发动机可变配气机构的研究进展.doc

发动机可变配气机构的研究进展内燃机与配件2011年第12期.0.)专题综述3f,发动机可变配气机构的研究进展ResearchingDevelopmentsintheVariableValveAgencyfoeEngine郭建苏铁熊王军(中北大学)摘要本文介绍了发动机可变配气机构的分类,对发动机可变配气机构国内外发展现状进行了分类详细介绍,以目前典型的可变配气机构为例,总结了不同可变配气机构的结构,工作原理及优缺点.对比国内外发展现状,提出了国内发展的不足,并对今后的研究方向做了展望.关键词发动机可变配气机构Keywords:EngineVariablevalveagency0引言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汽车发动机的发展目标.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规定.在各种现代技术手段中,可变配气技术已成为新技术发展方向之-1.这一技术能通过改变发动机的供气来达到降低油耗和满足排放要求.1可变配气机构的分类1.1按控制参数的分类按照控制参数的不同,可变配气技术可分为可变气门正时(VVT)和可变气门升程(VVL)两类.可变气门正时即气门开启与关闭时刻可变,根据气门开启持续期的变化又分为可变气门相位(vP)和可变气门相位与持续期(VET)两类;可变气门升程主要是改变了气门开启的最大升程,按照气门正时与持续期的变化情况又可分为可变气门升程与正时(VLT)和气门升程单独可变两类f2】.1-2按可变配气实现途径的分类实现可变配气有多种途径,按照有无凸轮轴可分为基于凸轮轴的可变配气机构和无凸轮轴的可变配气机构两类.基于凸轮轴的可变配气机构主要可分为可变凸轮型线,可变凸轮轴相位角,可变凸轮从动件三类;无凸轮轴的可变配气机构根据气门驱动形式主要可分为电磁驱动气门,电液驱动气门,电气驱动气门,电机驱动气门以及其他气门驱动形式几大类圆.2发动机可变配气机构的国内外研究与发展现状2.1发动机可变配气机构在国外的研究与发展现状配气控制技术早期的研究进展比较缓慢,主要成果是在1985年以后取得的,其发展先后顺序大致如下:优化凸轮型线一可变凸轮相位一可变凸轮型线一机械式全可变气门机构一无凸轮轴电磁(电液,电气及其他)驱动配齐机构一无凸轮轴全可变配气机构.迄今为止,具有代表性的可变配气机构主要有Toyota公司的VVTi,BMW公司的Vanos,Honda公司的VTEC,Mitsubishi公司的MIVEC,Porsche公司的VarioCam,BMW的Valvotronics等.下面将分类介绍国外可变配气机构的研究及发展现状.2.1.1基于凸轮轴的可变配气机构1)可变凸轮型线的可变配气机构此类可变配气机构能同时改变气门正时,持续期及升程.改变方式目前主要有阶段式与连续式两种.a)阶段式改变凸轮型线的可变配气机构Honda公司的VrEC,Mitsubishi公司的MIVEC以及Porsche公司的VarioCam等均属于阶段式改变凸轮型线的可变配气机构.下面以Honda公司的VTEC为例,介绍阶段式改变凸轮型线的可变配气机构.VTEC在2个进气门上采用了3个凸轮及3郭建苏铁熊王军:发动机可变配气机构的研究进展个摇臂,如图1所示,其中3个摇臂可独立运动也可连成一体运动.转速较低时,通过液压机构使主,次摇臂分别由主凸轮和次凸轮驱动,中间摇臂随中间凸轮运动.但是对气门不起作用,这样主,次进气门的升程曲线不同,可以形成涡流.转速较高时,通过液压机构使3个摇臂连成一体,并受中间凸轮驱动.以满足发动机高速的要求.这类机构优点是可以提供两种以上凸轮型线,在不同转速和负荷下,采用不同的凸轮型线驱动气门11;缺点是只能优化某些工况,不能实现全工况性能的优化21.b)连续式改变凸轮型线的可变配气机构Fiat公司早期开发了凸轮型线在轴向可连续变化的3D凸轮机构.如图2所示,一个带有锥度外廓的凸轮和装有可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相位发生变化.基圆半径沿凸轮轴的轴向是不变的,但凸轮升程沿轴向改变,故垫块必须随凸轮轴旋转变化它的倾斜角.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.该机构优点是可以在气门升起,回落特性上进行控制11;缺点是凸轮与从动件之问会产生点接触.磨损较严重,所以日前应用并不广泛21.,图1Honda公司的VTEC机构图2F|al三维凸轮机构目2)改变凸轮轴相位角的可变配气机构可变凸轮轴相位配气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转角是可变的.该类机构发展到现在,先后出现了螺旋齿式和叶片式两种结构,目前叶片式结构已经逐步取代了螺旋式结构21.