（动力机械及工程专业论文）无凸轮电液驱动配气机构的控制研究.pdf

中文摘要 能源与环境是汽车工业目前所面临的两个主要问题。低能耗、低排放、高输 出扭矩和高输出功率成为汽车发动机发展的目标。在目前的各项技术措施中，可 变气门技术是改善传统汽油机燃油经济性，提高动力性和降低排放的最为有效的 技术措施之一。无凸轮配气机构就是取消了发动机配气机构中的凸轮轴及其从动 件，而以电磁、电液、电气或者其他方式驱动气门。电液驱动无凸轮配气技术可 以实现气门的连续、独立的控制。 本论文主要研究了无凸轮配气技术的控制理论及用于实验的监控系统开发。 首先对可变气门技术作了详尽的介绍和分析，指出了发展无凸轮配气技术的必要 性。为进行无凸轮配气技术控制理论的研究，以现有的无凸轮电液驱动配气机构 为对象，建立系统的数学模型，并用m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 进行仿真研 究，找出影响系统性能的参数。在此模型的基础上，进行了峰值升程闭环控制的 初步研究。计算结果表明，p i d 控制器可较好地使峰值升程在工况变化时保持最 大值。 开发了用于实验的监控系统，包括：用l a b v i e w 开发上位机的监控界面； 设计了下位机( 电控单元，8 0 c 1 9 6 k c ) 的硬件和软件。为实验研究提供了良好 的开发环境。应用此系统，通过分析实验结果，找出影响系统性能的关键因素。 关键词：无凸轮电液驱动配气机构m a t l a b s i m ，t 卜k s t a t e f l o wp i d 监控 系统l a b v i e w 电控单元8 0 c 1 9 6 k c a b s t r a c t c u r r e n t l y , e n e r g yc o n s u m p t i o na n d e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r et w om a i n p r o b l e m sf o ra u t o m o t i v ei n d u s t r y t h u s ，i n c r e a s i n gd e m a n d so nt h ep e r f o r m a n c eo f i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sr e q u i r et h ep r o d u c t i o no fh i g ht o r q u ea n dm o r ep o w e rf o r ag i v e na m o u n to fc h e m i c a lf u e lw i t hr e d u c i n gp o l l u t a n te m i s s i o n s a m o n gn u m e r o u s a d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n ( v v a ) i sc o n s i d e r e da so n eo ft h e m o s te f f i c i e n tw a yt oi m p r o v eg a s o l i n ee n g i n e s f u e lc o n s u m p t i o n ，i n c r e a s ep o w e r o u t p u ta n dr e d u c ee m i s s i o n s a l t e r n a t i v em e t h o d sf o ra c h i e v i n gt o t a lv a l v em o t i o nc o n t r o l b ym e a n so f h y d r a u l i c s ，e l e c t r o m a g n e t i c so rp n e u m a t i c s t h ee h c v ( e l e c t r o h y d r a u l i cc a m l e s s v a l v e t r a i n ) ，w h i c hu s e sn e i t h e rc a m sn o rr e t u ms p r i n g s ，o f f e r si n d e p e n d e n ta n d c o n t i n u o u s l yv a r i a b l ec o n t r o lo fa l lp a r a m e t e r so fv a l v em o t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e do nt h ec o n t r o lf o re h c va n dt h ed e v e l o p m e n to f t h em o n i t o rs y s t e mf o re x p e r i m e n t a f t e rad e t a i l e