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全球節能減排法規趨嚴，促使車企都在向小排量發動機方向發展。不論是美國的通用、福特，歐洲的雷諾、BBA、PSA，還是日本的豐田、本田、日產，均有各自主打的小排量發動機系列。 發動機小型化的最終目的是為了節能、高效，那么排量減小后依托哪些技術與大排量發動機競爭？一般來說，小排量發動機中都會采用渦輪增壓、缸內直噴等技術，使得發動機的升功率提升，并改變其燃燒方式。甚至從前用在大排量發動機上的“停缸”技術也“移植”到了小排量發動機中。在發動機這個結構高度復雜的汽車“心臟”中，任意一項技術都不會獨立存在，某個組件的變化使得其他組件要進行相應的調整。 正時鏈：正時皮帶的完美替代方案 拿“停缸”技術來說，實時證明，原來的正時皮帶無法承受“停缸”時瞬時動態力的變化。而在高壓縮比、高升功率的發動機中運行工況更為“激烈”，皮帶壽命會下降以及系統控制適應性，因此亟需一項替代方案。正時鏈系統憑借強度、耐久度、成本、NVH和系統控制等多方面的優勢成為了一項潛力巨大的可替代技術，下面是皮帶與鏈條的各項性能對比： 1、強度 鏈條每毫米寬度可承受270牛的力，而皮帶每毫米寬度則僅能承受100牛的力。因此，要達到相同強度，皮帶相比鏈條就要更寬，從而占用更多空間，與小型化趨勢背道而馳。 2、摩擦性能 2012年，福特、馬勒和英國政府聯合制作了一份報告，其中研究指出，鏈系統只需稍加改善，其傳動效率可比皮帶高出5%。全球性汽車零部件供應商博格華納也分別在三缸和四缸發動機上進行過試驗，結果表明：在三缸發動機上，鏈系統和濕式皮帶的摩擦力比較接近，而在鏈系統進行優化調整后，其摩擦力比濕式皮帶更低；另一臺四缸發動機上，干式皮帶和鏈系統的摩擦力對比結果同樣表明，相對于干式皮帶，鏈系統的摩擦更低。博格華納有著多項專利技術用來減少鏈系統的摩擦，這一點后文會詳細闡述。 3、NVH性能 博格華納摩斯系統工程師告訴記者，皮帶系統的NVH性并不比鏈條好。皮帶的固有特性導致了它對張緊器張力水平有太大的限制，具體表現為：張緊力過大，運轉過程中就會發生打滑，造成很大的氣動噪聲，張緊力過小，則會發生跳齒現象。而鏈系統的噪聲則來源于嚙合噪聲、鏈條和導軌間的沖擊噪聲，如果系統控制良好的話，鏈系統的噪聲可以很好控制到符合要求的水平。 4、耐久性能 美國IHS公司報告指出，72%的采用皮帶的發動機，11萬公里就需更換皮帶，27%在11萬-16萬公里范圍內需要更換，剩余1%為16-19萬公里。而鏈系統的耐久性更加長，更換周期為24萬-48萬公里，這幾乎與發動機本身的壽命相同。 5、控制難度 凸輪軸動態擺動幅度是衡量鏈系統和皮帶系統控制難度的一個參數，擺動幅度大會使發動機性能受到影響，氣門開啟的效率受到影響。據了解，鏈系統在運行過程中的擺動幅度為3°，而皮帶系統的擺動幅度為8-11°。 發動機小型化，比如3缸、增壓技術等，以及其它性能強化技術，如大氣門升程、可變相位器等，會增加凸輪軸驅動扭矩；直噴、停缸技術、起停裝置、高平均有效壓力等，會使曲軸扭轉振動大。這些要求對正時驅動系統有很好的控制特性。通常，鏈系統采用液壓張緊器，利用液壓的強阻尼特性，以及不同的張緊器設計可以有效控制系統。 鏈系統的挑戰 缸內直噴技術隨著發動機小型化的趨勢而普及，混合氣燃燒方式從預混合燃燒變成了擴散燃燒。前者燃燒室中的油已經充分分散到空氣中，不會發生脫氫，不會聚合成碳顆粒；后者是單點點火擴散燃燒方式，混合氣濃度變化比較大，有的地方稀，有的地方濃（甚至形成油顆粒），在高溫下，油滴會發生脫氫，就會形成碳顆粒物，也就是PM。 另外，直噴增壓發動機燃燒過程中會產生化學產物，比如氮氧化物、硫化物等會變成酸性物質。 對于增壓發動機，增壓產生的壓差會改變發動機通風流動路線，因此這些中間產物以及碳顆粒物會進入發動機的機油循環系統里，造成機油品質劣化 再者，直噴發動機的油在某些工況下會直接噴到發動機缸壁上，或者噴到活塞表面上，在冷機狀態、燃燒不充分、或者噴油量不合適的時候，燃油會流入機油潤滑系統，稀釋機油，使得機油無法發揮正常潤滑作用。這些對于鏈系統的摩擦副都是有害的，例如鏈板和銷子等此類連接處。 以上這些因素結合，就會導致鏈條伸長。伸長比例過大，超過一定限值鏈條會發生跳齒。這是發動機小型化以后對鏈系統的一個非常突出的挑戰。針對這一挑戰，博格華納開發了新型鏈條，才用不同的設計、表面處理工藝、鏈板沖壓方式等技術，來提高鏈條耐磨損伸長性能，應對發動機小型化等帶來的要求。 低摩擦鏈條技術 如果說一輛車從加完油算100%效率的話，那么車輛啟動后，60%是熱損失，40%是機械損失。機械損失中，機械摩擦損失占32%，其中，發動機摩擦損失占6%，具體如下圖。
而正時系統占據發動機摩擦損失的1/6，也就是說，正時系統的摩擦損耗占整車燃油效率損耗的1%。博格華納工程師告訴記者，這1%還能再細分，其中包括鏈板和銷子的摩擦、鏈條和鏈輪的摩擦、鏈條和導軌的摩擦等。而鏈條和導軌的摩擦占據了整個鏈系統摩擦的大頭，因此，博格華納針對性地開發了鏈條與導軌的降摩擦技術，通過降低摩擦系數和降低鏈條張力兩個方面 鏈條和導軌之間的摩擦屬于滑動摩擦，存在三種不同的摩擦方式：干摩擦、邊界摩擦和油膜摩擦。減少油膜厚度有利于降低摩擦系數，博格華納設計開發了不同的鏈板設計，達到了很好的效果，可以降低0.5%-1%的發動機油耗。 針對導軌，博格華納也有一些技術改善其摩擦，主要通過新材料實現。工程師介紹，他們通過PA66、PA46等尼龍材料，甚至在里面加添加劑，通過這些輕量化材料來降低導軌的摩擦系數。當然，不同材料的降摩擦性能也不同、成本也不同。 在降低鏈系統張力方面，博格華納開發出了很多不同的技術和產品。比如RA鏈輪 “RA”代表“ResonanceAttenuation”。據了解，它擁有獨特的形狀（非規則圓），可以抵消鏈條和軸之間的振動，起到了調諧的作用，避免產生諧振，降低鏈條張力，達到降低摩擦的效果 此外，博格華納摩斯系統工程師透露，該公司目前正在研發一款可變力張緊器（VFT）。VFT能實現可變張力，讓鏈傳動系統在盡可能低的張力水平下運作，來降低摩擦損耗，從而實現節油。根據博格華納的實驗數據顯示，VFT在發動機中低速運轉時可減小鏈條摩擦20%-30%。 |
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