（动力机械及工程专业论文）可变凸轮轴配气相位机构的测试及分析.pdf

天津大学博士学位论文 可变凸轮轴配气相位机构的测试及分析 t h em e a s u r e m e n ta n d a n a l y s i so f v a r i a b l e c a m t i m i n g m e c h a n i s m 学科专业：动力机械及工程 研究生：刘小平 指导教师：姚春德教授 天津大学机械工程学院 二零零八年二月 中文摘要 节约能源，控制有害排放，已成为内燃机技术发展的主导方向。传统气门驱 动系统具有一定局限性，通常只能保证在某一工况优化发动机的性能，其r l 、轮型 线在出厂时即已经固定，无法在运行过程中进行调节，它使得发动机的性能难以 在各种工况下都达到优化。可变气门正时能够较好的满足发动机不同转速、负荷 工况对于配气正时的不同要求，从而整体提高发动机综合性能，可变气门技术已 成为衡量发动机性能的关键技术之一。 本文在广泛参阅国内外研究及生产现状基础上，结合企业合作项目的实际情 况，采用模型分析，仿真分析计算，设计制造，试验测试和整机试验相结合的研 究模式，对可变凸轮轴配气相位器系统( v c t ) 进行了较为系统和深入的研究。 主要研究工作可以概括如下： 1 通过研究可变凸轮轴配气相位系统的工作机理，建立了可变凸轮轴配气 相位系统的机、电、液、磁仿真模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对系统进 行仿真计算。揭示了相位器系统各结构参数及各种运行参数对其系统性能的影响 规律，以便对相位器的设计制造提供可靠的参数和依据。 2 通过对相位器液压部分的分析，研究了可变凸轮轴配气相位可能的泄漏 情况，建立了系统泄漏的数学模型，对可能存在的内外泄漏进行计算，并对泄漏 控制进行分析。通过对相位器系统的泄漏分析，揭示了系统各种间隙对其泄漏的 影响，为相位器系统的设计制造提供可靠的参数和依据。 3 在分析典型可变配气相位机构特点，剖析配气相位中影响发动机性能的 各种可变因素的基础上，确定了基于凸轮轴调相的可变配气相位结构方案。通过 仿真计算和借鉴国外的开发经验，设计了一套可变凸轮轴配气相位机构。分别从 叶片、密封、锁止销和油道布置等方面对叶片式连续可变凸轮相位器本体结构着 重分析与选择，并阐述了进、排气相位器的不同设计考虑，明确了材料的选取原 则。另外，对相位器的设计原则进行了详细阐述，指出设计相位器的要满足的技 术关键。 4 建立了可变配气相位器的试验测试系统，为可变相位器系统的深入研究 及产品开发提供了有效的工具。针对液压油驱动v c t 系统液力、机械结构具有非 线性特征及系统时变性等特点提出了p i d 控制策略，研究表明，p i d 控制来说有 较好的执行性能，提出的控制算法具有结构简单、实时性好、响应快等优点，较 好的满足了v c t 控制要求。并利用测试系统分析和探讨了相位器系统机构工作过 程中参数的变化规律。测试系统采用电控，智能，集成的控制方式及友好的测试 界面。 5 对新研制的可变配气相位器在发动机上进行试验研究，完成对相位器本体 系统进行最终的实机测试。结果显示，新研制得可变配气相位器可以满足发动机 要求，表明为此研制的性能测试装置已经可以用于新开发的相位器性能检测。 关键词：发动机凸轮轴可变配气相位仿真配气相位器测试技术及装置 a b s t r a c t e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dt h e c o n t r o lo fh a r m f u le m i s s i o n sh a v eb e c o m et h e d o m i n a n td i r e c t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n et e c h n o l o g y c o n v e n t i o n a l l y , t h ev a l v et i m i n ga n dl i f th a v eb e e nf i x e di nu s e ，o p t i m i z e df o rt h e s t a n d a r dc o n d i t i o na n dc i r c u m s t a n c e s t h ev a l v et i m i n go fe n g i n ec a n tb ep e r m i t t e d v a r i a t i o nd u r i n ge n g i n eo p e r a t i o n s ot h i sv a l v ed r i v es y s t e mh a sc e r t a i nl i m i t a t i o n s ， w h i c hm a k ee n g i n 爸p e r f o r m a n c ei nv a r i o u sc o n d i t i o n sd i f f i c u l tt oo p t i m i z