發(fā)動(dòng)機(jī)可變配氣相位技術(shù)

1、發(fā)動(dòng)機(jī)可變配氣相位技術(shù)(VVT engine technology)本文介紹了通過在配氣機(jī)構(gòu)多剛體模型中引入柔性體，描述了配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，建立了柔性體氣門彈簧,分析了氣門彈簧動(dòng)剛度的非線性行為,并且依據(jù)模態(tài)技術(shù)計(jì)算得到其動(dòng)態(tài)應(yīng)力。主要從進(jìn)氣門晚關(guān)角及進(jìn)排氣的動(dòng)態(tài)效應(yīng)幾方面著手，不斷改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位以及進(jìn)排氣系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能曲線逐步接近計(jì)算機(jī)仿真曲線。其中配氣相位、進(jìn)氣門間隙、排氣門間隙、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷五個(gè)調(diào)整參數(shù)之間是相互影響的。該方法為優(yōu)化設(shè)計(jì)配氣機(jī)構(gòu)等機(jī)械產(chǎn)品及對(duì)其進(jìn)行疲勞性能研究提供了依據(jù)。該儀器可檢測各種汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能、高壓點(diǎn)火性能、燃油噴射性能、充電性能、動(dòng)力

2、性能、配氣相位、發(fā)動(dòng)機(jī)異響震動(dòng)分析等30余種技術(shù)參數(shù)，并分析故障產(chǎn)生的原因，在檢測過程中，可隨時(shí)顯示各種波形及技術(shù)參數(shù)和結(jié)果并可隨機(jī)打印，該儀器內(nèi)存有一百多種國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)，內(nèi)容十分豐富，隨時(shí)可以與檢測結(jié)果對(duì)比。目前，汽車工業(yè)的發(fā)展正在面臨著兩個(gè)主要問題能源的枯竭與環(huán)境的污染?，F(xiàn)代高科技的發(fā)展已將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能、減排、低排放作為“節(jié)能-高效-環(huán)?！币惑w化課題進(jìn)行綜合研究和技術(shù)開發(fā)。為了同時(shí)提高汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性,滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求,世界各大公司競相采用新技術(shù)生產(chǎn)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位對(duì)其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排氣污染都有重要的影響。為了保護(hù)環(huán)境以及為了人類可持

3、續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)低能源消耗和低排放污染已成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)在保證良好動(dòng)力性的同時(shí)，又要降低燃油消耗量，需要某種可變配氣相位機(jī)構(gòu)能使氣門正時(shí)、氣門開啟持續(xù)時(shí)間及氣門升程等參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)隨發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即配氣相位角也應(yīng)該隨之改變。最佳的配氣相因此，二十一世紀(jì)符合市場需求的應(yīng)當(dāng)是節(jié)能、環(huán)保、高性能的汽車。從進(jìn)氣晚關(guān)角及進(jìn)排氣的動(dòng)態(tài)效應(yīng)幾方面著手，不斷改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位以及進(jìn)排氣系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能曲線逐步接近計(jì)算機(jī)仿真曲線。位能使發(fā)動(dòng)機(jī)在很短的換氣時(shí)間內(nèi)充入最多的新鮮空氣（可燃混合氣），并使排氣阻力減小，廢氣殘留量最少，從而獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，更高的扭矩

4、和功率特性，提高汽車怠速穩(wěn)定性和降低排放污染。因此，二十一世紀(jì)符合市場需求的應(yīng)當(dāng)是節(jié)能、環(huán)保、高性能的汽車。關(guān)鍵詞： 發(fā)動(dòng)機(jī) 配氣正時(shí) 可變配氣相位 內(nèi)燃機(jī)配機(jī)機(jī)構(gòu)一、可變氣門正時(shí)技術(shù)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī),往往將氣門正時(shí)設(shè)計(jì)成高速全負(fù)荷工況最為有利,以便求得最大的標(biāo)定功率。近年來由于更注重油耗和排放，就必須考慮小負(fù)荷的工況，因?yàn)樾∝?fù)荷的工況對(duì)排放的影響最大。這樣，這兩個(gè)工況范圍對(duì)氣門運(yùn)行參數(shù)的要求甚至是矛盾的，因此需要綜合發(fā)動(dòng)機(jī)的全部工況，采取一種折衷的處理方式來確定這些參數(shù)，長期以來，這些這種可能被認(rèn)為是可靠的，可行的。然而傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門正時(shí)系統(tǒng)，是一種配氣相位即氣門開啟和關(guān)閉都一成不變機(jī)械系統(tǒng)，這

