汽车发动机的可变压缩比(VCR)创新设计.pdf
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1、 汽车发动机的可变压缩比(VCR)创新设计 摘要:背景:在追求动力性能和经济性能兼顾的今天,多少人一直在为创造出小排量,大功率引擎结构而努力。不断需求更新更好的技术,纵观世界知名的汽车企业技术,如 HONDA 的 VTEC、BMW 的 VANOS、TOYOTA 的 VVT-I 等无不是工程师的智慧与汗水的结晶。大家都知道这条探索之路没有终点。而我们仅能为追求更好更优地改善或探索新型引擎做出自己的不懈的努力。汽车发动机的可变压缩比技术(VCR)技术早在 2000 年或更早就与有人提出,这种可变压缩比发动机”向汽车工业提供了必要的战略,以生产具有吸引力,功率强大,燃料消耗经济的汽车。这种汽车把燃料
2、油消耗降低了 30%,从而能够满足欧洲和全世界减少温室效应气体排放的目标,只采用传统的污染治理措施(三元催化器),就可以符合降低污染排放的规定。至今,已有诸多关于 VCR 的设计。目前,最具影响的有以下几项:萨博的 SAAB 方案、法国公司 MCE-5 可变压缩比发动机、以及 NISSAN 的 VCR 技术。我们出于目前中国能源短缺及环保的要求,大胆的提出了我们的方案及探索。方案:在 我们提出的汽车 VCR 的方案中,相对于传统的发动机增加了些许的机构,实现的可变过程可由 ECU 控制,其控制策略为由 ECU 控制液压枪,液压枪推动顶杆,顶杆上串取的可变凸轮再一次的推动下一级顶杆,由这一级的顶
3、杆拨动齿轮,引起曲柄销的旋转,曲柄销也串联了凸轮,这样旋转后的曲柄销便可带动连杆上移或下移。从而引起压缩比的变化(详见正文)。结果:我们提出的方案在理论上能够完成我们的目标,实现可变压缩比变化。该装置的创新点在其不同于一般的实现 VCR 方案,即通过改变活塞的顶部来实现VCR。而是巧妙地通过一系列机械传动来改变凸轮的升程从而达到“改变”了连杆的长度的方法来改变燃烧室的容积,从而实现 VCR,我们的装置可实现的压缩比变化范围在157,此外其响应效果显著,min/4000r时为s3.002.0 min/1000r为s2.108.0,。但也有不足之处,它的压缩比是阶跃性的变化;如果运行工况时先要求大
4、的压缩比,后即刻需要小的压缩比则需要一个变化过程,可能反应速度会低于预期水平。不过令人欣慰与振奋的是偌其能实现产品化,这种通过改变凸轮来增加或减少压缩比,其效果还是相当令人满意,不仅能为企业创造出巨额利润,还能为打破国外汽车企业在该方面的技术垄断,增添国企的核心竞争力方面发挥巨大作用。关键词:VCR 理想模型 控制策略 凸轮机构 可变升程 新技术 目录 1 术语表 1 2 引言2 3 整体方案2 3.1 曲柄销的修改设计2 3.2 曲柄的修改设计5 3.3 轴承座的修改与设计5 3.4 轴承座的配套零件设计6 3.5 中间传动装置的设计7 3.6 传动杆的设计8 4 结果.9 5 讨论10 6
5、 参考文献10 7 附录11 1术语表 曲柄销 轴承座 曲柄 轴承座的配套零件 液压 中间传动装置 槽轮 传动杆 棘轮 凸轮顶杆轴 棘轮槽 行星轮 2引言:汽车发动机的 VCR 技术在当今来说是一向比较年轻的、前卫的、顶尖的技术。偌此项产品能实现产品化、产业化无疑将进一步提高发动机的动力性、改善其经济性,与当下的电动车相比,其技术性、可行性、效果更为显著。均质压然(HCCI)之所以不能普及现代发动机中,重要原因是发动机的压缩比不变,高效工作范围窄,不能较好的满足汽车变工况作业要求,若 VCR 实现产品化,HCCI技术将可以更广泛的应用到发动机中去,以满足大家对汽车的动力性及经济性的要求。从世界
