（车辆工程专业论文）车用发动机连续可变配气系统的设计与动力学分析.pdf

摘要 摘要 传统汽油机凸轮配气定时是通过各种不同配气相位的试验，从中选取某一固 定配气相位兼顾各种工况，是发动机性能的一种折衷方案。同时，由于节气f - j x , t 进气的节流作用，换气过程中的泵气损失明显增加，因此研制一种连续可变配气 定时的配气机构，对于发动机节能减排具有十分重要的现实意义。 本文介绍一种用连续可变配气定时控制缸内进气量的发动机配气机构。在该 机构中用凸轮型线控制进气门的上升过程；利用液压缸内液体的泄油时刻控制进 气门的下降过程；通过调节液压缸内液体开始排泄的时间控制进气打开的持续期， 从而实现连续可变进气门定时，该调节可以利用进气门早关控制进气量，也可以 利用气门晚关方式采用近期反刍控制进气量。 本文以k 1 5 7 发动机为研究对象，通过对发动机配气机构的改进设计，实现配 气定时的连续可变，主要工作内容包括以下几个方面： 1 利用最大速度位置、最大加速度位置和边界条件对高次多项式配气凸轮进 行改进设计，同时，凸轮远休止角增大，以满足转速不同气门最大升程的持续时间 不同的要求，与液压系统配合得到一系列连续可变凸轮型线。 2 针对k 15 7 发动机的缸盖结构，设计液压驱动可变配气机构。在发动机气门 与凸轮之间，设计液压驱动机构，通过凸轮、挺柱、液压活塞等驱动进气门开启 过程；通过液压节流作用控制进气门落座过程，实现进气门平稳可靠的工作。 3 设计液压控制系统。控制液压缸体的进油时刻，使液压油充满缸体，为力 的传递提供介质；控制液压流体的泄油始点，使进气门适时回落，实现进气迟闭 角的连续可变。 4 基于质量守恒定律的流体连续性方程和动量定理的运动微分方程，建立可 变配气系统的动力学方程，并对锥形节流、槽形节流工况下的挺柱腔压力、小活 塞腔压力、气门升程、气门速度、气f - j ；0 n 速度进行对比分析。 5 通过实验验证配气机构改进设计后对发动机进气性能的影响。实验结果表 明，新开发的配气机构可有效地控制了发动机的进气性能。 山东大学硕十学位论文 关键词连续可变配气定时：液压系统；凸轮型线；进气迟闭；动力学计算 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ev a l v et i m i n go ft r a d i t i o n a lg a s o l i n ee n g i n ei sac o m p r o m i s ep l a no fe n g i n e p e r f o r m a n c ew h i c hi s s e l e c t e db yav a r i e t yo fd i f f e r e n tv a l v ep h a s ee x p e r i m e n t s b e s i d e s ，b e c a u s eo ft h et h r o t t l eo fi n t a k em a n i f o l d ，p u m p i n gl o s so fe x c h a n g ep r o c e s s s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d a sar e s u l to ft h a t ，s t u d y i n go nac o n t i n u o u s l yv a r i a b l ev a l v e t r a i nh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h ee n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sac o n t i n u o u sv a r i a b l ev a l v et i m i n gt r a i n i nt h i sm e c h a n i s m ， t h er i s i n gp r o c e s so fi n t a k ev a l v ei sc o n t r o l l e db yc a mp r o f i l ew h i l et h ef a l l i n gp r o c e s s o fi n t a k ev a l v ei sc o n t r o l l e db yh y d r a u l i cs y s t e m b yc o n t r o l l i n gt h er e l i e v i n gt i m eo f h y d r a u l i cs y s t e m ，w ec o nd e c i d et h ei n t a k ed u r a t i o na n dt h e nr e a l i z ev a r i a b l ev a l v e t i m i n g t h em a s sf l o wi nt h ec y l i n d e rc a