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          常見問題

          【萬和城】發動機配氣機構不要凸輪軸行不行?

          來源:未知   日期:2020-08-12 16:41
          傳統的內燃機(泛指汽油機和柴油機)配氣機構組成部件較多,而且其機械結構對動力輸出和排放的影響也較大。早期因為電子技術還未發展起來,所以工程師能想到最直接有效的改善

           

          傳統的內燃機(泛指汽油機和柴油機)配氣機構組成部件較多,而且其機械結構對動力輸出和排放的影響也較大。早期因為電子技術還未發展起來,所以工程師能想到最直接有效的改善方式,便是透過配氣機構本身的機械特性來改善進氣效率。比如大家熟悉的VVT(Variable Valve Timing)可變氣門正時技術,最早實際上是在1982年由菲亞特第一次投入使用的,現在菲亞特改用空氣閥門技術,就像是發起了配氣機構的二次革命

          萬和城摩托車平臺

          配氣機構一般包含進排氣兩根凸輪軸、氣門推桿、液壓挺柱、搖臂、氣門等部件,凸輪軸是是整個配氣機構的控制主體,它又由皮帶連接曲軸產生動力。而在這些組成部件中,氣門搖臂和推桿已經不再出現在時下的小型化、輕量化發動機中,所以也越來越難看到這些部件了。那一下個即將消失的配氣機構部件是什么呢?大概會是凸輪軸吧,而且是進排氣凸輪軸一起消失。

          本田R18A發動機,單頂置凸輪軸機構相當復雜

          發動機配氣機構上一次大革命是在80年代。大家熟悉的VVT(Variable Valve Timing)可變氣門正時技術,最早實際上是在1982年由菲亞特第一次投入使用的。再往前追溯,VVT是一位叫Giovanni Torazza的工程師在60年代末期開發的技術。

          在菲亞特之后,1987年日產在其DOHC結構的VG系列汽油機上使用了名為NVCS的電子可變氣門正時(相位)技術。日產這項技術不同之處在于進氣凸輪軸不再由機械(油壓)控制,轉而使用電子液壓驅動結構,透過發動機ECU的信號進行氣門開閉相位控制。

          豐田1NR-FE 1.3升四缸汽油機

          馬自達2.3 MZR DISI增壓汽油機,DOHC結構

          緊接著日產的步伐,本田在1989年發布了VTEC技術,豐田則有了VVT-i技術。這些氣門正時的控制技術都是沖著改善動力和燃油經濟性來的,只需依舊ECU的信息控制氣門開閉時間,就可以提高發動機進氣效率和燃燒效率。不過本田比較例外,它的VTEC會在發動機高轉速運轉時切換到單獨的凸輪(高速凸輪),以提高峰值功率,那時候的本田CRX、Civic以及Integra都側重動力表現,轉速表底動不動就是9000rpm。

          菲亞特的二次革命

          菲亞特第二次改變配氣機構的技術格局是在2009年,當年在日內瓦車展上,阿爾法·羅密歐MiTo亮相,這臺車搭載的1.4升發動機配備了由舍弗勒開發的Uniair技術,不過在菲亞特這邊被稱為了MultiAir。

          MultiAir的 電磁液壓控制機構組件

          Schaeffler Uniair氣門室配氣機構

          其實MultiAir也可以看作是一種VVT技術,只不過機械結構里的氣門由凸輪軸控制變為了電磁液壓控制,一來可以有效降低發動機的體積和重量,此外還能實現發動機氣門相位和升程的無級控制調節。MultiAir技術最早由德國舍弗勒集團在2001年開發,隨后菲亞特透過技術轉讓方式在2002年獲得了專利。在經過長達七年的試驗、驗證后,最終于2009年形成了商品化,并裝車發售。

          阿爾法·羅密歐MiTo

          阿爾法·羅密歐MiTo的MultiAir渦輪增壓發動機

          菲亞特的MultiAir技術構建在DOHC、16氣門結構基礎上,進氣凸輪由電磁閥、液壓伺服機構取代,而排氣凸輪依舊存在,所以也可以稱其為SOHC單頂置凸輪軸結構。MultiAir的巧妙之處在于進氣側氣門由電磁閥驅動液壓活塞控制氣門,那么它實際上可以根據當前車況實現無級調節相位和升程,其靈活性很高。裝備在MiTo上的1.4升汽油機功率和扭矩分別提升了10%、15%,二氧化碳降低了10%,燃油經濟性提高了20%,隨后還獲得了歐洲年度發動機獎。

