（车辆工程专业论文）全可变液压气门机构发动机的性能模拟.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t hl3 s e c u r i t yc l a s s i f i c a t i o n ： i 鼎y 1 7 9 1 7 5 4 s c h o o lc o d e ：10 4 2 2 s t u d e n tn u m b e r ：2 0 0 71217 0 s h a n d o n gu n i v e r s i t ym a s t e r ，st h e s i s s i m u l a t i o no f e n g i n e p e r f o r m a n c ew i t hf u l l yv a r i a b l ev a l v e h y d r a u l i ca c t u a t i o ns y s t e m c a n d i d a t e ：g uk e t a o s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丝堑i 拖日期：z 丝：尘2 董 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：礁幽拯 导师签名：日期：碰：重：2 厂 、 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论。1 1 1 选题的背景1 1 2 可变配气机构国内外发展现状2 1 2 1 进气凸轮轴调相机构3 1 2 2 变换凸轮型线机构4 1 2 3 无凸轮可变配气机构5 1 3 发动机工作过程模拟现状。6 1 4 本文的主要研究内容8 1 4 1 研究对象8 1 4 2 研究内容8 第2 章全可变液压气门机构的工作原理9 2 1 全可变气门机构的结构与原理9 2 1 1f v v t 的结构一9 2 1 2f v v t 的原理1 1 2 1 3 出口控制器的结构与原理1 0 2 2f v v t 机构的优点。1 2 2 3 本章小结1 3 第3 章发动机工作过程模拟理论基础1 5 3 1 缸内系统的热力学模型1 5 3 1 1 模型建立的基本假设1 5 3 1 2 基本微分方程组15 3 2 热力学模型的计算方程1 8 3 2 1 气缸工作容积1 8 3 2 2 进、排气质量流率方程l8 3 2 3 气缸周壁传热计算1 9 3 2 4 燃烧放热规律2 l 3 2 5 工质热力学能变化的计算2 2 3 2 6 平均机械损失压力p m 的估算2 3 3 3 气缸内实际工作过程分析2 3 3 3 1 压缩阶段2 3 3 3 2 燃烧阶段2 4 3 3 3 膨胀阶段2 5 3 3 4 换气阶段2 5 3 4 本章小结2 6 第4 章样机工作过程模拟2 7 山东大学硕士学位论文 4 1a v l b o o s t 简介2 7 4 2 模型的建立2 9 4 2 1 模型建立的步骤2 9 4 2 2k 15 7 发动机工作过程模型的建立2 9 4 2 3 模型参数的确定3 0 4 3 模型的验证。3 4 4 4 本章小结3 5 第5 章全可变配气定时发动机的性能模拟3 7 5 1 全可变配气机构气门运动规律的测量及对循环充量的影响3 7 5 1 1 全可变配气机构气门运动规律的测量3 7 5 1 2 全可变配气机构发动机对循环充量的影响3 9 5 2 全可变配气机构发动机与原机性能对比= 。4 1 5 2 1 相同转速下全可变配气机构发动机与原机性能对比4 1 5 2 2 相同循环充量下全可变配气机构发动机与原机性能对比4 2 5 3 米勒循环的应用4 5 5 - 3 1 米勒循环的原理4 5 5 3 2 米勒循环的指示热效率4 6 5 3 3 米勒循环在汽油机的应用4 8 5 4 实现米勒循环后发动机性能的预测4 9 5 5 本章小结5 1 总结与展望5 3 参考文献5 5 致谢5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的科研项目6 1 - h c o n t e n t s 曼曼舅曼曼鼍鼍曼詈皂曼詈曼 iaai 皇曼曼皇皇曼曼曼皇曼曼曼寰曼兽皇曼曼曼曼蔓量寰寰蔓曼曼曼蔓曼曼量曼 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i a b s t r a c t i i i c h a p t e rli n t r o d u c t i o n l 1 1 1 1 l eb a c k g r o u n do fs u b j e c t 1 1 2d o m e s t i ca n df o r e i 皿s u r v e yo f v v t 2 1 2 1r o t 撕n gt h ei n t a k ec a mv v ts y s t e m 3 1 2 2c h a n g et h ec a mp r o f i l ev v t s y s t e m 4 1 2 3c a