（动力机械及工程专业论文）电控液压驱动可变配气系统的设计与试验研究.pdf

哈尔滨_ t 程大学硕十学位论文 摘要 传统的凸轮轴配气机构由于配气相位固定，其相位是通过不同工况下 各种不同配气相位的试验，从中选取某一固定配气相位兼顾其它工况，只 能是发动机各个工况下的折中方案。由于其配气相位是固定的，无法在运 行过程中进行调节，所以发动机性能难以在各个工况下都达到最佳。但是， 随着燃油经济性和降低有害排放物的要求日益严格，已不能满足现代发动 机的工作要求。 无凸轮可变配气技术可以根据发动机的工况优化气门的正时、升程、 持续期和其它参数。使得其可以在发动机整个工作范围内，根据不同工况 下的要求，提供合适的气门开启、关闭时刻和升程，从而改善发动机的整 体性能，这种技术随着其控制技术的成熟越来越引起人们的关注。 电控液压驱动可变配气系统是无凸轮轴可变配气技术的一种。通过对 国内外各种电控液压驱动可变配气系统的分析和比较，本文提出了一款电 控液压驱动可变配气系统设计方案，并运用m a t l a b s i m u li n k 软件建立了 该方案的机、电、液仿真模型，通过对该方案的主要结构参数，如柱塞半 径、气门弹簧刚度、电磁阀流通面积等参数的研究，得到这种可变配气系 统运动特性规律，为系统的开发和研制提供帮助。 本文在设计和仿真的基础上，开发出一套可变配气系统，系统主要包 括液压系统、执行机构以及控制系统等。将该系统安装在4 1 0 2 b g 发动机上， 代替原来的配气机构，并对该系统的性能进行了试验研究。试验结果表明： 本套结构能够控制气门的气门正时，缓解气门落座冲击。同时研究了运行 参数如发动机转速、液压系统的压力和驱动电压对可变配气机构控制特性 的影响，这些参数不同程度地影响着可变配气的动态特性。 最后利用g t p o w e r 软件建立了4 1 0 2 b g 型发动机的仿真模型，对可变 配气技术在发动机上的应用进行了仿真分析和选优。 关键词：可变配气系统；仿真；试验研究 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a le n g i n e sc a mv a l v et i m i n gi sf i x e da n dt h ev a l v et i m i n gi s d e t e r m i n e dt h r o u g hv a r i e dv a l v et i m i n ge x p e r i m e n t sw i t hc o n s i d e r a t i o no f o t h e r s o p e r a t i o nc o n d i t i o n s b e c a u s ei t s v a l v et i m i n gi sf i x e da n dc a nn o t a d j u s td u r i n gw o r k i n gc o n d i t i o n t h e r e f o r ee n g i n ec a p a b i l i t yi sd i f f i c u l tt ob e t h eb e s tw o r k i n gc o n d i t i o nu n d e rv a r i e do p e r a t i o nc o n d i t i o n s a l o n gw i t ht h e r e q u e s to ft h ef u e le c o n o m ya n dl o w e rh a r m f u le m i s s i o n sb e c o m em o r ea n d m o r es t r i c t ，t h et r a d i t i o n a lv a l v es y s t e mi sh a r d l ym e e tt h e s er e q u e s t s t h es y s t e mc a na c h i e v et h ea d j u s t m e n to ft h ev a l v et i m i n g ，v a l v el i f t ， v a l v eo p e np e r i o da n do t h e rp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h er e s p e c t i v eo p e r a t i o n c o n d i t i o n so fi c e t h e s ef u r t h e rl e a dt ot h e i m p r o v e m e n t o ft h ei c e p e r f o r m a n c e t h i sv a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f ts y s t e mw i t h o u tc a mh a v e b e e n p a i dm u c ha t t e n t i o na st h ef a s td e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y t h i sv