i lb ec o n t r o l l e db y l a t ec l o s i n go fi n t a k ev a l v e t h i sp a p e rc h o o s e sk 1 5 7a st h er e s e a r c ho b j e c t b yr e d e s i g n i n gt h ev a l v et r a i no f t h ee n g i n e ，i tc a na c h i e v et h ec o n t i n u o u sv a r i a b l ev a l v et i m i n g t h em a i nt a s k si n c l u d e t h ef o l l o w i n g ： f i r s t , u s et h ep o l y n o m i a lp r o f i l et od e s i g nt h ec a mo fv a l v et r a i n m e a n w h i l e ，t h e a n g l eo fr e p o s ei n c r e a s e si no r d e r t om e e tt h ed i f f e r e n td u r a t i o no ft h eg r e a t e s tv a l v el i r w i t hd i f f e r e n ts p e e da n dh y d r a u l i cs y s t e m ，t h e nw ec a no b t a i nas e r i e so fc o n t i n u o u s l y v a r i a b l ec a mp r o f i l e s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fk 1 5 7m o t o r c y c l ee n g i n e ，d e s i g nt h ev a r i a b l e v a l v et r a i nd r i v e nb yh y d r a u l i c b e t w e e nt h ev a l v ea n dc a m ，d e s i g nh y d r a u l i c - d r i v e n t r a i n t h r o u g ht h ec a m ，t a p p e t ，h y d r a u l i cp i s t o n ，t h em e c h a n i s mc a l lc o n t r o lt h eo p e n p r o c e s so fi n t a k ev a l v e ；w h i l et h es e a t i n gp r o c e s si s c o n t r o l l e db yt h ee f f e c to ff l o w r e s t r i c t i o nw h i c hw i l la l l o wt h ev a l v ew o r k i n gs m o o t h l ya n ds t e a d i l y t h i r d ，d e s i g nh y d r a u l i cc o n t r o l l e ds y s t e m m a k et h eh y d r a u l i cc y l i n d e rf i l l e dw i t h o i li no r d e rt op r o v i d em e d i u mf o rf o r c et r a n s m i s s i o n c o n t r o lt h er e l i e v i n gt i m et o m a k et h ei n t a k ev a l v ef a l l b a c ki nt i m et oa c h i e v ec o n t i n u o u s l yv a r i a b l ei n t a k ev a l v e i i i 山东大学硕+ 学位论文 t i m i n g f o r t h ，t h r o u g ht h ef l u i dc o n t i n u i t ye q u a t i o nw h i c hi sb a s e do nt h el a wo fm a s s c o n s e r v a t i o na n dt h em o t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o no fm o m e n t u mt h e o r e m ，s e tu pk i n e t i c e q u a t i o no f v a r i a b l ev a l v es y s t e ma n da n a l y z et