e h o w e v e r v a r i a b l ev a l v et i m i n g ( v v t ) c a nb e n e rm e e tt h ed i f f e r e n te n g i n es p e e d , l o a d c o n d i t i o n sa n dt h e r e b yi m p r o v eo v e r a l le n g i n ep e r f o r m a n c ef o rt h ea l l o c a t i o no fg a si s d i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s v v th a sb e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e si to nt h eb a s i so fah o s to fr e f e r e n c e ，a n dc o m b i n e s t h er e a ls i t u a t i o no ft h es u b j e c t ac o m p r e h e n s i v es t u d yp a n e m ，t h ei n t e g r a t i o no f a n a l y s i s ，s i m u l a t i o n ，d e s i g n， a n dp r o d u c t i o nu n i tt e s ta n de x p e r i m e n t a le n g i n ei s a p p l i e dt od e v e l o pv a r i a b l ec a mt i m i n g ( v c t ) s y s t e m m a j o rr e s e a r c hw o r kc a nb e s u m m e du pa sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ha n a l y s i so ft h ew h o l es y s t e m ，av c t m a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu p ， i n c l u d i n gm e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a l ，h y d r a u l i ca n de l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o nm o d e t h e i n f l u e n c e so fd i f f e r e n tw o r k i n gp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so fv c ta r e d i s c u s s e db yu s i n gt h em a t l a b s i m u l i n kc o d ew i t hs t r o n gc a p a b i l i t yo f e n g i n e e f i n gc a l c u l a t i o n a n dt h en u m b e ra n a l y s i s t h ee f f e c to ft h es y s t e m i c o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sa n dv a r i o u sp a r a m e t e r so fv c to ni t so p e r a t i o np r o c e s si s r e v e a l e d i tc a np r o v i d er e l i a b l ep a r a m e t e ra n dd a t at ot h em e c h a n i c a ld e s i g na n d m a n u f a c t u r e 2 t h r o u g ha n a l y s i so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m , t h el e a k a g eo fv a n e - t y p ev c t m a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu p w ec a r r yo u tt h ef o r e c a s t sa n dv e r i f i c a t i o n so ft h e i n f l u e n c e st h a tt h ev a r i o u sf a c t o r se x e ro nt h el e a k a