5、種配氣系統(tǒng)很難滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在多種工況對(duì)配氣的需要，不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速工況下均輸出強(qiáng)勁的動(dòng)力要求。而可變氣門正時(shí)系統(tǒng)是一種改變氣門開啟時(shí)間或開啟大小的電控系統(tǒng)，通過在不同的轉(zhuǎn)速下為車輛匹配更合理的氣門開啟和關(guān)閉，來增強(qiáng)車輛扭矩輸出的均衡性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率并降低車輛的油耗。變氣門技術(shù)可以用來減小發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失、加快進(jìn)氣速度、改善混合氣質(zhì)量、提高進(jìn)氣效率、最終改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程，使動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性以及響應(yīng)性能得到綜合提高。對(duì)于汽油機(jī)而言，應(yīng)用可變氣門技術(shù)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性：低速時(shí),提前關(guān)閉進(jìn)氣門減少進(jìn)氣回流;高速時(shí),推遲關(guān)閉進(jìn)氣門,充分利用氣流的慣性過后充氣,提高充氣效

6、率，改善部分負(fù)荷的燃油經(jīng)濟(jì)性：眾所周知,部分負(fù)荷時(shí)汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性低于柴油機(jī)的一個(gè)重要原因是節(jié)氣門帶來的泵吸損失。通過可變氣門技術(shù)，在部分負(fù)荷時(shí)利用進(jìn)氣門早關(guān)，減少壓縮始點(diǎn)缸內(nèi)混合氣的量，即可實(shí)現(xiàn)無節(jié)氣門的負(fù)荷控制方式,減少泵吸損失,提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。另外，也可以通過氣門的升程來控制負(fù)荷。在小負(fù)荷時(shí)，利用較小的氣門升程，控制進(jìn)入缸內(nèi)的混合氣的量，同樣可以實(shí)現(xiàn)無節(jié)氣門的負(fù)荷控制方式。而且，由于氣門升程較小，流過氣門的氣流速度較快，改善了燃油與空氣的混合，進(jìn)而可以改善燃燒過程。改善怠速的穩(wěn)定性和低速時(shí)的平穩(wěn)性：怠速時(shí)，通過可變氣門定時(shí)，減小氣門重疊角，進(jìn)而減小充量更換過程中進(jìn)排氣的相互影響，提高怠

7、速和低速的穩(wěn)定性，并可以降低怠速轉(zhuǎn)速。降低排放：利用可變氣門技術(shù)，控制缸內(nèi)EGR量，可以有效降低排放，特別是NOx的排放?？勺儦忾T正時(shí)系統(tǒng)的原理四行程發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，吸入新鮮空氣，排出高溫廢氣。這種進(jìn)氣和排氣的全過程，稱為換氣過程。在高速發(fā)動(dòng)機(jī)中，每個(gè)循環(huán)的進(jìn)排氣過程時(shí)間極短，在這極短的時(shí)間內(nèi)，被吸入的可燃混合氣越多，廢氣排的越干凈、越徹底，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率就可能越大。反之，發(fā)出的功率就越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性就會(huì)下降。因此，需要適時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)排氣門。由內(nèi)燃機(jī)原理可知，氣門的開閉位置和活塞的位置有關(guān)，活塞的位置和曲軸的轉(zhuǎn)角有關(guān)，用曲軸轉(zhuǎn)角來表示氣門的開閉時(shí)間，就是配氣相位。從配氣相位

8、圖中，可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣門的開啟和關(guān)閉分別提前打開和延遲關(guān)閉。以便爭取最大的“時(shí)間斷面”。把氣門提前開啟時(shí)刻稱作提前角，氣門遲后關(guān)閉時(shí)刻稱作遲閉角。由于排氣遲后關(guān)閉和進(jìn)氣提前開啟，這就存在著一個(gè)進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟的氣門重疊階段，氣門疊開時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣門重疊角。實(shí)驗(yàn)證明，在高轉(zhuǎn)速時(shí)，氣門重疊角大一些對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)是十分有利的。就配氣相位而言，氣門重疊角的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，則氣門重疊角就相應(yīng)設(shè)置大些。在進(jìn)、排氣門開、閉的四個(gè)階段中，進(jìn)氣門遲閉角和進(jìn)、排氣門疊開角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率有較大的影響，以進(jìn)氣門遲閉角為例：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，進(jìn)氣門遲閉角過大，新鮮充量被向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)

