fsae大学生方程式赛车发动机缸盖及配气机构设计(编辑修改稿)

fsae大学生方程式赛车发动机缸盖及配气机构设计(编辑修改稿)内容摘要：

电池汽车；三横：电池、电机、整车控制技术，这样来进行了发展。 并且提高到国家能源安全这样一个比较重要的角度来做这个事情，当然在十一五，当然十五就已经把这个投入，我们国家投资发展到十亿以上，十一五试图把十五成果更加实用化，大型的投资提高了 20 亿左右。 从后两个五年计划比较大的投入，产生的结果来看。 因为在当时提的是，我们和国外站在同一起跑线上，但是经过十年左右的发展，我们已经全面地落后，就是从整体技术上来讲，方方面面都与国外有了更大的差距，无论是在电池还是在做电机以及整车技术上，这个当然是现实，不是谁说，我跟人家同步或者什么，这个基本上是趋势，我们国家推出 “十城千辆 ”， 政府有了补贴，这样拿单子的基本上是国外的，你的电机、电池、整车控制器，自己的产品基本上拿不出来，基本上还是用国外的这些方案。 实际上我们需要反思，这十年来，这新能源发展的 5 路，走得对还是不对，从大的方向上来讲，你是不是找到了这个新能源汽车的关键。 这个需要我们进行反思的。 第二，谈一谈我们国家在新能源汽车方面技术的进展，当然从三纵三横来谈一谈，首先电机，当然电机确实技术上还是有了非常大的进步，但是总体体现是投入不足，到现在为止，还没有形成一个能够提供在汽车上可以用的电机产品，现在还是一个样机的阶段，一个做个十台八 台，没有上百台的电机的出现，因此电机主要的差距一个是效益方面，我们电机效率基本上无论是充电还是发电效率跟国外差十个百分点左右。 另外，就是它的寿命和可靠性，这些还有比较大的差距，第二个横向的技术就是电池了，电池也是一样的，到目前为止，说的厂家一些资金投入有一些了，现状还是拿不出，这个能够产业化的产品出来，因为很多企业从宣传来讲，它都说他的电池研发怎么样，但是实际上还是拿不出实际的东西来，这个电池差距主要体现几个方面，充、放电的效力，你的充电效率和放电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， 有的没有，这个一致性还是有很大的差异，其他 [综述 图片 ]的由于一致性导致的差异的可靠性或者性能优一定的差距的。 整车控制器来讲，我们国家跟国外差距小一些，整车的控制器差距小一些，基本上由于电池、电机的制约，当然使得整车集成方面存在着非常大的障碍，这个还是现状，另外一个在动力和自动变速这两个方面，我们国家变速这一块跟国外有很大的差距，新能源汽车，如果还是手动挡，这个是不可行的，现在我们有一些混合动力汽车是手动挡，混合动力汽车有混合驱动模式，还有发动机驱动模式，还有两个一起驱动模式，一个人靠手动挡怎么适应这样一 个，你的驱动模式是自动变化的，而你的换挡还要手动，这个根本就是不可能实现的，所以必须要有自动变速的重力耦合器，才能实现这样一个技术。 另外三纵，混合动力汽车，从现在来讲，实际上我们过去都开发了一些混合动力汽车，并且很多混合动力汽车得到了国家的奖励，但是实际上拿出来用得时候，基本还都是不可用的，基本上是一些验收工程的东西，这样相对来说比较多，这样纯电动汽车，由于技术门槛比较低，纯电动汽车在这些里面技术门槛比较低的车，这些有一些应用，但是由于他成本问题，一次购车的成本以及它的应用的成本，是一个区域内应用的设备 ，主要是局限在区域用的车，不可能是一个大范围的用车。 当然燃料电池的车子，我们国家从燃料电池的汽车，也可能和国际上差距最小的品种，从燃料电池来讲也是跟国际上差距最小的，当然这个燃料电池汽车，我自己感觉也是最不实用的，由于他的成本的问题，是现有汽车的几十倍的成本，由于应用受到限制，从国外来讲也没花很大的力气在做这个事情。 从新能源汽车的前景来讲，我觉得今后的道路非常艰辛，绝不是一帆风顺的就走得通的，也不是国家拿点财政，给点补贴，或者说刺激你有一定的规模就能解决的问题，我自己的感觉就是新能源汽车假如采用目前的方 案，混合动力、纯动力、燃料电池新材料来讲，新的资源来讲，假如说没有突破的话，现在新能源汽车是不可能普及应用的。 因为新能源汽车的目标当然从我们国家来讲，从世界来讲，首先是能源安全，很可能现在是放在第一位的，然后很可能才是节能，才是它的低碳，才是环保等等。 由于能源的安全，很高的成本是可能需要要做的事情，但是由于受资源的限 6 制，因为你节能，节省了很多能源的资源，但是新能源汽车消耗的材料都是地球上稀缺的材料。 