h er e s u l to fav a r i e t yo fc o n d i t i o n s l a s t ，s t u d yt h ei n f l u e n c et ot h ei n t a k ep e r f o r m a n c ew i t hn e wd e s i g n e ds t r u c t u r e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wd e v e l o p e dv a l v e t r a i nc a r le f f e c t i v e l yi m p r o v et h ei n t a k ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sv a r i a b l ev a l v et i m i n g ；h y d r a u l i cs y s t e m ；c a mp r o f i l e ；i n t a k e i v r u m i n a t i o n ；d y n a m i cc a l c u l a t i o n 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：尘卓丝艺l 日期： 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：垒l 盆匡 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 发动机连续可变配气机构研究的必要性 由于环境保护和人类可持续发展的要求，低能耗和低污染已成为车用发动机 的发展目标。要求发动机既要保证良好的动力性又要降低油耗满足排放法规的要 求。在各种现代技术手段中，v v t ( v a d a b l ev a l v et i m i n g ) 技术已成为新技术发展方 向之一。传统式发动机其凸轮配气定时是通过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各种工况，是发动机性能的一种折衷方案，因而不可能 在各种情况下达到最佳性能。与固定配气定时相比，可变配气定时则可以在发动 机整个工作范围内的转速和负荷下，提供合适的气门开启、关闭时刻或升程，从 而改善发动机进、排气性能，较好地满足高转速和低转速、大负荷和小负荷时的 动力性、经济性、废气排放的要求i l l 。 可变配气定时技术由于其优越性，国外各大汽车公司在这方面研究较早，目 前已有较多的成型产品，并且已不局限在高性能或高级车的范围内配置，即使是 对于低价格车用发动机，也正把这些技术作为一种标准技术进行推广 2 1 。与国外相 比，我国在这些方面的研究起步较晚，至今自主开发的产品还不多见。此外，随 着先进汽车制造技术的引进，越来越多的轿车发动机上都采用了谐振进气系统， 电控燃油喷射系统，可变配气定时机构等。因而开展这方面的研究工作，将有益 于我国汽车发动机行业提高产品自主开发能力及维修能力，缩短与国际先进水平 的差距i 引。 本文是提供一种气门升程连续可变、配气定时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，通过改变配气定时提高发动机的 动力性能和改善排放性能。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 发动机为研究对象，具体的工作将在后面逐步论述。 1 2 可变配气定时的发展概况及其典型机构分析 可变配气相位技术是国外近几十年来应用的车用高新技术，是现代车用内燃 机发展方向之一。可变配气相位的概念在发动机诞生后不久便被提出。由于其具 有的优越性，国外可变配气机构的研究比较广泛。2 0 世纪8 0 年代末期9 0 年代初期， 山东大学硕十学何论文 广大研究人员开发出了一系列以凸轮轴为基础的可变换气方案，如日本本田的 v t e c 系统【4 】【5 l 。 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 气门运行参数的无凸轮气门机构的研究。无凸轮电液驱动配气机构的发动机就是 用电液驱动装置取代传统的机械式凸轮轴来控制气门的运行，其最显著的优点是 气门开启时刻、气门升程、开启持续时间和气门在发动机各个循环中开启位置等 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可变的，能实现发 动机配气机构在各个工况下以最佳参数运行。从而能得到好的燃油经济性，高的 扭矩和功率输出，改善怠速稳定性，降低废气排放以及其它大量的优点和可能性 1 6 】1 7 】。从目前的文献来看，这种期望的优点要转化为实际的发动机技术为时尚早。 虽然美国f o r d 公司【8 】【9 】【1 0 1 在文献中，展示了无凸轮机构发动机的照片，但是有关 无凸轮的发动机的性能对比实验结果一直未见报道。 