（光学工程专业论文）车用发动机连续可变配气定时的研究.pdf

摘要 摘要 传统汽油机由于节气门对进气的节流作用，换气过程中的泵气损失明显增加， 导致燃油耗和有害排放物的增加。这对经常处于中小负荷下工作的车用汽油机是 非常不利的。因此研制无节气门发动机对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；用液压缸内液体的排泄控制迸气门的 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持续期。从而实现可 变进气门定时，使进气迟闭角能根据需要在下止点后2 0 - 1 5 0 度曲轴转角内连续 可变，用进气迟闭的方式控制缸内进气量，彻底改变发动机“节气门节流控制进气” 的传统调节方式，降低发动机的泵气损失。 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重新设计，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： 首先，针对k 1 5 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。 其次，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。 最后，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。 关键词连续可变配气定时；液压系统；气门升程；进气反刍 a b s t r a c t a bs t r a c t b e c a u s et h et h r o t t l i n gl o s s e so ft h et r a d i t i o n a lg a s o l i n ee n g i n e ，p u m p i n gl o s sa r e i n c r e a s e do b v i o u s l yi nt h ep r o c e s so fg a se x c h a n g ep r o c e s s ，i tm a yc a u s et h e i n c r e a s i n go ff u e lc o n s u m p t i o na n dh a r m f u le m i s s i o n t h i sb r i n g sb a di n f l u e n c et o a u t o m o t i v eg a s o l i n ee n g i n ec o n s t a n t l yi nl i g h to r m e d c i u ml o a d s o ，r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fe n g i n ew i t h o u ta i rt h r o t t l eh a v ev e r yi m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n g a ne n g i n ev a l v et r a i nw i t hc o n t i n u e sv a r i a b l ev a l v et i m i n gs y s t e mw h oc o n t r o l s i n t a k ef l o w r a t ew a si n t r o d u c e d i nt h em e c h a n i s m ，c a mp r o f i l ec o n t r o lt h er i s i n g p r o c e s so fv a l v e ；t h ee x c r e t i o no fl i q u i di nh y d r a u l i cc y l i n d e rc o n t r o lt h ef a l l i n gp r o c e s s o fv a l v e ；b ya d j u s t i n go ft h et i m ew h e nt h el i q u i di nh y d r a u l i cc y l i n d e rb e g i nt oe x c r e t e t h i sr e a l i z et h ec h a n g eo fv a l v et r a i nt i m i n gc o n t i n u o u s ，m a k e st h ei n t a k ev a l v e s t i m i n g c o n t i n u o u sv a r i a b l ew i t h i n2 0 , - - 15 0 c ao fc r a n k s h a f ta c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t ， c o n t r o l si n t a k ef l o w r a t eu s i n gt h ei n t a k ev a l v e s t i m i n g t h em e t h o dc h a n g e st