di n t r o d u c t i o na n da n a l y s i s ，t h e s i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fc a m l e s se n g i n ew a sp o i n t e do u t i no r d e rt od ot h e r e s e a r c ha b o u tc o n t r o ls t r a t e g yf o re h c v , a ne l e c t r o m e c h a n i c a l h y d r a u l i cd y n a m i c m o d e lf o rt h e a l r e a d y e x i s t s y s t e m h a sb e e n d e v e l o p e du s i n g m a t l a b s i m u l i n k - s t a t e f l o w f r o mt h i sp o i n t , t h ec l o s e - l o o pc o n t r o l l e r ( p i d ) w a sd e v e l o p e dc o n t r o lb a s e do i lt h em o d e l t h em o d e lr e s u l tp r o v e di t s g o o d a d a p t a b i l i t yt om a i n t a i nt h ep e a l ( 1 i f tw h e nt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o nc h a n g e s t h em o n i t o rs y s t e mw a sa l s od e v e l o p e d ，i n c l u d i n g ：d e s i g n e dt h ep o s i t i o nm e t h i n e u s i n gl a b v i e wa n dd e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ee m b e d d e dc o n t r o l l e r ( 8 0 c 19 6 k c ) t h ee x p e r i m e n t a ld a t ah a sb e e no b t a i n e df o ra n a l y s i n gw i t ht h em o d e l r e s u l ta n dt h ep a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c ew a r ef i n do u t k e y w o r d s ：c a m l e s s ，e h c v , m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w , p i d ，l a b l e w , e m b e d e dc o n t r o l l e r , 8 0 c19 6 k c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入融经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注苤堂或其他教育机构的学位或证 书悉使雳过的材料。与我同工作的同志对本研究赝做的任何贡献均已在论文串 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雾濒搬签字同期：三唧年2 月f 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。闷意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在孵密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：霖灞蒴乏- 签字r 期：2 口9 7 年2 月同 黜名：钎加聊 签字r 期：五唧年2 自i f 1 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 能源与环境问题 第一章绪论 实现可持续发展是2 l 世纪世界各国共同追求的目标，可持续发展的核心是 经济发展与保护资源、保护生态环境协调一致。然而，自2 0 世纪7 0 年代世界石 油危机以来，能源与环境的问题已成为影响可持续发展的两个重大问题。 在世界石油能源消费中，内燃机作为目前热效率最高、应用最为广泛的动力 机械，发出的总功率占全世界所用动力装置总功率的9 0 ，是世界石油能源的主 要消费渠道，这其中又以汽车工业为消耗的主要大户。随着汽车保有量的增加， 内燃机石油消费量将迅速增加，石油供需矛盾必将日趋严型。 在消耗大量能源的同时，内燃机也是大气环境特别是城市大气环境污染的最 大源泉。