可变配气定时在我国研究的比较少，投入的力量也不多。9 0 年代初，长春汽 车研究所在这方面进行研究，他们设计的谐波齿轮可变配气定时机构，当谐波齿 轮传动机构工作时，象差速器一样，在凸轮轴和曲轴之间发生一个角位移，使配 气相位发生改变，能够改善发动机性能。清华大学也曾在这方面进行过研究，但 进展不大。上海交通大学顾宏中教授提出一种顾氏系统【1 2 1 ，可以同时对进排气 及供油正时进行优化控制，在大功率高增压中、高速四冲程柴油机中，实现低温 循环，以回收剩余废弃功，降低了比油耗、机械负荷、热负荷及n o x 等。西安交 通大学柯亚仕从理论上论证了可以用v v t 发控制气门的关闭定时来控制发动机负 荷，降低发动机爆震倾向，改善换气功【l 3 1 。 由于进气门的配气相位角及行程对发动机功率和油耗影响较大【l4 1 ，因此，已 有的可变配气相位技术主要是针对进气门的。可变配气相位机构有很多种，按气 门驱动方式可分为机械式、液压式、机液混合式和电磁式等四大类。本节着重分 析比较集中典型的使用机构。 图1 1 是日本n i s s 觚公司开发的一种液压式可变配气相位机构【1 6 】【1 7 】，该机构 采用螺旋花键轴式凸轮轴调相原理，主要由凸轮轴、带有斜齿的内轴套、斜齿活 塞、正时带轮组成。正时带轮与活塞之间、活塞与内轴套之间分别有旋向相反的 斜齿相啮合联结，正时带轮相对曲轴的相位是固定不变的，当控制阀打开时，活 塞在高压油作用下向右移动，由于活塞内外为斜齿，从而引起内轴套带动凸轮轴 相对于正时带轮发生相对角位移；当控制阀关闭时，活塞在回位弹簧的作用下左 2 移，引起内轴套带动轮轴相对于正时带轮发生反向转动。通过改变进气凸轮轴相 位角。实现配气相位可变。 口正时齿轮 剧l - ln i s s a n 凸轮轴调相机构 图l - 2 是a c c o r df 2 2 8 1v t e c 发动机一个缸的可变配气相位进气机构 1 8 1 “i 。凸轮轴上有三个凸轮，主凸轮、中间凸轮、次凸轮。凸轮推动的摇臂也有 三根，主摇臂、中间摇臂和次摇臂。三根摇臂内部装有由液压控制动作的活塞。 图1 - 3 是该机构的工作示意图，发动机在低速工作时，主摇臂、中间摇臂和次摇臂 是分离、独立工作的。主凸轮和次凸轮分别推动主、次摇臂，控制两个进气门的 开闭，但是由于主凸轮比次凸轮高度大，所以两个气门开启幅度不同。这时，虽 然中间凸轮也推动中间摇臂，但中间摇臂与主、次摇臂是分开独立动作，故不影 响气门的开闭动作。当发动机达到一定转速时，电脑控制液压系统，机油压力推 动摇臂内的活塞，同步活塞a 连锁主摇臂和中间摇臂，同步活塞b 连锁中间摇臂 和次摇臂，因此三根摇臂锁在一起。由于中间凸轮较主、次凸轮高，中自j 凸轮驱 动中间摇臂带动主、次摇臂一起动作，使进气门开启时间延长、开启幅度更大。 当发动机速度降至设定转速时，摇臂内作用在活塞上的压力油卸压，活塞被回位 弹簧退回，三根摇臂又分开。该机构使发动机可根据自身转速和负荷自动改变气 门的配气相位及气门升程，政变进气量。 圄 - 2f 2 2 b iv t e c 发动机示意图 + 问箍霄；至孺鞋 日步括塞 同步活塞e 低速杖 主凸轮 图1 - 3 a o c o r d v t e c 发动机工作示意图 以上两种方案是通过增加附件，使凸轮轴的相位笈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，有选择地改进某一部分工 况的运行，不能实现配气定时的连续可变，使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。 如图1 4 所示，为f e v 发动机技术公司的电磁控制气门机构n o i t 2 1 l 瞄】。这是一 个利用电磁铁来固定气门运动终点的自由振动系统，上电磁线圈通电使气门关闭， 下电磁线圈通电使气门开启最大，两电磁线圈均不通电时，气门在回位弹簧力作 用下处于半开的位置。气门的开启持续时自j 可以自由选择。这样，气门正时和落 座速度就可以根据发动机的转速和负荷自由选择。电磁控制气门全可变气门机构 能对气门升程和正时进行全面控制。缺点是电能消耗量过大，且需要远高于1 2 v 电压的电源供电才能保证电磁线圈迅速驱动气门所需的电功率瞄l 。 圈1 - 4f e v 电磁控制全可变机构 针对不同用途不同目的开发多种多样的可变配气机构，伴随着发动机的高 机能化，增大实用工况的动力，以及根据各种用途的要求追求气体交换的自由度， 具有多自由度的可变和更大可变量的可变配气机构成为研究的主耍方向。 1 3 研究内謇和价位 本文首先对发动机可变配气机构的设计和研究历史进行了详细的回顾和论 述，总结了各种设计研究方法的发展适用范围和存在的问题，结台实际，系统地 研究了发动机液控凸轮可变配气机构的特点，深入地了解了配气机构各种性能指 标，主要完成如下几个方面的工作： 1 ) 基于凸轮轴可变相位原理与液压驱动配气机构原理的基础上，分析比较可 变配气相位典型机构和配气相位中的可变因素对发动机性能的影响，确定可变配 气相位的最佳结构方案； 2 ) 以k 1 5 7 发动机为研究对象，重新设计凸轮型线，设计液压驱动配气机构的 各个组件； 3 ) 基于质量守恒定律的流体连续性方程和动量定理的运动微分方程，建立可 变配气系统的动力学方程，并对锥形节流、槽形节流工况下的挺柱腔压力、小活 塞腔压力、气门升程、气门速度、气门加速度进行对比分析。 