g ef l o w a c c o r d i n gt ot h es t u d yo n l e a k a g e ，t h ee f f e c to fv a r i o u sp a r a m e t e r so fv c t o ni t so p e r m i o np r o c e s si sr e v e a l e d i tc a np r o v i d er e l i a b l ep a r a m e t e ra n dd a t at ot h em e c h a n i c a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r e 3 t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ep r a c t i c a lt e c h n o l o g yf o rv v ta n dt h ev a r i a b l e f a c t o r so fv v t t h et e c h n o l o g yf o rv c tb a s e do nt h ec a m s h a f tp h a s es h i f tt h e o r yi s d e t e r m i n e d b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dl e a r n i n gf r o mf o r e i g ne x p e r i e n c e ， v c ti s d e s i g n e d t h r o u g ha n a l y s i so fv a n e - t y p ev c t , t h es o r ta n dd e s i g na r e i n t r o d u c e da b o u tt h es t r u c t u r es u c ha sv a n e ，s e a l ，l o c kp i na n do i lp a s s a g e ，a n di ti s r e v e a l e dt h a tt h ed i f f e r e n td e s i g n so ft h es t r u c t u r eo fi n t a k ea n de x h a u s tc a ma n dt h e s e l e c to fm a t e r i a l f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g na n dk e yt e c h n i q u eo fv c ta r ep r i m a r i l y d e s c r i b e d 4 t h em e a s u r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e df o rv c t f o rt h ep r o b l e mo fh y d r a u l i c p r e s s u r es e r v i n ga st h ed r i v i n gs o u r c eo ft h ev c ta n dt h em e c h a n i s mo ft h ev c t h a v en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep o l i c yo fp i dc o n t r o li ss u g g e s t e d s t u d yi n d i c a t e s t h a tt h ec o n t r o la r i t h m e t i ci ss i m p l ei ns t r u c t u r e ，g o o di nr e a lt i m ec a p a b i l i t y ，f a s ti n r e s p o n s ea n dp r e f e r a b l ys a t i s f i e sc o n t r o lr e q u e s t b yt h et e s t i n gs y s t e m s ，t h e v c t c h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r sr e l a t e dt oo p e r a t i o np r o c e s so fv c tc a nb ea n a l y z e d e l e c t r o n i cc o n t r o l ，i n t e l l i g e n t ，i n t e g r a t e dc o n t r o la n dt e s t i n gf r i e n d l yi n t e r f a c ei s a p p l i e dt ot h em e a