r a d i t i o n a l a d j u s t m e n tw a y “t h et h r o t t l el o a dc o n t r o la i ri n t a k e ，r e d u c i n gt h ep u m p i n gl o s s t h ep a p e rc h o o s e sk 15 7e n g i n ea st h ea l t e r a t i o no b j e c t ，r e d e s i g nt h ev a l v et r a i n t or e a l i z et h ec h a n g eo fv a l v et r a i nt i m i n gc o n t i n u o u s ，t h em a i nw o r k i n gc o n t e n t s i n c l u d e da sf o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y , r e d e s i g nt h ec y l i n d e rh e a do fk 15 7m o t o r c y c l ee n g i n ea n de v e r y s u b a s s e m b l yo fh y d r a u l i cp r e s s u r ed r i v ev a r i a b l ev a l v et r a i n b e t w e e na i rv a l v ea n d c a m ，w ed es i g n e dh y d r a u l i cd r i v i n gm e c h a n i s m ，w h od r i v e st h ei n t a k ev a l v eo p e n i n g ； h y d r a u l i ct h r o t t l i n ga c t i o nc o n t r o l st h ep r o c e s so fv a l v ec r a s ht or e a l i z ev a l v e sw o r k s t e a d i l ya n d r e l i a b l e s e c o n d l y , d e s i g nh y d r a u l i cs y s t e m i tc a nc o n t r o lf u e li n l e tt i m eo fh y d r a u l i c c y l i n d e r , m a k et h eh y d r a u l i co i l f u l lt h eh y a r a u l i cc y l i n d e r , a n dp r o v i d em e d i u mf o r f o r c et r a n s f e r ；a n di tc a nc o n t r o lt h et i m ew h e nt h el i q u i di nh y d r a u l i cc y l i n d e rb e g i nt o e x c r e t e s o t h ei n l e tv a l v ec a nf a l lb a c kt i m e l y , a n dc o n t i n u o u sv v ti sa c h i e v e d 山东大学硕十学位论文 n l a s t l y , s t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ed e s i g n e dv a l v et r a i no ne n g i n ep o w e ra n df u e l e c o n o m y e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h en e w l yd e s i g n e dv a l v et r a i ne f f e c t i v e l y i m p r o v e sp o w e rp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y k e yw o r d s ：c o n t i n u e 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 ；v a l v el i t t ； i i l l c tr e g u r g i t 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：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：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与设计要求 随着科技的发展和社会的进步，人类对于车辆的应用越来越广泛。汽车是数 量最多，应用最普及，活动范围最广泛，运输量最大的现代化陆地交通工具。目 前，全世界有好几亿辆汽车在陆地上行驶，并且每年以几千万辆的速度增长。