比如说做电机的，你的铜的材料，前一些日子智利发生地震，铜发生一些反弹，智利铜影响不是很大，智利地震的时候， 他现在是世界上 85%的铜矿在他们那里，而它的储量只有两亿吨，全球目前的储量不超过三亿吨，铜的销量我们国家去年一年是 800 万吨，铜金矿的储量 200 万吨左右，另外 200万可能是回收铜产生的，但是如果做新能源汽车都是新增的铜的消耗，必须采用矿山铜用的，不是回收铜的，很可能冶炼了以后可能还要用到那个行业，新增的只有那么多储量，不可能保持普及或者增长，你做导向必须要有新的东西出来，没有新的替代铜的材料出来，新能源汽车量非常小，这个矛盾是不突出的，你等到量增大了，你的矛盾就会非常突出，现在有的铜的储量不足以支撑新能源汽 车一个品种新增的一些量。 另外，你的有色材料，制造电机的有色材料也是稀缺有色材料，地球上资源并不多，真正这个电机都拿它做他的材料，以后他会受到很大的制约。 今后，假如说新能源汽车不能在制造新能源汽车的资源方面有突破的话，它的前景并不乐观，所以我在这里所说的描绘了一个相对来讲并不是很光明的前景，但是为了能源的安全，你必须要走这条路，因此这个路将会是非常艰辛的。 提高发动机动力性的途径 涡轮增压技术 其实简单的来说就是其利用发动机排放的尾气来驱动空气压缩机，以此增大气缸单位时间的进气流量 ，从而提高发动机的功率和扭矩。 一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加 40%甚至更高。 这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。 就拿我们最常见的 涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到 发动机的水平，但是耗油量却比 发动机并不高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。 不过也有它的缺点，其中最大的就是动力输出的滞后性，现在全世界很多国家的汽车制造商都热衷于这项技术，并在不断研发与改进，以前在中国几乎这就是一个盲区， 随着近几年自主品牌的快速发展，像奇瑞和吉利等的这种技术也很快就会出现在量产的车型当中。 燃油直喷技术 就像是从化油器到电喷一样，直喷技术又是发动机供油系统的一大改革， N多年后一样会像电喷代替化油器那样取代了电喷普及在所有的汽油发动机上。 在构造上，传统多点喷射系统的喷油嘴是位于进气歧管前方，在引擎需要供油时，由计算机计算出最佳的供油量并与进入引擎的空气混合后，经由进气阀门到达汽缸内部，并进行压缩、爆炸等动作。 至于缸内直喷系统，则是将喷油嘴置于汽缸内部，其特色在于引擎燃油的取得不需要经过气门的开 启，而能够藉由计算机主动控制喷油时间、压力与喷射量。 与传统喷射系统相较，缸内直喷不受限于传统机械构造的进气方式，而且能够依照引擎所需随时调整空燃比例等特点，均使其表现拥有无限的想象空间。 7 图 1 燃油直喷系统 众所皆知，内燃机在一般工作状态中所需的理想油 气比例为 1： ，这种调配是传统化油器的专长，不论天候、温度，永远进行着一成不变的工作。 然而在少数状态下如冷车启动、怠速运转、急加速或低气压环境等，这样固定的供油方式实际上并无法全面满足引擎的运转需求，甚至可能因而产生黑烟、燃烧不全与马力不足等状况。 至于喷射供油系统，则相对显得智能许多，其中枢系统会随时侦测引擎温度、进气流量、转速变化、震动状况，并依照实际需求调整供油量与点火时间，因此在动力输出、燃油经济与排污表现上可以取得相当不错的平衡。 但是由于引擎构造的先天限制，喷射引擎所吸进油气的时间只有在气门 开启状态下才能进行，故行车计算机所能控制的因子其实也相当有限。 直到缸内直喷系统问世后将喷油嘴内移到汽缸内部后，才开启了全新的视野，其能直接由计算机主动决定喷油时机与份量，至于气门则仅看管“纯空气”的进入时程，两者则是在进入到汽缸内才进行混合的动作。 也由于油、气的混合空间、时间都相当短暂，故缸内直喷系统的喷油嘴必须辅以高增压系统，以大幅提高燃油的喷射压力与效率，并达到高度雾化的效果，期有更佳的混合表现。 此外，缸内直喷系统的燃烧室、活塞也大多具有特殊的导流槽，以供油气在进入燃烧室后能够产生气旋涡流，藉以提高混 合油气的雾化效果与燃烧效率。 在构造改变之后，供油动作已完全独立于进门与活塞系统之外，中央计算机也因而拥有更多的主导权。 于是乎，超乎传统喷射理论的稀薄燃烧与更多元的混合比便得以发生。 在稳定行进或低负载状态下，采用缸内直喷设计的引擎得以进入 Ultra lean(精实 )模式。 在此设定下，引擎于进气行程时只能吸进空气，至于喷油嘴则在压缩行程才供给燃料，以达到节约效果。 根据实际测试，其最高能达到 1： 65的油、气比例，除了节能表现相当惊人，整体动力曲线也能够维持在相当高的平顺程度。 然而本模式由于会产生相当大量的 NOx(硫化物 )与高温气体，所幸在近期由于技术与材料科学的突破，故也已得到相当程度的解决。 升的奥迪 A6L 的百公里油耗仅为 11 升。 这要归功于 FSI 发动机的缸内直喷技术。 FSI 发动机与传统发动机相比，最大的亮点在于发动机的经济性提高了 15%。 