s u r i n gs y s t e m t e s t i n gs y s t e mi sd o m e s t i ci n i t i a t i v e 5 e x p e r i m e n ts t u d yo fv c t o ns ie n g i n ei sd o n e a tt h es a m et i m e ，i tp l a y sa f i n a lm e a s u r i n go fs u c c e s s f u ld e s i g n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e wv c tc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fe n g i n ea n dt h em e a s u r i n gs y s t e mc a l lb eu s e df o rp e r f o r m a n c et e s t i n g o f v c t k e yw o r d s ：e n g i n e ，v a r i a b l ec a m t i m i n g ，s i m u l a t i o n ，m e a s u r i n gt e c h n o l o g y a n dm e a s u r i n gd e v i c e 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，除了文中特另j l d r i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞苤鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：、1 签字日期：卅 年月， 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 汁卜备 签字日期：p g 年月f 日 导师签名： 签字眦髫年月箩日 天津大学博：t 学 7 = 论文 1 1 课题背景 第一章绪论 2 1 世纪世界所面临最严峻的挑战是能源和环境问题，“节约能源，保护环境” 己成为世界各国的首要发展战略。近年来我国经济迅速发展，汽车保有量以每年 1 5 左右的速度增长，汽车面临能源需求和环境保护的双重巨大压力。对排放污 染的控制，是国、内外汽车发动机近年来发展的重点。 针对这种现状，全球各大汽车制造商在汽车上的新技术应用层出不穷，对于 在节能、环保、性能方面起到关键影响的发动机的研究上更是下了主要的工夫。 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r l 、轮轴配气 机构代替下置凸轮轴式配气机构，用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。但是，应用复杂技术满足性 能和法规要求的同时，。必然也很大程度地提高了发动机的成本，这在大批量牛产 的乘用车，尤其是经济型乘用车是一个必须考虑的因素。 可变气门正时( v a r i a b l ev a l v et i m i n g 简称v v t ) ，是汽车活塞式发动机技 术的一个通用词汇，能够在发动机运转时，变换进、排气( 或两个) 的升程、正 时和持续角。v v t 作为一种性价比相当高的技术方案，近年来在对发动机的高 效率化、降低油耗、提高性能和降低尾气排放的要求越来越高的情况下，作为手 段之一的可变配气机构正逐步商品化。 v v t 技术改变了传统发动机中气门正时不变的状态，在发动机运转工况范 围内提供最佳的配气正时，较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷下动 力性与经济性的矛盾，同时在一定程度上改善了废气排放。更进一步的说，w t 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，提高进气效率、最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、排 放性以及响应性能得到综合提高。可变气门技术己成为衡量发动机性能的标致性 关键技术之一，通过对可变气门技术的研究、创新，内燃机制造商正取得愈来愈 强的竞争力。 第一章绪论 1 2 可变气门正时技术的在国9 1 、的发展现状及其技术特点 2 0 世纪9 0 年代后，由于排放法规的日趋严格和燃油经济性的要求不断提高， 可变气门技术的研究成为热点，可变配气相位技术包括有凸轮驱动机构和无凸轮 驱动机构两大类，其中有凸轮驱动机构丰要通过对亡、轮轴传动、摇臂比、挺柱或 正时皮带的调节达到改变气门正时或升程的目的，多为机械控制，也有少量为电 子控制。由于保留了凸轮，其调节能力仍受到原凸轮型线的限制。而无，、轮驱动 机构取消了传统发动机气门机构中的凸轮轴及其从动件，以电磁、电液、电气或 其他方式直接驱动气门，由于系统调节不受d 、轮型线的制约，气门参数调节相当 灵活。 