内燃机排放污染物主要有c o ，h c 和n o x 。c o 是有毒气体，当空气中c o 体积分数超过0 1 时，就会导致人体中毒；超过0 3 时，则可在3 0 分内使人 致命。h c 和n o ，【在日光作用下，可以造成光化学烟雾，对人体危害较大，甚至 造成生命危险。作为温室气体，c 0 2 的排放可以引起全球性的气候变暖。 据研究【引，大气中3 8 5 的c o 、2 1 7 的h c 、8 7 6 的n o 。、1 1 7 的c 0 2 、 6 2 的s 0 2 、3 2 的微粒物来自于汽车废气排放。而城市大气中6 1 的c o 、8 7 的h c 、5 5 的n o 。来自汽车废气排放。并且随着汽车保有量的增加，汽车已成为 c 0 2 的主要排放者之一。 1 1 2 内燃机的发展趋势 面对日趋严峻的能源与环境问题，以美国、日本和欧洲为代表的国家和地区 纷纷制定了相应的排放法规和燃油经济性法规，代表着当今世界三大汽车排放体 系，其它国家相应地采用这些法规。其中欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准。 欧洲汽车排放标准3 1 如表1 1 所示。从表中可以看出，排放控制越来越严格化， 并且其测试的方法也愈加苛刻。 第一章绪论 表卜l 欧洲汽车排放法规 限值g k = 欧洲标准实施日期发动机类型 c oh c n o 。h c + n o 。 p m 汽油机2 7 20 9 7 e u r o i 1 9 9 2 0 7 柴油机 2 7 20 9 70 1 4 汽油机 2 2 00 5 0 e u r o i i1 9 9 6 0 1 柴油机 1 0 00 7 0o 0 8 汽油机2 3 00 2 00 1 5 e u r o l l l2 0 0 0 0 l 柴油机0 6 40 5 00 5 6o 0 5 汽油机1 0 0o 1 0o 0 8 e u r a i v 2 0 0 5 0 1 柴油机0 5 0o 2 50 30 0 2 5 汽油机 1 0 00 0 7 5o 0 60 0 0 5 e 1 1 1 o v2 0 0 8 柴油机 0 5 0 0 2 00 2 50 0 0 5 注：表中数据为第一类车 在燃油经济性方面，美国c a f 色( c o r p o r a t ea v e r a g ef u e le c o n o m y ) 标准 规定9 7 、9 8 年以后新型车的限值为：l d v ( l i g h td u t yv e h i c l e ) 2 7 5 m p g ( 英 里力口仑) ，l d t ( l i g h td u t yt r u c k ) 2 0 7 m p g ，并且要求在以后1 0 1 5 年内车用 发动机的燃油消耗平均每年下降2 ，到2 0 1 0 年l d v 的燃油利用率提高到3 5 m p g ，l d t 的燃油利用率提高到2 7 5m p g 。也就是说，在未来的5 年内使发动机 的油耗再降低3 0 。欧洲汽车工业协会提出了一项自我限制法案，要求以1 9 9 5 年为基准到2 0 0 5 年油耗减少1 5 ( 百公里油耗6 l ) 。日本规定商用车在2 0 0 4 年 要比1 9 9 0 年节油4 6 ，并且要加强化立法。 综上所述，“高效率、低能耗、低排放”已成为社会与环境对内燃机发展的 要求，使广大从事内燃机研究的企业与技术人员面临越来越严格的挑战。 1 2 发动机可变配气技术的概述 面对内燃机发展的“高效率、低能耗、低排放 要求，广大研究人员在现代 内燃机的设计领域进行不断的探索。 从2 0 世纪7 0 年代开始，在汽油机上逐渐采用燃油电控技术，经过几十年的 努力，目前已形成了以进气管多点顺序喷射为代表的较为成熟的汽油机燃油控制 技术。从2 0 世纪8 0 年代开始，在柴油机上出现了用位置式的电子控制燃油喷射 系统，到2 0 实际9 0 年代形成了以电子控制的高压共轨喷射系统为代表的柴油机 第一章绪论 压力一时间燃油控制技术。 与燃油控制技术相比，配气控制技术的研究进展比较缓慢。然而，以可变气 门技术为代表的配气控制技术在汽车界被认为是发展下一代发动机最为有效的 技术，必将对内燃机的发展产生重要影响。现代的发动机管理系统( e m s ) 可以 实现喷油和点火两大系统的控制，辅助可变配气技术可以控制第三个关键参数一 换气，从而可以对所有影响燃烧过程的因素进行控制。与喷油和点火系统类似， 可以实现将优化的气门参数存储在微控制器中，制成m a p ，根据不同的发动机 运行工况，改变发动机气门运行参数。这些都可以通过软件来实现。 1 2 1 可变配气技术的优点【4 】 传统发动机配气系统的气门运行参数是固定不变的，参数的确定取决于设计 的工况点。然而，发动机工况变化较大，不同的工况下对气门运行参数的要求甚 至是矛盾的，因此需要综合发动机运行的全部工况，采取一种折衷的处理方式来 确定这些参数，长期以来，这种折衷被认为是可靠的，也是可行的。但是，随着 “高效率、低能耗、低排放”的要求不断提高，这种折衷就显得不能让人满意了， 进而要求气门运行参数随发动机工况的改变而变化，在全工况范围内优化进气充 量的更换。