9、的活塞推回到進(jìn)氣管，這是因?yàn)榛钊较轮裹c(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)壓力與進(jìn)氣管壓力相近；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，允許有較大的進(jìn)氣門遲閉角，這是因?yàn)榛钊较轮裹c(diǎn)時(shí)缸內(nèi)壓力遠(yuǎn)低于進(jìn)氣管壓力，可以獲得較多的過后充量。改變進(jìn)氣門的遲閉角可以改變充氣效率隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢，用來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，以滿足不同的使用要求。如果進(jìn)氣遲閉角加大，高轉(zhuǎn)速時(shí)充氣效率增加，有利于發(fā)揮最大功率，但對(duì)中、低速性能不利；反之，則對(duì)高速時(shí)最大功率的發(fā)揮不利。由上述可知，配氣相位與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。原則上，一種配氣相位只適合一種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。配氣相位取決于凸輪輪廓的形狀，配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響很大，且由于凸輪型線的不同，也決定了發(fā)動(dòng)機(jī)是高速性能還是低

10、速性能。如果是高速性能的發(fā)動(dòng)機(jī)，則在高轉(zhuǎn)速范圍功率很大，但在中低轉(zhuǎn)速范圍功率下降很多；反之，則在高轉(zhuǎn)速范圍功率下降很多。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)要求在任何轉(zhuǎn)速范圍都能獲得較大的功率，這就要求配氣相位能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況及時(shí)做出調(diào)整，因此，可變配氣相位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1、 可變配氣相位調(diào)整原理圖1.3 配氣相位可變+氣門開啟角、氣門升程可變圖1.1 配氣相位可變 圖1.2 氣門開啟角、氣門升程可變從配氣相位圖上可以看出，活塞從上止點(diǎn)移到下止點(diǎn)的進(jìn)氣過程中，進(jìn)氣門會(huì)提前開啟和延遲關(guān)閉；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)做功完畢后，活塞從下止點(diǎn)移到上止點(diǎn)的排氣過程中，排氣門會(huì)提前開啟和延遲關(guān)閉。這樣，必然會(huì)出現(xiàn)進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟的時(shí)刻，

11、即氣門重疊階段，有可能會(huì)造成廢氣倒流，為了消除這一缺陷，采用了“可變式”的氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)?？勺兪綒忾T驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是在發(fā)動(dòng)機(jī)低速工作時(shí)減少氣門行程，而在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)增大氣門行程，改變氣門重疊階段的時(shí)間，使發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)能提供強(qiáng)大的功率，在低轉(zhuǎn)速時(shí)又能產(chǎn)生足夠的扭矩，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。即氣門可變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能根據(jù)汽車的運(yùn)行狀況，隨時(shí)改變配氣相位，改變氣門升程或氣門開啟的持續(xù)時(shí)間?？勺兣錃庀辔坏恼{(diào)整原理：1)怠速狀態(tài) 在怠速時(shí)，通過消除氣門重疊角，以減小廢氣進(jìn)入進(jìn)氣道，達(dá)到穩(wěn)定怠速，提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。2)中等負(fù)荷在中等負(fù)荷行駛范圍內(nèi)，通過增加氣門重疊從而增加了內(nèi)部EGR（廢氣再循環(huán)）量，這樣減

12、少了進(jìn)氣歧管內(nèi)的負(fù)壓。因而也減小了活塞的泵吸損失并且改善了油耗。另外，由于內(nèi)部EGR的結(jié)果以及未燃?xì)怏w的再次燃燒，降低了燃燒溫度，NOx（氮氧化合物）排放減少，HC排放也減少。3)從低速到中速大負(fù)荷在低速到中速大負(fù)荷行駛范圍內(nèi)，采用提前關(guān)閉進(jìn)氣門，提高充氣效率。這樣，在低速到中速范圍提高扭矩輸出。4)高速大負(fù)荷在高速大負(fù)荷行駛范圍內(nèi)，采用推遲進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻，提高充氣效率，達(dá)到提高功率的目的。5)低溫下在低溫狀態(tài)下時(shí)，采用消除氣門重疊防止廢氣竄入進(jìn)氣道。減少低溫下燃油消耗，穩(wěn)定怠速，降低怠速轉(zhuǎn)速。最終穩(wěn)定怠速，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。6)啟動(dòng)/停機(jī)在啟動(dòng)或者停機(jī)時(shí)，消除氣門重疊以消除廢氣進(jìn)入進(jìn)氣道，從而