r e l e s sv a r i a b l ev a l v ed r i v i n gm e c h a n i s m 5 1 3t h es i t u a t i o no f e n g i n eo p e r a t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n 6 1 z i r 1 1 t ：m a i nr e s e a r c hc o n t e n t 8 1 4 1t h er e s e a r c ho b j e c t 8 1 4 2t h er e s e a r c hc o n t e n t 8 c h a p t e r2t h ep r i n c i p l eo ff u l l yv a r i a b l ev a l v et r a i n 一9 2 1t h es t u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f f v v tm e c h a n i s m 9 2 1 1t h es t u c t u r eo f f v v tm e c h a n i s m 9 2 1 2t h ep r i n c i p l eo f 】f ”、，m e c h a n i s m 1l 2 1 3t h ep r i n c i p l eo fo u t l e tc o n t r o l l e r 10 2 2t h ea d v a n t a g eo ff v v tm e c h a n i s m 12 2 3 王r i e fs u m m a r y 13 c h a p t e r3t h e o r yb a s i so fe n g i n eo p e r a t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n 15 3 1t h et h e r m o d y n a m i c sm o d e lo fi n c y l i n d e rs y s t e m 15 3 1 1t h eb a s i sa s s u m p t i o no f m o d e l 15 3 1 2t h eb a s i sd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s 15 3 2t h ec a l c u l a t i o ne q u a t i o n sf o rt h e r m o d y n a m i c sm o d e l 18 3 2 1t h ec y l i n d e rd i s p l a c e m e n t 18 3 2 2t h ei m a k ea n de x h a u s tm a s sv e l o c i t ye q u a t i o n 18 3 2 3t h eh e a te x c h a n g eo f c y l i n d e rw a l l 1 9 3 2 4t h eh e a tr e l e a s eo f c o m b u s t i o n 2 1 3 2 5t h ec a c u l a t i o no f t h e m o d y n a m i cp r o p e t i e so f w o r k i n gs u b s t a n c e s 2 2 3 2 6t h ee s t i m a t eo f f m e p 2 3 3 3t h ea n a l y s i so f r e a lo p e r a t i n gp r o c e s s 2 3 3 3 1c o m p r e s s i v es t a g e 2 3 3 3 2c o m b u s t i o ns t a g e 2 4 3 3 3e x p a n s i v es t a g e 2 5 3 3 4e x c h a n g es t a g e 2 5 3 4b r i e fs u m m a r y 2 6 c h a p t e r4 t h eo p e r a t i n gs i m u l a t i o no f t e s te n g i n e 2 7 i l l 山东大学硕士学位论文 4 1i n t r o d u c t i o no f a v l b o o s t 2 7 4 2t h em o d e le s t a b l i s h m e n t ：1 9 4 2 1t h ep r o c e s so f m o d e le s t a b l i s h m e n t ：1 9 4 2 2e s t a b l i s h m e n to fk 15 7e n g i n em o d e l 2 9 4 2 3f i xt h em o d e lp a r a m