6、范围来讲,人们对 VCR 技术的探索已有 10 多年了,但至今也没有一款产品化、大众化的 VCR 问世,其各种技术都还处于试验阶段。在此,我们小组大胆提出了我们的思路与解决方案,抛砖引玉。3整体方案 整个传动装置视图 整体视图(一)、(二)局部视图 局部视图(一)局部视图(二)为了完成该方案本文从设计上分 6 部分;1)曲柄销的修改设计;2)曲柄的修改设计;3)轴承座的修改与设计;4)轴承座的配套零件设计;5)中间传动装置的设计;6)传动杆的设计;3.1 曲柄销的修改设计:为实现压缩比可变,我们结合凸轮机构可变升程的特性,在传统发动机上串联一凸轮。由于一般发动机的活塞上止点与缺体顶边缘的距离为
7、 5-10mm,因此我们把凸轮的升程定位 5mm,见图如下所示 曲柄销(改后)不难想象要实现活塞升程可变,那么曲柄销与曲柄的连接为悬浮式,这样曲柄销才能旋转。因而,为了能使曲柄销旋转,我们在曲柄销的端面进行加工。下图的任务就是实现曲柄销的旋转,行星轮的中间齿轮逆时针旋转(顺时针旋转),则行星轮必然会顺时针旋转(逆时针旋转)从而引起曲柄销的顺时针旋转(逆时针旋转)。这 行星轮 样的话就引起了曲柄销上的凸轮的旋转。进而导致活塞升程的变化。那么这个中间齿轮的动力又从哪里来呢?要是能引用发动机的动力来驱动就好了!但是空间不足。后来结合曲柄销的旋转特性我们想到了利用槽轮。槽轮 我们把槽轮与中间轮串在一起
8、,形成了一个整体。这样,只要槽轮能够旋转,那么,中间齿轮必然会旋转。现在的问题是如何实现槽轮的旋转。我们的想法是通过一个伸出的探针来拨动槽轮旋转,拨动一次槽轮旋转 60。接下来的问题是这个槽轮如何固定。通过在曲柄销钻取一通孔,后用一根轴将中间齿轮、槽轮连接起来,然后另一端用螺母固定。其具体结构如下:曲柄销 曲柄销内部增加装置 为了防止曲柄销在连杆的力的作用下自己旋转(从受力分析,这个力臂很小,应不足以转动,但为了安全起见,我们还是设计安全机构),我们在曲柄销的端面设置了棘轮,来防止压缩比失控。由于考虑到空间局限性,可采用刚性与塑性都较好的弹簧片。3.2 曲柄的修改设计:由 1 部分的曲柄销的修
9、改设计可以知道曲柄的修改与设计。其具体内容如下:号的曲柄端面要加工棘轮槽,此外,就是曲柄销配合,所以修改不大。但是探针与槽轮配合的时候就很可能与曲柄端面相碰,这是我们不希望看到的结果。所以,在曲柄的端面还应该给探针留一道深槽轨迹,以免发生相撞。具体怎么开槽,以后分析时再述。这里仅给出曲柄销配合时的挖空状态。如下图所示:观察曲柄的不同视角 3.3 轴承座的修改与设计:为了能使槽轮运转,就必须有杆拨动槽轮,这里我们把拨动槽轮的杆布置在轴承座的底座上。为了能让杆按我们的要求去拨动槽轮,我们首选凸轮机构。通过让这个凸轮的转速与曲轴的转速同步,这样就可以改变凸轮的升程与升程的角度来让其按照要求拨动槽轮。
10、另外,为了解决曲轴每旋转一周,连杆就会拨动槽轮一次,导致压缩比不断的改变的难题,我们的解决方案是通过一个液压装置来推动凸轮做轴向移动,通过调节液体多少来控制压缩比的改变。这样连杆、凸轮、液压装置都要求布置在轴承座上,进而通过尺寸设计可以定出轴承轴的外形。其图大致如下:图中粉红色的孔的是液压油道,其他为部件孔 上面的图做了透明处理,此图为外观图 3.4 轴承座的配套零件设计 这部分包括了 3 个部件的设计:1)拨动槽轮的顶杆;2)凸轮轴;3)液压装置;先介绍液压装置。液压装置的作用是推动凸轮轴轴向移动,使得凸轮可以对顶杆产生作用。它的原理如下图所示:此图为液压装置,左图(透明处理)中弹簧里充满了
