全球節(jié)能減排法規(guī)趨嚴,促使車企都在向小排量發(fā)動機方向發(fā)展。不論是美國的通用、福特,歐洲的雷諾、BBA、PSA,還是日本的豐田、本田、日產(chǎn),均有各自主打的小排量發(fā)動機系列。 發(fā)動機小型化的最終目的是為了節(jié)能、高效,那么排量減小后依托哪些技術(shù)與大排量發(fā)動機競爭?一般來說,小排量發(fā)動機中都會采用渦輪增壓、缸內(nèi)直噴等技術(shù),使得發(fā)動機的升功率提升,并改變其燃燒方式。甚至從前用在大排量發(fā)動機上的“停缸”技術(shù)也“移植”到了小排量發(fā)動機中。在發(fā)動機這個結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜的汽車“心臟”中,任意一項技術(shù)都不會獨立存在,某個組件的變化使得其他組件要進行相應(yīng)的調(diào)整。 正時鏈:正時皮帶的完美替代方案 拿“停缸”技術(shù)來說,實時證明,原來的正時皮帶無法承受“停缸”時瞬時動態(tài)力的變化。而在高壓縮比、高升功率的發(fā)動機中運行工況更為“激烈”,皮帶壽命會下降以及系統(tǒng)控制適應(yīng)性,因此亟需一項替代方案。正時鏈系統(tǒng)憑借強度、耐久度、成本、NVH和系統(tǒng)控制等多方面的優(yōu)勢成為了一項潛力巨大的可替代技術(shù),下面是皮帶與鏈條的各項性能對比: 1、強度 鏈條每毫米寬度可承受270牛的力,而皮帶每毫米寬度則僅能承受100牛的力。因此,要達到相同強度,皮帶相比鏈條就要更寬,從而占用更多空間,與小型化趨勢背道而馳。 2、摩擦性能 2012年,福特、馬勒和英國政府聯(lián)合制作了一份報告,其中研究指出,鏈系統(tǒng)只需稍加改善,其傳動效率可比皮帶高出5%。全球性汽車零部件供應(yīng)商博格華納也分別在三缸和四缸發(fā)動機上進行過試驗,結(jié)果表明:在三缸發(fā)動機上,鏈系統(tǒng)和濕式皮帶的摩擦力比較接近,而在鏈系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)整后,其摩擦力比濕式皮帶更低;另一臺四缸發(fā)動機上,干式皮帶和鏈系統(tǒng)的摩擦力對比結(jié)果同樣表明,相對于干式皮帶,鏈系統(tǒng)的摩擦更低。博格華納有著多項專利技術(shù)用來減少鏈系統(tǒng)的摩擦,這一點后文會詳細闡述。 3、NVH性能 博格華納摩斯系統(tǒng)工程師告訴記者,皮帶系統(tǒng)的NVH性并不比鏈條好。皮帶的固有特性導(dǎo)致了它對張緊器張力水平有太大的限制,具體表現(xiàn)為:張緊力過大,運轉(zhuǎn)過程中就會發(fā)生打滑,造成很大的氣動噪聲,張緊力過小,則會發(fā)生跳齒現(xiàn)象。而鏈系統(tǒng)的噪聲則來源于嚙合噪聲、鏈條和導(dǎo)軌間的沖擊噪聲,如果系統(tǒng)控制良好的話,鏈系統(tǒng)的噪聲可以很好控制到符合要求的水平。 4、耐久性能 美國IHS公司報告指出,72%的采用皮帶的發(fā)動機,11萬公里就需更換皮帶,27%在11萬-16萬公里范圍內(nèi)需要更換,剩余1%為16-19萬公里。而鏈系統(tǒng)的耐久性更加長,更換周期為24萬-48萬公里,這幾乎與發(fā)動機本身的壽命相同。 5、控制難度 凸輪軸動態(tài)擺動幅度是衡量鏈系統(tǒng)和皮帶系統(tǒng)控制難度的一個參數(shù),擺動幅度大會使發(fā)動機性能受到影響,氣門開啟的效率受到影響。據(jù)了解,鏈系統(tǒng)在運行過程中的擺動幅度為3°,而皮帶系統(tǒng)的擺動幅度為8-11°。 發(fā)動機小型化,比如3缸、增壓技術(shù)等,以及其它性能強化技術(shù),如大氣門升程、可變相位器等,會增加凸輪軸驅(qū)動扭矩;直噴、停缸技術(shù)、起停裝置、高平均有效壓力等,會使曲軸扭轉(zhuǎn)振動大。這些要求對正時驅(qū)動系統(tǒng)有很好的控制特性。通常,鏈系統(tǒng)采用液壓張緊器,利用液壓的強阻尼特性,以及不同的張緊器設(shè)計可以有效控制系統(tǒng)。 