可变气门驱动.doc

外文资料译文可变气门驱动：常规选项和技术摘要：可变气门驱动（VVA）是提高燃油经济性、降低废气排放和增强满负荷工作的重要措施。对于总体优化三个特性来说，可变凸轮相位（VCP）是一个很好的选择。根据发动机Map图的要求可以看出，采用“双独立”分阶段控制进排气时间是最好的解决办法。现在，一项新的称之为“CamInCam”的技术，提出了一种单凸轮轴驱动配气系统的结构。借助GT-power（发动机工作过程模拟计算软件），在不同VVA下，直接对燃油消耗进行分析研究。NEDC循环下，在停缸和完全可变系统条件下，油耗表现出了%7%12的最大潜力。VVA不仅是一个“独立”的点燃式发动机技术，而且它也是新的燃烧系统的使用条件，比如说CAI（控制自动点火）燃烧系统。一种新型的CAI系统需要内部和外部的废气再循环，并且现在的内部废气再循环靠一种特殊的可变系统变量来控制。相对于其他系统，CAI系统的范围变广了，并且提供了低油耗（10的油耗表现上具有明显的优势和）低NOx的优势。关键词：可变气门驱动，可变凸轮相位，停缸，连续可变气门升程/持续时间，控制自动点火1引言 国际上废气排放实现立法和燃料的日益消耗（以及减少二氧化碳排放量），是内燃发动机发展的主要驱动力。使用可变气门驱动，尤其是对点燃式发动机，已经成为一种可以同时满足要求的技术。 有不同的方式可以利用机械驱动气门结构来实现可变气门，例如： 可变凸轮相位(VCP) 可切换气门升程 停缸 连续可变气门升程 在怠速、部分负荷范围和满负载条件下（图1），这些系统都会在发动机运行时产生一种不同的热力学作用，从而导致存在不同的潜在优化方法。 图1 受VVA影响的发动机MAP图2可变气门驱动的选项2.1 可变凸轮相位 可变凸轮相位下，具有不同选项的可变气门正时： 单凸轮相位：进气或排气 双凸轮相位： - 双相等（并行阶段摄入量和转移排气相位）- 双独立（独立的相移进气和排气） 热力学机制：可变凸轮相位通过改变气门重叠角，也就是进气门关闭时刻和进气门开启时刻，以不同的方式来影响发动机运行的热力学机因素。气门重叠角 在部分负荷范围内，增加或延缓气门重叠角（图2）可以增多发动机的内部EGR（废气再循环）。这也减少了泵气功的损失，减少了燃烧损耗，同时由于燃烧温度的降低，Nox排放也减少。对于中等及高负荷而言，由于进气温度的升高，增加了敲缸的频繁性。在怠速情况下，一个高的内部废气再循环会对燃烧稳定性以及点火迟缓能力产生负面影响，从而导致排气温度过高引起催化剂自燃。图2 增大或延缓气门重叠角进气门关闭（IVC） 在部分负荷下，进气门迟关（图3）同样会使泵气功减少，主要是由于一部分新鲜充量及内部废气再循环被推入进气道。这也就降低了压缩比，从而减少敲缸，对进气充量进行了升温。在全负荷、高发动机转速条件下，进气门迟关会应对活塞运动产生一个有利的作用，获得一个较大的容积效率。对于低转速及低流量发动机而言，虽然进气门早关是特殊发动机的要求，但它会将更多的新鲜充量留在气缸内。 图3 进气门迟关 图4 排气门早关 排气门开启（EVO） 对于自然吸气发动机而言，排气门迟关（图4）会将更多的膨胀功转化为作用在活塞上的机械功。除此之外，HC排放也会由于增加了未然气流出狭隙的时间以及在未然气体流出前的缸内氧化而减少。策略和技术：在各段不同要求的发动机MAP图上要求有非常灵活的凸轮相位以及高的相位速度。对于一个独立的进排气驱动下的相位系统，灵活性的增加仅仅改变进气相位即可。同样将连续可变相位系统替代简单的可切换相位系统时，它也会增减。目前双独立以及连续可变凸轮相位是对带有双顶置凸轮系统的复杂发动机一项技术。为了使带有单顶置凸轮以及顶置气门的双独立以及连续可变凸轮相位系统具有更高的灵活性，必须装有特殊的相位器和凸轮轴。图5给出了一种已经量产的凸轮轴技术。 图5 “CamInCam”技术 “CamInCam”是一种基于转配式凸轮轴的新技术。