螺旋齿式结构主要有Nissan凸轮轴可变相位机构:叶片式结构主要有BMW公司的Vanos机构,Toyota公司的VVTi机构,Honda公司的i-VTEC机构,Ford公司的VCT机构,Delphi公司的VCP机构等.下面介绍BMW公司的Vanos机构(图3).转子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,润滑油首先进入凹口锁止槽中,将锁止销压回并释放转子.供油油路与液压腔11相通,向该腔中供油,回油油路与液压腔l2相通,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l转动,从而改变相位.反向调节时.供油及泄油与上述方向相反L2l.这类机构优点是是可以对进气门关闭角和进排气重叠角进行控制,而且机构原理简单,可以保持原发动机气门系不变,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;缺点是不能改变气门升程和持续期口】.3)可变凸轮从动件的可变配气机构这类机构保持凸轮型线不变,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.按照从动件的类型分为液压式和机械式两类.a)液压式可变凸轮从动件的可变配气机构20世纪90年代中期,Siemens/Hvundai开发了EVT系统,并且已应用于Hyundai2.0LDHC发动机上,该系统属于液压式可变凸轮从动件的可变配气机构,其结构如图4所示.当电磁阀关闭时,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.由ECU控制电磁阀开启与关闭的时刻,就能实现对气门正时和升程的控制圜.内燃机与配件2011年第l2期1.壳体2前端板3.扭簧4.锁止弹簧5.锁止弹簧,定位板6.锁止销7.转子8.后端板9.叶片10.弹簧11液压腔A12.液压腔B图3BMW公司的vanos机构t2图4siemens/HyundaJ公司的EV丁系统结构示意隅馘圈5BMW公司的valvetronic机构目b)机械式可变凸轮从动件的可变配气机构2000年,Delphi,BMW等公司开发出了控制自由度较大的机械式全可变气门机构.其中BMW公司的Valvetronic是较为典型的结构,其结构简图如图5所示.该机构在凸轮轴与气门之间增加了中间杆2,并且在缸盖上增加了偏心轴,在偏心轴上设计了偏心轴齿轮.回位弹簧8使得中问杆的小滚轮与偏心轴齿轮始终保持接触,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控制.凸轮轴通过中间杆上的弧线驱动摇臂4,进而控制气门运动.当偏心轴相位不变时,中间杆在进气凸轮轴3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旋转一定角度后,中间杆旋转中心的位置就会发生变化.从而改变了中间杆弧线发生作用的厩域.进而改变了气门升程21.2.1.2无凸轮轴的可变配气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.1)电磁驱动气门可变配气机构电磁驱动气门机构由电磁线圈直接驱动气门,通过改变线圈的通断电时刻控制气门的开启始点和开启持续期.目前,AuraSystems公司,FEV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(见图6),前两家公司的电磁气门驱动机构已经装车试用51.未通电气f全I圳气门全开图6电磁气门驱动原理该类机构优点是控制方便,结构简单;缺点是实际应用中气门落座冲击大.电磁响应速度不够高,能耗及机构尺寸过大.因此,选择合适的磁性材料,合理设计电磁铁的结构是解决这些矛盾的有效手段.2)电液驱动气门可变配气机构电液气门驱动的工作原理是将气门与液压活塞相连接.通过电磁阀控制液压缸内高压和低压液体的流人和流出,从而控制液压活塞一气门的运动圄.图7是Ford公司的液压活塞式可变气门系统.高压电磁阀在气门开启的加速过程中开启,减速郭建苏铁熊王军:发动机可变配气机构的研究进展31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l4J.往复源图7Ford电液气门驱动原理该类机构的优点是除了气门正时外,气门升程也可根据发动机工况需要而改变,有利于取消节气门用进气门控制负荷;缺点是响应速度不够高,气门落座冲击,能耗过大和系统复杂等同.3)电气驱动气门可变配气机构电气气门驱动的工作原理与电液气门驱动相似,只不过将液体换成了气体.