6L的百公里油耗僅為11升。這要?dú)w功于FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)直噴技術(shù)。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，最大的亮點(diǎn)在于發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性提高了15%。奧迪FSI增加了火花塞點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和輸出，與常規(guī)的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，F(xiàn)SI可將燃油直接噴入燃燒室，從而增大了輸出功率并降低了燃油消耗。 2.3.3 分層燃燒技術(shù) 在這里舉例大眾的FSI發(fā)動(dòng)機(jī) 大眾FSI發(fā)動(dòng)機(jī)利用一個(gè)高壓泵，使汽油通過(guò)一個(gè)分流軌道（共軌）到達(dá)電磁控制的高壓噴射氣門(mén)。它的特點(diǎn)是在進(jìn)氣道中已經(jīng)產(chǎn)生可變渦流，使進(jìn)氣流形成最佳的渦流形態(tài)進(jìn)入燃燒室內(nèi)，以分層填充的方式推動(dòng)，使混合氣體集中在位于燃燒室中央的火花塞周?chē)?。如果稀燃技術(shù)的混合比達(dá)到25：1以上，按照常規(guī)是無(wú)法點(diǎn)燃的，因此必須采用由濃至稀的分層燃燒方式。通過(guò)缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)在火花塞周?chē)纬梢子邳c(diǎn)火的濃混合氣，混合比達(dá)到12：1左右，外層逐漸稀薄。濃混合氣點(diǎn)燃后，燃燒迅速波及外層。 FSI特點(diǎn)是：能夠降低泵吸損失，在低負(fù)荷時(shí)確保低油耗，但需要增加特殊催化轉(zhuǎn)換器以有效凈化處理排放氣體。 現(xiàn)在集結(jié)了上述技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)很少，但值得一提的就是大眾的TSI發(fā)動(dòng)機(jī)，不光擁有上述技術(shù)還有機(jī)械增壓，其實(shí)就是雙增壓了，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力更加強(qiáng)勁，可謂是非常先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)了。 要想提高汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性不光只對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，也有其他途徑，想想除了發(fā)動(dòng)機(jī)外另一個(gè)主要部件就是變速器了。 2.3.4 連續(xù)可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu) 就拿已經(jīng)相當(dāng)成熟的本田的VTEC技術(shù)為例吧，VTEC是本田開(kāi)發(fā)的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，也是世界上第一個(gè)能同時(shí)控制氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)間及升程兩種不同情況的氣門(mén)控制系統(tǒng)。VTEC（Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System）的意思“可變氣門(mén)配氣相位和氣門(mén)升程電子控制系統(tǒng)”。與普通發(fā)動(dòng)機(jī)相比，VTEC發(fā)動(dòng)機(jī)所不同的是凸輪與搖臂的數(shù)目及控制方法，它有中低速用和高速用兩組不同的氣門(mén)驅(qū)動(dòng)凸輪，并可通過(guò)電子控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換。通過(guò)VTEC系統(tǒng)裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)行駛工況自動(dòng)改變氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間和提升程度，即改變進(jìn)氣量和排氣量，從而達(dá)到增大功率、降低油耗及減少污染的目的。 目前本田車(chē)型都使用i-VTEC(智能可變氣門(mén)配氣相位和氣門(mén)升程電子控制系統(tǒng))，i-VTEC技術(shù)作為本田公司VTEC技術(shù)的升級(jí)技術(shù)，其不僅完全保留了VTEC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而且加入了當(dāng)今世界流行的智能化控制理念。 