a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f ts y s t e mp o w e r e db ye l e c t r o n i ch y d r a u l i c s y s t e mi so n ek i n do fv a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f ts y s t e mw i t h o u tc a m b y a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gs e v e r a lk i n d so fd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a la d v a n c e d e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dv a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f ts y s t e m ，an e wk i n do f v a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f ts y s t e mi sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h es y s t e m s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e df o rt h ev a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f ts y s t e m ， u s i n gm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e t h e nt h es t u d i e so nt h em a i ns t r u c t u r e p a r a m e t e r so ft h es y s t e m ，s u c ha sp i s t o nd i a m e t e r , s p r i n gr i g i d i t yo ft h ev a l v e a n df l o wa r e ao fe l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ，o b t a i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e v a r i a b l ei n t a k ev a l v es y s t e m ，b o t ht h em o d e la n dt h i ss t u d i e ss p e e du pt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s e s ，t h u sm i n i m i z i n gt h en u m b e ro f h a r d w a r ev a r i a t i o n s b a s e do nt h ed e s i g na n dt h es i m u l a t i o n ，at e s ti sc o n d u c t e do nt h ec y l i n d e r h e a d so f4 10 2 b gd i e s e lw i t ht h ev a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f ts y s t e m ，w h i c h c a np r o v i d ee x p e r i m e n t a ld o c u m e n t sf o rv a l i d a t i o n t e s tb e n c hi n c l u d e st h e h y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e m 、v a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e m ，a n de l e c t r o n i cc o n t r o l 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 u n i t s s y s t e me t c a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yw a s a m e n d e dd e t a i l e d l y a sar e s u l t ，af a s t ，p r e c i s ea n ds t e a d yd y n a m i cr e s u l ta s w e l la sar e l i a b l es t a t i cs t a t ew a sa c h i e v e d