该类机构优点是空气的粘度低,且粘度受温度的影响小,运动惯性小,有利于提高电气气门驱动的响应速度;缺点是空气比液体更具有可压缩性,会削弱采用它作为介质带来的好处,而且也有气门落座冲击,能耗大,响应速度不够及结构复杂等问题is.4)电机驱动气门可变配气机构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.该系统的优点是转速灵活性范围很大:缺点是气门落座冲击大,响应速度慢,能耗高.且运行过程中电机的转速,转向频繁变化,难以精确控制.5)其他气门驱动方式可变配气机构P.Fitsos等人提出了用旋转驱动器一摇臂驱动气门的方法.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.该类机构优点是能够快速运动,准确定位;缺点是仍然有气门落座冲击,响应速度,能量耗散和机构复杂等问题.此外,也有人进行了以旋转气门代替往复运动的菌形气门的尝试,但可靠密封和润滑的老问题依然没有解决例.2.2发动机可变配气机构在国内的研究与发展现状我国从20世纪90年代逐步开始进行可变配气机构的研究.在9O年代中期开发出了一种用简谐波传动实现可变凸轮相位的机构.可实现小级差的多级调相【61.2000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可变配气相位机构,可将气门在小范围内变化7j:清华大学对电磁驱动式气门机构进行了模拟仿真研究&9l.但与国外相比,可变气门技术只是局限于试验室研究,还没有形成自主知识产权,可以广泛应用于车用发动机的可变气门机构.2.3发动机可变配气机构在国内外的研究与发展现状对比如前面所述.国外已有一系列经济实用的可变配气机构,广泛应用于各种发动机并成功装车.同发达国家相比,我国对发动机可变配气机构的研究起步较晚,加之研究工作比较分散,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原因的限制,所以在理论和实验研究方面同国外存在着明显的差距.可变配气机构技术还不够成熟且应用也不广泛.因此必须要加紧开展这方面的工作.3总结与展望1)可变配气机构有多种形式,不同形式的可变配气机构分别不同程度的改变不同的气门运行参数,从而改变内燃机的动力性,经济性和排放情况.2)有无凸轮轴的发动机可变配气机构各有优缺点,与基于凸轮轴的可变配气机构相比.无凸轮轴可变配气机构控制较为灵活,能单独驱动每一个气门,简化了发动机结构,降低了发动机的成本和质量,但也有一些明显的缺陷,比如气门落座冲击较大,能耗过高,可靠性,耐久性等都比较差嘲.另外,因为无凸轮轴全可变配气相位机构能够对气门运动的所有因素进行控制.因此将是我们目前研究的主要对象.3)国外内燃机可变配气机构技术已经比较成熟,同国外相比国内在理论和实验研究方面起(下转第33页)杜建军:工程机械燃油消耗过高的程序化检测及对策但应避免吸人桶(罐)底杂质,防止灰砂雨雪的混入.由于柴油同空气或油箱壁接触,会逐渐生成一些污垢沉人油箱底或附着在油箱壁上,即使每天加入的柴油都是干净的,也会被污染而加剧燃油系精密偶件的磨损与锈蚀,这样既增大柴油机的油耗,也会降低其运转的可靠性与耐久性,因此要定期清洗油箱.3.3供给充足的新鲜空气要使lkg柴油在汽缸内充分的燃烧,需要供给15kg新鲜空气.因此,要按时认真保养空气滤清器.及时更换破损失效的空气滤芯,让它始终处于通畅的工作状态.否则,缸内柴油会因空气不足而燃烧不充分.以冒黑烟的形式从排气管排出,白白浪费柴油.3.4保持机械良好的技术状态f11消除燃油系的故障.若喷油器滴油或雾化不良,针阀副磨损过多或喷孑L扩大,喷油泵供油量过小或各缸供油不均,供油时间过早或过迟,都会使喷人缸内的柴油得不到充分燃烧,因而油耗上升,排气冒黑烟.应校正喷油泵与喷油器,必要时更换柱塞,出油阀,喷油嘴偶件,并正确调整供油时间.f21及时调整气门间隙.机械工作一段时间后,气门间隙会发生变化.若间隙过大,气门将迟开,早闭,导致汽缸进气不足,排气不净,因而出现油耗上升的不良后果.若间隙过小,当柴油机温度上升,气门杆膨胀后气门与气门座会因封闭不严而漏气,于是汽缸压力不足,同样导致燃烧不良,油耗上升的后果,还容易烧蚀气门.为此,应定期检查并正确调整气门间隙.f3)及时恢复汽缸压力.当活塞与缸套组件因磨损而间隙过大,气门座松动或气门漏气而使汽缸压力过低时,喷人缸内的柴油则不能完全燃烧,机械的油耗也随之上升.应定期测量汽缸压力,更换磨损超限的缸筒,活塞或活塞环.重镶气门座和研磨气门,以恢复汽缸的正常压力.3.5提高驾驶员的技术水平提高驾驶员的技术水平是降低柴油消耗量的重要途径之一.驾驶技术好的驾驶员比一般水平的驾驶员可平均节油8%10%,主要应注意以下几个方面:f1)不可长时间超负荷作业;f2)不可长时间怠速运转;f3)柴油机温低时不可大负荷运转;(4)避免超载并保持中速运行;(5)尽量避免突然加速和减速;f6)6正确掌握变速时机;f7)正确使用空调制冷系统.(上接第31页)步较