3 氣缸蓋 3.1 氣缸蓋的工況及設(shè)計(jì)要求 氣缸蓋的作用是密封氣缸，并與活塞共同形成燃燒空間，并承受高溫高壓燃?xì)獾淖饔?。為了保證缸蓋與氣缸套之間的密封，缸蓋還要受到很大的螺栓預(yù)緊力(一般為爆—發(fā)壓—力的3—4倍)；氣缸蓋各部分溫度很不均勻，如缸蓋底面燃燒室部分(稱(chēng)為火力面)溫度最高，而冷卻水套部分溫度較低，進(jìn)氣道和排氣道溫度也不相同，因此，氣缸蓋的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力很大。實(shí)踐表明，“鼻梁區(qū)”(氣門(mén)座孔和噴油器孔之間的地區(qū))所產(chǎn)生的裂紋，大多數(shù)由于熱疲勞造成。再加上氣缸蓋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造殘余應(yīng)力也很大。因此，氣缸蓋應(yīng)當(dāng)滿足下列要求： 1)氣缸蓋應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，：[作時(shí)缸蓋變形最小并保證與氣缸的接合面和氣門(mén)座的接合面有良好的密封。缸蓋變形過(guò)大會(huì)加速氣門(mén)座磨損、氣門(mén)桿咬死和氣缸密封遭到破壞，造成嚴(yán)重漏氣，漏水和漏油，使內(nèi)燃機(jī)無(wú)法工作。 2)要根據(jù)混合氣形成和燃燒方式布置出合理的燃燒室形式，氣門(mén)和氣道布置合理，力求使內(nèi)燃機(jī)性能良好。 3)結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單、鑄造工藝良好；力求避免氣門(mén)座之間形成裂紋。 3.2 氣缸蓋的材料 根據(jù)工作條件，氣缸蓋應(yīng)該用抗熱疲勞性能好的材料鑄造。材料的導(dǎo)熱性愈好，膨脹系數(shù)愈小，高溫疲勞強(qiáng)度愈高，愈能承受熱負(fù)荷的反復(fù)作用。氣缸蓋中熱應(yīng)力很大。當(dāng)變形受到限制時(shí)，各種材料中產(chǎn)生熱應(yīng)力的大小可以用熱應(yīng)力特性數(shù) (αE/λ)表示，其中α為材料的線膨脹系數(shù)，E為彈性模數(shù)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。為了比較材料的熱強(qiáng)度，用材料的拉伸極限強(qiáng)度與(αE/λ)相比而得到熱強(qiáng)度系數(shù)。特性數(shù)愈小，熱應(yīng)力愈小，熱強(qiáng)度系數(shù)愈大，熱強(qiáng)度也愈大。目前有鑄鐵、鋁合金和鋼三種材料的氣缸蓋。當(dāng)溫度低于250度時(shí)，鋁合金具有相當(dāng)高的熱強(qiáng)度，當(dāng)溫度在300度左右時(shí)，鑄鐵、鋁合金和和鋼的熱強(qiáng)度系數(shù)差不多。當(dāng)溫度高于300度時(shí)，鑄鐵和鋼的熱強(qiáng)度比較好。當(dāng)溫度達(dá)到400度時(shí)，鑄鐵的熱強(qiáng)度也迅速下降。里卡圖公司認(rèn)為：鑄鐵氣缸蓋的工作溫度不應(yīng)超過(guò)375—400度，鋁合金氣缸蓋的工作溫度不應(yīng)超過(guò)220度。否則，鑄鐵氣缸蓋的“鼻梁區(qū)”由于熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)力而在高溫下發(fā)生塑性變形，但在冷態(tài)時(shí)又因冷縮受到拉伸，這樣熱脹冷縮交變作用，由于熱疲勞而發(fā)生裂紋。鋁合金氣缸蓋由于高溫而使強(qiáng)度迅速下降。所以，要采取有效冷卻措施，使“鼻梁區(qū)”溫度不要超過(guò)上述數(shù)值。 3.3 氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式的選擇 水冷內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋有整體式、分塊式和單體式三種。當(dāng)缸徑D＜105毫米時(shí)，一般多用整體式氣缸蓋，它的零件數(shù)少，結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本較低。如果選用單體式氣缸蓋在結(jié)構(gòu)上就比較困難，因?yàn)楦鞑糠直诤衽c泥芯截面尺寸受到造型和澆鑄條件的限制而不能按缸徑比例縮小，這樣就不能在保證有適當(dāng)?shù)谋诤窈湍嘈境叽绲臈l件下得到既有足夠的氣道面積又有先進(jìn)的氣缸中心距。當(dāng)D＞140毫米時(shí)，一般都用單體式(一缸一蓋)氣缸蓋。這樣可以使鑄造廢品下降，尤其可以供給同一系列而缸數(shù)不同的內(nèi)燃機(jī)通用，便于組織系列化的批量生產(chǎn)，降低制造成本，且使維修方便。當(dāng)125＜D＜140毫米時(shí)，采用單體、整體和分塊(每?jī)筛谆蛉滓簧w)或者兼而有之，視各廠傳統(tǒng)習(xí)慣和其它條件而定。