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0 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11 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21 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。211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V rEC、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1 Honda公司的VTEC机构 图2 Fiat三维凸轮机构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，SiemensHvundai开发了EVT系统，并且已应用于Hyundai20LDHC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