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世界先进发动机开发揭秘pdf/doc/txt格式电子书下载

书名:世界先进发动机开发揭秘pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语:

作者:钱尧一著

出版社:浙江出版集团数字传媒有限公司

出版时间:2020-03-01

书籍编号:30618614

ISBN:

正文语种:中文

字数:164747

版次:1

所属分类:社会科学-文化

全书内容:

世界先进发动机开发揭秘pdf/doc/txt格式电子书下载

版权信息

世界先进发动机开发揭秘
钱尧一 著


©浙江出版集团数字传媒有限公司 2020
非经书面授权,不得在任何地区以任何方式反编译、翻印、仿制或节录本书文字或图表。


DNA-BN:ECFD-N00019386-20191226
制作:贺立川


出版:浙江出版集团数字传媒有限公司
浙江 杭州 体育场路347号
互联网出版许可证:新出网证(浙)字10号
电子邮箱:cb@bookdna.cn
网  址:www.bookdna.cn
BookDNA是浙江出版联合集团旗下电子书出版机构,为作者提供电子书出版服务。
如您发现本书内容错讹,敬请指正,以便新版修订。


©Zhejiang Publishing United Group Digital Media CO.,LTD,2020
No.347 Tiyuchang Road, Hangzhou 310006 P.R.C.
cb@bookdna.cn
www.bookdna.cn

前言


为什么大众/奥迪EA888能够续写10年辉煌?


马自达SKYACTIV-X SPCCI真的是一场内燃机的革命?


马自达2.5T发动机真的背叛了驾乘愉悦的初衷么?


丰田小排量涡轮1.2T发动机是可靠性之王吗?


卡罗拉雷凌混动用发动机有什么特别之处呢?


丰田TNGA 发动机突破天际的热效率是如何实现的?


本田思域L15B发动机如何成为了神车党的信仰?


第一个吃3缸机螃蟹的福特1.0T是如何诞生的?


20年磨一剑,日产可变压缩比发动机有何神奇之处?



最近十年,是技术突飞猛进的十年,在汽车行业随着节能减排的法规压力与新能源电动车的挑战,世界各大汽车公司在民用级汽油内燃机领域不断突破,诞生了许许多多优秀的发动机。


然而,国内外教科书对发动机的介绍依旧停留在几十年前的原理性介绍上,虽然对发动机的理论进行了非常详细的阐述,但是将理论指导实际存在一定的困难,与现代发动机的设计理念和技术路线存在背离。


本书按照正向研发的顺序着手,根据正向开发流程,从设计目标确认,性能指标的建立,到各个环节的零部件设计,最终达成总体目标。本书参阅了大量文献,通过对市面上的公开文献进行分析与提炼,对各大汽车公司的代表性先进发动机进行技术揭秘。本文并没有过多的使用专业术语,旨在用通俗简易的语言阐述开发过程。



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图 世界先进发动机天梯榜



本书在写作过程中得到了很多业内专业人士的指导与建议,感谢大家的帮忙与付出!


本书适用于从事汽车行业的研发工程师、维修人员,也可为高校汽车相关科研机构提供参考。


作者水平有限,书中难免会有写疏漏及不足之处,真诚地欢迎读者指正,并提出宝贵的意见。作者邮箱为:qianyz1@163.com。



个人简介:钱尧一,江苏人,厦门大学机械工程硕士,研究方向是动力总成性能与开发。毕业后在丰田汽车研发中心(中国)有限公司从事内燃机性能开发,期间被外派至丰田总部发动机先行开发部做发动机核心性能相关的概念性设计。现为长安马自达技术中心动力总成领域的资深工程师,从事动力总成及附件的现地化设计与开发。


知乎账号:天马行空, 不定期分享最新动力总成的进展。

一、[开天辟地]大众/奥迪 GEN3/3B EA888 发动机设计开发深度解密


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EA888 发动机



大概还是07,08年,大众一则广告横空出世,TSI+DSG黄金动力组合!也正是这个组合,将中国老百姓带入了汽车动力系统的新时代——涡轮增压时代,自此,自吸党和涡轮党开始了华山论剑。


