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小型发动机成潮流 链传动系统优势凸显

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全球节能减排法规趋严,促使车企都在向小排量发动机方向发展。不论是美国的通用、福特,欧洲的雷诺、BBA、PSA,还是日本的丰田、本田、日产,均有各自主打的小排量发动机系列。

盖世汽车网9月14日报道 全球节能减排法规趋严,促使车企都在向小排量发动机方向发展。不论是美国的通用、福特,欧洲的雷诺、BBA、PSA,还是日本的丰田、本田、日产,均有各自主打的小排量发动机系列。

发动机小型化的最终目的是为了节能、高效,那么排量减小后依托哪些技术与大排量发动机竞争?一般来说,小排量发动机中都会采用涡轮增压、缸内直喷等技术,使得发动机的升功率提升,并改变其燃烧方式。甚至从前用在大排量发动机上的“停缸”技术也“移植”到了小排量发动机中。在发动机这个结构高度复杂的汽车“心脏”中,任意一项技术都不会独立存在,某个组件的变化使得其他组件要进行相应的调整。

正时链:正时皮带的完美替代方案

拿“停缸”技术来说,实时证明,原来的正时皮带无法承受“停缸”时瞬时动态力的变化。而在高压缩比、高升功率的发动机中运行工况更为“激烈”,皮带寿命会下降以及系统控制适应性,因此亟需一项替代方案。正时链系统凭借强度、耐久度、成本、NVH和系统控制等多方面的优势成为了一项潜力巨大的可替代技术,下面是皮带与链条的各项性能对比:

1、强度

链条每毫米宽度可承受270牛的力,而皮带每毫米宽度则仅能承受100牛的力。因此,要达到相同强度,皮带相比链条就要更宽,从而占用更多空间,与小型化趋势背道而驰。

2、摩擦性能

2012年,福特、马勒和英国政府联合制作了一份报告,其中研究指出,链系统只需稍加改善,其传动效率可比皮带高出5%。全球性汽车零部件供应商博格华纳也分别在三缸和四缸发动机上进行过试验,结果表明:在三缸发动机上,链系统和湿式皮带的摩擦力比较接近,而在链系统进行优化调整后,其摩擦力比湿式皮带更低;另一台四缸发动机上,干式皮带和链系统的摩擦力对比结果同样表明,相对于干式皮带,链系统的摩擦更低。博格华纳有着多项专利技术用来减少链系统的摩擦,这一点后文会详细阐述。

3、NVH性能

博格华纳摩斯系统工程师告诉记者,皮带系统的NVH性并不比链条好。皮带的固有特性导致了它对张紧器张力水平有太大的限制,具体表现为:张紧力过大,运转过程中就会发生打滑,造成很大的气动噪声,张紧力过小,则会发生跳齿现象。而链系统的噪声则来源于啮合噪声、链条和导轨间的冲击噪声,如果系统控制良好的话,链系统的噪声可以很好控制到符合要求的水平。

4、耐久性能

美国IHS公司报告指出,72%的采用皮带的发动机,11万公里就需更换皮带,27%在11万-16万公里范围内需要更换,剩余1%为16-19万公里。而链系统的耐久性更加长,更换周期为24万-48万公里,这几乎与发动机本身的寿命相同。

5、控制难度

凸轮轴动态摆动幅度是衡量链系统和皮带系统控制难度的一个参数,摆动幅度大会使发动机性能受到影响,气门开启的效率受到影响。据了解,链系统在运行过程中的摆动幅度为3°,而皮带系统的摆动幅度为8-11°。

发动机小型化,比如3缸、增压技术等,以及其它性能强化技术,如大气门升程、可变相位器等,会增加凸轮轴驱动扭矩;直喷、停缸技术、起停装置、高平均有效压力等,会使曲轴扭转振动大。这些要求对正时驱动系统有很好的控制特性。通常,链系统采用液压张紧器,利用液压的强阻尼特性,以及不同的张紧器设计可以有效控制系统。

链系统的挑战

缸内直喷技术随着发动机小型化的趋势而普及,混合气燃烧方式从预混合燃烧变成了扩散燃烧。前者燃烧室中的油已经充分分散到空气中,不会发生脱氢,不会聚合成碳颗粒;后者是单点点火扩散燃烧方式,混合气浓度变化比较大,有的地方稀,有的地方浓(甚至形成油颗粒),在高温下,油滴会发生脱氢,就会形成碳颗粒物,也就是PM。

另外,直喷增压发动机燃烧过程中会产生化学产物,比如氮氧化物、硫化物等会变成酸性物质。

对于增压发动机,增压产生的压差会改变发动机通风流动路线,因此这些中间产物以及碳颗粒物会进入发动机的机油循环系统里,造成机油品质劣化

再者,直喷发动机的油在某些工况下会直接喷到发动机缸壁上,或者喷到活塞表面上,在冷机状态、燃烧不充分、或者喷油量不合适的时候,燃油会流入机油润滑系统,稀释机油,使得机油无法发挥正常润滑作用。这些对于链系统的摩擦副都是有害的,例如链板和销子等此类连接处。

以上这些因素结合,就会导致链条伸长。伸长比例过大,超过一定限值链条会发生跳齿。这是发动机小型化以后对链系统的一个非常突出的挑战。针对这一挑战,博格华纳开发了新型链条,才用不同的设计、表面处理工艺、链板冲压方式等技术,来提高链条耐磨损伸长性能,应对发动机小型化等带来的要求。

低摩擦链条技术

如果说一辆车从加完油算100%效率的话,那么车辆启动后,60%是热损失,40%是机械损失。机械损失中,机械摩擦损失占32%,其中,发动机摩擦损失占6%,具体如下图。

而正时系统占据发动机摩擦损失的1/6,也就是说,正时系统的摩擦损耗占整车燃油效率损耗的1%。博格华纳工程师告诉记者,这1%还能再细分,其中包括链板和销子的摩擦、链条和链轮的摩擦、链条和导轨的摩擦等。而链条和导轨的摩擦占据了整个链系统摩擦的大头,因此,博格华纳针对性地开发了链条与导轨的降摩擦技术,通过降低摩擦系数和降低链条张力两个方面。

链条和导轨之间的摩擦属于滑动摩擦,存在三种不同的摩擦方式:干摩擦、边界摩擦和油膜摩擦。减少油膜厚度有利于降低摩擦系数,博格华纳设计开发了不同的链板设计,达到了很好的效果,可以降低0.5%-1%的发动机油耗。

针对导轨,博格华纳也有一些技术改善其摩擦,主要通过新材料实现。工程师介绍,他们通过PA66、PA46等尼龙材料,甚至在里面加添加剂,通过这些轻量化材料来降低导轨的摩擦系数。当然,不同材料的降摩擦性能也不同、成本也不同。

在降低链系统张力方面,博格华纳开发出了很多不同的技术和产品。比如RA链轮

“RA”代表“ResonanceAttenuation”。据了解,它拥有独特的形状(非规则圆),可以抵消链条和轴之间的振动,起到了调谐的作用,避免产生谐振,降低链条张力,达到降低摩擦的效果

此外,博格华纳摩斯系统工程师透露,该公司目前正在研发一款可变力张紧器(VFT)。VFT能实现可变张力,让链传动系统在尽可能低的张力水平下运作,来降低摩擦损耗,从而实现节油。根据博格华纳的实验数据显示,VFT在发动机中低速运转时可减小链条摩擦20%-30%。

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