D＝105毫米左右是采用分塊式氣缸蓋的下限值；D＝125毫米左右是采用單體式氣缸蓋的下限值。但在產(chǎn)品品種比較單一且產(chǎn)量很大時(shí)， 由于鑄造技術(shù)設(shè)備比較完善，加工生產(chǎn)線負(fù)荷率較高，即使缸徑較大，還是以整體式氣缸蓋比較經(jīng)濟(jì)。整體式氣缸蓋結(jié)構(gòu)如下圖所示。具體尺寸參見(jiàn)圖紙。 圖2 整體式氣缸蓋結(jié)構(gòu) 3.4 進(jìn)排氣道的布置 進(jìn)排氣道的設(shè)計(jì)對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能有很大的影響，進(jìn)氣道影響進(jìn)氣阻力和充氣效率，排氣道影響排氣阻力和廢氣能量的利用(如廢氣渦輪增壓)。在汽油機(jī)中，采用將進(jìn)排氣道布置在氣缸兩側(cè)的方案，但這時(shí)也要從排氣通道中引出一部分廢氣預(yù)熱進(jìn)氣管。為了保證內(nèi)燃機(jī)有盡可能高的充氣系數(shù)，進(jìn)排氣通道應(yīng)當(dāng)有足夠大的面積，氣道斷面要避免突變，最好由氣道口起向進(jìn)氣道的進(jìn)口和排氣道的出口通道面積分別均勻增大20％左右，同時(shí)鑄出的氣道表面要盡量光滑。因此，要選取若干進(jìn)排氣通道截面，繪制圖形，計(jì)算通過(guò)面積。如下圖所示。 圖3 進(jìn)排氣道的布置圖 3.5 氣缸蓋螺栓的布置 氣缸蓋螺栓是氣缸蓋與氣缸體之間的聯(lián)接件，它的位置和數(shù)量對(duì)于氣缸蓋和氣缸體的受明蹲汽缸蓋與機(jī)體之間接合面密封的可靠程度、以及氣缸套的變形大小都有很大的影響。 螺栓數(shù)目要足夠，以保證壓緊均勻，減小局部交形，密封可靠。增加螺栓數(shù)目，每個(gè)甥校直徑可以相應(yīng)減小，相對(duì)于氣缸蓋的柔性變大，故能減小螺栓上載荷的交變分量，因而相應(yīng)地可降低預(yù)緊力，同時(shí)兩螺栓問(wèn)的距離減小，對(duì)氣缸墊片的壓緊力更加均勻，減少了沖墊漏氣的可能性。但是，螺栓的布置又受到氣道、推桿孔、水孔和氣缸中心距等具體結(jié)構(gòu)的限制，所以螺栓數(shù)目也不能隨意增多。頂置氣門(mén)汽油機(jī)，每缸4個(gè)螺栓一般就夠了，有時(shí)也用5個(gè)螺栓。高速柴油機(jī)由于氣壓力高，一般每缸要5—8個(gè)螺栓。 螺栓的布置應(yīng)盡量相對(duì)于氣缸中心線均勻分布，否則可能由于氣缸受力不均引起局部變形，各螺栓、中心連線最好沿氣缸周邊切線布置，以增加密封能力；各螺栓所分?jǐn)偟膲壕o面積要基本相同，以保證壓力均勻。當(dāng)每缸用4個(gè)螺栓時(shí)，氣缸蓋螺栓的布置最方便。 氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力要足夠，以保證必要的密封壓力，防止長(zhǎng)期工作后發(fā)生松弛。但預(yù)緊力過(guò)大會(huì)使機(jī)體、氣缸蓋過(guò)度變形，反而損壞密封。經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)每缸周?chē)新菟ǖ目傤A(yù)緊力等于作用在一缸氣缸蓋上最大氣壓力的3倍以上時(shí)，密封的可靠性才能得到較好的保證。氣缸蓋螺栓受力很大，一般都用優(yōu)質(zhì)中碳鋼．45或合金鋼40Cr。等制造，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。螺栓的尺寸對(duì)汽油機(jī)為Ml 2—14，對(duì)應(yīng)項(xiàng)緊力矩為80—150牛頓·米。 在裝配發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊氣缸蓋螺栓時(shí)，為避免氣缸蓋襯墊和氣缸蓋局部變形，引起壓力不均勻，必須依次由氣缸蓋的中央向四周對(duì)角地逐漸擰緊。如預(yù)緊扭矩在50牛頓·米以下，可分兩次擰緊，50—100分三次，100—160分3—4次，160—250分4—5次擰緊。如有可能，最好在暖車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)后再擰緊一次。如已松弛，則再擰緊到規(guī)定扭矩值，如未松弛，則不宜再增大扭矩。 4 氣缸蓋罩 4.1氣缸蓋罩的功能 雖然某些氣缸蓋罩獨(dú)具特色, 但所有氣缸蓋罩都有一些通用功能。第一個(gè)且最基本的功能是遮蓋并密封氣缸蓋, 將機(jī)油保持在內(nèi)部, 同時(shí)將污垢和濕氣等污染物隔絕于外。這聽(tīng)起來(lái)似乎簡(jiǎn)單, 但通常是最難做好的一個(gè)方面。氣缸蓋罩的第二個(gè)功能是將機(jī)油與空氣隔離。在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)形成油霧。氣缸蓋罩較冷的內(nèi)表面會(huì)聚集油霧, 使機(jī)油冷凝并向下流回機(jī)油殼。