大众也凭借着这套动力系统,在中国的市场份额超过了日系三强,成为一极。在大众/奥迪旗下的近乎所有中高级车型中,都搭载了这款发动机,可以说,是全球量产最多的发动机之一。


历经10多年,这款承载着大众崛起的发动机——EA888 也进化到第3代和第3.5代了(GEN3/3B)。面对如今日系涡轮增压发动机咄咄逼人之势,还能保持足够的竞争力吗?产品有什么供其他主机厂借鉴的地方吗?看完这篇您将会有答案。


大众/奥迪旗下开发了全新第3代四缸汽油发动机系列,代号为EA888 GEN3。为了应对欧6排放法规,并减少燃油消耗率(CO2排放),在第2代EA888基础上进行了全面的升级。全新第3代发动机采用了很多创新性的技术,包括气缸盖集成式废气冷却系统、直喷和歧管喷射组成的双喷射系统以及具有双凸轮轴调整功能的气门升程系统,一种新型的全电子冷却控制系统并配合着全新热管理系统。在GEN 3B(第3.5代)EA888上,还做了进一步的优化升级,提出了Budack-cycle(B循环概念),在油耗性能上进一步突破。


本文分为2个部分:


1 EA888 GEN3发动机开发揭秘


2 EA888 GEN 3B 发动机开发揭秘

1 EA888 GEN3发动机开发揭秘
1.1介绍
大众/奥迪直列四缸TFSI发动机的历史可以追溯到2004年,对久经考验的EA113发动机系列进行升级,以世界首款量产直喷涡轮发动机形式出现,是一台2.0L的TFSI发动机。EA888发动机系列的概念开发实际上早在2003年就开始了,目的是取代皮带传动EA113系列(EA888为链式传动)。EA888发动机在设计初期,就定位为一款大众集团(所有品牌和平台)和全球应用(所有市场)的“全球设计”发动机。继2007年春季成功推出第1代后、在奥迪上推出了valve lift系统(可变气门机构)以及优化摩擦等众多措施的第2代,之后在奥迪A4/A5系列上首次搭载进一步突破的全新第3代,如图1所示。
EA888取得了巨大成功,在享有盛誉的“年度国际发动机”和“十大最佳发动机”评选中总共赢得了十多次奖项,下面详细介绍这款发动机。



图1 EA888 发动机历史
1.2发动机特点和关键技术
第三代 EA888 L4 TFSI发动机系列的开发目标如图2所示:



图2 EA888 发动机技术进步路线图


• 为使用1.8L和2.0L发动机的车型开发模块化动力总成,高通用性
• 减少发动机机械阻力
• 提高功率、扭矩和燃油效率
• 提高舒适性
• 具备欧6排放标准能力
• 轻量化
对此,第三代EA888发动机,极大程度改善了发动机内部的机械阻力。例如,进一步减小主轴承直径;平衡轴集成在凸轮轴上;优化了机油增压循环回路(包括控制油泵)。为了改善扭矩特性,采用了Valve Lift系统,并集成了外置排气凸轮轴调整器,在1500rpm时实现了320N.m的高扭矩输出。在第3代EA888上,开发了一套全新的气缸盖,首次实现了废气冷却与涡轮增压器的集成。这种水冷式集成废气冷却系统大幅度降低高负荷下的消耗。为了对发动机的热量流进行控制(热管理),开发了一种新型的旋转滑动模块以提供全电子冷却系统控制。例如,在发动机的热机阶段,它能够完全阻止冷却液流入发动机或设置最小的流量。在发动机热机过程中,冷却液温度可以根据负荷需求和外部条件快速、大范围地调节到不同的温度范围。为了符合欧6排放标准,在第3代EA888上首次设计了双燃料喷射系统,包括FSI(Fuel Stratified Injection,燃料分层喷射)和MPI(Multi Port Injection,多点喷射)策略。高自由度的喷射方式选择意味着可以在较宽的工况范围内显著减少PM、PN排放,还可以降低油耗。尽管多了部分发动机附件系统,但第3代EA888系列发动机的重量还是大大减轻了。其中的关键因素是使用了薄壁发动机缸体(3mm厚度)、经过轻量化设计的曲轴、集成式废气冷却、气缸盖集成排气歧管、工程塑料油底壳和铝制螺栓的应用,让总重量比第二代轻了3.5kg。
下图3列出了第3代1.8L TFSI发动机与第2代1.8L TFSI相比的主要尺寸和关键参数,供大家参考。