排气门的凸轮叶是在外部安装轴，而进气叶相对于外部的叶是可以移动的，并且通过一种引脚连接于内部轴上。内部叶与外部轴是可以相互移动的，并且都连接在双凸轮相位器上。2.2可切换气门升程 热力学机制：气门升程切换主要实现了两个系统之间切换或三种不同的专用气门升程曲线。一个选择是在全负荷及高负荷范围内，使用一个“大”的凸轮或气门升程。第二个在部分负荷范围内，使用一个 “小”气门升程（“短”时间和显着降低升程）。这也就允许减小气门重叠角来使发动机燃烧稳定接近于怠速。利用“小”气门升程可以降低发动机的节流损失，因为气门是在BDC（下止点）之前关闭的，同样也可以使在气门处的可逆转损失变小，因为这时的气门升程仍然是高的。在非常低的发动机负荷下，气门迟关还是来不及，因此，进一步节流仍然是必需的。另一个方法是利用全负荷条件下不同的凸轮或气门升程曲线来分别优化低速、中速和高速发动机。策略与技术：现在在市场上已经有一些已经经过生产的技术可以供我们选择。驱动可以用液压（从润滑油电路）和弹簧或引脚。这些技术也需要新的凸轮轴（如2）和凸轮从动件。为了提高灵活性它们可以结合起来单或双凸轮相位。 可切换系统通常设计成滑动叶和凸轮之间的接触，从而引起凸轮从动件具有较大的移动量。同优化过的标准滚动接触驱动气门机构相比，这两者都导致摩擦损失增加。2.3停缸热力学机制：对于多缸发动机而言，它使用的停缸数占总数气缸的%50，发动机所需扭矩可以实现在停缸模式下所有负载低于50的满负荷。停缸通常减少了气门对气缸的影响。因此，该停用的缸将不参加进气循环，从而在停用模式不会产生节流损失。其实，停用的缸仍然有其摩擦损失（统称“压缩损失”），因此那些工作着的气缸仍会带走这些损失。工作着的缸通过以下两种方式减少节流损失：由于增加了其他汽缸停用应增加平均有效压力和补偿停用缸的摩擦损失。可以设想，燃烧行为本身将不会发生重大变化。策略与技术：停缸主要用于缸数n6的发动机。在过去的一些复杂的具有高灵敏度制造公差和润滑油污（图6）的停缸技术曾经介绍过例如5 。该驱动是由油压控制和弹性力，用一个特殊的引脚，激活或停用气门驱动部分图中的挺杆。图6 停缸技术由于较低的成本和复杂性，这种简单的系统继续发展进行。图7和图8显示了新发展的顶置凸轮轴/双顶置凸轮轴和顶置气门配气系统。顶置凸轮轴/双顶置凸轮轴配气系统（图7）中的挺杆由两个不同部分组成，靠机械去耦来断开。去耦和耦合机制可分别由机械、电动或液压驱动。图7 可切换气门升程和停缸的新装置（顶置凸轮/双顶置凸轮配气系统）顶置气门配气系统的挺杆（图8）上有“非移动”开关元件，它由油压来控制开或关。停用的锁销是由液压释放，所以摇杆推上后可自由移动，而垂直的阀门仍然关闭。该解决方案有利之处在于可以由外部控制油路，使这个设备可以很容易地集成到现有的发动机上。停用状态图8 可切换气门升程和停缸的新装置（顶置气门）2.4连续可变气门升程/持续时间热力学机制：在最近几年大量的机械控制系统得到介绍例如1，6，7其中有些是已经系列化生产。根据这类驱动机制，制系统可以由不同的气门升程，气门的持续时间或两者兼而有之。基于这种机制，存在几个选择来影响发动机的热力学运作。一般都是点燃式发动机具有较低的节流损失，尽管每个设备数值不同。其余的节流效果是在气门之间（产生不可逆转的损失）和早期进气们关闭时产生的，这可能会通过以下途径影响燃烧：-内部废气再循环的机会减少（废气将不被吸回进气口，因为在气门处发生节流，而不是在进气道，比较常规操作这可能会增加燃烧率），- 减少气缸内的新鲜充量（因为进气时刻湍流会比较小，与常规操作相比，这就减慢了燃烧速度，而这可以通过关小进气门或减少进气量来实现）和- 改善燃油的准备，如果发动机点喷 - 燃料以较高的速度通过一个较小的孔，所以燃料可能会更好雾化。策略和技术：根据这类驱动机制，气门升程和持续时间可能变化存在不同的选择。