作 为运输工具，汽车扮演着十分重要的角色。它已经成为现代生活必不可少的一部 分，并且越来越显示出它的极端重要性。 但是随着石油资源的日益减少以及人们对环境问题的日益关注，如何使汽车 更加低污染、低能耗、高效率，高性能就成为一个大的课题。因此对发动机的研 究也越来越多。近十几年，汽车发动机技术迅速发展，低能耗、低污染、高性能、 高寿命、免维修、多样化、新结构成为当今发动机的特点。 电子技术的发展和新型机构的开发，使发动机设计趋向于电控、变参数发展， 尤其是近些年，环境保护和人类可持续发展的要求，低能耗和低污染成为汽车发 动机的发展目标。人们不断挖掘发动机自身的潜力：结构方面，用顶置凸轮轴配 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，用汽油喷 射代替化油器：采用电控喷油，电控点火；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：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( 谐振迸气系统) 、可变排量和可变配气定时等。 配气机构是汽车发动机的重要部件之一，它的功能是实现换气过程，根据气 缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，使可燃混合气或空气进入气缸并 使废气从气缸内排出【1 1 。它是内燃机结构中最复杂、工作最繁重的部件之一，承 受着强烈的热负荷和机械负荷，同时对燃油有效燃烧和提高动力性、经济性和改 善排放有关键的影响。不同的发动机的配气定时是根据实验而取得的最佳配气定 时，从而成为设计配气凸轮型线以及确定各气缸进排气凸轮在凸轮轴上相对位置 的依据。但是，当配气凸轮轴设计已定，发动机的配气定时也就定下来了【2 】，在 发动机运转过程中，是不能改变的。然而发动机的转速的高低对进、排气流动以 山东大学硕十学位论文 及气缸内燃烧过程是有影响的。转速高的时候，进气的速度大，惯性大，所以希 望进气门早开晚关，尽量多进一些混和气或空气：反之，发动机转速低的时候， 进气流速低，惯性小，如果气门过早开启，此时活塞在上行的过程中，容易把新 鲜空气挤出气缸，使进气反而少了，发动机工作更趋于不稳定。因此在低转速时， 希望发动机气门尽量晚开启。所以当发动机的转速不同时，对配气机构的要求也 是不同的。在一般的设计中，配气凸轮的型线设计既要照顾高速，又要照顾低速， 采用折中的方案，很难达到真正的最佳配气定时【3 1 。为了使高速和低速配气定时 都能达到最佳，轿车发动机上出现了一些可变配气定时的控制机构。 可变配气定时( v a r i a b l e v a l v e t i m i n g ，简称v v t ) 机构能够代替传统的折中 固定配气定时机构，使配气动作优化，可以使发动机在整个工作范围内的转速和 负荷下，提供合适的气门开启、关闭时刻和升程，从而改善发动机进排气性能， 较好地解决高转速与低转速，大负荷与小负荷时的动力性、经济性和排放的矛盾。 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，并且已不再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。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。 本文就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 国内外概况 2 1 2 1 凸轮轴可变气f - j _ q 区动机构 凸轮轴可变气门驱动机构【5 1 4 3 】是在传统气门驱动机构概念上的改进，目前在 第1 章绪论 部分汽车上使用的有两类，即可变凸轮机构和可变气门定时机构【6 1 。下面对其结 构及原理进行简要介绍。 1 ) 可变凸轮机构 可变凸轮机构一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现的，即在高速时采用高速 凸轮，其升程与作用角都较大；而在低速时切换到低速凸轮，升程与作用角均较 小，采用可变凸轮机构后，发动机的性能与传统配气机构的性能比较，显然低速 转矩和高速动力性能都得到了改善，这种机构的气门只有高速和低速两种运动规 律，而无中间过渡过程，故不够完善，因其结构简单仍得到一些应用【4 7 1 。 图1 1 为多凸轮驱动的可变气门正时机构示意图川。这种机构在传统的凸轮 轴上相邻布置了两个或更多的凸轮，任何时刻只由一个凸轮驱动气门，它或者通 过凸轮轴的轴向移动，或者通过移动摇臂与不同的凸轮配合，从而达到改变气门 正时和升程的目的【3 4 ，4 3 1 。 图1 - 1 多凸轮驱动的可变气门正时机构 7 , 4 3 1 h o n d a 公司的v t e c 多凸轮驱动系统见图l 一2 【8 1 ，其进、排气凸轮每缸设有3 个凸轮相应3 个摇臂。高速时，由液压作用使液压柱销同时带动主摇臂和次摇臂， 高速凸轮驱动气门，改变气门定时与升程，其液压柱销为电子控制。该系统已经 用在n s x 型跑车的4 气门发动机上。这种结构实现相对简单，但由于凸轮轴空间 及凸轮切换方法的限制，使正时变化的数量有限，j 下时改变不连续，凸轮转换时 容易产生较大的冲击【4 3 】。 