f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e4 10 2 b gd i e s e lh a sb e e nm a d ew i t h g t p o w e r s ot h a tt h ee f f e c to fv a r i a b l ev a l v et i m i n go nd i e s e lp e r f o r m a n c e s w o u l db er e s e a r c h e d k e yw o r d s ：v a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f ts y s t e m ：s i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t r e s e a r c h 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明法律结果由本人承担。 日期：2 0 0 8年多月占日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着世界经济的发展，能源与环境的问题己成为影响经济可持续发展 的重要问题。发动机作为目前世界上应用最为广泛的动力机械，每年消耗 了全球9 0 的汽油和9 0 的柴油，并且向环境排放出了大量的有害气体和 微粒。因此，许多从事发动机研究的人员和世界范围内的发动机制造商提 出了“低能耗，低排放以及高输出扭矩和高输出功率 的发动机概念。 目前，传统的四冲程发动机都是采用机械式凸轮轴驱动进气门和排气 门的配气机构。气门的运动通过曲轴与凸轮轴，凸轮轴与各缸气门之间的 机械传动来达到控制定时。长期以来，这种机械式机构被证明是简单、有 效和可靠的，并且费用相对低廉。然而，这种气门机构在气门的开启时刻， 开启持续时间和气门升程等参数上是固定不变的，工作缺乏柔性。而这些 固定不变的气门运行参数只是综合发动机在各种工况下运行时对气门工作 要求时矛盾的一种折衷。由于这种折衷能满足发动机大部分工况的基本要 求，所以被认为是可行的。但是，随着对发动机的燃油经济性和降低有害 排放的要求不断提高，迫使广大发动机设计人员寻求新式的配气机构。 1 2 可变配气技术研究发展的历史和现状 可变配气技术可以带来非常具有吸引力的发动机性能改善效果，因此 自从发动机开发之初，工程师们就梦寐以求地渴望实现发动机气门的可变 控制，可变配气技术发展的历程大体上经历了如图1 1 所示的几大的阶段。 最早的关于可变配气技术的专利是在1 8 8 0 年，英国人克拉克发明了一种用 于煤气发动机上的可变配气机构性- 。1 9 1 8 年，发明家s 哈尔腾博格获得了 一项将汽油机凸轮轴转过一个角度的专利。从1 8 8 0 年到1 9 9 0 年的1 1 0 哈尔滨二：程人学硕十学位论文 年间，仪美国专利局大概有8 0 0 项关于可变配气技术的专利，其中大部分 是在1 9 8 5 年到1 9 8 7 年间获得的“，同时广大研究者也发表了大量关于可 变配气技术研究的文章。 然而，纵使有多项可变配气技术的专利和研究，这期间投入实际产品 发动机应用的却较少。到1 9 8 1 年，c a d i l l a c 发动机上使用了一种比较简 单的可变配气定时机构，在低负荷时停止一些气缸的气门工作，可以根据 发动机运行工况的变化改变有效排量，进而有效地提高了发动机的效率。 世界上最早投入成批生产的可变配气机构是a l f ar o m e o 公司于1 9 8 3 年用于双凸轮轴两气门发动机上的两点式可变凸轮轴相位装置担： 可变配气技术发展的历程 ( 1 9 7 0 至今) 最终目标 1 ：气门正时和气门升程都可控制 骞 为广泛 图1 1 可变配气控制技术发展的历程 1 9 8 7 年，n i s s a n 公司在其部分发动机上也使用了调节凸轮轴相位的可 变配气机构，。 即使如此，还是没有设计出令人满意的可以广泛应用于产品发动机的 可变配气机构，其中主要的问题在于： 1 、可以调节的自由度和范围有限； 2 、机构较复杂，并且气门机构的机械损失较大，高速时性能较差； 3 、成本较高。 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 0 世纪8 0 年代末期9 0 年代初期，由于排放法规的日趋严格和燃油经 济性的要求不断提高，可变配气技术的研究成为热点，研究人员开发出了 一系列基于凸轮轴的可变配气机构，并且成功用于车用发动机。其中，可 变凸轮轴相位应用较为广泛，并且形式也趋于一致，较有代表性的为 t o y o t a 公司的v v t i 以及b m w 公司的v a n o s 。可变凸轮型线具有代表性的 为同本h o n d a 公司的v t e c ，m i t s u b i s h i 公司的m i v e c 以及p o r s c h e 公司的 v a r i o c a m 。另外也有一些机械式全可变配气机构，包括b m w 的 v a l v o t r o n i c s 悔。，德国m e t a 公司、美国d e l p h i 、英国m e c a d y n e 公司等均 有相应的可变配气机构情。