山东大学硕十学佗论文 6 4 ) 通过实验验证配气机构改进设计后对发动机进气性能的影响。 第2 章连续可变配气定时系统的丁作原理 第2 章连续可变配气定时系统的工作原理 2 1 连续可变配气定时的基本原理 本机构采用调节进气迟闭角的大小，控制反刍进气量( 即缸内部分气体回流 到进气道) 的方式改变缸内循环进气量。如图2 1 所示，挺柱的升程由凸轮来保证， 而气门升程是由凸轮和液压控制系统共同控制的。当气门即将开启时，挺柱、活 塞和液压油组成了液压挺柱，凸轮由近休止角向远休止角转动，挺柱推动进气门， 此时进气门的运动遵循a r 曲线，由关闭到开启；在适当的时刻通过卸油使气门 的运动遵循r r 或者是s s 等曲线，进气门回落，进而关闭。其中曲线a r r 是全负荷时的气门升程曲线，缸内气体反刍量很少；曲线a r s s 是中等负荷时的 气门升程曲线，缸内气体反刍量较多；曲线a r s t t 是怠速时的气门升程曲线，缸 内气体反刍量最大。 墨，囊麓意。c 图2 - 1 气门升程和挺柱升程 这种可变进气门定时机构具有如下特点：1 ) 各种工况下的气门最大升程相 同，便于控制气门运动规律；2 ) 气门开启持续期较长，气门开启的速度、加速度 可相对较低，便于解决气门的瞬态响应特性问题；3 ) 气门落座时间相对较长，便 于控制气门落座速度，实现气门的软着陆。 实现进气门定时连续可变，使汽油机的进气迟闭角能根据需要在下止点后 2 0 - - 1 5 0 。c a 内连续可变，用进气迟闭角的大小控制汽油机气缸内的可燃混合气数 7 山东大学硕十学位论文 量，彻底改变“节气门节流控制进气”的传统调节方式。使汽油机的负荷随进气 迟闭角的变化而改变，当汽油机在怠速工况运转时，进气迟闭角控制在下止点后 1 3 0 0 c a 左右，使进入气缸内的可燃混合气大部分反流回进气道( 进气反刍) ，只 有少部分可燃混合气参与燃烧过程，保持汽油机的怠速运转：当汽油机在中等负 荷工况下运转时，进气迟闭角控制在下止点后9 0 0 c a 左右，部分可燃混合气出现 进气反刍，大部分可燃混合气参与燃烧过程，保持汽油机输出中等负荷；当汽油 机在全负荷工况下运转时，进气迟闭角控制在下止点后4 0 0 c a 左右，进气反刍量 很少甚至为0 ，进入气缸内的全部可燃混合气参与燃烧过程，保持汽油机输出最大 功率。 反刍进气控制与“节气门节流控制”相比具有如下优点： 1 ) 减少泵气损失，降低汽油机中小负荷时的燃油耗。 泵气损失是影响发动机效率的主要因素之一，是进气和排气冲程中活塞克服 气体阻力所作的负功。图2 2 是普通汽油机在小负荷时的换气过程示功图。当汽油 机处于进气过程时，由于小负荷时循环进气量较少，节气门开度较小，节流作用 较大，气体在节气门处的流速甚至达到音速。表现在图2 2 的示功图中，即为进气 行程缸内压力很低，泵气损失很大。图2 3 是无节气门汽油机小负荷时换气过程的 示功图。由于没有节气门的节流作用，进气行程卜- a 的缸内压力略低于大气压力 p 0 ，而在压缩行程初期a _ - a 1 a 2 ，由于进气迟闭角在下止点后9 0 0 c a 左右，部分 缸内气体反刍回进气道。表现在图2 3 的示功图中，即为a _ _ a l 咀2 近似为一等压 线。显然这种进气方式将明显降低泵气损失，且负荷越低降低幅度越大，这对经 常处于中小负荷和怠速工况下运行的车用发动机是非常重要的。 2 ) 实现进气反刍加热，改善汽油机中小负荷时的燃烧过程，降低油耗和排放。 汽油机在中小负荷运行时，由于缸内可燃混合气数量较少，导致压缩终点的 压力和温度较低，使燃烧状况恶化，最终导致燃油耗和有害排放物的增加。进气 反刍控制可使部分气体在气缸内得到反复加热，使进气温度增加，可改善燃烧过 程。显然，汽油机负荷越低，进气反刍量就越大，加热作用就越强，越有利于改 善燃烧；反之，汽油机负荷越高，进气反刍量就越少( 全负荷时进气反刍量为o ) ， 加热作用就越低，越有利于动力性的提高。因此这种进气反刍加热作用是一种良 8 第2 章连续可变配气定时系统的t 作原理 性循环，不会导致爆燃和表面点火等不正常燃烧的发生。对提高燃烧速度，燃烧 稀混合气，降低燃油耗和排放将具有良好的作用。 图2 2 节气门控制下换气过程的示功图 图2 3 进气反刍方式下换气过程的示功图 3 ) 对燃烧室内高温零部件的冷却作用。 进气反刍加热的同时，汽油机燃烧室内高温零部件( 如活塞顶部、气门头部、 火花塞等) 也将得到相应的冷却，部分余热得到回收利用，这将提高燃烧室内零 部件的使用寿命并降低冷却风扇的功率消耗。有害排放物的增加。进气反刍控制 可使部分气体在气缸内得到反复加热，使进气温度增加，可改善燃烧过程。显然， 汽油机负荷越低，进气反刍量就越大，加热作用就越强，越有利于改善燃烧；反 之，汽油机负荷越高，进气反刍量就越少( 全负荷时进气反刍量为o ) ，加热作用 就越低，越有利于动力性的提高。 