山东大学硕十学位论文 卜凸轮轴；2 一低速凸轮；3 一高速凸轮；4 一主摇臂；5 一中间摇臂；6 - 次摇臂；7 一液压 柱销；8 一止推销；9 一液压柱销b ；1 0 - 空行程弹簧；1 1 - 排气门；1 2 - 进气门图 图1 2v t e c 多凸轮驱动系统【8 】 2 ) 可变气门定时机构 相对于可变凸轮机构，可变气门定时技术的应用较多一些。该机构的工作原 理是通过一套特殊的机构将进气凸轮轴 按要求转过一定的角度，从而达到改变进 气相位的目的。根据实现机构的不同，这 种改变又可以分成分级可变与连续可变 两类，调节范围最高可达6 0 。c a 9 1 。由于 技术上相对成熟，很多高性能的汽油发动 机均采用了这一技术【4 7 1 。 a ) 机械调节方式 图1 3 是f i a t 公司安装在f e r r a r i v 8 发动机上的三维凸轮配气机构。 凸轮 斜导搬 夥导扳志 碍f 抒转 支承塞 片 业变承毫 移淤褒轩 图1 - 3f i a t 三维凸轮机构图【4 3 】 凸轮轴的轴向移动使凸轮的不同部位与可倾斜导板接触，改变了气门的升程 和正时。凸轮轴的轴向移动是通过润滑系统的机油压力控制的。这种系统能在很 大程度上控制气门开启及回位的特性，落座速度可以控制，缺点是气门正时和升 程变化范围受到限制【3 4 ，4 3 1 。 b ) 液压调节方式： 4 第1 章绪论 图1 4 为液压式可变气门机构原理 图。电磁阀不通电时，其推杆堵住了油道， 凸轮的推动力通过挺台、油腔里的油、缓 存体作用到气门，气门随凸轮而运动，此挺 时得到标准的升程曲线。如果气门在上升 泊 过程中，电磁阀突然通电打开，油腔里的 蠼存 油在压差的作用下就流入储油室，这时气 门在气门弹簧的作用下就开始回落，尽管 此时凸轮还继续向下运动。这样就可以得 油耋 门弹簧 到部分负荷时的气门升程曲线。由于这类 图l _ 4 液压式可变气门机构示意图 机构结构复杂，能耗高，可靠性差和造价 高等原因，至今未有产品出现。 c ) 电子调节方式： 图1 5 是德国b e n z 公司可变气门正 时机构原理图【4 9 】。它们通过在正时皮带 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 电磁缝翦 键或花键传动；在电子控制下改变正时皮 带轮与凸轮轴内轴之间的相对相位，使气 衔铁 门配气相位改变。该机构已用于 轮 法兰辅 r o a d s t e r 5 0 0 l 系列的5 l v 8 发动机【4 3 ，5 6 1 。 内轴豳弹簧肉轴 图1 6 为两段谐波传动调相机构【删。 图1 - 5b e n z 公司可变气门正时机构原理图h 4 2 】 其主要有刚轮、柔轮和波发生器3 个构 件。它通过使波发生器转动，使柔轮及凸轮轴相对于刚轮及正时皮带轮转过一定 角度，而达到调相的目的。n e l s o n e l r o d 和清华大学都进行过这种凸轮调相的研 究【5 6 1 。 山东大学硕十学何论文 带轮 辘 轮 轴承 生器 步进毫机尊轴震步澄镦靛步进瑰撬轴与动抽翰轴 输出轴 漩发生器疆接悼 图1 - 6 两段谐波传动调相机构刚5 q d ) 多维凸轮调相 多维凸轮调相的特点是凸轮轮廓面的母线与凸轮轴轴线不平行，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。 曲加法器型( v v h ) k r e u t e r 等人设计了一种名为“m e t a v ( v a r i a b l e ) v ( v a l v e ) h u b ( l i f t ) s y s t e m 的机 构【l o 】。系统由两个凸轮轴构成，它们以等速反向旋转。一个作开启凸轮轴，一个 作关闭凸轮轴，以加法器的方式共同作用于一个挺柱，即气门升程是两个凸轮有 效升程之和的函数。挺柱的运动再通过驱动装置如摇臂传递到气门。通过改变两 个凸轮轴的相对相位，可以实现气门升程最大值和范围的连续变化，详细设计则 依赖于每一个特定应用的边界条件【2 1 。 1 2 2 无凸轮轴可变气门驱动机构 无凸轮轴气门驱动机构在概念上完全不同于传统气门机构，它取消了传统的 凸轮轴及其从动件，而以电磁、电液、电气、电机等方式直接驱动气门。它是在 电控技术基础上发展起来的因而必然是可变的。它可实现对气门升程、气门运动 速度、气门开启持续时间和配气相位的灵活独立控制。从而更好的优化发动机的 性能【1 1 ，4 3 1 。 1 ) 电磁气门驱动 6 第1 章绪论 这种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 控制气门的开启始点和开启持续期。 气门动作调节灵活，响应迅速，调节 能力强。许多专利都述及电子控制系 统f 2 3 列。 图1 7 示出g m 公司推出的电磁 铁直接控制的可变气门正时系统的 原理【5 3 1 。永磁铁提供的锁紧力使气门 锁定在全开或关闭的位置；通过激励 图1 - 7g m 公司电磁铁控制的可变气门系统5 3 1 线圈使气隙磁通减小而使气门开始运动，气门运动的动力由弹簧提供；通过改变 线圈的通电和断电时刻控制气门的开启始点和开启持续期。这种系统取消了凸轮， 气门开启和关闭点较自由；开启和关闭动作迅速。气门行程8 m m ，开启时间为9 m s ， 关闭时间为6 m s 。但气门的冲击与噪声较大，磨损较快；为了防止线圈过热，需 要另外的冷却和润滑【2 5 2 6 4 3 1 。 