简单的v v t 系统( 如m a z d a 的s v t ) 能提前或滞后进或排气气门正时， 一些、t ( 如h o n d a 的v t e c ) 能在某种转速下转换两种凸轮型线，还有一些 能连续的改变气门相位、持续角和升程。 g m 最早进行可变正时和升程的实验。实验是为了减少带有节气门进气系统 的排放，通过在低负荷最小气门升程下保持进气速率较快来雾化充气，但由于 g m 遇到在低升程下运行的问题，中止了计划。 f i a t 公司最早使用功能型的可变升程的可变气门系统。g i o v a n n it o r a z z a 在 二十世纪7 0 年代发展了它，可变气门系统用液压控制来驱动凸轮，根据发动机 转速和进气压力来改变液压压力，凸轮的变换角度达到3 7 0 曲轴转角。 下一个大的进步由h o n d a 公司在八十到九十年代取得。h o n d a 首先对可变升 程进行研究，面对令人鼓舞的结果，工程师们采用了w t 这种技术，并运用到 1 9 8 9 年产发动机e f 9 ，并装到h o n d ab 1 6 a 车上。从此，t 开始被许多不同 的汽车商进行了一系列开发，从运动车到实用车，v v t 技术也开始走入全面发 展的阶段。 从此，广大研究人员开发出了一系列基于t 、轮轴的可变气门机构，并且成功 用于车用发动机，取得了良好效果。国外不少知名的汽车生产商开始采用进气门 连续可变正时控制、排气门可变正时控制、气门行程和工作角调整等型式，来提 升发动机的性能。目前，以液压式可变配气相位气门控制机构为主流。其中，可 变，、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w t i 以及b m w 公司的v a n o s 。可变，、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机构，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机构【1 4 1 。 天津大学博：l ：学位论文 1 2 1 可变气门正时机构的研究现状( 无凸轮机构) 所有凸轮轴可变气门驱动机构，气门的运动规律都毫无例外地受到了凸轮型 线的限制，因而对发动机综合性能的改进也相应受到了限制。无凸轮可变气门驱 动机构气门正时、开启持续期、升程、运动规律完全柔性可调，是迄今最有潜力、 自由度最大的可变气门机构，控制技术及执行机构将是今后研究的重点【5 。7 j 。 1 电磁驱动气门机构 图卜l 为f e v 公司的电磁驱动气门机构，主要由电磁铁上、下线圈以及衔铁 组成。上、下线圈均不通电时，气门在上下弹簧的作用下保持半开半闭；如果下 线圈通电而上线圈不通电，衔铁就会在下线圈电磁力的作用下带动气门克服弹簧 的作用力向下运动，实现了气门的开启；当下线圈断电后，气门在弹簧力的作用 下向上运动，接近落座位置时，上线圈通电，以实现快速落座，此后上线圈继续 通电，以保持气门的关闭，如此循环往复。该机构能实现气门定时，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 等正在展开电磁驱动气门的研究，并且f o r d 公 司在电磁驱动气门机构中做了大量的研究，成为其进行可变气门研究的一个主要 方向渊。 图1 1f e v 公司电磁驱动式气门机构 图1 2f o r d 公司电液驱动式气门机构 2 电液驱动气门机构 图1 2 为f o r d 公司电液驱动气门机构的原理图。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连，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 第一章绪论 运动的可变。 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 缸内气体压力波动使气门运动难以精确控制，此外电液系统的高压流提供装置和 密封装置大大增加了气门驱动机构的成本。 相对电磁式可变气门驱动，电液驱动气门机构的自由度更大，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。目前l o t u s ，b o s c h ，y i s t e o n 等在这方面也在开展这方面的研究阳1 。 3 电气气门驱动 电气气门与电液气门的工作原理相似，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。 4 电机驱动气门机构 图1 3 为g m 公司研发的电机驱动可变气门系统的示意图n 创。这种系统中， 每个气门都由一套永磁无刷直流电机带动进行驱动，通过增加或减少气门开肩 时凸轮电机的角度来改变气门动作的持续时间，以相应缩短或延长气门的动作 时间。通进使凸轮在气门开启或关闭点附近摆动来实现部分升程运行。 这种机构转速范围可达很高，且在可变定时和部分升程运行方面具有较好的 灵活性。但由于控制过程中涉及频繁改变电机的转达速与转达向，难以将发动机 的运转过程与电动机协调一致，控制相当复杂，在高转速下，消耗的电功率太大。 