氣缸蓋罩還肩負(fù)曲軸箱通風(fēng)的責(zé)任。當(dāng)活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)時(shí), 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部會(huì)集聚壓力。如果置之不理, 此壓力會(huì)使各個(gè)密封件泄漏, 導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低。為了避免這種情況, 用一個(gè)管子連接氣缸蓋罩和進(jìn)氣道, 以便燃燒通風(fēng)空氣。該管可以使用帶槽軟管接頭、螺紋管接頭或快換接頭來(lái)連接。氣缸蓋罩內(nèi)的擋油板或過(guò)濾器用來(lái)盡量避免機(jī)油流向進(jìn)氣道。氣缸蓋罩的另一功能是充當(dāng)機(jī)油加注口。這種結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單至一個(gè)孔, 在其中擰入機(jī)油加注口蓋即可；也可以是更加復(fù)雜的注油管。氣缸蓋罩還可以作為傳感器安裝支座, 包括凸輪軸位置和凸輪軸正時(shí)傳感器。當(dāng)然, 是否包括這些傳感器取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜程度。 4.2設(shè)計(jì)考慮因素 在設(shè)計(jì)PA66氣缸蓋罩時(shí), 必須考慮 到各種因素。以下段落將討論材料相關(guān) 的考慮因素, 密封及NVH（噪聲, 振動(dòng)和聲振粗糙度）, 這些都會(huì)對(duì)采用PA66的成功氣缸蓋罩設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。 1）材料相關(guān)的考慮因素 所選材料的特性是首要設(shè)計(jì)考慮因素。PA66是一種熱塑性塑料, 因此其特性會(huì)隨著環(huán)境變化。使用增強(qiáng)材料可以減弱環(huán)境變化的影響, 但這種影響在某種程度上仍會(huì)發(fā)生。 這些環(huán)境因素中最重要的是溫度。對(duì)于泛達(dá)R533H（PA66，33GF）等典型氣缸蓋罩材料, 在從23°C移至150°C的環(huán)境時(shí)其強(qiáng)度將損失一半。這種特性下降對(duì)于所有聚合材料都是正常的, 應(yīng)該在設(shè)計(jì)過(guò)程的開(kāi)始階段予以考慮。另外兩個(gè)環(huán)境因素是老化及與機(jī)油接觸。泛達(dá)R533H等產(chǎn)品中的穩(wěn)定劑體系使得這些材料在長(zhǎng)期高溫下特性不會(huì)有顯著變化。尼龍66在機(jī)油中也非常穩(wěn)定, 但它確實(shí)存在塑化效應(yīng)。根據(jù)具體的接觸情況, 材料特性通常將降低10%到20%。蠕變通常表現(xiàn)為載荷或應(yīng)力松弛下的變形。它是壓緊力和螺栓載荷的主要問(wèn)題, 并且在溫度的共同作用下, 還需更多考慮這種因素。與材料相關(guān)的因素應(yīng)該在設(shè)計(jì)的早期階段解決。在有限元分析中結(jié)合使用信息時(shí), 可以在各調(diào)整級(jí)別考慮材料特性。如果使用了數(shù)據(jù)表特性但未考慮調(diào)整級(jí)別, 將導(dǎo)致最終零件失效。 2）密封 設(shè)計(jì)氣缸蓋罩的密封系統(tǒng)時(shí), 壓縮永久變形和密封力保持性能是兩大考慮要素。密封系統(tǒng)的壓縮永久變形對(duì)于保持緊固件的壓緊力非常重要。密封力保持性能是在氣缸蓋罩與氣缸蓋相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件下保持密封的能力。 目前, 有四種材料用于密封氣缸蓋罩。 第一種材料即室溫硫化（RTV）硅橡膠目前已很少使用了。在早期的PA66氣缸蓋罩中, 該密封系統(tǒng)最為普遍。RTV是一種硅橡膠, 在涂敷時(shí)為液態(tài)。與空氣接觸后, 這種材料會(huì)固化形成一個(gè)襯墊。RTV具有卓越的壓縮永久變形和密封力保持性能。主要缺點(diǎn)是在固化過(guò)程中排放揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）, 以及需要在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程而不是之前涂敷RTV。目前最為廣泛采用的系統(tǒng)是VMQ合成橡膠。VMQ是一種成型硅橡膠, 溫度范圍非常寬泛。但是, 其密封力保持性能差并且通常會(huì)滲油是人所共知的。為了彌補(bǔ)VMQ的不足, 人們采用了乙烯-丙烯酸酯橡膠（AEM）。AEM具有 優(yōu)異的密封和高溫特性。然而在低溫下這種材料會(huì)變硬, 導(dǎo)致密封不良。有時(shí)還會(huì)采用聚酰胺橡膠（PA）。 PA與VMQ相比具有較低的機(jī)油溶脹性和均衡的特性。PA在低溫下同樣表現(xiàn)不佳并且會(huì)泄漏。 