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寶馬新型雙渦輪增壓直噴式直列六缸汽油機

寶馬公司在相隔20年之后,第一次重新引入了帶渦輪增壓的汽油機。通過將第二代汽油直噴(高精度噴油)與兩種緊湊型渦輪增壓器相結合,成功地克服了迄今為止渦輪增壓器存在的兩項缺點:高油耗和遲緩的響應特性。

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渦輪增壓汽油機在寶馬公司已經(jīng)有很長的歷史。1973年推出的寶馬2002渦輪增壓發(fā)動機是世界上第一臺帶渦輪增壓發(fā)動機的量產(chǎn)轎車。十年后,波拉巴姆寶馬公司的乃爾孫·皮奎特以一臺渦輪增壓的汽車贏得了一級方程式賽車冠軍稱號。
渦輪增壓明顯的缺點是高油耗和遲緩的響應特性,成為寶馬公司自從上世紀80年代末以后放棄了開發(fā)其他渦輪增壓汽油機的原因。

通過新技術的采用,成功地排除了經(jīng)典渦輪增壓技術的缺點。油束主導(Sprayguided)的第二代汽油直噴燃燒方法通過燃油在氣缸內(nèi)的蒸發(fā)使燃燒室得到冷卻,從而得以明顯地提高了壓縮比,并提高了效率,使得全負荷特性在自然吸氣發(fā)動機的水平提高了一步。由于在增壓器上采用了耐高溫的材料,明顯地降低了通過混合氣加濃來降低廢氣溫度的必要性。同時,采用了轉(zhuǎn)動慣量較小的小型增壓器。使得相應特性也有所改善。

開發(fā)目標


寶馬直列六缸增壓汽油機的目標定得很高。在適當?shù)靥岣甙l(fā)動機功率的同時,特別要求明顯地提高扭矩。當時要求努力將其最大扭矩提高到4.0L排量的八缸發(fā)動機所能達到的水平,而且要求在一個明顯較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都達到這樣的扭矩



直列六缸發(fā)動機的重要優(yōu)點是它的運行平穩(wěn)性和旋轉(zhuǎn)平衡性。這些特點使得它沒有不平衡的慣性力和慣性力矩。為了充分地發(fā)揮這些優(yōu)點,將這臺渦輪增壓發(fā)動機的轉(zhuǎn)速定在了7000r/min這么一個自然吸氣發(fā)動機的高水平上。特別重要的是,克服了經(jīng)典渦輪增壓發(fā)動機的缺點。


為了廣泛地應用于寶馬公司的車型型譜中,對發(fā)動機的體積大小和重量提出了附加的挑戰(zhàn)。

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發(fā)動機概念


增壓的六缸汽油機新方案的基礎是2004年推出的新一代直列發(fā)動機。


這臺發(fā)動機是一個新型發(fā)動機系列的第一個代表,它除了其他特點以外,特別是因為全可變的氣




門控制結構(Valvetronic)和鎂-鋁混合結構的輕金屬曲軸箱而嶄露頭角。該發(fā)動機自推出以來可以搭載在任何一款寶馬的車型系列上,迄今為止已經(jīng)生產(chǎn)了超過50萬臺,并可用于甚至能滿足最為嚴格的SULEV(美國特超低排放)廢氣限值的車型。
無論是這里介紹的增壓發(fā)動機,還是分層燃燒的自然吸氣式發(fā)動機,都是以高精度噴油(一種第二代的汽油直噴方法)為基礎的。這種高精度噴油最重要的結構特點是噴油器置于燃燒室中央,并由一臺高壓泵和一個共軌系統(tǒng)供油的壓電式噴油器。




由于要明顯地提高功率和扭矩,必須對原型發(fā)動機進行改動。例如要將它改成使用全鋁的曲軸箱,并要使用粘性扭振減振器來取代橡膠扭振減振器。

增壓系統(tǒng)




1.目標的確立


通過大量的仿真計算,對進氣和增壓空氣管道進行了優(yōu)化。這些管道短小而粗大,彎頭很少,所以使流動阻力達到了最小化。
因為對于渦輪增壓發(fā)動機來說,不要求可變進氣管長度,所以塑料進氣管比在自然吸氣發(fā)動機中簡單一些。而壓力管在高溫區(qū)域是用鋁合金制成的,其余部分則用塑料制成。集成了空氣濾清器的進氣系統(tǒng)消聲器裝在進氣系統(tǒng)的上面,與發(fā)動機固定在一起。
在設計增壓空氣冷卻器時,借助于廣泛的計算,在冷卻速率和壓力損失之間進行了折中。

2.
計算機輔助的設計過程




高達1050℃的廢氣溫度導致了很高的熱交變載荷,因而導致了極高的渦輪應力。在結構設計中進行了大量的計算機輔助工程(CAE)工作,其目的是在準備階段暴露薄弱環(huán)節(jié)并排除之。




為了確保零部件強度不出問題,通過試驗和仿真,共同確定了一系列開發(fā)重點。這些開發(fā)重點包括保證排氣歧管和渦輪殼體的熱學-機械穩(wěn)定性、確定轉(zhuǎn)子在全負荷下的轉(zhuǎn)速可靠性、估計渦輪葉輪的生命周期以及確定整個系統(tǒng)(進排氣歧管、增壓器、催化轉(zhuǎn)化器、管道和消聲器)的振動載荷。




在對渦輪殼體進行熱學-機械評估時,首先對渦輪殼體材料的不穩(wěn)定加熱和冷卻進行了計算(熱沖擊)。由此得出的溫度場可以計算出這個溫度場所引起的零部件應力分布和可能出現(xiàn)的損傷。




在實際情況下,渦輪殼體被認為是危險的具有高塑性變形的區(qū)域,在試驗中就顯示出了裂紋。通過結構設計和計算工作的緊密配合,成功地設計出了牢固的零部件。對于葉輪也進行了類似的過程。葉輪轉(zhuǎn)速可高達200000r/min,這會引起驚人的離心力,這種離心力在高溫下對葉輪材料構成了強大的載荷,以致從一個確定的轉(zhuǎn)速開始,可能出現(xiàn)塑性變形。




葉輪在200000r/min的轉(zhuǎn)速和1050℃的渦輪進口溫度下發(fā)生塑性變形的區(qū)域,變形從葉片根部開始。在用于確定超速運行的安全性的破壞試驗中也顯示出了損傷。在這項試驗中獲得了出現(xiàn)損傷的轉(zhuǎn)速。與此平行的,還通過有限元計算對這一數(shù)值進行了估計。在實際試驗中,在1050℃的溫度下,當轉(zhuǎn)速達到285000r/min時發(fā)生了破壞。在一次試驗中,渦輪葉輪在300000r/min的轉(zhuǎn)速下發(fā)生破壞,這說明了CAE分析具有良好的預見性。




根據(jù)華勝專修奔馳,寶馬維修連鎖維修專家指出:發(fā)生破壞的這個轉(zhuǎn)速,基本上與用于檢驗渦輪葉輪的鑄造質(zhì)量吻合得很好。如果采用的是貴重的均勻組織的材料,那么試驗獲得的破壞轉(zhuǎn)速在各次試驗中的可重現(xiàn)性相當好。




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