图9 6显示了连续可变系统的气门升程（进气端）。该（常规）凸轮轴适用于通过滚动接触的两件式挺杆（气门驱动和所谓的“中间挺杆” ）。“中间挺杆” 通过一个特别的连接件（“挺柱” ）与气门驱动杆相连。通过旋转挺柱来改变系统的运动，从而使这一设备还可控制高度和气门升程的改变。一个缸盖上 的全部挺柱通过一根轴连接在一起，这根轴可由电动机或液压驱动。这根轴传动控制发动机的负荷，也可控制进气系统的节气门。这个系统的排气端的气门驱动设计是用一种装有标准滚子从动件的传统方式。该系统是在进气端结合凸轮相位装置，从而达到更高的灵活性和避免在气门处的节流。完整系统的设计应用是用不同的原型发动机的。图9 可变气门升程的机械系统图10 1显示了一种连续和气门升程/持续时间同时变化的系统。进气凸轮轴（基于上述“CamInCam”的原则，它使用这种技术分开进排气凸轮叶的转动）进气和排气凸轮叶的转动是分开的。凸轮轴连同挺杆（滚动接触）形成一个系统，使气门升程和持续时间变化也如图10所示。图10 可变气门升程/持续时间的机械系统3标准发动机运行时的可变气门驱动潜能3.1可变凸轮相位（VCP）对于可变气门驱动而言，可变凸轮相位是一个非常灵活的手段，可以从怠速至满负荷影响发动机的MAP图。怠速：燃油经济性和燃烧稳定性图11显示了具有以下规格的发动机制动燃油消耗和综合监测和评价的标准偏差（一个燃烧稳定性的指示值）随气门重叠角的变化：IL4，2.0升排量多点燃油喷射系统双顶置凸轮轴配气系统（4气门/气缸）IMOP 上止点后 108EMOP 上止点前 104运行点是在怠速时（n=1000r/min,Md=5Nm）,=1,火花点火恒定在上止点5图11 接近高怠速时的燃油消耗和燃烧稳定性图上可以看出，在这个耗动机的MAP图上，最低油耗出现在气门重叠角到达曲轴转角大约-10时。但标准停缸状态下的指示平均有效压力及火花延缓能力（催化剂自燃）是此条件下关键的参数，由它定义凸轮正时。一个可以接受的标准停缸下的指示平均有效压力在0.2或以下，而它的得到是在给定的点火提前角大于约-5度的曲轴转角时。部分负荷：燃油经济性和废气排放部分负荷的结果应用以下规格的实验发动机：IL4，2,0升排量斜侧喷油器直喷双顶置凸轮轴配气系统（4气门/气缸）IMOP 上止点后 108EMOP 上止点前 104运行点：发动机转速 2000 r/min平均有效压力 2bar图12显示了在排气们关闭固定时（排气门在上止点时关闭）发动机的制动燃油消耗和排出废气（HC和NOx）与气门重叠角的关系。根据废气排放的多少，最佳气门重叠角是在大约曲轴转角20时，而最佳的制动燃油消耗可以看出是更高的气门重叠角处。图12 部分负荷时的发动机燃油消耗和排放延长排气门开启时间（推迟排气门关闭），相比小气门重叠角时在上止点时关闭排气门，燃油消耗略有下降。全负荷：定时凸轮转矩特性图13显示了（对于一台自然吸气发动机）优化凸轮正时（最大扭矩）也就是关于排气门关闭（EVC），进气门开启（IVO），造成的气门重叠角和气门重叠角的中心。图13 全负荷时优化凸轮正时这表明在低速、中速发动机，对大气门重叠角以及提前进气门开启/排气门关闭的要求和在高速发动机上（可以获得最大的容积效率），对小气门重叠角以及延后进气门开启/排气门关闭的要求。在1500r/min时，是排气管调整的结果。它再次证明了双独立可变凸轮相位系统的优点，对于全负荷特性下，它是获得最佳凸轮相位的先决条件。可变凸轮相位策略的总结发动机特性表明，发动机MAP图上不同区段需要不同的可变凸轮相位技术，可归纳如下：- 全负荷，低，中速（扭矩），大气门重叠角和进气门早开，从而实现最大强度的扫气 - 全负荷，高转速（扭矩和功率输出），低或负的气门重叠角和迟关进 气门，以获得最大容积效率 - 部分低负荷范围和中等转速（燃料经济性和排放），大的或延长气门重叠角，用以最大限度地发挥内部废气再循环和减少泵气功 - 部分负荷范围，较高转速，减小气门重叠角是获得内部EGR和低泵气功最好的折中办法- 怠速（燃油经济性，排放和稳定性）小气门重叠角 双独立的系统这些非常不同的要求是VCP的最佳选择。