3）噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度 (NVH) 當(dāng)今的客戶期望他們的汽車(chē)噪聲更小, 并且法規(guī)要求更低的駕駛噪聲級(jí)別。 因此, 在氣缸蓋罩設(shè)計(jì)中, 噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）是一個(gè)重要問(wèn)題。PA66較之于它所取代的金屬具有更低的硬度和密度, 因而會(huì)削弱降噪功能。人們可以通過(guò)聲學(xué)分析來(lái)找出有噪聲問(wèn)題的區(qū)域, 通常這些問(wèn)題可以通過(guò)為零件增加加強(qiáng)筋或輪廓以提高其表觀模量來(lái)解決。另一種降低噪聲的方法是將氣缸蓋罩隔離。通常, 我們考慮將氣缸蓋罩 緊密地安裝到氣缸蓋上。這樣, 所有噪聲都將從發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞至氣缸蓋罩。通過(guò)使用帶肩螺栓和橡膠墊圈隔離搖臂罩, 可以顯著減少噪聲傳遞。 4.3具體尺寸 汽缸蓋罩長(zhǎng)為367mm，寬為205mm，拉深高度為47mm左右。6個(gè)φ14mm螺栓孔和一個(gè)加油口都是位于平行于底面的平面上,具體詳細(xì)尺寸見(jiàn)圖紙。 5配氣機(jī)構(gòu) 5.1 配氣機(jī)構(gòu)的作用及要求 5.1.1 配氣機(jī)構(gòu)的功用 配氣機(jī)構(gòu)是完成換氣過(guò)程，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的工作循環(huán)次序，定時(shí)地開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門(mén)，不斷的用新鮮的氣體來(lái)氣缸內(nèi)上一循環(huán)的的廢氣。 5.1.2 配氣機(jī)構(gòu)的要求 對(duì)于一個(gè)正常工作的配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)該具有如下的要求： 1　 進(jìn)、排氣門(mén)的時(shí)間足夠大，泵氣損失小，配氣正時(shí)恰當(dāng)，在排氣過(guò)程中能較好的排出廢氣，進(jìn)氣過(guò)程中能吸入較多的新鮮空氣，因而使發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的充量系數(shù)和合適的扭矩特性。 2　 振動(dòng)、噪聲較小，并且工作可靠和耐磨。 3　 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。 4　 為了減輕慣性負(fù)荷，使配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量減到最小。 5.2 配氣機(jī)構(gòu)采用的新技術(shù) 配氣機(jī)構(gòu)的作用是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工況的需要適時(shí)適度地開(kāi)閉進(jìn)排氣門(mén)，對(duì)氣缸進(jìn)行換氣。目前廣泛采用的是氣門(mén)—凸輪式配氣機(jī)構(gòu)，它具有保證氣缸密封性的優(yōu)點(diǎn)。氣門(mén)—凸輪式配氣機(jī)構(gòu)按氣門(mén)布置分側(cè)置氣門(mén)和頂置氣門(mén)機(jī)構(gòu)。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)采用的技術(shù)主要有以下三方面：頂置凸輪軸技術(shù)，多氣門(mén)技術(shù)，可變配氣定時(shí)及氣門(mén)升程技術(shù)。 5.2.1 頂置凸輪軸技術(shù) 頂置氣門(mén)配氣機(jī)構(gòu)，內(nèi)燃機(jī)的充氣系數(shù)較高，燃燒室比較緊湊，內(nèi)燃機(jī)有較好的性能指標(biāo)，是側(cè)置氣門(mén)機(jī)構(gòu)所不能達(dá)到的，故側(cè)置氣門(mén)機(jī)構(gòu)已被淘汰。 頂置氣門(mén)配氣機(jī)構(gòu)又由凸輪軸的放置位置分成凸輪軸下置型和頂置凸輪軸型。絕大部分發(fā)動(dòng)機(jī)采用凸輪軸下置型，但這種機(jī)構(gòu)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的慣性力和振動(dòng)及噪聲，消耗較大的動(dòng)力。目前的趨向是把凸輪軸放在氣門(mén)上方，省去了推桿、挺柱，稱(chēng)頂置凸輪軸型(OHC)；還有些機(jī)構(gòu)將頂置凸輪軸放在氣門(mén)室罩里，凸輪直接作用于氣門(mén)上，這種機(jī)構(gòu)省去了搖臂，高速時(shí)氣門(mén)工作良好，零件慣性力極小，工作平穩(wěn)。 頂置凸輪軸型(OHC)又可分成SHOC型和DHOC型。