11、高压的油 凸轮顶杆粉红色部分为“凸轮”此图为顶杆,同上,弹簧是回位弹簧 图液压装置的弹簧处于压缩状态,当需要改变压缩比时就调高油压使其向左移动,图中凸轮顶杆轴的左端面为圆柱齿轮,其用作载取动力,中机构在中机构的作用下,向左移动,由于中机构顶杆的 B 点与中机构的 A 点接触且空间相互垂直,这样中机构就会在中机构推动下使中的顶杆向前移动进而拨动槽轮转动。3.5 中间传动装置的设计:前面提到图中的凸轮顶杆是旋转的,为了便于控制,我们设计的凸轮顶杆转速要与曲轴的转速一致,当然它的旋转力也是取自曲轴。基于此,在动力传送过程中,我们需要一传动装置,其图形如下:中间传动装置图 上图的不同视角 A 端的锥齿
12、轮是为了从上一级装置中取出动力,B 端同轴同转速。B 短语凸轮顶杆的左端齿轮相配合,这样,便得到了凸轮顶杆的动力。3.6 传动杆的设计;传动杆的作用是把曲轴的动力取出来,传送给中间传送装置,具体形状如下图所示:传动杆(主要作用是从曲轴截取动力)A 是与曲轴同大小、同齿数、同模数的圆柱齿轮,从而保证传动杆的转速与曲轴的转速保持一致。同样的 C、D、E、F 四个锥齿轮的转速也与曲轴转速一致。通过它们就能够把动力传动给中间的传动装置,这样就实现了可变压缩比。当然经过这样的设计曲轴箱、曲轴端盖要做少许的改动,这里不再阐述。4结果:结果:在方法一栏中,我已经分步骤讲了我们设计的可变压缩比(VCR)的工作
13、过程,但是不够连贯,这里我们以示例的方式将其工作过程简述一遍。现假设,活塞的上止点距缸体上平面为 7mm,活塞升程 118mm,活塞直径为107.5mm,燃烧室容积为 0.129L,单缸的工作容积易算得为 1.071L,这是车的压缩比为 9.3,汽车在行驶过程中会有工况变化,这是 ECU 会计算在该工况下的最佳压缩比,然后 ECU 及时发出指令让执行器(液压器)工作起来,这里就是指液压器的压力变大,从而推动凸轮顶杆,(当然在此动作执行的整个过程中,凸轮顶杆是与曲轴一样的旋转着的,且转速一致)。凸轮顶杆在液压器的推动下,轴向移动,这时凸轮顶杆上的凸轮就与顶杆相配合,从而凸轮推动顶杆伸出曲轴轴承盖
14、。当曲柄旋转过速时,顶杆就会拨动槽轮旋转,槽轮与行星轮副的中心齿轮是一体的。这样,行星轮中心齿轮就会旋转从而让曲柄销旋转。由于曲柄销的设计,旋转后的曲柄销会提高(或降低)。连杆的中心位置,从而改变活塞的上下止点的位置,进而改变压缩比。假设顶杆拨动槽轮旋转一次那么小齿轮经过行星轮将带动曲柄销旋转 1/18 周,即 360/18=20,那么调节后的活塞上止点与缸体上平面的距离为 7-5*sin20=5.29mm,这时的工作容积依旧未变为 1.071L,但燃烧室的容积减少了 1.71*107.5/4=0.016L 这时的压缩比为 10.4,压缩比提高 1.1,若 ECU 控制为减少压缩比,那么则必须
15、经历先增大压缩比,再减小压缩比,不过不用担心,压缩比增高了,我们可以控制 ECU 适当少喷油,而压缩比是发动机每循环变动一次假设发动机处于 4000r/min,那么每转的时间为 60/4000而要减少压缩比,需 10 次(或更高但不超过 18 次),那么现实的时间为10*60/4000=0.15s 可见,这时非常短的时间,所以肯定能反映过来,响应性较好。5讨论:我们的方案如果能够实现,那么从控制上是比较方便的,基于现在先进的发动机电子控制技术,可以精确的控制顶杆伸缩的时间这样就可避免因其伸出时间不当而发生卡齿或拨不到齿轮的现象。这样通过我们的设计便实现了 VCR,进一步提高发动机的动力性、改善
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