可变气门系统就是通过各种技术途径使得气门的运行参数随着发动机 工况的改变而改变。可变配气技术的主要优点有： 提高发动机的动力性 低速时，提前关闭进气门减少进气回流；高速时，推迟关闭进气门，充分利 用气流的惯性实现过后充气，提高充气效率。 改善发动机的燃油经济性 部分负荷时汽油机燃油经济性低于柴油机的一个重要原因是节气门带来的 泵吸损失。利用可变配气技术，在部分负荷时利用进气门早关或晚关，减少压缩 始点缸内混合气的量，即可实现无节气门的负荷控制方式，消除泵吸损失，提高 了燃油经济性。另外，也可以通过气门的升程来控制负荷。在小负荷时，利用较 小的气门升程，控制进入缸内的混合气的量，同样可以实现无节气门的负荷控制 方式。而且由于气门升程较小，流过气门的气流速度较快，改善了燃油与空气的 混合，进而可以改善燃烧过程。 改善怠速的稳定性和低速时的平稳性 怠速时，通过可变气门定时，减小气门重叠角，进而减小充量更换过程中进 排气的相互影响，提高怠速和低速的稳定性，并可以降低怠速转速。 降低 放 利用可变气门技术，控制缸内e g r 最，可以有效地降低n o 。的排放。 第一章绪论 其他 气门运行参数可连续调节，有助于实现新概念的燃烧方式。例如，目前实现 h c c i 燃烧的一个有效途径就是适当利用内部e g r ，这就可以通过控制排气定时 来提供合适的内部e g r 率。 1 2 2 可变配气技术的实现途径 可变配气技术可以两种实现途径：l 、基于凸轮轴的可变配气技术，俗称v ” ( v a r i a b l ev a l v et i m i n g ) ：2 、取消凸轮轴的可变配气技术，俗称为无凸轮 ( c a m l e s s ) 配气技术。在可变配气技术发展的早期，均是采用第一种形式。这 类系统通过对凸轮轴传动、摇臂比、项柱或正时皮带的调节达到改变气门正时或 升程的目的，从而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。由于保留了凸轮，其调节能力仍受到原凸轮型线的限制，这只是综合发动机 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。研究人员开发出了一系列基于凸轮 轴的可变配气系统，并且成功用于车用发动机。可变凸轮型线具有代表性的为日 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气门系统，包括b m w 的v a l v o t r o n i c s 。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气门系统。2 0 世纪9 0 年代中后期，研究人员开始发起了无凸轮气门系统的研究。其中，f e v 、a u r a 、 h o n d a 、b m w 、v i s t e o n 等公司等分别展开了电磁驱动式气门系统的研究。英国 l o t u s 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液驱动 式配气系统的研究。 1 3w t 技术发展概况1 5 】 历史上，f i a t 公司首次于1 9 6 0 s 开发出w t 技术( u sp a t e n t3 ，6 4 1 ，9 8 8 ) 。 该系统用液压压力改变气门摇杆的支点，从而改变气门的升程。在1 9 7 0 s ，g m 公司力图开发出可变气门升程的配气系统，该系统着力于降低排放。通过减少低 负荷工况时的气门升程，提高新鲜充量进入气缸的速度，从而改善燃烧，降低排 放。但是，在低升程工况下，发动机运行出现问题，该项目被后g m 放弃。1 9 8 0 s ， a l f ar o m e o 公司首次将机械式v v t 系统运用所开发的2 0 l s p i d e r 汽车上。此后， 在1 9 8 6 年，n i s s a n 公司在v g 3 0 d e ( 丌) 发动机上采用了自己研制的n v c s ( n i s s a n v a l v e t i m i n gc o n t r o ls y s t e m ) ，该系统可以提高怠速稳定性及增加低速和中等转 速时的扭矩，即主要工作在低速和中等转速工况下。n v c s 是首次运用电子控制 第一章绪论 的v v t 系统。1 9 8 9 年，h o n d a 公司开发出v t e c ( v a r i a b l ev a l v e t i m i n ga n dl i f t e l e c t r o n i cc o n t r 0 1 ) ，该系统有两套不同的凸轮型线，可以在低转速和高转速之间 切换。低转速凸轮用于降低排放和提高燃油经济性，高转速凸轮型线用于提供最 大扭矩输出。v t e c 是第一个采用凸轮切换实现v v t 的机构，此后多家公 司开发的v v t 系统都与此有相似之处。在1 9 9 0 s ，b m w 公司研制成功首个可以 根据发动机运行工况连续改变升程的v a l v e t r o n i c 系统，升程可以在o 1 0 m m 之间 连续变化。总的来说基于凸轮轴的v v t 系统有如下几种形式。 