鏈系統(tǒng)的挑戰(zhàn) 缸內(nèi)直噴技術(shù)隨著發(fā)動機小型化的趨勢而普及,混合氣燃燒方式從預(yù)混合燃燒變成了擴散燃燒。前者燃燒室中的油已經(jīng)充分分散到空氣中,不會發(fā)生脫氫,不會聚合成碳顆粒;后者是單點點火擴散燃燒方式,混合氣濃度變化比較大,有的地方稀,有的地方濃(甚至形成油顆粒),在高溫下,油滴會發(fā)生脫氫,就會形成碳顆粒物,也就是PM。 另外,直噴增壓發(fā)動機燃燒過程中會產(chǎn)生化學(xué)產(chǎn)物,比如氮氧化物、硫化物等會變成酸性物質(zhì)。 對于增壓發(fā)動機,增壓產(chǎn)生的壓差會改變發(fā)動機通風流動路線,因此這些中間產(chǎn)物以及碳顆粒物會進入發(fā)動機的機油循環(huán)系統(tǒng)里,造成機油品質(zhì)劣化 再者,直噴發(fā)動機的油在某些工況下會直接噴到發(fā)動機缸壁上,或者噴到活塞表面上,在冷機狀態(tài)、燃燒不充分、或者噴油量不合適的時候,燃油會流入機油潤滑系統(tǒng),稀釋機油,使得機油無法發(fā)揮正常潤滑作用。這些對于鏈系統(tǒng)的摩擦副都是有害的,例如鏈板和銷子等此類連接處。 以上這些因素結(jié)合,就會導(dǎo)致鏈條伸長。伸長比例過大,超過一定限值鏈條會發(fā)生跳齒。這是發(fā)動機小型化以后對鏈系統(tǒng)的一個非常突出的挑戰(zhàn)。針對這一挑戰(zhàn),博格華納開發(fā)了新型鏈條,才用不同的設(shè)計、表面處理工藝、鏈板沖壓方式等技術(shù),來提高鏈條耐磨損伸長性能,應(yīng)對發(fā)動機小型化等帶來的要求。 低摩擦鏈條技術(shù) 如果說一輛車從加完油算100%效率的話,那么車輛啟動后,60%是熱損失,40%是機械損失。機械損失中,機械摩擦損失占32%,其中,發(fā)動機摩擦損失占6%,具體如下圖。
而正時系統(tǒng)占據(jù)發(fā)動機摩擦損失的1/6,也就是說,正時系統(tǒng)的摩擦損耗占整車燃油效率損耗的1%。博格華納工程師告訴記者,這1%還能再細分,其中包括鏈板和銷子的摩擦、鏈條和鏈輪的摩擦、鏈條和導(dǎo)軌的摩擦等。而鏈條和導(dǎo)軌的摩擦占據(jù)了整個鏈系統(tǒng)摩擦的大頭,因此,博格華納針對性地開發(fā)了鏈條與導(dǎo)軌的降摩擦技術(shù),通過降低摩擦系數(shù)和降低鏈條張力兩個方面 鏈條和導(dǎo)軌之間的摩擦屬于滑動摩擦,存在三種不同的摩擦方式:干摩擦、邊界摩擦和油膜摩擦。減少油膜厚度有利于降低摩擦系數(shù),博格華納設(shè)計開發(fā)了不同的鏈板設(shè)計,達到了很好的效果,可以降低0.5%-1%的發(fā)動機油耗。 針對導(dǎo)軌,博格華納也有一些技術(shù)改善其摩擦,主要通過新材料實現(xiàn)。工程師介紹,他們通過PA66、PA46等尼龍材料,甚至在里面加添加劑,通過這些輕量化材料來降低導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。當然,不同材料的降摩擦性能也不同、成本也不同。 在降低鏈系統(tǒng)張力方面,博格華納開發(fā)出了很多不同的技術(shù)和產(chǎn)品。比如RA鏈輪 “RA”代表“ResonanceAttenuation”。據(jù)了解,它擁有獨特的形狀(非規(guī)則圓),可以抵消鏈條和軸之間的振動,起到了調(diào)諧的作用,避免產(chǎn)生諧振,降低鏈條張力,達到降低摩擦的效果 此外,博格華納摩斯系統(tǒng)工程師透露,該公司目前正在研發(fā)一款可變力張緊器(VFT)。VFT能實現(xiàn)可變張力,讓鏈傳動系統(tǒng)在盡可能低的張力水平下運作,來降低摩擦損耗,從而實現(xiàn)節(jié)油。根據(jù)博格華納的實驗數(shù)據(jù)顯示,VFT在發(fā)動機中低速運轉(zhuǎn)時可減小鏈條摩擦20%-30%。 |
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