2 2 利用液压实现连续可变配气定时的具体过程 如图2 - 4 ，a 图为进气门驱动机构， 第一阶段气门开启过程：当凸轮1 b 图为出口控制器，具体实现过程如下： 由近休止角向远休止角转动时，单向阀和 出口控制器处于关状态闭，此时由挺柱、液压油、活塞组成了液压挺柱，在挺柱2 和活塞5 以及二者之间的液压油的推动之下，进气门克服气门弹簧的弹力打开， 在活塞下行的过程中，由于缸体内部和外部的压力差，可燃混和气体开始进入气 缸。此时气门的升程规律和挺柱的升程规律一致，都遵循图2 1 中的a r 曲线。 第二阶段气门开启的保持段：此阶段根据发动机的工况由液压油出口控制器 控制，其长度可调。在出口控制器开启之前，凸轮始终在远休止角处转动，气门 保持在最大开启状态，即处于保持段，如图2 1 中的r s 段，或者是r s t 9 段( 出i z i 控制器的开启时刻控制其长度) 。 进气门驱动机构b 出口控制罂 i 一凸轮，2 一挺柱3 一液压缸体，4 一弹簧5 一活塞6 一气门弹簧7 一进气门，8 一转 子轴，9 一出口控制器套，1 0 - 出1 ：3 控制器壳，1 1 一齿轮机构，1 2 - 齿条机构 图2 4 气门驱动和藏压控制机构 第三阶段气门回落阶段：在一定的时刻，出口控制器开启，液压缸内的液压 油通过孔d 与外部连通，气门7 在气门弹簧的弹力作用之下顶活塞s 向上运动， 液压缸体内体积减小，在此压力下液压油通过孔d 从缸体内流出，气门开始回落。 此时气门的升程遵循圈2 - 1 中的r r 或者s s 等曲线。( 出1 3 控制器的开启时 刻决定具体哪条曲线) 第四阶段挺柱回落阶段：当凸轮由远休止角向近休止角转动时，由于液压缸 内弹簧的弹力作用，挺柱紧贴凸轮型线开始回落。此时液压油进口控制嚣打开， 出1 3 控制器关闭，由于缸内的体积开始增大，形成真空度，于是液压油通过孔c 进入缸内，赢至挺柱完全回落。挺柱的升程遵循图2 - 1 上的升程曲线，它与凸轮的 型线完全吻合。 以上即是一个完整的工作过程。 其中，出口控制器转子轴上孔f 和出口控制器转子套上孔e 重合时卸油。出口 控制器对配气相位的连续控制依靠转动出口控制器套来实现。当小负荷时，齿条 向左移动，带动齿轮顺时针转动，由于齿轮和转子套是一体的，使孔e 也绕轴线 顺时针转动，卸油时刻向后延迟，即气门回落的时刻滞后，气门升程的保持段加 长，活塞的上行过程中，一部分可燃气体被捧出气缸，以适应小负荷工况，即气 缸的反刍作用较大；当大负荷时，齿条向右移动，带动齿轮逆时针转动，使孔e 第2 币连续口 变配气定时系统的t 作原理 量曼量曼曼曼量量量量量量曼量曼曼暑量量量曼皇曼曼曼曼曼舅鼍曼曼曼曼量曼曼曼鼍曼鼍曼鼍鼍曼皇皇邕皇曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼璺曼曼曼 逆时针转动，卸油的时刻提前，气门升程的保持段缩短，气门回落也提前，活塞 上行的过程中被挤出的气体量减少，气缸内的可燃混和气较多，以适应大负荷工 况的要求。 2 3 本章小结 本章主要讲述了本次设计的基本原理，即依靠液压系统和凸轮型线的配合来 实现连续可变配气定时。凸轮推动挺柱，进而通过液压油传递压力将气门打开， 然后通过液压系统的作用，使气门根据发动机负荷在适当的时刻回落。以减小发 动机泵气损失，加快进气速度，提高混合气质量，改变残余废气系数，最终改善 发动机的燃烧过程，使进气性能、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高。 这种设计实现了气门升程的连续可变，配气定时连续可变，满足不同工况下对发 动机的不同要求。 第3 章k 15 7 f m i 发动机连续可变配气机构的设计 第三章k 15 7 f mi 发动机连续可变配气机构的设计 3 1 可变配气机构的设计原则 3 1 1 机型的选择 本次研究的目的是初步设计出连续可变配气定时机构，并验证其理论上的可 行性，所以选择结构比较简单的单缸机 k 1 5 7 f m i 摩托车发动机作为研究对象， k 1 5 7 f m i 发动机是济南轻骑集团引进国 外先进技术而生产的摩托车发动机，配气机 构采用先进的摇臂式项置凸轮轴结构( 如图 3 1 所示) 。其发动机主要技术参数和凸轮升 程表见表3 1 和表3 2 。 图3 - 1 配气机构传动图 表3 1k 15 7 f m i 发动机主要技术参数 型号k 1 5 7 f m l 型式单缸、四冲程、自然风冷 缸径行程m m 5 7 0 4 8 8 排量 m l1 2 4 压缩比 9 5 ：l 标定功率，标定转速k w r m i n 7 5 9 5 0 0 最大功率相应转速k w r m i n 8 3 9 5 0 0 最人扭矩相应转速 n r n r m i n8 1 8 5 0 0 最低燃油消耗率 眺w m 3 6 7 最低空载稳定转速及波动r m i n 1 4 5 0 - a ：1 0 0 怠速排放c 0 _ 4 0 ：h c 10 0 0 p p m 火花塞型号 c r 7 e ( t o r c h ) 0 6 0 7 化油器型式 平吸等真空b s 2 6 汽油牌号 9 3 搿 变速器型式机械式五档变速 根据表3 2 的凸轮升程表的数据，用曲线拟合的计算方法求取气门升程函数， 可以得到k 1 5 7 摩托车发动机的凸轮升程h 、速度v 和加速度j 曲线，如图3 2 所 1 3 山东大学硕十学位论文 不。 