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本田雅阁换完水泵后发动机抖动并有噪音
故障现象:也许是由于设计上的原因,本田雅阁轿车上的水泵较其他车更易早期损坏,从而导致水温过高。而换完水泵后,出现发动机振动和噪音,常常引起客户的不满。故障检修:为什么换完水泵后,发动机会无缘无故振动加剧,噪音变大呢?在更换水泵时必须要拆除正时皮带,而某些本田雅阁轿车的正时皮带与其他车型的不同。它不但...故障现象:也许是由于设计上的原因,本田雅阁轿车上的水泵较其他车更易早期损坏,从而导致水温过高。而换完水泵后,出现发动机振动和噪音,常常引起客户的不满。
故障检修:为什么换完水泵后,发动机会无缘无故振动加剧,噪音变大呢?
在更换水泵时必须要拆除正时皮带,而某些本田雅阁轿车的正时皮带与其他车型的不同。它不但有其他车型都有的凸轮轴正时皮带,还有一般车型没有的平衡轴正时皮带。而调整平衡轴正时方法与一般的凸轮轴调整正时的方法有所不同,容易导致平衡轴正时错误,最终表现为发动机平衡性变差而振动加剧。同时,因平衡轴正时皮带在不平衡的状态下运转,产生周期性的噪音,使发动机噪音变大。
一般的发动机为了简化结构,都用平衡块来解决发动机的平衡问题,而追求完美的本田公司,除用平衡块外,还采用了相对较为复杂的双平衡轴结构;以便减少发动机的振动。双平衡轴由平衡轴正时带驱动,安装时的正时方法有其特殊性,如图 1所示。在平衡轴正时时,把螺栓8拆下,用一长140mm和10mm螺栓9插入孔中,转动相应平衡轴,直到9在轴孔中安放好,即说明已达到正时点,装上正时皮带后把9取出,再装上8即可。
「持续改进破茧成蝶」本田混动用2.0L发动机开发解密——上
曾经江湖传言,世界上有两种混合动力,一种叫丰田混合动力,一种叫其他混合动力。丰田从第一代普锐斯以来,凭借着技术底蕴与专利壁垒,牢牢占据混动车型的市场。很多品牌都尝试在该领域分一杯羹,却铩羽而归。丰田也在该领域笑傲江湖,赚得盆满钵满。
但是,随着本田君I-MMD系统横空出世,已经具备正面挑战丰田THS的技术实力。目前市场上本田雅阁混动和CHR混动都具备非常优异的表现,在动力性能更好的前提下,能够做到和丰田混动同等的油耗表现,可以说相当的惊艳。
技术没有捷径,本田I-MMD系统并不是变出来的,至今已经发展到第三代。它成功的秘诀在于——持续改进。由于I-MMD是一个非常复杂的系统,涉及到发动机,变速箱,电池,逆变器,电机,控制系统等等。本文从我的专业领域来介绍本田雅阁混动用的2.0L自然吸气发动机的开发。
本文分为两篇,该文为上篇
本田雅阁混动用2.0L发动机开发解密上——混动发动机的诞生
本田雅阁混动用2.0L发动机开发解密下——混动发动机的突破
1混动用发动机的开发目标在i-MMD混动系统之前,本田是没有混动用的发动机的,混动发动机追求的性能指标和传统发动机是不相同的,如果单纯的拿传统发动机来用,无法做到领先的燃油经济性。
因此,在设计之初,本田确认了下述性能目标:
(1)低油耗:混动工况燃油经济性改善
(2)轻量化:DOHC化下要降低重量(低于base 2.0L发动机)
(3)排放性能:北美PHEV排放标准,SULEV20法规合格
(4)噪音:中级车水准的NVH性能
2主要结构和性能参数2.1 发动机配置