2 ) 电液气门驱动 电控液压气门驱动的工作原理是 将气门与一个液压活塞相连接，通过电 棘 磁阀控制液压缸内高压和低压液体的 “ 流入和流出，从而控制液压活塞一气门 的运动。图1 8 是f o r d 公司的液压活 塞式可变气门系统【5 4 1 。高压电磁阀在气 门开启的加速过程中开启，减速过程中 关闭。低压电磁阀的开启控制气门的关 闭过程。系统还包括一个高压单向阀和 一个低压单向阀，以保证气门达到最大 图l - 8 电液气门驱动机构h 5 铂 开启行程时活塞上部压力不会太低，气门落座之前活塞上部油腔压力不至过高 【4 3 1 。系统工作时，高压液体的压力波、可压缩性、电磁阀的响应速度以及发动机 7 山东大学硕十学何论文 缸内气体压力波动使气门运动难以精确控制，因此很难得到象传统凸轮控制气门 那样小的落座速度。解决气门落座冲击的较好办法是从液力系统结构上设置气门 落座阻尼。此外电液系统的高压流提供装置和密封装置大大增加了驱动机构的成 本【2 0 ，5 0 1 。 3 ) 电气气门驱动 电气气门驱动与电液气门驱动的工作原理相似，只不过所用的介质为空气。 与液体相比，空气的粘度低，运动惯性小，有利于提高电气气门的响应速度；但 空气的可压缩性更高，更难精确控制。因此，空气作为传动介质的优越性并不明 显。寻找合适的传动介质是提高此类气门驱动机构性能的关键【6 】。 4 ) 电机驱动气门 电机直接控制凸轮的可变气门驱动机构中，每一个气门都由一套永磁无刷直 流电机通过凸轮驱动，并通过增加或减少电机的角速度、改变电机的旋转方向来 改变气门开启和关闭相位和升程。该系统的转速灵活性范围很大，但同样的，气 门落座冲击大、响应速度慢、能耗高依然成为制约因素。此外，运行过程中电机 的转速、转向频繁变化，难以精确控n t l 2 】。 5 ) 其它 有人提出了用旋转驱动器摇臂驱动气门的方法。也有人尝试了以旋转气门代 替往复运动的菌形气门，但密封性和润滑依然没有解决。 1 3 研究内容和价值 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，结合工程实际，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 ) 针对k 1 5 7 摩托车发动机进行发动机缸盖结构的重新设计，设计液压驱动配 气机构的各个组件，同时，相应的设计液压系统，保证液压泵站能够提供恒定的 第1 章绪论 压源： 3 ) 以k 1 5 7 发动机为研究对象，建立配气机构发动机性能测试试验台，基于不 同的转速工况进行液压驱动可变配气机构运动规律控制试验，检测气门升程和开 启持续时间等控制量的变化规律以及液压系统的参数对整个系统的影响，考察气 门升程规律和开启持续时间之间的关系； 4 ) 针对实验结果，评价其对发动机进气性能改善的情况，并进行具体优化工 作。 进行连续可变的配气定时的研究具有相当重要的意义。 本设计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。这种反刍进气方式可产生三个重要作 用： 1 ) 是彻底去除了汽油机节气门的节流作用所产生的泵气损失： 2 ) 是使汽油机在中小负荷时的进气得到有效的反刍加热，可改善燃烧过程； 3 ) 是成倍的增加了气门开启持续期，为解决可变进气门定时中的气门瞬态响 应特性问题创造了有利条件。 这些作用对降低汽油机在中小负荷时的油耗和排放将具有重要意义。实验选 择结构比较简单的k 1 5 7 发动机为研究对象，对其进行一定的改进，来验证可行 性。 9 第2 章连续可变配气定时系统的原理及目的 第2 章连续可变配气定时系统的原理及目的 2 1 连续可变配气定时的基本原理及目的 2 1 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。 糖翊鳙舅移。强 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 山东大学硕十学位论文 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 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 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 o ，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。 2 1 2 连续可变配气定时的目的 可变气门技术w a d a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f t ，简称v v t l 技术) 可以用来减小发 动机泵气损失，加快进气速度，改善混合气质量，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。 就可变气门技术而言，全可变配气相位机构由于气门正时和升程均可变，可控制 自由度最多，实现的功能最为广泛，成为应用该技术的较理想的机构。本文综合 各种可变配气相位机构的优点，对配气相位中影响发动机性能的各种因素予以剖 析【5 3 1 。 