可變氣門正時在轎車發(fā)動機上的應用的分析方案

1、 乂隼大摩 關于可變氣門正時在轎車發(fā)動機上的應 用的報告 學院： 交通建筑工程學院 專業(yè)年級：交通運輸08 學牛姓名：張旭 班級學號：2班15號 二O年六月十日 摘要 當發(fā)動機轉速、負荷變化時，進氣管流速和殘余廢氣的排放也會隨著改變。為了提高 發(fā)動機的燃料經濟性、動力性、運轉穩(wěn)定性，減少排放污染，目前在轎車發(fā)動機上多用可 變配氣定時機構，使配氣定時可以隨轉速、負荷改變。本文從可變氣門定時的原理出發(fā)， 歸納和分析了常見可變氣門機構的類型、結構和特點及與之相輔相承的可變氣門升程技 術，低轉速時系統使用較小的氣門升程，增加缸內紊流提高燃燒速度，增加發(fā)動機低速輸 出扭矩，而高轉速時使用較大的氣門升程則

2、可以顯著提高進氣量，進而提升高轉速時的功 率輸出。 關鍵詞 配氣相位 可變氣門正時 可變氣門升程技術 氣門重疊 正文 一、為什么發(fā)動機會用可變氣門正時機構 我們都知道，發(fā)動機的配氣機構負責向汽缸提供汽油燃燒做功所須的新鮮 空氣，并將燃燒后的廢氣排除出去，從工作原理上講，配氣機構的主要功能是 按照一定時限自動開啟和關閉各氣缸的進、排氣門，從而使空氣及時通過進氣 門向氣缸內供給新鮮空氣或者可燃混合氣，并且及時將燃燒做功后形成的廢氣 從排氣門排出，實現發(fā)動機氣缸換氣補給的整個過程。發(fā)動機氣門是由曲軸通 過凸輪軸帶動的，氣門的配氣正時則是由凸輪決定的。對于沒有可變氣門正時 技術的普通發(fā)動機而言，進排氣

3、們開閉時間都是固定的，但是這種固定不變的 氣門正時卻很難顧及到發(fā)動機在不同轉速工況時的工作需要。 如上所訴，發(fā)動機轉速不同，要求不同的配氣定時。這是因為：當發(fā)動機 轉速改變時，由于進氣流速和強制排氣時期的廢氣流速也隨之改變。因此在氣 門晚關期間利用氣流慣性增加進氣和促進排氣的效果將會不同。例如：當發(fā)動 機在低速運轉時，氣流慣性小，若此時配氣定時保持不變，則部分進氣將被活 塞推出氣缸，使進氣量減小，汽缸內殘余廢氣將會增多。 可變氣門機構就是通過技術手段，使發(fā)動機的配氣相位和氣門升程能隨發(fā) 動機轉速和負荷的變化而變化，始終保持最佳，從而保證發(fā)動機在任意轉速和 負荷都有良好的燃料經濟性、動力性、運轉

4、穩(wěn)定性，減少排放污染。 可變氣門機構有多種結構型式，不同廠家、不同發(fā)動機的可變氣門機構往 往有很大的不同。按其控制內容，有可變配氣相位機構和可變氣門升程機構 2 大類；按是否同時控制進、排氣門，有只控制進氣門的單可變氣門機構和同時 控制進、排氣門的雙可變氣門機構 2 種；按其控制過程，有分段可變和連續(xù)可 變 2 種；按其結構，有變換凸輪式、變換凸輪軸轉角式和變換搖臂支點式等幾 種。 二、可變氣門正時工作的原理 那么可變氣門正時技術是如何工作的呢？它又是怎樣實現提高發(fā)動機的燃 料經濟性、動力性、運轉穩(wěn)定性，減少排放污染，使配氣定時可以隨轉速、負 荷改變？ 可變氣門程系統 由于發(fā)動機工作時的轉速很