1 3 1 可变凸轮型线1 6 7 j 图l - lh o n d a 公司的v e t c 这类可变气门机构同时改变气门的定时，持续期和升程，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。 以v t e c 为例。v t e c 系统全称是可变气门正时和升程电子控制系统，是本 田的专有技术，它能随发动机转速、负荷、水温等运行参数的变化，而适当地调 整配气正时和气门升程，使发动机在高、低速下均能达到最高效率。在v t e c 系统中，其进气凸轮轴上分别有三个凸轮面，分别顶动摇臂轴上的三个摇臂，当 发动机处于低转速或者低负荷时，三个摇臂之间无任何连接，左边和右边的摇 臂分别顶动两个进气门，使两者具有不同的正时及升程，以形成挤气作用效果。 此时中间的高速摇臂不顶动气门，只是在摇臂轴上做无效的运动。当转速在不断 提高时，发动机的各传感器将监测到的负荷、转速、车速以及水温等参数送到 e c u 中，e c u 对这些信息进行分析处理。当达到需要变换为高速模式时，e c u 就发出一个信号打开v t e c 电磁阀，使压力机油进入摇臂轴内项动活塞，使三只 摇臂连接成一体，使两只气门都按高速模式工作。当发动机转速降低达到气门正 时需要再次变换时，e c u 再次发出信号，打开v t e c 电磁阀压力开头，使压力 机油泄出，气门再次回到低速工作模式。 第一章绪论 图l - 1 为改进型的v t e c 系统示意图，有三个不同的凸轮瓣。在低速时只 有一个进气门被打开，以达到改善燃烧，降低排放，提高息速稳定性的目的。在 中等转速时两个进气门均被打开，以提高充量系数，增加扭矩输出。在高转速 时，切换到高速凸轮型线- 以达到大的扭矩输出。但这种改变仍只能优化某些工 况，不能实现全工况性能的优化。 1 , 3 2 可变凸轮从动件吣1 0 】 这类途径保持凸轮型线不变，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。b m w 公司的v a t v e t r o n i c 可变配气技术是是较为典型和成功的结构 已经广泛应用于其产品发动机，其结构如图i 一2 所不。该系统是第一敖实现气门 正时和气门升程连续可变的v v t 机构，升程范围为1 1 0 r a m 。装有该系统的发 动机的显著特点是运用升程的变化调节发动机负荷，而不是用节气门。 图l - 2b m w 公司的v a i v c t r o n i c 工作原理：该机构在凸轮轴与气门之问增加了中问杆2 ，并且在缸盖上增加 了一根偏心轴l ，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。当侮0 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l 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。偏心轴可在0 1 6 0 。范围 内连续调节，并且在偏心轴上安装了位簧传感器，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 1 0 m m 范围内连续调节气门的升程。该系统可以用 第一章绪论 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 。 值得注意的是：该系统并没有取消节气门，但在发动机运转时始终处于最大 开启状态( w o t ) ，只有在刚启动时，节气门是关闭的。 1 3 3 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，因此可变凸轮轴相位机构目前应用最为广泛。 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 轮轴相位机构是前文 中提到的a l f a r o m e o 公司于1 9 8 3 年用于一台双凸轮轴蚵气门发动机上的两点式 可变凸轮轴相位机构。 如图i - 3 所示，它的核心部件是调节柱塞， * ”h t 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毂啮合，由链轮轮教驱动 旋转，同时可咀在液压力的推动下在轮毂的孔内 作轴向移动。调节柱塞的内表面通过斜齿与凸轮 轴啮合，驱动凸轮轴旋转。当调节柱塞沿着凸轮 轴轴向移动的时候，内部斜齿的作用使得凸轮轴 目l o 心m 一晰h 醮h 相对链轮轮毂转过一个角度，从而改变了凸轮轴的相位。怠速时，通过一个回位 弹簧使得气门定时保持在较迟的位置上；随着转速的提高，通过电磁阀控制机油 的流动，使调节柱塞在机油压力作用下克服弹簧而移动到另一侧气门定时被调 节4 较早的位置上。这种工作原理，一般称为直齿停 齿作用原理。当调节柱塞 内外表面都是斜齿方向相反时，在柱塞相同行程下，调节的角度更大。 在a l f ar o m e o 的调节装置投入成批生产以后在将近二十年的时间里相 关的专利申请以指数函数增加。许多公司将直齿，斜齿系统推上了市场。