前者只用一根凸輪軸來(lái)驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣門(mén)；而后者采用兩根凸輪軸來(lái)分別驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣門(mén)。這種結(jié)構(gòu)適用于進(jìn)、排氣門(mén)呈V形排列的內(nèi)燃機(jī)。凸輪軸的傳動(dòng)類(lèi)型有三種：正時(shí)齒輪傳動(dòng)、正時(shí)鏈輪傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)。其中，正時(shí)齒輪傳動(dòng)主要用于要求長(zhǎng)壽命和大載荷的內(nèi)燃機(jī)，如船用、商用車(chē)和賽車(chē)內(nèi)燃機(jī)；正時(shí)鏈輪傳動(dòng)，廣泛應(yīng)用于轎車(chē)內(nèi)燃機(jī)，一般來(lái)說(shuō)，它比正時(shí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噪音??；驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)或齒形帶傳動(dòng)是最新出現(xiàn)的傳動(dòng)方式，主要用于頂置凸輪軸內(nèi)燃機(jī)上。 5.2.2 多氣門(mén)技術(shù) 配氣機(jī)構(gòu)的最新發(fā)展是改善燃料經(jīng)濟(jì)性，其關(guān)鍵在于如何提供更多的新鮮空氣，多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)很早就己經(jīng)出現(xiàn)了，但僅用于賽車(chē)，目的是減輕排氣門(mén)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，但并未能在內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)得到推廣。意大利布加奇公司首先創(chuàng)出具有四個(gè)排氣門(mén)和一個(gè)進(jìn)氣門(mén)的內(nèi)燃機(jī)。促進(jìn)多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)量迅速提高的原因在于自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展和生產(chǎn)的工藝水平越來(lái)越高，可以充分發(fā)揮多氣門(mén)配氣方案的優(yōu)越性，保證內(nèi)燃機(jī)在整個(gè)負(fù)荷和速度范圍內(nèi)形成最佳混合氣，并適時(shí)適度送入氣缸。 多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)優(yōu)點(diǎn)很明顯，如用兩個(gè)進(jìn)氣門(mén)取代一個(gè)進(jìn)氣門(mén)，流通截面加大30%左右，可大大改進(jìn)充氣系數(shù)。因此，多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)可以提高功率。四氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)曲軸在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扭矩一般比二氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)大10%—15%，高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)大10%—20。多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)不僅可以提高內(nèi)燃機(jī)功率，還可以降低燃油消耗，減少排污。據(jù)分析，四氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)燃油消耗比二氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)燃油消耗低%6—8%。多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)越性是二氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)無(wú)法比擬的。因而，世界各國(guó)的內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)都將生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)的制造。船用內(nèi)燃機(jī)則多為四氣門(mén)配氣機(jī)構(gòu)，如PA6，620等船用機(jī)。