e t e r s 3 0 4 3v e r i f i c a t i o no f m o d e l 3 4 4 4b r i e f s u m m a r y 3 5 c h a p t e r5s i m u l a t i o no f e n g i n ep e r f o r m a n c ew i t hf 、，飞，tm e c h a n i s m 3 7 5 1t h em e a s u r e m e n to ff w tv a l v em o v e m e n ta n di n f l u e n c et oc i r c l ei n l e ta i r 3 7 5 1 1t h em e a s u r e m e n to ff v v tv a l v em o v e m e n t 3 7 5 1 2t h ei n f l u e n c et oc i r c l ei n l e ta i ro f f w tm e c h a n i s m 3 9 5 2t h ee n g i n ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nf v v ta n dp r o t o t y p e 一4 1 5 2 1t h ee n g i n ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 、析t l ls a m ee n g i n es p e e d 4 1 5 2 2t h ee n g i n ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nw i t hs a m ei n l e ta i r 4 2 5 3a p p l i c a t i o no f m i l l e rc y c l e 4 5 5 ：；1t h ep r i n c i p l eo f m i l l e rc y c l e 4 5 5 3 2t h ei n d i c a t et h e r m a le 伍c i e n c yo f m i l l e rc y c l e 4 6 5 3 3a p p l i c a t i o no f m i l l e rc y c l ei ns ie n g i n e 4 8 5 4t h ep r i d i c t i o no fe n g i n ep e r f o r m a n c ew i t hm i l l e rc y c l e 4 9 5 ! ；】b i j e f s u m m a r y 5 1 s u m m a r ya n de x p a n t a t i o n 5 3 5 5 5 9 t i o np r o j e c t s 6 1 摘要 摘要 传统的发动机配气系统其气门升程和配气相位都是固定不变的，不能同时兼 顾高、低速性能，也就不能满足日益增长的燃油经济性、排放性、动力性要求。 同时由于节气门的作用使汽油机在中低负荷时具有强烈的泵气损失，导致燃油消 耗率较高，排放恶化。因此研究可根据车速、负荷的变化实现气门升程从0 至最 大设计升程的连续可变、配气相位可在1 8 0 。c a 内同时连续变化的全可变气门机 构是非常必要的，利用进气门的关胁寸刻替代节气门控制进气量对降低泵气损失， 实现发动机的节能减排具有重大意义。 本文所研究的全可变液压气门机构由进气凸轮和液压机构共同作用控制进气 门的开启，通过泄油控制器控制液压机构的泄油时刻来决定气门的关闭，以此实 现发动机在不同转速负荷条件下气门升程及配气相位的全可变。本文以k 1 5 7 f m i 发动机为样机，对全可变液压气门机构的发动机性能进行了模拟研究，主要内容 如下： 首先，选用了合理的数学模型和物理模型，主要包括进、排气质量流率模型、 气缸周壁传热模型、燃烧放热模型和平均机械损失压力等。为进行发动机整机性 能模拟奠定了理论基础。 其次，根据发动机实际情况，利用b o o s t 软件建立了正确的原机发动机性能 循环模拟模型，详细分析了模型中各模块参数的确定和输入，主要包括各连接管 道参数、空气滤清器参数、消音器参数、化油器参数、气缸基本结构尺寸、气门 运动规律和配气相位参数、燃烧放热模型参数、缸壁传热模型参数和气道流量系 数等。利用实测的发动机外特性曲线与循环模拟模型计算的原机外特性曲线进行 分析对比验证了模型的正确性和可靠性。 然后，在循环模拟模型的基础上，利用实测的全可变液压气门机构的气门运 动规律取代原机的气门运动规律，实现对采用全可变液压气门机构的发动机性能 进行模拟计算。计算结果表明：利用全可变液压气门机构能取代节气门作用控制 进气量，从而使发动机在中低负荷时有效改善燃油经济性。同时由于降低了泵气 山东大学硕士学位论文 损失，对发动机的动力性也略有提高。 最后，在利用全可变液压气门机构实现全可变配气的基础上实现米勒循环， 对发动机性能进行了预测。 