这些方案一般是通过增加附件，使凸轮轴的相 位发生变化或者使用多凸轮系统，从而能有效改善了发动机一部分工况的 运行条件，优化了发动机的性能，但是，这只能是综合发动机的各种工况 条件，有选择地改进某一部分工况的运行，不能实现所有工况均达到完全 最佳的控制，因而只是一个局部的改进。 2 0 世纪9 0 年代中后期，研究人员开始了以微处理器控制的可以连续 调节气门运行参数的无凸轮气门机构的研究。无凸轮配气机构就是取消发 动机配气机构中的凸轮轴以及从动件，而以电磁、电液、电气或者其它方 式驱动气门。近年来，国外有多家机构对电控液压驱动配气机构进行过或 正在进行研究，如英国l o t u s 公司，德国的d a i m l e r b e n z 公司，美国 f o r d ，s t u r m a n 公司，b o s c h a v l 公司等分别展开了电控液压驱动气门机构 的研究。f e v 、a u r a 、h o n d a 、b m w 和v i s t e o n 公司等分别展开了电磁驱动 式气门机构的研究叫“。但是无凸轮可变配气机构目前还主要处于研究 阶段，还未见到其大量应用于实际车用发动机的研究报道。 国内自8 0 年代末开始可变配气技术的研究工作，先后有清华大学、上 海交通大学、天津大学、吉林大学、浙江大学、哈尔滨工程大学、武汉理 工大学、长春汽车研究所等单位开展了相关研究。 吉林大学、上海交通大学与长春汽车研究所等设计了一种液压张紧器 式的可变配气机构，可使气门实现两级式变化( 进气门：提前1 5o c a ，滞后 1 3o c a ) 忙“。清华大学设计了电磁可变配气装置，经历了e v a - t h i 、e v a t h 2 和e v a t h 3 三代，该装置的结构类似于a u r as y s t e r m s 公司设计的e m v a ， 其静铁芯外形为柱状，衔铁为圆盘形，双弹簧放置在静铁芯中间，目前已 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 经进行了电磁铁静吸力特性与动态特性试验，并设计了开环控制系统副 m j 浙江大学也设计了一套矩形碟片、双电磁铁、双弹簧的电磁可变配气， 建立了非线性仿真模型及动态试验测试系统旧州。这种电磁气门驱动控 制方便，结构较为简单。它的主要问题是气门落座冲击，电磁响应速度不 够高，能量消耗及尺寸过大。天津大学在f o r d 电液气门机构驱动原理的基 础上，设计了无凸轮电液驱动配气机构台架，并进行了单排气门控制试验， 在试验过程中主要问题有响应速度不够高、气门落座冲击大- 。武汉理工 大学研制开发一套中压共轨系统，自行设计了大流量高速二位三通电磁阀， 利用单片机控制，并在2 1 3 5 g 型发动机上进行了单气门测试试验，试验综 合考虑影响试验许多因素，主要问题还是响应速度不够高，影响因素太多造 成系统比较复杂u 副u n “。 1 3 可变配气技术的分类 按照控制参数的不同，可变配气技术分为两类：可变配气正时和可变 配气升程。 1 3 1 可变配气正时( v a ria biev alv et imin g ，v v t ) 可变配气正时即气门开启与关闭时刻可变。根据气门开启持续期的变 化情况又分为两类： 懿轴转角( 。) l o 8 6 娶4 2 0 3 0 03 6 04 2 04 8 05 4 06 6 6 0 峨轴毒睾角( o ) 图1 2 可变配气相位图1 3 可变配气相位与持续期 如图1 2 所示，可变配气相位( v a r i a b l ep h a s e ，v p ) 即在气门开启持 续期和升程曲线不变的前提下，同时平移气门开启时刻和关闭时刻m 。 4 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 如图1 3 所示：可变配气相位与持续期( v a r i a b l ee v e n tt i m i n g ，v e t ) ， 即在改变气门开启和关闭的同时也改变了气门开启持续期。本田的v t e c 能实现这种改变方式。 1 3 2 可变气门升程( v a ria biev aiv olif t ，v v l ) 可变气门升程主要是改变了气门开启的最大升程，按照气门正时和持 续期的变化，情况又分为2 类： 曲轴转角( 。) 5 曲轴转角，( 。) 图1 4 可变配气升程与正时图1 5 独立可变气门升程 可变配气升程与正时( v a r i a b l el i f ta n dt i m i n g ，v l t ) 即在改变升 程的同时也改变了正时与开启持续期，其气门升程曲线如图1 4 所示。b m w 公司的v a l v e t r o n i c 能实现这种改变方式u 。 气门升程单独可变即在保持气门的正时和开启持续期不变的条件下， 单独改变气门的最大升程，其气门升程曲线如图1 5 所示。目前只有l o t u s 公司研制的电控液压驱动气门机构能实现这种改变方式。 1 4 实现可变配气技术的途径 可变配气机构按结构特点和驱动方式的不同，可分为基于凸轮轴驱动 可变配气机构和无凸轮轴驱动可变配气机构两大类。如图1 6 所示，基于 凸轮轴驱动可变配气机构研究时间相对较长，机构相对简单可靠，在汽车 上已有应用。同时随着微电脑技术的发展，无凸轮轴驱动可变配气机构成 为最近2 0 年来研究的新领域。