第一代混动发动机外观如图1所示,与目前量产2.0L发动机的对比如表1所示。为了实现更高的热效率,该发动机采用了DOHC,进气侧气门机构使用了VTEC和电动VTC技术,排气侧气门使用了装备液压挺杆Hydraulic Lash Adjuster(HLA)冲压型摇臂(rocker arm)结构。由于轻量化,提高了气门升程曲线的上升加速度,膨胀行程减少了损失。为了保证稳定的大量EGR,采用了高滚流比设计,为了缓解流动阻力又增大了进气门的直径(增加1mm)。气缸偏置(cylinder offset)也进行改良,气缸体(Cylinder block)高度下降降低重量。曲柄轴颈直径(crank journal diameter)也从55mm改为50mm,从而降低了磨损并减少重量。压缩比提高至13,并使用阿特金森循环、低温EGR。电子水泵的采用也取消了皮带,降低了摩擦。喷射方式从成本和燃油经济性考虑折中,还是保留了多点电喷。
图1 第一代混动2.0L发动机
表1 混动用发动机与基础型对比图
2.2 性能
发动机性能如图2所示,最高功率在6200rpm,有105kW,最大扭矩发生在4500rpm,有165Nm。
图2 发动机性能曲线
2.3 燃油经济性
燃油消耗率(BSFC)的分布如图3所示,黄色线为混动模式的工作曲线,白色区域为常规发动机模式下的工作区域。在2500rpm,120Nm的工况点,BSFC为214g/kWh。与量产的2.0L发动机相比,同等扭矩下BSFC至少节约了10%。
图3 发动机BSFC图
图4 燃油经济性改善
2.4 排放性能
图5为排气系统的3D图,本田设计了一套利用混动系统特性,通过启动后调整发电量,让两个催化器快速暖机提高效率的新控制系统。另外启动时将进气门调整为窄性能凸轮,降低了排放,实现了北美市场PHEV规范的SULEV20法规,如图6所示。
图5 排气系统示意图
图6 SULEV20排放法规
3 技术手段3.1 VTEC
进气气门采用的VTEC系统的构造如图7所示。每1个气缸,由3个凸轮和摇臂组成。两侧蓝色为性能凸轮,中间绿色为节能凸轮。当使用性能凸轮时,连接销在关闭状态,摇臂单独工作,当使用节能凸轮时,连接销在打开状态,摇臂会通过销的作用而工作。为了让销在低转速区域顺利地切换,通过油压控制销的打开与关闭。这套系统就叫VTEC。
性能凸轮和节能凸轮在工作时对气门升程的曲线影响如图8所示,运行工况如图9所示。性能凸轮的开角较窄,1mm以上的升程范围有196CA,当系统要求发动机在全负荷工作和启动时使用性能凸轮方案。节能凸轮开角宽,1mm以上的升程范围有240CA,在燃油经济性需求的工况下使用。
图7 VTEC结构图
图8 气门时刻曲线
图9 VTEC 工作范围
3.2 低温EGR
混动发动机的主要工作领域在效率较高的中高负荷区域,为了改善燃油经济性,缓解爆震,采用了低温EGR系统。但是低温EGR会让燃烧变得缓慢,存在燃烧安定性下降的情况。因此,为了提高燃烧速度,必须使用高滚流比的进气管,如图10。要想实现高滚流比,要对目前燃烧室进气侧流场进行优化,对侧面的形状进行调整,对进气管边缘的角度进行优化。气缸内流场的分析结果如图11所示。减少了气门和吸气侧壁面间的流动气体,提高了滚流比。另外,改变了进气角度,在气门口形成高流速,在燃烧室内形成高滚流比。滚流比从0.73提高到1.4。该进气道的改善效果如图12所示,通过高滚流比,缸内平均有效压力(IMEP)下的变动率得到改善,并且,在油耗最低点的图示燃油消耗率(ISFC)降低了5%。
图10 高滚流比进气道
图11 流场仿真结果
图12 高滚流比效果
3.3 轻量化技术
为了提高燃油经济性,轻量化技术是必不可少的,尤其对于混动车来说,因为有了动力电池,其对轻量化的要求更高,对发动机进行轻量化设计势在必行。
3.3.1曲轴