关键词发动机；全可变液压气门机构；泵气损失；性能模拟；米勒循环 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ev a l v el i f t i n ga n dv a l v et i m i n go ft r a n d i t i o n a le n g i n ec a l l tb ec h a n g e d ，i tc a l l n o tt a k ei n t oa c c o u n ta l lt h eh i g l as p e e da n dl o ws p e e dc o n d i t i o n ，弱ar e s u l to ft h a t ，i t c a n tm e e tt h ed e m a n do ff u e lc o n s u m p t i o n , e m i s s i o na n dp o w e r m e a n w h i l et h e p u m p i n gl o s tb yt h r o t t l ei nl o wa n dm i d d l el o a dr e s u l ti ng r e a t e rf u e lc o n s u m p t i o na n d e n g i n ee m i s s i o nd e t e r i o r a t i o n , t h e r e f o r e ，s t u d y i n go ff u l l yv a r i a b l ev a l v et r a i nw h i c hc a l l c h a n g et h ev a l v el i f tf r o m0t om a x i m u ma n dm a k et h ev a l v et i m i n gc h a n g ei n18 0 0 c a a f t e rt d ci n s t e a do f t h r o t t l ec o n t r o l l i n ga i ri n p u tw i l lb eg r e a t l ys i g n i f i c a n t t h ei n t a k ev a l v eo ff u l l yv a r i a b l ev a l v et r a i ns t u d i e di nt h i sp a p e ri sc o n t r o l l e d o p e nb yi n t a k ec a i n ，w h i l et h eh y d r a u l i cm e c h a n i s mc o n t r o l l e si td o w na ta na p p r o p r i a t e t i m e t i l i sc o n t r o li sc o n t i n u o u sv a r i a b l ei no r d e rt oa c h i e v et h e 铷1 v a r i a b l ev a l v e m o v e m e n t i nt h i sp a p e r , k 15 7 f m i e n g i n ei sf o re x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ，w ec a r r yo u ta s e r i e so fs i m u l a t i o ns t u d i e so fe n 舀n ep e r f o r m a n c ew i mf u l l yv a r i a b l ev a l v et r a i n t h e m a i nc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n g ： f i r s t , a n a l y s ea n du s et h er e a s o n a b l em e t h m e t i c a lm o d e la n dp h y s i c a lm o d e l ， i n c l u d i n gi n t a k ea n de x h a u s tm a s sv e l o c i t ym o d e l ，c y l i n d e rh e a tt r a n s f e rm o d e l ， c o m b u s t i o nm o d e l ，f r i c t i o nl o s sa n ds oo n s e t i n gt h et h e o r yb a s eo fe n g i n ep e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n s e c o n d ，s e tu pt h ec o r r e c te n g i n ec y c l es i m u l a t i o nm