这些公 司包括d a i m l e r - c h r ) , s l e r 、f o r d 、j a g u a r 、n i s s a n 、p o r s c h e 和t o y o t a ，各种不同的 系统既可以集成于齿形皮带驱动系统中，又可以集成于链传动系统中。 后来，除了直齿斜齿的系统外，德国h y d r a u l i c r i n g 公司为p o r s c h e 、a u d i 和v o l k s w a g e n 公司的发动机开发了液压张紧器式的可变凸轮轴相位机构。发动 机工作时，曲轴仅仅直接驱动捧气凸轮轴，排气凸轮轴通过两撮凸轮轴之间的链 条驱动进气凸轮轴。在两根凸轮轴之间通过液压括塞机构改变链条的张紧。带动 进气凸轮轴相对于排气凸轮轴旋转一个角度，从而改变凸轮轴相位。这种可变凸 轮轴相位机构只能应用于取凸轮轴的场台。 第一章绪论 如年代中后期。相对于两点式调节装置而言，当调节柱塞能够连续移动并 且可靠稳定地保持在中间任意位置时便实现了凸轮轴相位的连续调节，这就是 第二代可变凸轮轴相位控制系统，能够使发动机性能获得更大的改善。 2 0 0 0 年后在第二代可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，成为第三代可变凸轮轴相位机构。 囡 i * 2 n 3 扭董 4 填止弹鳖 5 埙止弹i 院使饭 6 幢止饷 7 韩子8 后自鬣 9 叶片1 0 弹鳖 1 1 蘸压蓝 1 2 碾匪畦b 图1 - 4 b m w 公司v 柚o s 机构 图i - 4 为b m w 公司的v a n o s ，转于7 通过螺栓与凸轮轴固定在一起，壳体 1 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1 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 压回并释放转子。供油油路 与液压腔1 l 接通，向该腔中供油，回油油路与液压腔1 2 接通，向外泄油，转子 叶片9 在压力差的作用下带动凸轮轴相对于壳体1 转动，从而改变相位。反向调 节时。供泄油与上述方向相反。由电磁阔控制供泄油的方向，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气门机构。例如 t o y o t a 的v 七h o n d a 的i - v t e c ，g m 、f o r d 的v c t d e l 曲i 的v c p 等都采用了 这种可变相位机构。并且德国i 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 m e r ， 日本d e n s o ，t o y o 协等公司对这种结构做了大量的研究1 a 2 - 3 5 】，但只是叶片结构与 数量的改变，这表明该系统在技术上已较为成熟，且具有较强的实用性。 1 4 无凸轮( c a r e l e s s ) 技术发展概况 2 0 世纪9 0 年代中后期，研究人员开始发起了以微处理器控制的可以连续调 节气j 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，而以电液、电磁、电气或者其他方式驱动气门。其 第一章绪论 最显著的优点是气门开启时刻、气门升程、开启持续时间可以相互独立。因此， 在发动机的工作过程中，气门的运行参数是柔性可变的，能实现发动机配气机构 在各个工况下均能以最佳参数运行，从而能优化发动机燃油经济性、动力性，改 善排放。近年来，国外有多家机构对电液驱动配气机构进行过或正在进行研究， 如德国的d a i m l e r - b e n z 公司，美国的f o r d 公司，美国的c a l i f o m i a 大学和i l l i n o i s 大学联合开展了这方面的研究，以及美国的北卡莱罗纳大学。电液气门驱动机构 的主要问题是响应速度不够高、气门落座冲击、能耗过大和系统复杂。 1 4 1 电液驱动式 近二十多年，多家机构对无凸轮电液驱动配气机构进行过或是正在进行研 究。由于这种新型驱动模式涉及到液压、电子、自动控制等领域，结构较为复杂， 目前只见用于大型卡车和船用发动机。例如，国际载货车与发动机公司开发出一 种无凸轮轴柴油机，利用电子控制装置替代传统的凸轮轴和推杆来控制气门的开 关。它将提高柴油机动力性和耐用性，并减轻质量和降低排放。早在1 9 9 4 年， 该公司就开发出一种电动液压技术，已经应用于低压共轨供油系统，现在的无凸 轮轴柴油机也是应用这种技术开发的。该技术是利用电子和液装置驱动气门，可 使柴油机扭矩提高4 0 ，扭矩曲线以得更加平垣，因而使汽车的加速更加平稳。 无凸轮轴柴油机能够控制气门落座的速度，不仅提高了零件的可靠性，面且降低 了气门机构的噪声。无凸轮轴柴油机还可以将柴油机压缩制动技术结合进来，从 而减轻制动器的负荷和磨损。 电液驱动式无凸轮配气技术主要分为：电液驱动活塞无弹簧系统、电液驱动 活塞单弹簧系统和电液驱动活塞双弹簧系统。 电液驱动活塞无弹簧系统 这种系统取消了凸轮轴和回位弹簧。