奥迪 FSI 增加了火花塞点燃式发动机的扭矩和输出，与常规的点燃式发动机相比， FSI 可将燃油直接喷入燃烧室，从而增大了输出功率并降低了燃油消耗。 8 分层燃烧技术 在这里举例大众的 FSI 发动机 大众 FSI 发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到 达电磁控制的高压喷射气门。 它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。 如果稀燃技术的混合比达到 25： 1 以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。 通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到 12： 1 左右，外层逐渐稀薄。 浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。 FSI 特点是：能够降低泵吸损失，在低负荷时确保低油耗，但需要增 加特殊催化转换器以有效净化处理排放气体。 现在集结了上述技术的发动机很少，但值得一提的就是大众的 TSI 发动机，不光拥有上述技术还有机械增压，其实就是双增压了，使发动机动力更加强劲，可谓是非常先进的发动机了。 要想提高汽车的动力性和经济性不光只对发动机进行改进，也有其他途径，想想除了发动机外另一个主要部件就是变速器了。 连续可变气门正时机构 就拿已经相当成熟的本田的 VTEC 技术为例吧， VTEC 是本田开发的先进发动机技术，也是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程两种不同情况的气门控制系统。 VTEC（ Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System）的意思“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”。 与普通发动机相比， VTEC 发动机所不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法，它有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的调节进行自动转换。 通过 VTEC 系统装置，发动机可以根据行驶工况自动改变气门的开启时间和提升程度，即改变进气量和排气量，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。 目前本田车型都使用 iVTEC(智能可变气门配气相位和气门升程电子控制系统 )， iVTEC 技术作为本田公司 VTEC 技术的升级技术，其不仅完全保留了VTEC 技术的优点，而且加入了当今世界流行的智能化控制理念。 3 气缸盖 气缸盖的工况及设计要求 气缸盖的作用是密封气缸，并与活塞共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气的作用。 为了保证缸盖与气缸套之间的密封，缸盖还要受到很大的螺栓预紧力(一般为爆 — 发压 — 力的 3— 4 倍 )；气缸盖各部分温度很不均匀，如缸盖底面燃烧室部分 (称为火力面 )温度最高，而冷却水套部分温度较低，进气道和排气道温度也不 相同，因此，气缸盖的机械应力和热应力很大。 实践表明，“鼻梁区” (气门座孔和喷油器孔之间的地区 )所产生的裂纹，大多数由于热疲劳造成。 再加上气缸盖的结构复杂，铸造残余应力也很大。 因此，气缸盖应当满足下列要求： 1)气缸盖应具有足够的强度和刚度，： [作时缸盖变形最小并保证与气缸的接合面和气门座的接合面有良好的密封。 缸盖变形过大会加速气门座磨损、气门杆 9 咬死和气缸密封遭到破坏，造成严重漏气，漏水和漏油，使内燃机无法工作。 2)要根据混合气形成和燃烧方式布置出合理的燃烧室形式，气门和气道布置合理，力求使内燃机性能良好。 3)结构力求简单、铸造工艺良好；力求避免气门座之间形成裂纹。 气缸盖的材料 根据工作条件，气缸盖应该用抗热疲劳性能好的材料铸造。 材料的导热性愈好，膨胀系数愈小，高温疲劳强度愈高，愈能承受热负荷的反复作用。 气缸盖中热应力很大。 当变形受到限制时，各种材料中产生热应力的大小可以用热应力特性数 (αE/λ)表示，其中 α为材料的线膨胀系数， E 为弹性模数，λ为导热系数。 为了比较材料的热强度，用材料的拉伸极限强度与 (αE/λ)相比而得到热强度系数。 特性数愈小，热应力愈小，热强度系数愈大，热强度也愈大。 目前有铸 铁、铝合金和钢三种材料的气缸盖。 当温度低于 250 度时，铝合金具有相当高的热强度，当温度。