由于其涉及液压、电磁、电子等多个领域， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 结构较为复杂，目前多用于大型低速船用发动机m - 。 图t 6 实现可变配气技术的途径结构框图 1 4 1 基于凸轮轴的可变配气机构 1 4 1 1 可变凸轮型线 这类可变配气机构同时改变气门的正时、持续期和升程，目前有阶段 式改变与连续式改变两种方式。h o n d a 公司的v t e c ，m i t s u b i s h i 公司的 m i v e c 以及p o r s c h e 公司的v a r i o c a m 等均属于阶段式改变。 1 、本田的v t e c 如图1 7 所示，目前的v t e c 在2 个进气门上采用了3 个凸轮及3 个摇 臂，其中3 个摇臂可独立运动也可连成一体运动。转速较低时，通过液压 机构使主、次摇臂分别由主凸轮和次凸轮驱动，中间摇臂随中间凸轮运动， 但是对气门不起作用，这样主、次进气门的升程曲线不同，可以形成涡流。 转速较高时，通过液压机构使3 个摇臂连成一体，并受中间凸轮驱动，以 满足发动机高速的要求。但这种改变仍只能优化某些工况，不能实现全工 况性能优化。 6 篁! ：! 垒垒尘竺圭：兰堡鎏兰 图1 7 h o n d a 公司积v t e c 机构图1 8h o n d a 公司单v t e c 系统 图18 是本开 v t e c 系统，该发动机匹配的是e 0 v t e c 系统，其配7 川： 时角的调整只设苜于进气j ，i 叮对排气门并无此作用。齿形皮带驱动i n l 轮 轴同步齿形带轮，而凸轮轴，o 罔中凸轮轴末端相连，位置与凸轮轴同步齿 彤带轮存在一定的必角，通过液压对该角度进行调整，从而控制凸轮轴偏 摆的位置，达到改变配气l 卜时角的目的。 2 、雷诺同产c vr c 圈19 雷诺- 日产公司的c v t c 啃尔滨l 。槲大学硕十学位论文 图1 9 所示的就是雷诺日产研究的c v t c 连续可变配7 t 正时系统。其 原理与本田v t e c 接近，也足采用液压作用改变凸轮轴j 可步齿形带轮与l “i 轮 轴末端的夹角，从而改变配气j f 时角。 存凸轮轴与正时齿轮之i 可有高压油区和低压油区。h 要调节两个油 之间的压力差，就能改变配气正时角了。两个油区的油压通过油压控制阀 调节的。当高压油路接通时，整个油室处于加压状态，凸轮轴顺时针偏转 一定角度，配气正时被推迟，重叠角增大，适用于低转速；当电磁阀控制 黄色区域压力高于红色区域压力时，凸轮轴逆时针偏转一定角度，配气正 时被提前，这样重叠角减小，适片j 于高转速。 3 、f i a ti 维凸轮机构 f i a t 三维凸轮机构由意大利f i a t 公司开发研制。一个带有锥度外廓 的凸轮和装有可倾斜式挚块的挺柱相接触。凸轮轴的轴向移动使得凸轮的 不同部分和挺柱相接触，导致气门升程和配气相位发生变化。基圆半径沿 凸轮轴的轴向足不变的，但凸轮升程沿着轴向改变，垫块必须随凸轮轴旋 转变化它的倾斜角。凸轮轴端部安装一个机械式调速器，当凸轮轴转速发 生变化时，调速器拖动凸轮轴产生轴向移动，使得气门升程和配气相位同 时发生改变。该系统曾安装在一台f e r r a r iv 8 发动机上做过试验。 罔1 】0f l al 三维凸轮机构 一 一 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 f i a t 公司早期开发了凸轮型线在轴向可连续变化的3 d 凸轮机构。改 变凸轮轴的轴向位置，即可实现气门的连续可变，其气门升程变化范围为 2 9 7 9 3 m m ，开启持续期变化范围为4 2 o c a 一2 7 0 o c a 。设计者能在很大程 度上控制气门开启及回位的特性，落座速度可以控制。但这种3 d 凸轮机构 的缺点是，凸轮与从动件之间会产生点接触，磨损较严重，气门j 下时和升 程变化范围受到限制。所以目前应用并不广泛。 1 4 - 1 2 可变凸轮从动件 这类机构保持凸轮型线不变，通过改变凸轮轴与气门之间从动件( 如： 推杆，摇臂等) 的运动规律，实现气门运动的可变。按照从动件的类型可分 为液压式与机械式两类。 l 、s i e m e n s h y u n d a ie v t ( e l e c t r o n i cv a l v et i m i n g ) 系统 电磁i l r 目空售哇f 畜号t 商电乎：开县) 图1 1 ls i e m e n s h y u n d a i 的e v t 系统图1 1 2e v t 系统气门升程 9 0 年代中期，s i e m e n s h y u n d a i 开发的e v t ( e l e c t r o n i cv a l v et i m i n g ) 系统就属于液压式，其结构如图1 1 1 所示。当控制液力系统的电磁阀关闭 时，润滑油被封闭在执行机构液压腔内，由于液体的不可压缩性，气门按 照凸轮型线运动：当电磁阀打开时，凸轮虽然继续驱动从动件，但润滑油会 通过电磁阀流出液压腔，从而改变了气门的运动。 由e c u 控制电磁阀开启与关闭的时刻，就能实现对气门定时和升程的 控制，其升程曲线如图1 1 2 所示。图中数字表示电磁阀的开启关闭技术， 对应着相应的气门升程曲线。其中，高电平表示电磁阀开启，控制着气门 的关闭：低电平表示电磁阀关闭，控制着气门的开启。