由于新的設(shè)計(jì)技術(shù)和加工技術(shù)的應(yīng)用，不僅研制新內(nèi)燃機(jī)時(shí)間短、投產(chǎn)快，而且生產(chǎn)周期也短。90年代日本多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)有了很大的發(fā)展，幾乎所有的新內(nèi)燃機(jī)系列都是多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)。美國(guó)幾大公司于1990—.1991年已開(kāi)始并正在大量生產(chǎn)多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)。多氣門(mén)配氣方式是配氣機(jī)構(gòu)發(fā)展的大勢(shì)所趨。 5.2.3 可變氣門(mén)正時(shí)配氣機(jī)構(gòu)(VVA) 常規(guī)內(nèi)燃機(jī)配氣相位都是按內(nèi)燃機(jī)性能要求，通過(guò)試驗(yàn)確定某一轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下較為適合的配氣相位，自然只達(dá)到一種轉(zhuǎn)速最為有利。然而為了在更大的曲軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高功率指標(biāo)，降低燃料消耗，現(xiàn)代多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)氣門(mén)開(kāi)啟相位可以改變、升程也可以改變，稱(chēng)作可變氣門(mén)運(yùn)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)(VVA)。通過(guò)這套機(jī)構(gòu)對(duì)配氣過(guò)程的調(diào)節(jié)和控制，低、中轉(zhuǎn)速時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度低，氣流動(dòng)力學(xué)特性差，因而要求“縮小”相位重疊角，以減少工作混合氣倒流，保證低、中轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩曲線形狀較好，可顯著地降低燃油消耗率。在中高轉(zhuǎn)速時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度快，氣流動(dòng)力學(xué)特性好，因而要求“放大”相位重疊角，廢氣排放徹底，進(jìn)氣量充分可相應(yīng)增加內(nèi)燃機(jī)扭矩。顯然，采用這一機(jī)構(gòu)，可以提高內(nèi)燃機(jī)性能、降低污染、改善怠速性能。目前，可變氣門(mén)正時(shí)配氣系統(tǒng)，大致可分成兩種形式，一種稱(chēng)為可變凸輪相位的配氣機(jī)構(gòu)(WT)，另一種稱(chēng)為可變配氣正時(shí)及氣門(mén)升程的配氣機(jī)構(gòu)(WT&WL)。 當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨向是，在排量不變的前提下，提高內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)。不論是多氣門(mén)配氣機(jī)構(gòu)還是在此基礎(chǔ)上演化而來(lái)的可變氣門(mén)運(yùn)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)，其基本出發(fā)點(diǎn)都是，在更大范圍內(nèi)使內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)等達(dá)到最優(yōu)，這是傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)無(wú)法完成的。 5.3 總布置設(shè)計(jì) 5.3.1 氣門(mén)的布置形式 5.3.1.1 氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu) 氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)用廣泛，其進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)都倒掛在氣缸頂上。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸通過(guò)定時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)到凸輪的凸起部分頂起挺柱時(shí)，通過(guò)推桿和調(diào)整螺釘使搖臂繞搖臂軸擺動(dòng)，壓縮氣門(mén)彈簧，使氣門(mén)離座，當(dāng)凸輪凸起部分離開(kāi)挺柱后，氣門(mén)便在氣門(mén)彈簧的作用下落座，即氣門(mén)關(guān)閉。 