表3 2k 1 5 7 f m i 发动机凸轮升程 角度升程角度 y t - n 角度升程角度 升程角度升程 。c a am m。c a am m 。c a am m。c a a m r l 3”c a a m m 7 1 0 0 0 0 01 12 00 3 6 2 1 5 2 54 18 31 9 3 5 5 3 2 32 3 4 50 3 6 0 7 2 00 0 0 21 13 00 3 8 7 15 3 04 2 4 4 19 4 05 2 5 92 3 5 0 o 3 4 9 7 3 00 0 0 6 11 4 00 4 1 41 5 3 5 4 3 0 41 9 4 5 5 1 9 22 3 5 5o 3 3 9 7 4 00 0 1 01j 5 0 0 4 4 51 5 4 0 4 3 6 41 9 5 05 1 2 0 2 3 6 。00 3 2 9 7 5 00 0 1 511 6 00 4 8 0 1 5 5 04 4 8 01 9 6 0 4 9 6 62 3 7 0 0 3 1 1 7 6 0 o 0 2 11 1 7 0o 5 1 8 1 5 6 04 5 9 21 9 7 0 4 7 9 52 3 8 00 2 9 6 7 7 00 0 2 8 1 l8 00 5 5 915 7 0 4 7 0119 8 04 6 0 8 2 3 9 00 2 8 3 7 8 00 0 3 51 19 00 6 0 5 15 8 04 8 0 7 19 9 04 4 0 82 4 0 0 0 2 71 7 9 00 0 4 3 12 0 00 6 5 4 15 9 04 9 0 92 0 0 0 4 2 0 22 41 00 2 61 8 0 00 0 5 1 1 2 1 00 7 0 81 6 0 0 5 0 0 72 0 1 03 9 9 3 2 4 2 00 2 5 2 8 1 。00 0 5 91 2 2 00 7 6 5 1 6 1 05 1 0 2 2 0 2 03 7 8 62 4 3 0 0 2 4 3 8 2 00 0 6 8 12 3 0o 8 2 7 16 2 05 19 32 0 3 0 3 5 8 22 4 4 0o 2 3 4 8 3 00 0 7 6 12 4 0o 8 9 216 3 0 5 2 8 02 0 4 03 3 8 4 2 4 5 00 2 2 5 8 4 00 0 8 51 2 5 0 0 9 6 31 6 4 05 3 6 3 2 0 5 03 1 9 1 2 4 6 0o 2 1 7 8 5 00 0 9 3 12 6 01 0 3 7 16 5 05 4 412 0 6 0 3 0 0 62 4 7 00 2 0 9 8 6 0o 1 0 2 1 2 7 01 1 1 61 6 6 0 5 5 1 62 0 7 0 2 8 2 62 4 8 00 2 0 1 8 7 00 1 1 01 2 8 0 1 1 9 91 6 7 o5 5 8 7 2 0 8 02 6 5 5 2 4 9 00 1 9 3 8 8 00 11 91 2 9 01 2 8 6 1 6 8 05 6 5 32 0 9 0 2 4 9 12 5 0 00 1 8 5 8 9 00 1 2 7 1 3 0 01 3 7 81 6 9 05 7 1 5 2 1 0 0 2 3 3 42 5 1 00 1 7 6 9 0 00 1 3 61 3 1 0 1 4 7 41 7 0 05 7 7 2 2 11 02 1 8 42 5 2 0 0 1 6 8 9 1 o0 1 4 41 3 2 01 5 7 4 1 7 1 05 8 2 42 1 2 0 2 0 4 12 5 3 00 1 6 0 9 2 0 0 1 5 21 3 3 01 6 7 81 7 2 0 5 8 7 22 1 3 0 1 9 0 52 5 4 00 1 5 l 9 3 00 1 6 11 3 4 01 7 8 7 1 7 3 05 9 1 5 2 1 4 01 7 7 62 5 5 0 0 1 4 2 9 4 00 1 6 91 3 5 01 9 0 0 1 7 4 05 9 5 22 1 5 0 1 6 5 32 5 6 00 1 3 3 9 5 00 1 7 7 1 3 6 02 0 1 71 7 5 05 9 8 4 2 1 6 01 5 3 7 2 5 7 00 1 2 5 9 6 00 1 8 51 3 7 0 2 1 3 71 7 6 06 0 1 1 2 1 7 01 4 2 72 5 8 0 o 1 1 6 9 7 0 0 1 9 31 3 8 02 2 6 0 1 7 7 06 0 3 22 1 8 0 1 3 2 32 5 9 0o 1 0 7 9 8 0o 2 0 1 1 3 9 02 3 8 81 7 8 06 0 4 7 2 1 9 01 2 2 5 2 6 0 00 0 9 8 9 9 00 2 0 91 4 0 0 2 5 1 71 7 9 06 0 5 6 2 2 0 01 1 3 42 6 1 。