在进气门定时连续可变的前提下，采用进气反刍方式控制汽油机气缸内的可 燃混合气数量，通过改变配气定时提高发动机的进气性能和改善排放性能的目的。 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 1 2 第2 章连续可变配气定时系统的原理及目的 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 o ( 与全负荷时的缸内压力相同) ，而在压缩行程初期a - _ a l - 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 a 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。 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 2 ) 实现进气反刍加热，改善汽油机中小负荷时的燃烧过程，降低燃油耗和排 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0 ) ， 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 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。 山东大学硕十学何论文 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。 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，孔c 处接液压油进口控制器，孔d 处接液 压油出口控制器，具体实现过程如下： 5 6 a 气门驱动机构 1 b 进口控制器 - 噩 n - n 小负荷一大负荷 c 出口控制器 卜一凸轮，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 一进口控制器壳， 9 一转子轴，l o 一转子轴，1 l 一出口控制器套1 2 一出口控制器壳，1 3 一齿轮机构，1 4 一齿条机构 图2 _ 4 气门驱动和液压控制机构 第一阶段气门开启过程：当凸轮1 由近休止角向远休止角转动时，进口控制 器和出口控制器处于关闭状态，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 1 4 蚤 塑 tte曩t 第2 章连续可变配气定时系统的原理及目的 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 段( 出口控制器的开启时刻控制其长度) 。 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项活塞5 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图2 - 1 中的r r 或者s s 等曲线。( 出口控制器的开启时 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器打开， 出口控制器关闭，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，直至挺柱完全回落。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。 2 2 1 进口控制器的工作原理 图2 - 4 中b 图为进口控制器的示意图。其中a 为液压油的进口，连接油泵等 部件；c 处与液压缸的c 处相连接；在转子上，b 处为开槽的位置。转子与凸轮轴 相连接，并同速转动。当挺柱开始回落，即转子上开槽的位置处于图上所示的位 置时，进口控制器的进口和出口接通。此时液压油通过孔a b c 进入到液压缸内。 在挺柱完全回落之后的某个时刻，转子转到一定位置，孔a 和孔c 之间不能连通， 进口控制器关闭。 需要说明的是在该方案中，为使系统结构尽量简单化，应用了单向阀取代进 口控制器。单向阀的开启压力约为o 0 4 m p a 。 1 5 山东大学硕+ 学位论文 2 2 2 出口控制器的工作原理 图2 4 中c 图为出口控制的示意图，其中出口控制器壳上的d 孔和液压缸的d 孔相连接。转子1 0 和出口控制器套1 1 上各有一孔，孔d 和出口控制器套上的孔 时始终连通。在转子转动的过程中，当转子上的孔和套上的孔相连通的时候，出 口控制器开启，液压油通过孔d 、套上及转子上的孔到达转子上的轴向孔，然后通 过油管回流，实现卸油过程。 2 2 3 出口控制器配气定时的计算 如图2 5 所示，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 体被排出气缸，以适应小负荷工况，即气 小负荷。大负荷 c 出口控制器 图2 - 5 出口控制器示意图 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 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 对凸轮型线的改进设计 为了满足挺柱升程的要求，相应地，我们用最大速度和最大加速度位置设计 高次多项式配气凸轮b 3 - 1 6 1 ，对凸轮型线做了一些改变。