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)每完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，各缸的進(jìn)、排氣門(mén)各開(kāi)啟一次，此時(shí)凸輪軸只旋轉(zhuǎn)一周。曲軸與凸輪軸轉(zhuǎn)速比為2：1。在此，選用氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu)。 5.3.1.2 凸輪軸的布置形式 凸輪軸位于曲軸箱內(nèi)的配氣機(jī)構(gòu)稱(chēng)為凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)。凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是凸輪軸離曲軸近，可以簡(jiǎn)單地用一對(duì)齒輪傳動(dòng)，缺點(diǎn)是零件多，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，整機(jī)機(jī)構(gòu)的剛度差。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)，可能破壞氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和氣門(mén)的定時(shí)啟閉。在此，選用凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)。 5.3.1.3 凸輪軸的傳動(dòng)方式 凸輪軸下置、中置的配氣機(jī)構(gòu)大多采用圓柱形定時(shí)齒輪傳動(dòng)。一般曲軸與凸輪軸之間的傳動(dòng)只需一對(duì)定時(shí)齒輪，必要時(shí)加裝中間齒輪。為了嚙合平穩(wěn)，減小噪聲，定時(shí)齒輪多采用斜齒輪。在中小功率發(fā)動(dòng)機(jī)上，曲軸定時(shí)齒輪用鋼來(lái)制造，而凸輪定時(shí)齒輪則用鑄鐵或夾布膠木制造，以減小噪聲。在此，選用齒輪傳動(dòng)。 5.3.1.4 每缸氣門(mén)數(shù)及其排列方式 一般發(fā)動(dòng)機(jī)都采用每缸量氣門(mén)，即一進(jìn)一排的結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步改善氣缸的換氣，在可能的情況下，應(yīng)盡量加大氣門(mén)的直徑，特別是進(jìn)氣門(mén)的直徑。但是，由于燃燒室尺寸的限制，氣門(mén)直徑最大一般不能超過(guò)氣缸直徑的一半。當(dāng)氣缸直徑較大，活塞平均速度較高時(shí)，每缸一進(jìn)一排的氣門(mén)機(jī)構(gòu)就不能保證良好的換氣質(zhì)量。因此，可采用4氣門(mén)，甚至5氣門(mén)的機(jī)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)后，進(jìn)氣門(mén)總的通過(guò)面積較大，充量系數(shù)較高，排氣門(mén)的直徑可適當(dāng)減小，使其工作溫度相應(yīng)降低，提高了工作可靠性。此外，采用四氣門(mén)后，還可適當(dāng)減小氣門(mén)升程，改善配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性，多氣門(mén)的汽油機(jī)還有利于改善HC與CO的排放性能。 當(dāng)每缸用兩個(gè)氣門(mén)時(shí)，為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，大多數(shù)采用氣門(mén)沿機(jī)體縱向軸線排成一列的方式。這樣，相鄰兩缸的同名氣門(mén)就有可能合用一個(gè)氣道，這樣有助于氣缸蓋冷卻均勻。柴油機(jī)的進(jìn)、排氣道一般分置于機(jī)體的兩側(cè)，以免排氣對(duì)進(jìn)氣加熱。在此，采用兩氣門(mén)沿凸輪軸軸線成一列的方式。 5.3.1.5 氣門(mén)間隙 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門(mén)將因溫度的升高而膨脹。如果氣門(mén)及其傳動(dòng)件之間在冷態(tài)時(shí)無(wú)間隙或間隙過(guò)小，則在熱態(tài)下，氣門(mén)及其傳動(dòng)件的受熱膨脹勢(shì)必引起氣門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)，從而使功率下降，嚴(yán)重時(shí)不易啟動(dòng)。氣門(mén)間隙的大小一般由發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠根據(jù)試驗(yàn)確定。在冷態(tài)時(shí)，進(jìn)氣門(mén)的間隙一般為0.23—0.3mm，排氣門(mén)的間隙為0.3—