0 0 0 9 0 1 0 0 0 0 2 1 61 4 1 02 6 5 0 1 8 0 06 0 6 02 2 1 0 1 0 4 82 6 2 0 0 0 8 1 1 0 1 00 2 2 4 1 4 2 02 7 8 41 8 1 06 0 5 6 2 2 2 00 9 6 7 2 6 3 00 0 7 2 10 2 00 2 3 314 3 0 2 9 2 0l8 2 06 0 4 6 2 2 3 00 8 912 6 4 0 0 0 6 4 1 0 3 0 0 2 4 11 4 4 03 0 5 71 8 3 0 6 0 3 02 2 4 0o 8 2 1 2 6 5 00 0 5 5 10 4 00 2 4 9 14 5 03 19 418 4 0 6 0 0 52 2 5 00 7 5 6 2 6 6 00 0 4 6 10 5 0o 2 5 914 6 03 3 31 18 5 05 9 7 32 2 6 0 0 6 9 62 6 7 00 0 3 8 10 6 0 0 2 6 814 7 03 4 6 818 6 0 5 9 3 42 2 7 00 6 41 2 6 8 00 0 31 10 7 00 2 7 9 14 8 03 6 0 318 7 0 5 8 8 52 2 8 0o 5 9 0 2 6 9 00 0 2 3 1 0 8 00 2 9 21 4 9 0 3 7 3 61 8 8 o5 8 2 8 2 2 9 00 5 4 42 7 0 00 0 1 7 1 0 9 0 0 3 0 61 5 0 03 8 6 71 8 9 0 5 7 6 12 3 0 0 0 5 0 12 7 1 00 0 1 2 11 0 00 3 2 2 1 5 1 03 9 9 61 9 0 05 6 8 3 2 3 1 00 4 6 32 7 2 00 0 0 7 1 11 0 0 3 4 1 1 5 2 04 1 2 21 9 1 0 5 5 9 52 3 2 0 0 4 3 02 7 3 00 0 0 4 1 4 第3 奇k 15 7 f m ! 发动机连续可变配气机构的设计 、至歹耵 肾v 1 i 。 罨 d 警 喜 删 捌 最 凸轮转角0 c a a 图3 2 进气门升程h 、速度v 和加速度j 3 1 2 可变配气机构的设计原则 1 ) 本设计的目标是对连续可变配气定时机构进行原理性的验证，因此设计的 结果为原理性样机的试制，因此在设计过程中对于该配气机构在发动机上的批量 生产和应用等环节，暂不考虑。 2 ) 设计中，考虑到样机试制的难易程度，应尽量减少对原来发动机结构的改 变。选择结构比较简单的k 1 5 7 发动机为试验对象，并在发动机缸盖上做了部分改 动。 3 ) 由于对试验样机的外型和结构布置上没有太高的要求，故可以对于该可变 配气机构所用到的单向阀、液压泵、管接头和油管等配件，拟通过选择现有的成 品外接安装来实现。以减轻设计的难度和复杂的程度。 3 2 可变配气机构凸轮型线的设计 发动机配气凸轮型线，是影响发动机配气机构性能好坏的关键因素之一。因 此，针对发动机的工作特点，设计和选用适合发动机工作需要的凸轮型线，对提 高发动机的充量系数及工作性能，以至提高发动机整机的动力性、经济性，都具 有十分重要的意义【2 5 1 。并且，在生产实践中，也常常需要对发动机原有的凸轮型 线进行特性分析，找出其存在的不足或缺陷，作出相应的设计改进，以达到提高 并完善发动机性能的目的。 1 5 i j i 东大学硕十学位论文 3 2 1 汽油机配气凸轮型线设计的原则 由于k 1 5 7 f m i 发动机是汽油机，对汽油机配气凸轮来说，其轮廓曲线设计的 主要要求如下： 1 ) 气门升程曲线的丰满度系数越大越好。丰满系数越大，气体流通性能越 好，进气和排气效率越高，发动机的动力性能、经济性能就越好。 2 ) 气门开关过程中的最大正、负加速度应低于其许应值，同时不允许产生突 变现象，以减轻配气机构中的冲击、振动、噪声和磨损，从而保证汽油机有良好 的动力性能。 3 ) 凸轮轮廓的最小曲率半径不能太小，应大于其许应值，以避免由于接触应 力过高造成摩擦副的早期破坏，保证汽油机工作过程的可靠性。 3 2 2 高次多项式凸轮的新型设计方法 发动机高次多项式配气凸轮传统的设计方法是通过建立边界条件确定函数型 线f 2 6 1 2 7 l 2 9 l 。该边界条件不仅要求工作段始点与缓冲段终点的升程、速度和加速度 连续，而且要求工作段始点的三阶以上导数为0 ( 五项式的三阶导数为o ，六项式 的三、四阶导数为o ) 。显然这种边界条件只能保证工作段始点的高阶导数光滑连 续，而对凸轮型线的加速度曲线几乎没有影响。因此高次多项式凸轮存在最大加 速度高、丰满系数低和设计调整不够灵活方