电轴祝趋 图1 - 3g m 公司的电机驱动气门系统图1 - 4 发动机气门机构图 1 2 2 可变气门正时机构的研究现状( 有凸轮机构) 气门机构的动力传动顺序是由曲柄轴经链条( 皮带或齿轮) 传动到链轮，再 传到凸轮轴，经由运转的凸轮驱动从动件运动迫使气门开闭，如图l - 4 所示【1 l 】。 尤漳大学博l 学位论文 困此可娈气j 机构可依装设的位置而分为五粪：曲轴与链轮问可变气门机构：链 轮与l 一、轮轴问u 娈气门机构；f 1 轮轴可变气门机构：i n l 轮轴与从动件可娈气 机 构：从动件可变气j 机构。 1 改变皮带或链条松紧边长度 在大众奥迪阜系上j 泛采用了改变链祭松紧边k 度的l 变气门正叫系统， 该系统传动方式及进、排气凸轮轴的分m ，如阁l 一5 所不：排气j 1 轮轴宜裟杠外 侧，进“i 轮轴安装在内侧曲轴通过齿形带首先驱动排气“【轮轴，排气轮轴 通过链条驱动进气f 轮轴。如图1 - 6 所示，两轴之问设置了”个可变气】正rj 酬 节器，在内部液压缸的作用下，可变气_ 正叫调节器可以l 一平u 下降。 圈1 - 5 逊、排气凸轮轴的分布 图】- 6h 变正时系统的基率构成 霞 图1 7h 娈，f f 3 正时谰节装置泄j i 、缸汕路 目1 8 a l f a r o m e o 胁级u ，变凸轮轴帆】t z 由于排气l _ 。i 轮轴存曲轴正叫带的作用r 小可能逆叫针反转，所以进t ，1 1 轮轴 受到蚺个山的，e 同作用；一是在排气_ j ，l 轮轴正常旋转带动f 链条的拉力；二是川 变气lj 止叫调节器推动链条，传递给进气凸轮轴的扣力。该发动机芹侧和右侧的 可变气门正时调节器操作方f _ 始终要求相反。当发动机的克侧可变气 正叫调节 第一章绪论 器向下运动时，右侧的可变气门正时调节器向上运动，左侧链条紧边在下边时， 右侧链条紧边在上边。可变气门正时调节器向下移动时，紧边链条都是由短变长。 可变气门正时系统的控制，是由发动机电控单元根据发动机转速传感器的信 号对左右列气缸对应可变气门正时机构的可变气门正时电磁阀的控制方式作出 正确选择并控制调节活塞的动作。通过可变气门正时调节器内的液压缸油路变 换，使得可变气门调节器上升或下降，以至于左右列气缸对应的进气门获得不同 的延迟角。 w t 技术第一次被带入到民用汽车发动机上正是借助于这个看似简单的方 案。系统简单，成本低，适合对原有的发动机设计进行升级改造，它甚至不需要 对原有发动机做任何的改动。这种v 、，t 的缺点是正时控制有时不够精确，可调 节的角度范围较为有限，反应速度也慢，而且出于机械上的原因，这种张紧器通 常只能提供有限的几个位置选择，因此气门正时的调整也只能是分阶段地进行， 而不能针对所有的工况条件进行连续调节。 2 链轮与凸轮轴间可变气门机构 为了进一步提高v v t 系统的效能，一些工程师开始把目光直接投到了凸轮 轴本身。通过增加一个可以调节凸轮轴及其正时轮问的相位关系的控制机构，就 容易在调整凸轮轴相位的时候获得更大的自由度。这样的控制机构可以纯机械式 的，也可以是电磁式的，最常见的还是液压控制系统。 可变凸轮轴正时( v c t ) 相对于链条张紧器而言，系统相对复杂，成本也高， 但是这种设计较容易实现气门正时的连续可调，能使进、排气门重叠角等变量根 据转速及负荷连续调整，从而达到对任意工况都做到优化的效果，发动机的扭矩 转速特性比分阶段调节要来得平滑。 由于优化的范围广，发动机输出平滑，目前大多数豪华车发动机采用的都是 这类仃。这一大类可以说是v v t 技术进化树上的丰枝，目前也居于主流地位。 它在系统成本、复杂度增加相对不多的情况下明显的改善发动机综合性能。 ( 1 ) 斜齿式可变凸轮轴相位 如图1 - 8 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毂啮合，由链轮轮毂驱动旋转，同时可以 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r l l 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毂转过一个角度，从而改变了凸轮轴的相位u 3 1 。 在链轮轮毂上有两个液压缸，里面充满了液压油。调节柱塞把这个液压缸分 成两个腔，一个与链轮轮毂相连，一个与凸轮轴相连。液压油在电磁阀的控制下， 可以改变这两个液压缸的压力差。当发动机管理系统打开电磁阀，液压缸与高压 天津大学博士学位论文 油路相连，那么活塞会向凸轮轴方向运动，随之而来的是凸轮轴的转角被提前。 这种结构可以很容易实现连续可变气门正时，以实现与发动机各个转速的完美匹 配。 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，称为第二代凸轮轴相位器。 在a l f ar o m e o 的调节装置投入成批牛产以后，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 y 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 既可以集成于齿形带驱动系统中，又可以集成于链传动系统中。 ( 2 ) 叶片式可变凸轮轴相位 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，称为第三代可变凸轮轴相位机构。 图1 - 9 为b m w 公司的v a n o s n 引，转子7 通过螺栓与凸轮轴固定在一起，壳体 l 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r i 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 1 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。由电磁阀控制供泄油的方向，可在6 0 。曲轴转 角范围内调节r 1 1 1 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m i ，h o n d a 的i - v t e c ，g m 、f o r d 的v c t ，d e l p h 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 t a 等公司对这种结构做了大量的研究，该系统在技术上已较为 成熟，且具有较强的实用性d 纠引。 ( 3 ) 罗孚w c 如图1 1 0 和图1 1 l 。r o v e r 的v v c 系统：利用偏心轴原理，在凸轮轴的 顶端装置了被动轮与较小的驱动轮，而以齿棒连接驱动轮旋转外衬的齿牙，并以 油压驱动齿棒，以改变驱动轮与被动轮的圆心偏移植，造成两凸轮轴间的转动角 度差，达到提早开启进气门以及延迟关闭进气门的双重效果及高转速时增加进气 量的目的。在v v c 中，凸轮受设计独特的偏心轮驱动，其转动并非匀速，在调 整气门正时的同时，气门开启的持续时间也发生了改变( 尽管升程并没有变化) 。 不过这个系统没有成为主流技术的趋势。牵涉到每缸点火时间不同的问题，目前 第罩绪论 只能用在四缸发动机的进气fj 上 目i 1 0 v v c 结构 图1 i iv v c 传动示意国 利用，1 j 轮轴的调相原理，机构，轮型线是固定的，而i 轮轴相对曲轴的转角 是可变的。由于配气相位中进气1 3 关闭角和进排气重叠角对发动机性能影响较 大，在多气门取顶置凸轮轴发动机e ，单独控制进、排气凸轮轴，可以实现对这 阿个因素的控制。虽然这类机构不能改变气门升程，但是它机构原理简单，只用 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， 这些机构相继应用在发动机上，实现产品化，进入市场。 天津大学博+ i ：学位论文 3 凸轮轴 这类v v t 主要改变凸轮的轮廓来调整气门正时，不仅如此，还可以做到同 时调整气门开放的持续时间，升程等多种变量。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。 图1 1 2 h o n d a 公司v t e c 机构图l 1 3 立体凸轮 ( 1 ) 本田的三段可调式v t e c 目前的v t e c 在2 个进气门上采用了3 个凸轮，3 个摇臂，其结构如图卜1 2 所示。三根摇臂内部装有由液压控制动作的活塞。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， 控制两个节气门的开闭，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问摇臂，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，e c u 控制液压 系统，机油压力推动摇臂内的活塞，同步活塞连锁主摇臂，同步摇臂连锁中问摇 臂和次摇臂，因此三根摇臂锁在一起。由于中问凸轮较主次凸轮高，中问凸轮驱 动中问摇臂带动主、次摇臂一起动作，使进气门开肩时间延长、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 弹簧推回，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，改变进气量。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n 引。 该系统要比v c t 复杂，技术难度更大，成本也较高，也不能实现对变量的 连续调节。但它能控制气门的升程，解决更多的两难问题，留给工程师更多的自 由度来针对不同应用设计相应的发动机。1 9 8 9 年，世界上第一种使用v t e c 技 术的量产汽车发动机出自h o n d a 。 ( 2 ) 立体凸轮 第一章绪论 上面切换凸轮组的v t e c 技术无法实现连续调节，使的可变有所不足。 利用立体r j 与轮在轴向有不同曲线的特性。使凸轮轴与从动件作轴向相对运 动，可造成进气( 与排气) 开启、关闭及升程都由凸轮曲线控制，如图1 1 3 1 。 4 凸轮与从动件间 在气门机构中加装一从动件，以双从动件方式。