          菲亞特TwinAir發動機局部圖.,雙缸結構,排氣側仍然保留凸輪軸

          舍弗勒將UniAir技術賣給菲亞特,便成了MultiAir,其最大特點在于進氣側凸輪軸由電磁閥和液壓機構替代,氣門相位和升程可以隨發動機工況無級調節

          觀致緊隨其后推QamFree技術

          眾多廠商在空氣閥門這條路上前赴后繼,新興的中國品牌觀致汽車也加入了進來。觀致和菲亞特的操作模式很像,它從柯尼塞格手中買到了相關技術的知識產權,并注冊了商品名:QamFree,拆分開來就是Qoros Cam Free技術——觀致空氣閥門,其實也就是無凸輪軸技術。

          柯尼塞格是著名的HyperCar生產商,同時他們也在致力于新發動機的研發。在2003年的時候柯尼塞格與SAAB一起攜手研究新的方式來控制凸輪軸,但由于SAAB發生財務危機,這項研究被迫中止。后來在2009年,柯尼塞格看中了Cargine Engineering公司的無凸輪軸技術,并將其收購到麾下,同時還成立了FreeValve公司,專心致志地繼續研究無凸輪軸技術。

          電磁閥配氣機構的構成示意圖

          后來,Cargine Engineering的工程團隊都悉數轉往FreeValve繼續開發工作。FreeValve選用了電磁閥驅動液壓機構的進排氣門控制方案,可以實現相位和升程可控。比菲亞特一開始做的進氣門側無凸輪軸更進了一步,難度也增加了不少。在結構上還是利用了電磁閥、液壓機構、氣門這幾個必要零部件,不過FreeValve的開發邏輯更加清晰,即每缸四氣門結構中的任何一個氣門都可以單獨實現開閉。比如發動機高轉速時,四個氣門則全開,以此提高配氣效率;而在低轉速時,則關閉一個進氣、一個排氣門,以此保證充沛的扭矩。

          對于觀致來說,無凸輪軸發動機是時下的一個突破方向,配合Hybrid系統,前景一片光明。觀致目前已將它的1.6T發動機改造成CamFree結構進行路試,經過測試,發動機的動力提升超過50%。另外,QamFree發動機長度減少70mm,高度降低50mm,重量更是減輕了25kg,由此實現油耗下降10%。盡管目前QamFree離正式量產投放市場還有段距離,至少市場已經看到了方向,或許還有更多的廠商會加入進來。

          氣門控制機構

          QamFree發動機的體積更小巧,重量更輕巧

          Qoros 3 Qamfree概念車

          博世、法雷奧都不甘示弱

          事實上,在改進燃油發動機的配氣機構道路上,眾多廠商都在努力。早期福特拿出過一套名為EVA的電磁液壓氣門驅動機構,法國法雷奧和德國FEV也在開發電磁氣門技術,只是一直都沒有投入量產。此外,通用汽車早在1994年就開始了電磁閥驅動配氣機構的研究,提出了雙電磁鐵、雙彈簧的解決方案。

          法雷奧的SVA技術最早是在2005年對外界公開的,它的電磁驅動閥門可以根據發動機轉速對氣門實施相位(開閉時間)或升程控制,還可以輕松實現氣缸間歇功能。據稱,燃耗和尾氣凈化性能可以提升兩倍,而低轉速時的扭矩還可以提高15-20%。根據需求不同,法雷奧當時還開發了對應進氣側和進排氣側兩種結構的電磁控制機構。算上電磁閥門、傳感器等部件,進排氣雙電磁閥機構重量為1.8kg,此外還需要一塊32位的CPU來作為控制單元。

          萬和城小編認為其實配氣機構電氣化不僅可以服務于小型化的三缸機、四缸機,V型發動機也可以受益,尤其是具備斷缸技術的發動機,在擁有空氣閥門以后就可以進一步減輕發動機重量,提升進氣效率了。

           


           
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