o d e lw i mb o o s ta c c o r d i n g t ot h er e a ls i t u a t i o n a n a l y s et h ep a r e m e t e r so fe v e r yp a r t so fm o d e l ，i n c l u d i n g e o r m e e t i n gp i p e s ，a i re l e a m e r , m u f f l e r , c a r b u r e t o r , s t r u c t u r ep a r e m e t e r so fc y l i n d e r , v a l v em o t i o na n dv a l v et i m i n g , h e a tr e l e a s e ，h e a tt r a n s f e ra n df l o we f f i c i e n t t h er e s u l t o fe n g i n eb e n c ht e s tp r o v e st h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e l t h i r d ，b a s e do nt h ec y c l es i m u l a t i o nm o d e l ，u s et h ev a l v em o t i o nd a t e so ff u l l y v a r i a b l ev a l v et r a i ni n s t e a do ft h eo r i g i n a lo n e st or e a l i z et h ee n g i n ep e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ee n g i n ew i t l lf u l l yv a r i a b l ev a l v et r a i nc o u l d ! i l i m p r o v ef u e le c o n o m ya n dp o w e r i nt h ec o n d i t i o no f l o wa n dm i d d l el o a db yr e d u s i n g t h ep u m p i n gl o s sc o m p a r i n gw i t ht h ee n g i n ew h i c hc o n t r o lt h ea i ri n t a k eb y t h r o t t l e f i n a l ，b a s e do nt h e 似l yv a r i a b l ev a l v et r a i n , w ep r e d i c tt h ee n g i n ep e r f o r m a n c e w h i c hu s em i l l e rc y c l e k e yw o r d s s ie n g i n e ；f u l l yv a r i a b l ev a l v et r a i n ；p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ；p u m p i n g l o s s ；m i l l e rc y c l e 第1 章绪论 i i 选题的背景 第1 章绪论 随着经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，汽车这个曾经的奢侈品正 逐步走下神坛，步入千家万户之中，在人们的生产生活中扮演着越来越重要的角 色。汽车凭借其便捷的操作，舒适的驾乘，不断提高的安全性已经成为当今数量 最多，应用最为普及，活动范围最为广泛的运输工具。现在全世界同时有上亿辆 汽车在陆地上行驶，同时，这个数量还以每年几千万辆的速度递增。可以说，人 们的日常生活中已经越来越离不开汽车了【l 】。 然而，由于全世界石油资源的紧缺以及人们对环境问题的日益关注，使人们 对汽车的性能提出了更高的要求更好的燃油经济性，更低的有害排放，更好 的动力性能。为了解决这一系列的矛盾，人们开始对发动机进行了相应的研究和 改造，挖掘发动机的最大潜力。以实现人们对汽车低能耗、低污染、高性能、高 寿命、免维修、多样化的要求。 随着科学技术的发展，人们对发动机的改造正逐步实现或接近预期的目标。 在结构方面，用项置凸轮轴配气机构代替下置凸轮轴式配气机构，多气门发动机 代替两气门发动机【2 羽，用汽油喷射代替化油器【4 】；采用电控喷油【5 1 ，电控点火【6 】； 另外人们在燃烧过程和净化触媒等方面也进行了大量的研究工作，都取得了有效 进展即1 ；以前固定的机构走向可变，如可变压缩比，可变尺寸进气系统( 谐振进 气系统) 、可变排量和可变配气定时等【9 - 1 3 1 。 对于常规内燃机来说，配气相位都是按内燃机性能要求，通过实验确定某一 转速和负荷条件下较为适合的配气相位，自然只对这一转速最为有利。