根据研究报道，其对 9 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 气门控制的灵活性和自由度较大，。而且在发动机运行全部转速范围内，从 最大到最小升程的调节在一个循环内完成。 该系统已应用于h y u n d a i2 o ld o h c 发动机。在低速全负荷时提前关 闭进气门，避免缸内气体在下止点后由于活塞的上行而回流到进气管中， 改善充气效率，使扭矩改善了7 1 0 ，燃油经济性改善了3 4 。部分负荷时， 提前关闭进气门，降低了泵吸损失，燃油经济性改善了4 - 5 ，同时n o x 排 放降低了3 0 。怠速时，通过定时的改变来减小气门重叠角，降低缸内残 余废气量，使燃烧更稳定，同时可以使怠速的转速更低，汽油机的燃油经 济性改善达到了3 0 。 2 、b m w 公司v a l v e t r o n i c 2 0 0 0 年左右，d e l p h i ，m e t a ，m e c a d y n e 与b m w 等公司开发出了控制自由 度较大的机械式全可变配气机构。其中b m w 公司的v a l v e t r o n i c 是较为典 型和成功的结构，已经广泛应用于其产品发动机。 该机构在凸轮轴与气门之间增加了中间杆2 ，并且在缸盖上增加了一 根偏心轴1 ，偏心轴上设计了偏心轴凸轮。弹簧8 使得中间杆的小滚轮与偏 心轴凸轮始终保持接触，大滚轮与进气凸轮始终保持接触，这样，中间杆 的运动由凸轮轴与偏心轴共同决定：凸轮轴通过中间杆上的弧线驱动摇臂， 进而控制气门运动。当偏心轴相位不变时，中间杆在进气凸轮轴的驱动下 围绕某一个中心旋转，中间杆弧线发生作用的为弧线的某一段区域、当伺 服电机9 通过涡轮蜗杆机构驱动偏心轴1 旋转一定角度后，中间杆旋转中 心的位置就会发生变化，改变了中间杆弧线发生作用的区域，进而改变了 气门升程。图1 1 3 所示，b m w 公司v a l v e t r o n i c 偏心轴可在0 1 6 0 。c a 。 范围内连续调节，并且在偏心轴上安装了位置传感器，因此v a l v e t r o n i c 能准确地控制偏心轴的旋转角度，可在0 9 7 m m 范围内连续调节气门的升 程。该系统可以用升程的变化实现对负荷的控制，实现无节气门的负荷控 制方式，降低泵吸损失。在n 4 2 发动机上的试验结果表明，燃油经济性改 善了1 0 。但是如果不通过v a n o s 改变凸轮轴相位，升程的改变会使气门 定时和持续期相应地发生变化。因此，机械式全可变是v a l v e t r o n i c 调节 升程与v a n o s 调节相位相互配合的结果。 目前b m l j i 公司已经推出了第二代v a l v e t r o n i c 系统，其基本原理与此 l o 至兰篓堡垒兰些圭兰堡兰兰 类似。 图11 3 德国b w m 公司v a l v t r o n i c 系统 14 13 可变凸轮轴相位 可变凸轮轴相位机构由于对发动机改动较小，而且结构也相对较为简 单，并且能够有效地改善发动机性能，蚓此n ，变凸轮轴相位机构目前应用 最为。泛。 l 、a lf ar o m e o 两级可变凸轮轴相位 各种各样已知的可变凸轮轴相位机构按照作用原理进行分类，至少有 大约9 0 0 种不同的相关专利。世界上最早投入成批生产的可变凸轮轴相位 机构是前文中提到的a l f ar o m e o 公亓j 于1 9 8 3 年用于一台双凸轮轴两气门 发动机上的两点式可变凸轮轴相位机构。如图l1 4 所示，它的核心部件是 调节柱塞，调节柱塞是一个圆筒形的零件。其外表面通过直齿与曲轴驱动 的链轮轮毅啮合，由链轮轮毅驱动旋转，同时可以在液压力的推动下在轮 毅的孔内作轴向移动。调节柱墓的内表面通过斜齿与凸轮轴啮合，驱动凸 轮轴旋转。当调节柱塞沿着n 轮轴轴向移动的时候，内部斜齿的作用使得 凸轮轴相对链轮轮毅转过一个角度，从而改变了凸轮轴的相位。 ：，：_；s 9 哈尔滨上群人学硕t 学位论文 电誊：忑恕： 控制阀5 链轮4 哈尔滨i 程大学硕上学位论文 的改善。 2 0 0 0 年后，在第二代町变凸轮轴相位控制系统的基础上，采用摆转式 原理将调节装置改成叶片式，成为第二二代可变n 轮轴相位机构。 2 、b m w 公f i 】的v a n o s 。蠹7 i 图11 5b m w 公司的v a n o s 圈 1 壳体2 前端板 3 十i l 簧 4 镜止弹簧 5 锁ij 钟簧定仲扳 6 锁止销 7 转j 8 所喘扳 9 叫片0 弹靛 1 1 液爪腔a 1 2 液压腔】； 豫 一弼拍i s 蚪 迟的位置 j 减 b # 图1 1 6 按叶片式原理设计的v a n o s 凸轮轴无级调节装置 图1 1 5 为b 唧公司的v a n o s 。转子7 通过螺栓与凸轮轴固定在一起， 壳体i 通过链条与曲轴连接。停机时，锁止销6 以无压力的方式嵌入凹口 锁止槽中，保证每次启动时凸轮轴随着壳体l 一起运动，使凸轮轴有确定 的初始相位。调节相位时，润滑油首先供到凹口锁止槽中，将锁止销6 压 幢霉 蓊 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 回，f = 释放转子。供油油路与液压腔接通，向恢腔叶1 供油，回油油路与液 压腔1 2 接通，i 匈外泄油，转子叶片9 在压力差的作用f 带动凸轮轴相对于 壳体1 转动，从而改变相位。