如图13所示,对曲轴的配重部分进行切削,把不需要的部分消除掉,这个技术在世界属于首创,也是一个坑(下一篇会提到)。曲轴直径从55mm变成50mm,配重数量也从8个变为4个,总体上减轻了3.7kg。
图13 曲轴设计优化
3.3.2 活塞
考虑到这款发动机为混动专用,只会用到部分扭矩区间,且加速时可以依靠电机发力,所以对发动机本体的功率和扭矩要求不高,可以让最大燃烧压力降低下来,因此对结构的强度要求不高。与量产2.0L发动机的最大燃烧压力7.9MPa相比,混动用发动机只有5.6MPa。与之对应,在压缩的行程、活塞孔、长度都进行轻量化设计,每个活塞减轻了61g,总体减轻了246g,如图14。通过这个部分的轻量化,降低了摩擦阻力,提高了燃油经济性。
图14 活塞设计优化
3.3.3排气侧press-type rocker arm
通过轻量化与气门升程曲线的设计,扩大阿特金森循环的范围,排气侧采用了HLA和press-type rocker arm,如图15所示。与本田传统的传统机构相比,降低了1.3kg。
图15 press-type rocker arm
3.3.4电子水泵
如图16所示,采用了电子水泵,取消了传动皮带,降低了1.3kg重量。通过以上技术,与现款发动机相比一方面增加了DOHC系统,一方面降低了4.7%的重量。
图16 电子水泵
3.4 电动VTC
这款发动机为了提高燃油经济性,设计压缩比为13,在怠速停止使用性能凸轮时,再启动电机拖拽发动机时燃烧室压力过大导致振动较大,商品性下降。为了解决这个难题,对启动时的进气门关闭时间(Intake valve close timing:IVC)进行延迟缓解燃烧室压力。采用了电动VTC,工作的效果如图17所示。
图17中红线为IVC 76deg下的发动机转速上升,蓝线为IVC96deg的发动机转速上升,IVC76deg时,600rpm以下发生明显共振,且振动存在残留,影响到后续的转速,当IVC在96deg时,转速上升非常顺滑。一般启动时NVH差的原因在于发动机共振,并且转速从低到高的过程中振动频率也是从低到高,所以从构造上解决共振是很困难的。通过对IVC迟角,缓解泵气效果,从而降低振动。下面就具体实现的手法进行阐述。
发动机停止的时候,ECU控制VTC在IVC最迟角状态(96deg)并时刻准备着再次启动。再启动电机驱动时,当发动机转速到共振区域外的600rpm以上后,再让VTC进角,燃油喷射开始前调整至所定的IVC(76deg)。通过这个控制逻辑,抑制了振动的发生源,保证了必要的NVH性能。
这一系列的操作在很短的时间内完成,对VTC有很高的响应性要求,传统的油压式VTC无法满足设计要求,必须采用电动VTC。采用电动VTC后,在不牺牲任何性能、排放的基础上,实现了较高的NVH性能。
图17 电子VTC效果图
通过对以上技术的投入,混动发动机的开发完成了。
4 小结这款发动机为本田I-MMD第一代混动发动机,主要的特色就是低油耗和低排放,所以在某已有机型基础上,做了大幅度的优化设计。但是,这款发动机的性能指标并不能算突出,热效率只有39。1%,对于本田这种技术宅来说,只是解决了从无到有,远远算不上一款优秀的发动机。因此,本田在第二代I-MMD和第三代I-MMD上,对该发动机做了大幅度的设计优化,实现了40.6%热效率,成为一款优秀的发动机。
(未完待续……本田雅阁混动用2.0L发动机开发解密下——混动发动机的突破)
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