然而，发 动机转速的高低对进、排气流动以及汽缸内燃烧过程是有影响的。转速高时，进 气气流流速高，惯性能量大，所以希望进气门早些打开，晚些关闭，尽量多进一 些混合气或空气；反之在发动机转速较低时，进气流速低，流动惯性能量也小， 因此，希望发动机进气门稍晚些开启【2 】。可见，发动机转速不同时，对配器定时的 要求是不同的。如果凸轮型线所规定的配气定时适用于高速，那么在低速时，性 山东大学硕士学位论文 能就不会太好；反之亦然。为了在更大的曲轴转速范围内提高功率指标，降低燃 油消耗，现代多气门内燃机气门开启相位、升程也可以改变，称作可变气门运动 配气机构( v v a ) 【1 3 】。通过这套机构对配气过程的调节和控制，低、中转速时，活 塞运动速度低，气流动力学特性差，因而要求“缩小 相位重叠角，以减少工作 混合气倒流，保证低、中转速时扭矩曲线形状较好，可显著地降低燃油消耗率： 在中高速时，活塞运动速度快，气流动力学特性好，因而要求“放大 相位重叠 角，废气排放彻底，进气量充分，可相应增加内燃机扭矩。显然，采用这一机构， 可以提高内燃机性能、降低污染、改善怠速性能。目前，市场上的可变气门配气 机构大致可分成三种形式【1 4 1 ：第一种是利用凸轮轴和正时齿轮间相对角位移产生 的相位差，使气门配气正时变化的机构，称为“可变凸轮相位的配气机构( w t ) 一； 第二种是分别使用具有不同专用轮廓的高速凸轮和低速凸轮而使气门配气正时和 升程产生变化的机构，称为“可变配气正时及气门升程的配气机构( w t w l ) ； 第三种是能够实现配气定时及气门升程连续可变的机构，称为“全可变配气机构 ( f v v t ) 【1 5 1 。 由于采用可变配气技术对发动机的性能有重大的改善，近年来，德国，日本 等汽车工业发达的国家在研究可变配气机构方面作了大量的工作，并取得满意的 效果，并且正开始逐步投放市场【1 6 1 。我国由于在这方面起步较晚，并没有具有自 主知识产权的成熟产品投入市场。因此，在这一领域进行研究，将有助于我国汽 车发动机行业提高自主产品的研发能力，逐步缩短与世界先进水平的差距。 本文就是提供一种气门升程连续可变、配气定时连续可变、气门持续角连续 可变的配气机构，该机构可以有效地控制进入发动机气缸内的气体数量，通过直 接控制气门运动规律来达到取消节气门降低泵气损失的目的。为验证其理论上的 可行性，实验选择结构比较简单的k 1 5 7 单缸汽油发动机为研究对象，具体工作将 在后面逐步论述。 1 2 可变配气机构国内外发展现状 可变配气机构( w a ) 按照工作原理可以分为以下三大类：进气凸轮轴调相机 构、变换凸轮型线机构、无凸轮可变配气机构。 2 第1 章绪论 1 2 1 进气凸轮轴调相机构 该类机构利用凸轮轴调相原理，凸轮型线是固定的，而凸轮轴相对曲轴的角 度是可变的，因为配气相位中影响发动机性能较大的是进气门关闭角和进排气门 重叠角，在多气门双顶置凸轮轴发动机上，单独控制进排气凸轮轴，可以实现对 这两个因素的控制，改善发动机性能。虽然这类机构不能改变气门升程和持续期， 但是机构原理简单，可以保持原发动机气门系不变，只是一套额外的机构来改变 凸轮轴相角，对原机改动较小，便于采用，应用较广泛。属于这种原理的机构很 多，大多是液压式的。现在有较多的形 式，例如螺旋花键轴式、张紧轮式、差 速器式、液压马达式机构均属此类。 图1 - 1 所示为b e n z 公司可变气门正 时机构【1 7 】。它通过在正时皮带轮( 或链 轮) 与凸轮轴内轴之间设置一环形柱塞， 凸轮轴内轴与环形柱塞之间以直键或花 键传动；在电子控制下改变正时皮带轮 与凸轮轴内轴直键的相对相位，使气门 配气相位改变。 图1 2 为m a z d a 可变气门正时机构 【1 8 1 ，这种机构的传动装置有两个液压室： 气门正时提前室和气门正时延迟室，这 两个液压室位于凸轮轴链轮支撑壳与凸 轮转子之间。油泵为两室提供机油，由 电脑控制两室液压水平，按照发动机运 行条件调整凸轮轴链轮以及凸轮轴的相 位，以获得最优配气。 轴 内轴回弹簧内轴 图1 1 b c n z 公司可变气门正时机构 l p 啊：2 - 0 c y ：3 - 滑阀；4 - 油泵：5 凸轮轴： 6 - 可变气门正时传动装置：7 转子：8 - 壳： 9 - 油底壳：l d - 通i 句气门芷时提前室：1 1 - 气门芷时提前室：1 2 来自气门正时延迟室 图1 2m a z d a 可变气门正时机构 3 山东大学硕士学位论文 1 2 2 变换凸轮型线机构 可变凸轮型线式配气机构可以根据不同的转速情况选用相应的高、低速凸轮， 进而实现配气相位和气门升程的可变调节。此类机构较为典型的有本田的v t e c 机 构【1 9 】。 v t e c 的结构可见图1 - 3 所示。v t e c 将高速与低速凸轮设计在一根凸轮轴上。 在发动机进气凸轮轴中，除了原有控制两个气门的一对凸轮( 主凸轮和次凸轮) 和一对摇臂( 主摇臂和次摇臂) 外，还增加了一个较高的中间凸轮和相应的摇臂， 三根摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞。发动机低速时，小活塞在原位置上， 三根摇臂分离，主凸轮和次凸轮分别 主凸轮 中央嗽次蹿抽 推动主摇臂和次摇臂，控制两个进气 门的开闭，气门升程较小。虽然中间 凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之 间已分离，其他两根摇臂不受它的控 制，所以不会影响气门的开闭状态。 发动机达到某一个设定的高转速时， 电脑即会令电磁阀启动液压系统，推 动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成 一体，一起由中间凸轮驱动，由于中 间凸轮摇比其他凸轮都高，升程大， 所以进气门开启时间长，升程也增 大。当发送机转速降低到某一个设定 的低转速时，摇臂内的液压也随之降 低，活塞在回位弹簧的作用下退回原 位，三根臂分开。 图卜4 所示为f i a t 三位凸轮机 构【2 0 1 ，它是一个三维凸轮机构，由意 图1 - 3v t e c 多凸轮气门机构 图l - 4 三维凸轮机构 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倾斜式垫块的挺柱相接 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 4 第l 苹绪论 相位发生变化。基圆半径沿凸轮轴的轴向是不变的，但是凸轮升程沿轴向改变， 因此垫块必须随凸轮轴旋转而变化倾斜角。凸轮轴端部安装一机械式调速器，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。该机构可以在气门升起、回落特性上进行控制。 1 2 3 无凸轮可变配气机构 该类机构没有凸轮轴，直接对气门进行控制，其优点是能对气门正时的所有 因素进行控制，在各种工况下获取最 佳气门正时；另外还能在小负荷时关 闭部分气缸，实现可变排量。该类机 构虽能实现较理想的气门正时，但驱 动气门的机构需要消耗大量的能量， 且其在高速时的频率响应问题均是 这类机构尚待解决的问题。这类机构 的典型代表有德国f e v 电磁控制全可 变气门机构和美国f o r d 公司与德国 b e n z 公司的无凸轮电控液压可变配 气相位机构【2 1 抛】。 图1 - 5 所示为德国f e v 公司的电 磁控制气门机构【2 3 1 。这是利用电磁铁 来固定气门运动终点的自由振动系 统。其气门开启( 或关闭) 时间约为 - 3 m s 。气门的开启持续时间可以自由 选择。这样，气门正时和落座速度可 以根据发动机的转速和负荷自由选 择。在每个发动机循环中，每个气门 i 基! 1 镒 j 甜 c ， j u ， 芒! o 西 n u 廷 酎 h 日 厂 广 么f 图1 - 5 德国f e v 电磁控制气门机构 高压检潮嗣低压检溺目 启闭所消耗的电能约为1 j 。其能量消 图1 6e ( n 电控液压可变配气相位机构 耗值取决于气门大小和发电机效率 5 山东大学硕士学位论文 等发动机设计参数。使用电磁控制全可变气门机构可以控制无节气门汽油机的混 合气充量和残余废气系数。利用提前关闭进气门来控制混合气充量可以减少换气 损失，降低燃油消耗。根据汽油机的转速和负荷调节节气门正时，可以改变混合 气的成分，优化燃烧过程。在发动机低转速时，汽油机可以提高全负荷平均有效 压力3 0 。电磁控制全可变气门机构与普通配气机构相比，结构比较简单，驱动气 门零件比较少，而且它能对气门升程和正时进行全面控制。 图1 - 6 所示为f o r d 公司与b e n z 联合研制的无凸轮电控液压气门控制机构【2 4 1 。 其可以对气门正时、升程及速度进行连续可变的控制。利用液压流体的弹性特征， - 在气门开启和关闭时对其加速或减速。像机械摆锤一样，液压摆可以实现由流体 的势能转换到动能，然后在转回到势能，其中只有很小的能量损失。该机构原理 如图7 所示，它包括高压、低压储能器并在气门顶部安装一个双面作用的柱塞， 柱塞上部可以与高压油源和低压油源相连，下部与高压油源相连。柱塞上部的承 压面远远大于下部承压面。当气门开启时，高压螺线阀是打开的，双面柱塞上的 净压使气门加速向下运动，当高压螺线阀关闭时，柱塞上的压力下降，在减速的 同时，推动柱塞下部的高压油流到高压储能器，低压油流经低压检测阀进入柱塞 上部空间。当气门停止向下运动时，低压检测阀挂壁，气门在打开的位置锁住。 气门关闭的过程与开启相类似。低压螺线阀打开，柱塞上部压力降低到低压储能 器内的压力，净压力作用双面柱塞下部使其加速上行。然后，低压螺线阀关闭， 柱塞上部压力增加，柱塞减速的同时，推动上部液压油通过高压检测阀流回高压 储能器。 1 3 发动机工作过程模拟现状 发动机的燃烧过程对发动机性能的影响至关重要，这是众所周知的。由于燃 烧过程的复杂性，长期以来，实验是研究燃烧的主要手段。但自上世纪6 0 年代以 来，随着电子计算机的出现和广泛采用，使得发动机工作过程模拟成为了可能， 随之提出了对燃烧过程进行数学描述的要求，由此，发展了某些简单的燃烧模型。 回顾整个研究历程，发动机燃烧过程模拟大体上经历了燃烧放热率的计