反向调节时，供泄油l 上述方向相反。由电 磁阀控制供泄油的方向，可在6 0 。c a 范围内调节凸轮轴相位。这种叶片式 的结构方案紧凑，无论是在进气凸轮轴还是排气凸轮轴上都可以方便地布 置，是目前国外车用发动机上应用最为广泛的可变配气机构。例如t o y o t a 的v v ti 、t t o n d a 的iv t e c 、( 叭f o r d 的v c t 、d e l p h i 的v c p 等部采用了 这种可变相位机构。并且德国 n a ，英国m e c h a d y n e ，美国d e l p h i ， b o r g w a r n e r ，日本d e n s o ，t o y o t a 等公司对这种结构做了大量的研究，但只 是叶片结构与数量的改变，这表明该系统在技术卜己绎成熟，且具有较强 的实用性。 1414 其它基于凸轮轴的可变配气机构 1 、保时捷v a rj o c a m 靖 意翟隰瑟绎 鞫删埘上 幽1 1 7p o r s c h e 的v a f i o c a m 陔类机构综合凸轮调相和变换凸轮型线的优势，能够实现对气门正时、 升程的连续控制，较好的满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷 时动力性、经济性、废气排放的要求，提高发动机整体性能。相应地此 类机构结构复杂，成本高，推广应用受到限制。其基本原理是凸轮轮廓呵 黪 哈尔滨一l ：程大学硕十学位论文 的母线与凸轮轴轴线不平行，所以当凸轮轴轴向移动时，气门升程和相位 都发生了变化，凸轮轴的轴向移动通过润滑系统的机油压力来实现。h o n d a 的v v t l 一机构p o r s c h e 的v a r i o c a mp l u s 机构和h o n d a 的i - v t e c 机构都 属于此类机构类型。 如图1 1 7 可以发现，在凸轮轴左边有一凸轮轴同步齿形带轮，曲轴动 力通过正时链条传递到带轮，并进一步输送到凸轮轴上，以控制凸轮轴角 度，从而控制配气正时角。保时捷在凸轮轴同步齿形带轮上设置了一个液 压装置，当行车电脑接收位于曲轴的传感器的信号，并进行处理后，将该 转速下的配气正时角转变成为电信号传送到液压装置，由液压装置加压， 使凸轮轴同步齿形带轮能够顺时针或逆时针在红色和蓝色位置之间自由转 动，达到控制配气正时角的目的。 1 4 2 无凸轮轴可变配气机构 无凸轮轴驱动可变配气机构就是取消发动机传统气门机构中的凸轮轴 及其从动件，而以电磁、电液、电气或其它方式驱动气门。采用无凸轮气门 驱动，能使发动机在燃油经济性、动力性和降低排放等方面得到更好的改 善。采用无凸轮轴气门驱动的特别好处如下： l 、能灵活地、单独地控制进排气门开启、关闭以及气门开启延续时间， 使发动机每一工况的这些参数都符合最佳性能要求从而改善发动机整体性 能。 2 、简化了发动机的结构，降低了发动机的加工成本和质量；气门可根 据燃烧室的型式来布置，不必布置在与凸轮轴中心线垂直的平面上，气门布 置的灵活性可能导致设计出新的更有利于发动机工作的燃烧室型式。 3 、每个气门单独驱动( 旋转气门除外) ，因此容易实现依次停缸，使发动 机处于较低燃油消耗率的工作状态，降低油耗。 4 、可通过实时改变进气门迟闭角来改变多种燃料发动机的有效压缩比， 以适应不同燃料的要求。 鉴于无凸轮驱动可变配气机构的上述优点，无凸轮驱动可变配气机构 的研究已在各国开展，成为目前研究的热点。下面介绍目前无凸轮轴可变 配气机构在国内外的发展状况。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 4 2 1 电磁驱动可变配气机构( e m v a ) 电磁驱动可变配气机构是利用电磁铁产生的电磁力驱动气门。早期试 验的电磁气门驱动装置中没有起能量回收作用的弹簧或只有回收部分能量 的单弹簧，导致能耗过大并有严重的气门落座冲击。现在已很少有人研究 这一类方案了。a u r as y s t e m s 公司、f e v 公司和通用汽车公司分别提出了 工作原理基本相同的采用双弹簧双电磁铁的可变配气机构，并进行了多年 的研究。目前，a u r as y s t e m s 和f e v 的电磁驱动可变配气机构已经装车试 用。国内浙江大学、清华大学目前也在开展此项研究，但还处于探索阶段。 电磁驱动可变配气机构的原理如图1 1 8 所示。该机构主要由两个相同的铁 芯( 共用一个衔铁) 、两个相同的弹簧和气门组成。发动机不工作时，激磁 线圈1 、2 均不通电，衔铁处于其行程中间位置，气门处于半开半闭状态。 发动机启动时，气门驱动装置初始化，控制系统根据曲轴转角判定气 门在这一时刻应有的开闭状态，给线圈l 或线圈2 通电，电磁力克服弹簧 力，将气门开启或关闭。假设气门应开启，则线圈2 通电，衔铁与铁芯2 之间产生的电磁力克服弹簧力，使气门向下运动直至全开。此后，线圈2 继续通小电流，以使气门保持在此开启状态。需要关闭气门时，线圈2 断 电，衔铁和气门在弹簧力的作用下向上运动，在适当时刻，线圈1 通电， 衔铁与铁芯l 之间产生的电磁力帮助气门继续向上运动，直至关闭。然后， 线圈1 仍通以小电流使气门保持在关闭状态。需要开启时，线圈l 断电， 衔铁和气门在弹簧力的作用下向下运动。如此循环往复。 