13、提高氣動(dòng)性能。2、可變配氣相位技術(shù)條件理想的配氣相位應(yīng)滿足以下條件：1)低速時(shí)，采用較小的氣門疊開角和較小的氣門升程，防止汽缸內(nèi)新鮮充量向進(jìn)氣系統(tǒng)倒流，以增加扭矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。2）高速時(shí)，應(yīng)具有最大氣門升程和進(jìn)氣門遲閉角，最大限度的減小流動(dòng)阻力，充分利用流動(dòng)慣性，提高充氣系數(shù)，以滿足動(dòng)力性要求。3）能夠?qū)M(jìn)氣門從開啟到關(guān)閉的持續(xù)期進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的進(jìn)氣定時(shí)?？勺兣錃庀辔桓淖兞伺錃庀辔还潭ú蛔兊臓顟B(tài)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)提供最佳的配氣正時(shí)，提高了充氣系數(shù)，較好的解決了高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速，大負(fù)荷與小負(fù)荷條件下動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾，在一定程度上改善了廢氣排放、怠速穩(wěn)定性和低速平穩(wěn)性，降低了怠速

14、轉(zhuǎn)速。二、可變配氣相位技術(shù)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)使用機(jī)械式氣門系，這種驅(qū)動(dòng)形式的有效性、可靠性強(qiáng)，但是缺點(diǎn)也很明顯：不能改變氣門正時(shí)、延續(xù)時(shí)間和進(jìn)氣門升程。隨著汽油直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷推出以及排放法規(guī)的強(qiáng)化等，為了解決上述問題，可變配氣機(jī)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能化，可變配氣機(jī)構(gòu)作為一個(gè)重要的手段正變得越來越必要和不可缺少。為了實(shí)現(xiàn)配氣機(jī)構(gòu)的最大可能的多自由度的可變，利用電磁閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的開發(fā)也在進(jìn)行中，這種系統(tǒng)能對(duì)氣門開啟角實(shí)現(xiàn)各種角度的可變，將來也可能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，但從成本方面來說，可能還不能完全取代現(xiàn)行的可變配氣機(jī)構(gòu)。無凸輪驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)可分為電

15、磁驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)、電液驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)、電氣驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)以及其他驅(qū)動(dòng)方式的可變配氣相位機(jī)構(gòu)。電磁驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)氣門；電液驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)是利用一種壓縮性較小流體的彈性特征對(duì)氣門的開啟和關(guān)閉起加速和減速的作用，對(duì)內(nèi)燃機(jī)氣門正時(shí)、氣門升程和氣門運(yùn)動(dòng)速度提供了連續(xù)的可變控制；電氣驅(qū)動(dòng)可變配氣相位機(jī)構(gòu)與前者的工作原理相似，只不過所用的介質(zhì)是空氣。在未來的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中，無凸輪軸可變氣門正時(shí)技術(shù)將成為研究與應(yīng)用的主流，它將集成在ECU中，高效可靠地發(fā)揮提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和扭矩、降低排放和燃油消耗的雙重作用。運(yùn)用VVT技術(shù)可以大大改善怠速穩(wěn)定性和低

16、速平穩(wěn)性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩，擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，降低部分負(fù)荷燃油消耗率；改善廢氣排放。所以VVT在未來的很長一段時(shí)間內(nèi)將會(huì)是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的重要組成部分。參考文獻(xiàn)1. 蘇巖;李理光;肖敏 可變配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響 期刊論文 -汽車技術(shù)2000(10) 2. 何玲 電噴發(fā)動(dòng)機(jī)可變進(jìn)氣系統(tǒng)的研究 學(xué)位論文 2002 3. 邵顯龍 可變配氣機(jī)構(gòu)的種類、構(gòu)造和未來動(dòng)向 期刊論文 -汽車研究與開發(fā)2001(04) 4. 期刊論文 液氮發(fā)動(dòng)機(jī)及其性能分析 - 車用發(fā)動(dòng)機(jī)2005(4) 5. 學(xué)位論文 車用高速柴油機(jī)四氣門配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究 2004 6. 期刊論文 淺談二沖程與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)差異

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