典型代表是f o r d 公司的无凸轮电液驱动 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 】( e l e c t r o h y d r a u l i cc a m l e s sv a l v e t r a i n ，e h c v ) 配气机构，原理如图1 5 。 该系统有高压源和低压源，在气门杆顶端设计了液压活塞，活塞带动气门在液压 腔中可以上下往复运动。活塞上端面的控制室与高压源和低压源相联，下端面的 液压腔始终与高压源相通，压力保持恒定。虽然活塞上下端面液压腔的高压源相 同，但是由于液压作用面积不同，即使都是高压流体作用时，上下端面仍会产生 压力差驱动气门向下加速运动。通过控制高低压电磁阀的开启与关闭，改变控制 室的压力，就可以实现气门运动的可变。将气门与一个液压活塞相连接，通过电 磁阀控制液压缸内高压和低压液体的流入和流出，从而控制气门的运动。 第一章绪论 图1 5f o r d 公司的电液驱动式气门 莲花( l o t u s ) 公司的a v t 系统( a c t i v ev a l v et r a i n ) ( 图1 6 ) 也为电液驱 动活塞无弹簧系统，其工作原理类似与福特公司的e h c v ，采用一个四位三通的 电磁阀控制液压回路。 图1 - 6l o t u s 公司的a v t 电液驱动活塞单弹簧系统 这种系统取消了凸轮轴，但是回位弹簧作为气门复位装置被保留下来。图 1 7 是南卡莱罗纳大学开发的电液驱动无凸轮发动机系统【1 6 1 。该发动机气门动作 是通过如下过程完成g 从控制硬件发出一个电脉冲将引起压电管的扩张。这个线 性扩张将会转移为液压伺服阀的运动。伺服阀的轻微运动将会激励液体流动和压 力变化，同时会通过作用到与气门相连接的液压活塞的方式转变为线性运动。但 线轴向上或向下运动时候，使得压力液体通过孔流动使气缸体内活塞上下的压力 不断变化，从而使液压活塞带动气门上下往复运动。 第一章绪论 图l 7 南卡莱罗纳大学单弹簧无凸轮系统囤】- 8d a i m l e r - b e n z 公司双弹簧无凸轮系统 电液驱动括塞双弹簧系统 d a l m l e r - b e n z 公司研究员l e t s c h e 研制的双弹簧式电液气门驱动机构如图 i 一8 所示。该系统通过加速踏板位置、发动机转速等数据精确计算出气门开启 时刻和持续时间。只要简单地依靠电磁婀控制渡压系统就可使发动机气门动作。 气门在其起始( 全闭) 和终了( 全开) 位置之间振动，开启力来自气门开启弹簧，关 闭力来自气门关闭弹簧。 气门与柱塞相连固定，柱塞在液压下由液压缸一端自由移向另一端。油压将 柱塞顶靠在液压缸一端使气门开启，并持续一段精确的时间。在适当时刻电磁阀 又开启使液压油回流。柱塞再一次移动，气门又在其弹簧力的作用下迅速关闭。 这种新的气门定时机构能耗很低，各个气缸的气门能独立地开启和关闭。在不需 要发动机满负荷工作时，可以依次关闭一部分气缸或使其怠速运转，而又不让这 些气缸冷却下来从而既降低了燃油耗又降低了捧放。 电液气门驱动的这三种主要方式仍然处于试验室阶段。电液驱动无凸轮机构 主要的问题就是响应速度不高、气门落座冲击大、能耗过大和系统比较复杂等。 对于电液驱动活塞无弹簧系统来说在开发无凸轮发动机的几种模式中，最 具代表性的是福特公司。它的系统中既没有凸轮也没有弹簧完全依赖液体势能 和气门动能相互转化，使用电磁阀来控制液体流动和发动机气门开启关闭。 对于电液驱动活塞单弹簧系统来说，拥有回位弹簧使得气门在关闭过程中比 较迅速，闭合比较严。不过这也产生了落座冲击比较丈的问题这可以从液力系 统结构上设置气门落座阻尼加以改善。 对于电液驱动活塞职弹簧系统来说，在一定程度上解决了能量回收的问题 第一章绪论 所以它的能耗相对比较小。不过无论是单弹簧还是双弹簧系统，弹簧的作用是 辅助的，是为了更容易的关闭和开启气门而保留的，它们可咀在一定程度上简化 整个装置的复杂度，容易操纵。不过使用弹簧也可能在一定程度上是要克服的 阻力。随着无凸轮技术的不断发展，最终趋势是取消弹簧完全由液力代替弹簧。 比较这三种驱动模式，其基本原理是相同的只不过是在具体实现形式上的 差别。所以他们的具有相同的缺点：首先，提高响应速度就要提高液体压力、 闭环控制、减少系统泄漏不过这就是的能耗过大、密封难咀解决；其次，系统 工作时，压力液体的压力波动、可压缩性、电磁阀或是压电阀的地响应速度以及 气缸内气体压力波动时的气门运动难以精确实现：最后，在液体工作过程中，频 繁的进行动能势能转换，产生很多热晕不能很好回收能量，使得系统效率很低 功率消耗很大。 1 4 2 电磁驱动式 无凸轮电磁驱动配气技术( e l e c l r o m a g n e l i cc a r e l e s sv m v e t r a m ，e m c v ) 的 工作原理为：系统由电磁线圈直接驱动气门，通过改变线圈的通电和断电时刻控 制气门的开启正时和开启持续期。气门动作调节灵活响应迅速，调节能力强。 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。