通过单凸轮轴使用新的“CamInCam”技术，它也可以获得气门性能特性。3.2所有的可变凸轮驱动（VVA）系统的燃油经济性 返回到后端，对不同的VVA进行分析研究（基于软件GT-power）。 图14显示了比较不同的选择燃油消耗的结果 A 进气 VCP( 可变凸轮相位) B 进气+排气 VCP C 进气 VCP+可切换凸轮升程 D 进气 VCP +停缸 E，F 进气 VCP+连续可变升程/持续时间 分析是以“新欧洲行驶循环（NEDC）”中的“一辆C级车（m=1350kg，6速变速箱）具有两个不同功率/ 重量比（75和150Kw/t）的C级车（m=1350kg，6速变速箱）进行的。基线是一个没有装配VVA技术的常规配气系统。图14 不同VVA系统的燃油消耗 可变凸轮相位可以实现燃油消耗提高%2%3（单进气VCP）和4 - 5（双独立VCP）。可切换凸轮连接升程和进气VCP可以提高燃油消耗的7 - 9。停缸和连续可变气门升程和持续时间可以实现燃油消耗的最大潜力（7%12，这取决于车辆的功率/重量比）。4控制自动点火运行下的VVA潜能 汽油“控制自动点火”（CAI）是一种独特的燃烧形式，最近已经受到广泛的研究。在常规火花点火（SI）的燃烧中，是用一个电火花启动内核火焰发展至整个燃烧室。CAI系统的基本原则是在未爆震的情况下，在多处自动引燃高度稀释的未然气。用一个切合实际的办法可以实现保留和/或大量reinhalation燃烧气体（废气再循环）。这些气体用来加热新进入的燃料和空气的混合物，经过压缩，引起它自燃。在低负荷以及低节流时发动机运行能力的提升有助于一个燃烧的过程建立，从而显着改善效率。这种燃烧模式下的另一个好处是低温气体的生成，它使热损失减少，并且大大减少发动机排出废气中的氮氧化物。在8中 ，CAI系统被描述为，在多缸汽油发动机中使用CAI系统，使用内部和外部EGR结合，以增加负荷。气缸内剩余混合气的数量是通过气门重叠角调整。调查所用发动机为IL4 ，排量2.0L，汽油直喷发动机（双顶置凸轮轴4气门/气缸）。该发动机还采用双独立VCP，在进气凸轮轴上的变化有35的曲轴转角可变和在排气凸轮轴上有55的曲轴转角。在时间范围描绘如图15：图15 CAI实验发动机：进排气气门正时根据IMOP和EMOP的变化，CAI系统可由单纯的内部废气再循环（发动机转速1500r/min，= 1，大节气门）实现图16显示的范围。使IMOP值更高和EMOP的值更低，伴随着汽缸内混合气数量的增加，降低了内部EGR，同时也导致最大压力升高率增大。这也就增加了难以控制的燃烧敲缸，并限制了平均有效压力大约维持在3.8bars。图16 采用CAI的内部EGR范围用外部废气再循环（EGR）增加发动机的制动平均有效压力（BMEP），有助于限制最高压力升高率（图17），因此，运用CAI系统的发动机平均有效压力可以达到5.8bar。图17 采用内外部EGR的平均有效压力和拍气体轮位置图18显示了CAI系统中一个可以实现的空燃比带来的稀燃优势。相对于传统的SI发动机（均质 缸内直喷），在图19上可以显示出燃料消耗上表现出来的优势。图18 CAI 图上的相对空燃比图19 常规点火模式与CAI的燃油消耗比较总之，一辆标准的C级车（m=1350kg，6级变速箱），在“新欧洲行驶循环”（NEDC）中所有的燃料经济性大约10。5结论可变气门驱动（VVA）及其不同机械配气系统是提高燃油经济性、降低废气排放和增强满负荷工作的重要措施。例如：可变凸轮相位(VCP) 可切换气门升程 停缸 连续可变气门升程对于总体优化三个特性来说，可变凸轮相位（VCP