图3 1.8L EA888 GEN2和GEN3的对比
1.3发动机硬件
对发动机硬件优化工作的重点是降低各种损失,同时降低发动机质量。此外,考虑到平台化需求,在规定功率和扭矩范围内(从入门级发动机扩展到最高档发动机),执行了最大限度的通用化零件策略。
1.3.1发动机机体
为了进一步降低机体的质量和制造公差,将铸造工艺由传统的平浇改为立浇。发动机缸体的壁厚已第2代3.5 mm+/-0.8mm降低至3.0mm+/-0.5mm,并且由于关键组件具有更大的自由度,可以将其他功能集成到发动机缸体中,进行一体化设计。粗油分离器的功能集成到发动机机体铸件中,因此不再需要螺栓连接粗油分离器和发动机机体法兰面,降低了重量。通过一系列针对发动机机体的轻量化设计,发动机机体减轻了2.4千克的重量。同时,为了进一步提高发动机的舒适性,主轴承盖已用螺栓固定在油底壳的顶部。
1.3.2曲柄传动和平衡轴
为了减少摩擦,曲柄轴的主轴承直径已从52mm减小到48mm,配重块的数量已从8个减少到4个。这使曲轴的重量减轻了1.6千克。活塞采用了一种新型合金,在开发过程中,扩大了活塞间隙,以优化摩擦,并基于带有纳米颗粒的耐磨活塞裙涂层控制了活塞磨损。平衡轴采用了滚柱式轴承。详细变化可以参照大众发动机自学手册。特别是在较低的机油温度下,滚柱轴承大大减少了摩擦损失。此外,集成化、精细化有助于减少20%的质量和30%的转动惯量,同时能够保持相同的动态平衡。
1.3.3 机油循环
为了降低机油泵的功耗,活塞冷却方式从传统的弹簧压力喷嘴改为电动可控喷嘴。当电流施加到电动控制阀时,控制阀打开一个流量通道,释放机油压力,从而以一个低成本的设计来控制喷嘴的关闭。在没有通电的情况下,机械控制阀被油压向上推动,机油喷射至活塞低部端面进行冷却(故障保护)。两个阀都布置在机油冷却器和机油滤清器的正下方,如图5。新的活塞端面冷却系统能够为进行按需控制,从而提高热管理的可控性。机油系统的OBD诊断也通过机油压力传感器来判断,详细布置如图5所示。



图5 机油冷却系统图
1.3.4 气缸盖
对于第3代EA888发动机系列,首次对涡轮增压直喷汽油发动机设计了气缸盖集成式废气冷却,且防止排气干涉按照点火顺序进行了排气分离。这种水冷式排气歧管意味着在高负荷下,几乎不需要进行加浓喷射来控制排气温度。因此,无论是在法规工况下的油耗测试中,还是实际用户体验中,甚至在激烈驾驶中,实际油耗都会大大降低。此外,集成式排气歧管也有助于暖机,对冷却液加热,因此这也是热管理系统的关键组成部分。另一个优点是在集成排气歧管使得涡轮增压器模块更加紧凑,降低了1.5kg重量。
在气缸盖的开发过程中,尤其是在工业过程和生产可铸造性方面,在满足热动力学和热机械优化的前提下,对排气管和集成式排气歧管冷却管的封装是一个加工难点,该方案对气缸盖铸造工艺要求较高,大众对模具加工做了创新,使其得以大批量生产。为了满足第3代EA888发动机的高热动力需求,可变气门系统和凸轮轴调节器集成在排气侧,也对进气管也进行了优化。为了更有效准确的控制发动机加热,将传统冷却液温度传感器从发动机机体改到了气缸盖中。
1.3.5 气缸盖设计
为了模拟集成排气冷却系统及其对气缸盖热机械性能的影响,在建立了CFD和FEM方法的基础上,大众公司也开发了一系列仿真方法[2]。首先,采用经典的CFD仿真方法对气体流畅和冷却水流场进行了基本设计,并结合有限元方法对气缸盖进行了热机械优化。由于在非常有限的空间内(涉及极端温度梯度布局),废气和冷却水流量以及铝中的热传输之间存在着强烈的热耦合,因此在本项目中,所有三个区域(气体、水、铝)也首次在单一仿真模型中进行了多维度耦合计算。结果表明,该方法也能够更准确地模拟组件温度对流体温度和生成的热流的影响,如图6所示。