a u r as y s t e m 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、双电磁铁气门 驱动方案1 删o 】，图1 9 。 u m 图b 9f e v 电磁驱动式气门 与电磁式气门系统相比，电液式控制的自由度更大，能控制气门运行的速度， 但是其动态响应速度却比电磁式要差。电气式气1 , 1 1 2 3 均工作原理与电液式气门驱 动相似- 只不过将液体换成了气体。无凸轮配气系统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。在国内清华大学开展了电 第一章绪论 磁驱动式气门系统的研究，浙江大学对电磁驱动式气门系统进行了模型的仿真研 究。但与国外相比，可变气门技术只是局限于实验室研究，还没有形成具有自主 知识产权的，可以广泛应用于车用发动机的可变气门系统。 与电液气门驱动中采用的介质( 液体) 相比，空气的粘度低，且粘度受湿度 的影响小，运动惯性小，这些都有利于提高电气气门驱动的响应速度；但空气更 具有可压缩性，会削弱采用它作为介质带来的好处。与电液气门驱动一样，电气 气门驱动也有气门落座冲击、能耗大、响应速度不够及结构复杂等问题。 1 4 3 其他形式 近年来研究的其他方式的无凸轮铀气门驱动机构包括电机一凸轮驱动和旋 转驱动器一摇臂驱动等。r f i t s o s 等人提出了用旋转驱动器一摇臂驱动气门的方法 2 4 1 ，图1 6 。旋转驱动器工作原理类似于计算机中驱动读写磁头的驱动装置，能 够快速运动，准确定位。r p h e n r y 等人提出了电机一凸轮驱动气门的方案1 2 5 1 ， 图1 - 7 。电机轴、凸轮、凸轮从动件总成及气门在同一轴线上。电机及凸轮转动 凸鼻 图1 1 0 旋转驱动器摇臂驱动气门示意图 图1 1 1 电机凸轮气门驱动示意图 时，凸轮从动件及气门作往复运动；控制电机的瞬时转速和旋转方向，即可改变 气门正时和升程。样机试验表明，在相当于发动机转速2 5 0 0 r m i n 以上时能量 消耗很大。这些驱动气门的方式都有气门落座冲击、响应速度、能量消耗和机构 复杂等问题。对旋转电气气门驱动和旋转驱动器一摇臂气门驱动的研究远不如对 电磁、电液气门驱动的研究那样深入。还有人进行了以旋转气门代替往复运动的 菌形气门的尝试，但密封和润滑的老问题依然没有解决。 1 4 4 无凸轮配气技术的优点 除了具有以凸轮轴为基础的v v t 技术所有优点以外，无凸轮配气技术还有 第一章绪论 以下的优点： 由于取消了凸轮轴及其相关零部件，从而简化了发动机的结构，减小了发动 机的重量和高度，使得发动机结构更为紧凑。同时，增加了气门布置的灵活性， 使气门不是必须布置在与凸轮轴中心线相垂直的平面内，实现了气门设计的柔性 化，因而能使换气过程与燃烧室匹配的更好。 能灵活、单独、精确地控制气门的运行。这些运行参数包括气门定时，气门 开启持续时间，气门升程和气门运行速度以及工作频率。控制气门的定时，开启 持续时间和升程，除了能使换气过程更加完善，优化发动机的工作性能外，还有 助于实现新概念的燃烧方式。例如，目前实现h c c i 燃烧方式的一个重要途径就 是利用适当的内部e g r 率，这就可以通过控制排气门的定时来提供所需的内部 e g r 率。控制气门运行速度，既可以减少磨损和冲击噪声，又有助于缸内气流 运动形式的实现。在多缸机上，在无需发动机满负荷工作的情况下，可以有选择 地关闭部分气门以及变换气门的关闭频率，从而依次关闭一部分气缸或者使其怠 速运转，而又不让这些气缸冷却下来，能改善怠速稳定性。 1 5 本课题研究的意义和内容 现代内燃机无凸轮配气技术是实现“高效率、低能耗、低排放”目标的有力 手段，可以显著地改善发动机的燃油经济性、动力性和降低排放；同时，无凸轮 配气技术是发展以均质充量压缩着火燃烧方式( h c c i ) 为特征的下一代发动机 的有效的技术措施。因此，无凸轮配气技术必将对发动机的发展产生重要的影响。 到目前为止，国外已有一系列比较实用的可变气门机构，并且应用范围比较广泛。 g m 公司p o w e rt r a i n 技术主管d o np o z n i a k 认为：可变气门技术在降低燃油消耗 和排放等方面所带来的价值已经超过了其自身的成本。美国g m 、f o r d 、 d a i m l e r c h r y s l e r 等三大汽车商提出到2 0 0 6 年，在其7 5 8 0 的车上应用可变气 门技术；而f i a t 公司提出将v v t 技术与c o m m o nr a i l 结合应用于车用柴油发动 机。与此同时，以f e v ，f o r d ，l o t u s 和v i s t e o n 为代表的研究机构正在大力地进 行着无凸轮轴的可变气门技术的研究和开发，以期能更加灵活地控制每个气门的 运动规律。 与国外相比，我国在发动机可变气门技术领域的水平比较薄弱，还没有形成 具有自主知识产权的，可以广泛应用的技术。因此，面临着当前均质充量压缩着 火燃烧方式为内燃机技术带来重大突破的历史机遇，在国内，十分有必要以此机 遇为契机，在研究先进燃烧理论的同时，加快发展先进的燃烧控制技术手段，改 变我国发动机控制技术手段长期落后的局面。 第一章绪论 进一步开展可变气门技术的