根据设计的基本要求，气 门远休止角增大，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 系统配合即可得到一系列连续可变凸轮型线f 1 2 】。 1 6 第2 章连续可变配气定时系统的原理及目的 2 4 本章小结 本章主要讲述了本次设计的基本原理和主要目的，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。设计包括控制器的设计和缸体的设计两大部分。在下 面的论述中将会一一介绍。 1 7 第3 章缸体及液压辅件的设计 第3 章缸体及液压辅件的设计 缸体的设计主要包括挺柱、活塞以及液压缸整体的设计。 缸体部分的主要作用是：首先作为挺柱和活塞的载体，通过液压油的流动实 现挺柱和活塞的动作；其次当气门回落的时候，能够通过某种方式实现对气门的 缓冲，防止落座速度过大，减小气门对气门座的冲击，并且实现在凸轮向近休止 角转动的时候使挺柱紧密贴合凸轮，实现挺柱的回落；再次，作为液压油的流通 通道能够防止泄漏，建立油压；最后能够建立一个较高点，预留放气螺栓，当液 压系统因为某种原因混入气体时，便于放气。 基于以上作用的要求，我们初步考虑设计以下几个部分： 1 ) 缸体：缸体作为活塞和挺柱的载体，为活塞和挺柱的运动提供导向，并且 通过尺寸的设计实现摇臂比的要求；另外，缸体作为其他部件的基体，应通过某 种方式实现和发动机的位置固定，并能作为其他部件固定的载体。 2 ) 缸体盖：缸体盖的作用主要是为液压油提供流动的空间、良好的密封以建 立压力。由于缸体盖的一端处于发动机的最高位置，因此，我们将放气孔设置在 缸体盖上，且油道大多分布于此。因此，将连接进出口控制器的油管的另一端接 缸体盖。另外，为了实现对气门落座时候的缓冲，设计了节流盘，故缸体盖上还 必须为节流盘的安装设计空间。 3 ) 挺柱：挺柱的作用是紧贴凸轮并随着凸轮的旋转而实现上下运动，在向下 运动的时候形成一定的真空度以便于液压油进入缸体。在上行的时候通过推动液 压油实现活塞的运动，以推动气门的打开。因此，必须具有良好的密封及运动性 能，便于形成油压及灵活的运动，还要有足够的硬度和抗磨性能。 4 ) 活塞：活塞的主要作用是通过液压油的压力来推动气门，使之打开。通过 活塞和挺柱的尺寸实现摇臂比的要求，并能通过和节流盘的配合实现气门回落的 缓冲，以及对缸体的密封。因此，要求活塞有足够小的惯量和足够高的精度、耐 磨度。 5 ) 节流盘：其主要作用是通过液压油的节流作用实现对气门回落的缓冲。并 通过节流盘的安装位置的调节来调节气门间隙。 1 9 山东大学硕十学位论文 6 ) 弹簧及弹簧导杆：弹簧的作用主要是使挺柱紧贴凸轮，在凸轮由远休止角 向近休止角转动的时候使挺柱向下运动；弹簧导杆的作用是为了防止弹簧在压缩 过程中发生倾斜，为弹簧导向。 后面会具体讨论各个部件的设计过程。 3 1 机型的选择和设计的基本思想 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顶置凸轮轴结构( 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 1 5 7 f m i 发动机主要技术参数 型号 k 1 5 7 f m i 型式单缸、四冲程、自然风冷 缸径行程n 1 1 n5 7 0 x 4 8 8 排量nll1 2 4 压缩比9 5 ：l 标定功率麻定转速 k w r m i n7 5 9 5 0 0 最大功率相应转速 k w r m i n8 3 9 5 0 0 最大扭矩相应转速 n m r m i n8 1 8 5 0 0 最低燃油消耗率g 瓜w hs 3 6 7 最低空载稳定转速及波动 r m i n 5 1 4 5 0 士1 0 0 怠速排放c o _ 4 。o ：h c 10 0 0 p p m 火花塞型号 c r 7 e ( t o r c h ) o 6 - - 0 7 化油器型式平吸等真空b s 2 6 汽油牌号9 3 封 变速器型式机械式五档变速 2 0 第3 章缸体及液压辅件的设计 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 不。 表3 - 2k 1 5 7 f m i 发动机凸轮升程 2 1 梨 凸轮转角o c n 3 - 2 进气门升程h 、速度y 和加速度j 果为黧黧连詈慧黧时机构进行原理性的托因此设计的结 篡麓龇程中罴磊嚣纛嚣芏裟 产和应用等环节，暂不考虑。 。峨乩“俐仕发动机上的批量生 改变篙丢雾裟黧竺黧髓蜘蹴蝴的 鬟懈钠坛觯黼写试茹致姜兰淼裟裹黧 改动。孙7 r 位反砌刀l 缸盖上做了部分 气杌篱震麓筹：竺黧构篓懒掀求蝌该诚 麓雾：罴。黧磊蒜筹麓篓瑟焉 外接安装来实现。以减轻设计的难度和复杂磊磊乩几叫似迥赋择现有的成品 2 2 孑警：譬翦翼最 蹲 o 第3 章缸体及液压辅件的设计 3 2 液压缸缸体的设计 3 2 1 设计的基本思想 液压缸体是本设计的核心部分，是各缸体组件的载体，跟切除进气门部分后 的气缸头连接在一起，形成液压一机械共同作用的新的进气系统。设计的基本思 想是在能满足试验要求的前提下尽量简化，必须同时考虑固定，防止运动干涉和 密封的要求。 3 2 2 液压缸缸体的具体设计 我们将原来的气缸头切去一块，即将 进气门对应的部分切除，只留下距离发动 机盖1 6 m m 的高度，用来固定液压缸。应 在液压缸上相应