图6不同发动机转速下满负荷时气缸盖冷却液的沸腾功率


排气歧管集成式气缸盖的研究表明,与静态冷却系统的设计相比,负荷和转速变化的负荷循环也是一个关键影响因素。在运行工况发生这种变化后,首先将储存在材料中的大量热量释放到冷却液中,其次,由于发动机转速低导致水泵转速缓慢,冷却液体积流量和压力会比较低,在这种情况下,热水夹套区域的局部冷却液尤其容易沸腾,长期来看,这可能会损坏发动机机体。
在试验台上和通过仿真分析了这种负载循环以及高温快速停机的极端情况。在最终的集成排气歧管布置中,从整体的角度来看,在短期内沸腾功率方面达到了与前代发动机相当的水平。
1.4 热管理/冷却系统
整个冷却液回路(包括发动机内部和车辆侧)的设计旨在为热管理服务,从而使发动机和车辆内部(如果有需要的话)快速升温。热管理系统的两个主要部件是集成式废气冷却系统(如前所述),以及用于实现全电子冷却控制的模块。整个冷却回路还配有流量控制阀,用于开启或停止流经散热器和变速箱热交换器的流量。
1.4.1全电子冷却控制
用于全电子冷却控制和热管理系统的核心执行元件是塑料旋转滑块,它容纳了两个机械耦合的旋转滑块,用于调节冷却液流量。一个电机通过一个减速器迅速驱动旋转滑块1。依次通过灯笼齿轮与旋转滑块2连接。旋转滑块1取代了传统的石蜡式节温器,能够根据需要在85°C和107°C之间随意地改变冷却水温度。旋转滑块1还可以调节发动机机油冷却器的冷却液回流。
1.4.2升温策略
在热机过程中,流入发动机的冷却液最初被旋转滑块2完全关闭。所有外部阀门都关闭,水只在发动机内部流动,也就是常说的小循环。当现实中用户需要进行空调加热等操作时,不必利用小循环内部的冷却液。在这种情况下,设计了一个带有辅助水泵的自动加热回路,通过该回路,来自排气歧管集成式气缸盖的废热被利用,送入空调系统传递热量。进入发动机缸体(旋转滑块2)的冷却液入口保持关闭状态,因此尽可能保持气缸的快速升温从而减少摩擦。这套系统可以在满足客户的舒适性要求前提下,同时实施最佳升温策略。
随着发动机温度进一步升高,旋转滑块2局部打开,产生部分的冷却液流量,以确保部件充分冷却。并且通过对水的快速加热减少了热机过程中的热损失。最终,在达到规定的水温后,发动机机油通过旋转滑块1定向流经发动机机油冷却器,对机油进行加热。一旦判定发动机充分热机后,变速箱冷却器的切换阀再打开,以便用部分热量对变速箱油进行加热。在热机过程中,一旦冷却液流经主散热器,则不可避免的会带来热量损失。因此,为了保证热效率,主散热器会在所有相关零部件充分热机的基础上再发挥作用。依靠这套集成式废气冷却系统

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