其中可变从动件位于凸轮与 固定从动件传动，以平移整个从动件方式改变气门正时曲线。如图1 1 4 n 。 图1 1 4 增加杆件 5 可变凸轮从动件 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。这类机构一般实现正时和升程的同 时可变，按照从动件的类型可分为液压式与机械式两类。 图1 - 1 5s i e m e n s h y u n d a i 公司e v t 系统结构示意图 ( 1 ) 液压式 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 系统就属于液压式，其结构如图 1 1 5 所示。当控制液力系统的电磁阀关闭时，润滑油被封闭在液压腔内，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心引。 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。 无津大学博i 学化论文 根据研究报道，其对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。 ( 2 ) 机械式 这种位置的装置是以改变丰轴位置控制，从动件卡轴位于阀杆与凸轮两者 问+ 以移动卡轴位置改变摇臂比例进而使气门正时曲线改变。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，其结构如图l 。1 6 所不。 该机构在凸轮轴与气门之间增j 3 1 l 了中间杆2 ，并且在缸盖上增加了根偏心 轴l ，偏心轴上设计了偏心轴n 轮。弹簧8 使得中问杆的小滚轮与偏心轴f 、轮始 终保持接触，大滚轮与进气，i 轮始终保持接触，这样，中间杆的运动由1 1 、轮轴与 偏心轴共同决定：，轮轴通过中州杆上的弧线驱动辑臂，进而控制气门运动 当偏心轴相位不变州中间杆在进气r 、轮轴的驱动f 隔绕某一个中心旋转， 中m 朴弧线发生作用的为弧线的某一段区域：当伺服电机9 通过 呙轮蜗杆机构埘 动偏心轴i 旋转定珀度后，叶1 问杆旋转中心的位置就会发牛坐化，改变了中川 杆弧线发牛作_ l i 的区域进而改娈r 气门升程1 。 l 偏心轴2 一l - 问3 避气凸轮轴4 摇臀5 液j t 挺 = f 1 6 进气ij7 l 1 掸赞8 回位掸簧9 电机 圈11 6b m w 0 司v a v t r o n i c 1 2 3 不同机构特点比较 可变气门这种新投术的应用不仅取决于技术因素，而且还要考虑其他l 划紊如 额外费用、可靠性、复杂性和在各种系统问的移植，因此，研究开发工作集中存 实现不同娄型发动机的可变气门解决方案，对于不同应用钡域，要结台性能要求、 机构特点和使用斟、境进行相应的设计和完善。不同的可变气门系统在性能和庶 用范围上存在一定的差别。 第章绪论 经过多年的发展，各种技术也开始了相互融创2 2 彩】。首先是t o y o t a 推出了 v v t l i ，也加入了类似两阶段型v t e c 使用的那种可变r i 、轮系统，用于调节气 门升程。h o n d a 也推出了v t e c 的改进版i - v t e c ，它是建立在两阶段式的v t e c 之上，加上了连续型进气凸轮轴v t c 。需要指出的是，连续型v t c 能在一定程 度上弥补v t e c 之类的系统的不连续缺憾。机械式全可变v a l v e t r o n i c 调节升程 与v a n o s 调节相位相互配合是目前可变气门发展的最好组合，当然也造成成本的 大幅提高。 1 3 可变气门正时技术在国内的发展现状 与国外相比，我国在这些方面的研究起步较晚，国内高校、科研机构和生产 企业也开始进行研究可变配气相位系统，许多学者在这方面作了非常有意义的研 究工作，而有关这方面问题的研究也一直是国内发动机领域研究的热点和学术会 议的主要议题。9 0 年代中期，研究人员开发出了一种用谐波传动实现的可变凸 轮相位机构，可实现小级差的多级调相。2 0 0 0 年后，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相位机构，可使气门实 现两级式变化，清华大学开展了电磁驱动式气门机构的研究，浙江大学对电磁驱 动式气门机构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 实验研究，还没有形成具有自主知识产权的，可以，“泛应用于车用发动机的可变 气门机构。此外，到目前为止，无论是结构还是控制方面的技术都不够成熟，还 需要进一步的发展完善。 总体来说，同发达国家相比，我国对可变配气的研究仍处于起步阶段，国内 在v v t 的理论和实验研究方面存在着明显的差距，表现在研究工作比较分散， 缺乏规模，制造技术比较粗糙，测试设备不足以及资金投入量有限等问题。 1 4 可变凸轮轴配气相位的发展方向 综合国内外各种已有可变气门正时技术及各种可变因素的特点，在应用时有 以下几种基本组合形式： ( 1 ) 在保持气门升程特性和持续期不变的条件下，改变气门开肩的曲轴转 角