图1 1 8 为f e v 公司的电磁驱动气门机构示意图，该机构主要由电磁铁 线圈1 、2 以及衔铁组成。线圈1 、2 均不通电时，气门在上、下弹簧的作 用下保持半开半闭；如果线圈2 通电而线圈1 不通电，衔铁就会在线圈2 电磁力的作用下带动气门克服弹簧的作用力向下运动，实现气门的开启； 当线圈2 断电后，气门在弹簧力的作用下向上运动，接近落座位置时，线 圈1 通电，以实现快速落座，此后线圈l 继续通电，以保持气门的关闭。 如此循环往复。该机构能实现气门正时、持续期和升程的独立控制，控制 自由度较大，但其主要问题是气门落座时的冲击较大，发动机的可靠性和 气门的寿命降低，且驱动气门机构的能耗较高。目前b m w 、v i s t e o n 、f o r d 1 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 等正在开展电磁驱动气门的研究，尤其美国f o r d 公司做了大量的工作己成 为其进行可变配气研究的一个主要方向。 铁芯i 线鞠1 衔铁 铁芯2 线暾2 境门 图1 1 8 电磁驱动可变配气机构原理图 1 4 - 2 _ 2 电液驱动可变配气机构( e h 、a ) 弹篱 电液驱动可变配气机构是利用一种压缩性较小流体的弹性特征对气门 的开启和关闭起加速和减速的作用，对发动机气门f 时、气门升程和气门 运动速度提供了连续的可变控制。气门加速时流体的势能转化为气门的动 能，气门减速时气门的动能又转化为流体的势能，在整个过程中能量损失 很少。r i c h m a n 等人在电机拖动的单缸机上对其电液驱动可变配气机构的 试验表明，气门实际运动总是比程序规定的运动滞后。在发动机转速小于 1 0 0 0 r m i n 时，滞后量尚可接受，但随转速增加，滞后量增大，并且升程 曲线也产生越来越严重的变形。g r i f f i t h s 等人的电液驱动可变配气机构 可在发动机转速为3 0 0 0 r m i n 时保持稳定并且有良好的气门运动精度。 l o t u s 公司的电液驱动可变配气机构能在发动机转速为4 0 0 0 r m i n 的情况 下正常工作，在单缸机上进行过取消节气门以电液驱动气门控制负荷的研 究。 l 、电液驱动无弹簧可变配气机构 1 7 哈尔滨j 程大学硕士学忙论文 如幽11 9 所示，这种机构取消了凸轮轴和旧伉弹簧，典型代表是福特 公司的电液驱动无弹簧可变配c 机构。 图1 1 9f o r d 公司电液驱动无弹簧可变配气机构原理图 该机构有高压油源和低压油源各一个，气门顶部装有个双面作用的 液压柱塞，柱塞上部的油腔既可以与高压油源相连通又可以与低压油源相 连通；柱寒下部的油腔一直与高压油源相连通。柱塞上部的承压面积明显 大于柱鏖下部的承压面积。当气门丌启时，高压螺线阀打丌，高压油进入 柱塞上部油腔。柱塞上下两承压向的压力差使气门加速向下运动。然后， 高压螺线阀关闭，柱塞上部承压面的胜力下降，在柱寒减速r 行的同时， 推动托塞下腔的高压油回到高压油源，低压油流经低门：拎测阀进入柱摩上 部的油腔。当气门停止向下运动时，低压检测阀关闭，气门保持丌启状态。 气fj 天闭过程与气门开启过程类似。低压螺线阀打j f ，柱塞j 一腔压力降低 至低；油源内的压力，柱塞在卜下两承压面压力差的作用下加速【：行。然 后，低压螺线阀关闭，柱塞上腔压力升高，柱塞减速上行的同时，推动上 腔液压油通过高压检测阀回到高压油源。此时，高压、低压螺线阀和高压、 低压检测阀部关闭，柱塞上部油腔的压力与低压油源的压力相等，活塞f 部油腔的高压油使气门保持关闭状态。 2 、电液驱动单弹簧可变配气机构 如图12 0 所示，这种机构取消了凸轮轴，但是回位弹簧作为气1 3 复位 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 装置被保留下来。典型代表是l u c a s 公司的电液驱动单弹簧可变配气机构， 该机构由一个常闭两位两通电磁阀、一个常开两位两通电磁阀以及活塞组 件组成。 图1 2 0l u c a s 公司的电液驱动单弹簧可变配气机构 该机构在静止状态下，常闭电磁阀、常开电磁阀均不工作，活塞油腔 和排油口相连通，气门在弹簧力作用下保持关闭状态。当气门开启时，常 开电磁阀关闭，常闭电磁阀开启，压力油从进油道进入活塞油腔。大直径 活塞在压力油作用下首先运动，开启气门；随后小直径活塞相对大直径活 塞运动，进一步开启气门。当气门到达最大升程位置时，常闭电磁阀关闭， 这时活塞油腔内油量保持不变，油压恒定，活塞位置被油压锁定，气门保 持开启状态。当气门关闭时，常闭电磁阀关闭、常开电磁阀开启，活塞油 腔内的压力油从排油口排出，在气门弹簧力的作用下，气门关闭。为防止 气门落座冲击应减小气门落座速度，适当调节常开电磁阀的开度大小可以 控制压力油排出速度进而控制气门落座速度。图1 2 1 是南卡莱罗纳大学开 发的电液驱动无凸轮发动机配气系统。该发动机气门动作是通过如下过程 完成：从控制硬件发出一个电脉冲引起压电管的扩张；这个线性扩张将会转 变为液压伺服阀的运动，伺服阀的轻微运动将会激励压力液体流动和压力 1 9 哈尔滨l ：程人学顶士学位论文 变化，同时会通过作心到与4c 门卡h 连接的液压活塞的方式转变为线。陛运动。 当中心轴向上或向i 、运动时候，压力液体通过7 l 流动使气缸体内活塞上f 的压力不断变化，从而使液压活塞带动气门上下往复运动。 此外武汉理工大学研发的中压共