5、高，四沖程發(fā)動機的一個工作行程僅需千分之 幾秒，這么短促的時間往往會引起發(fā)動機進氣不足，排氣不凈，造成功率下 降。因此，就需要氣門要早開晚關，減小進氣阻力，利用氣流慣性，增加進氣 量；排氣早開晚關，使汽缸壓力大，排氣速度快，在較短時間內排出大量氣 體，減小缸內殘余廢氣。由于進氣門的早開和排氣門晚關，使活塞在上止點附 近出現進排氣門同時開啟的現象，稱為“氣門重疊”。重疊角的大小可以用此 間活塞運行配氣相位的相對角度來衡量，這樣就可以拋開轉速，把它作為系統 的固有特性來看待了。 氣門早開晚閉的特性形成了配氣相位重疊角 氣門重疊的角度通常都很小，可是對發(fā)動機性能的影響卻相當大。那么這 個角度多大為宜

6、呢？ 我們知道，發(fā)動機轉速越高，每個汽缸一個周期內留給吸氣和排氣的絕對 時間也越短，因此想要達到較好的充氣效率，這時發(fā)動機需要盡可能長的吸氣 和排氣時間。顯然，當轉速越高時，要求的重疊角度越大。也就是說，如果配 氣機構的設計是對高轉速工況優(yōu)化的，發(fā)動機容易在較高的轉速下，獲得較大 的峰值功率。但在低轉速工況下，過大的重疊角則會使得更多的廢氣過進入進 氣岐管，使進氣量下降，并稀釋可燃混合氣，氣缸內氣流也會紊亂，此時ECU 也會難以對空燃比進行精確的控制，從而導致怠速不穩(wěn)，低速扭矩偏低。相 反，如果配氣機構只對低轉速工況優(yōu)化，發(fā)動機就無法在高轉速下達到最大功 率。所以傳統的發(fā)動機都采用折中方案，不

7、可能在兩種截然不同的工況下都達 到最優(yōu)狀態(tài)。所以為了解決這個問題，就要求配氣相位角和氣門重疊角大小可 以根據轉速和負載的不同進行調節(jié)，高低轉速下都可以獲得理想的進氣量從而 提升發(fā)動機效率，這就是可變氣門正時技術開發(fā)的初衷。在低速和怠速工況 下，縮小進排氣時間使得配氣相位的重疊角減小，從而改善低速下的扭矩表 現，而高速下則適當增加配氣相位重疊角以提高提升馬力。 Passat B5轎車選用2.8升V6發(fā)動機，對可變氣門正時進行了特別設 計。從俯視觀察，排氣凸輪軸安裝在外側，進氣凸輪軸安裝在內側。曲軸通 過齒形皮帶首先驅動排氣凸輪軸，排氣凸輪軸通過鏈條驅動進氣凸輪軸。 Passat B5發(fā)動機所應用

8、的可變氣門正時系統，是通過微機控制可變氣門調 節(jié)器上升和下降獲得齒形皮帶輪與進氣凸輪進氣門）的相對位置變化，這 種結構屬于凸輪軸配氣相位可變結構，一般可調整20。30。曲軸轉角。由 于這種機構的凸輪軸、凸輪形線及進氣持續(xù)角均不變，雖然高速時可以加大 進氣遲閉角，但是氣門疊開角卻減小，這是它的缺點 Passat B5轎車發(fā)動機可變氣門正時俯視圖 三、可變氣門升程技術在不同車型上的應用 雖然可變氣門正時技術在各個廠商的稱謂都各不相同，但是實現的方式大多大同小 異，以豐田的 WT-i技術為例，其工作原理為：系統由 ECU協調控制，來自發(fā)動機各部 位的傳感器隨時向 ECU報告運轉工況。由于在 ECU中

9、儲存有氣門最佳正時參數，所以 ECU會隨時控制凸輪軸正時控制液壓閥，根據發(fā)動機轉速調整氣門的開啟時間，或提前， 或滯后，或保持不變。 我們都知道，發(fā)動機的實質動力表現是取決與單位時間內汽缸的進氣量的，前面說過，氣 門正時代表了氣門開啟的時間，而氣門升程則代表了氣門開啟的大小，從原理上看，可變 氣門正時技術也是通過改變進氣量來改善動力表現的，但是氣門正時只能增加或者縮小氣 門開啟時間，并不能有效改善汽缸內單位時間的進氣量，因此對于發(fā)動機動力性的幫助并 不大。而如果氣門開啟大小 氣門升程）也可以時間可變調節(jié)的話，那么就可以針對不同 的轉速使用合適的氣門升程，從而提升發(fā)動機在各個轉速內的動力性能，這

10、就是和可變氣 門正時相輔相承的可變氣門升程技術。 本田的i-VTEC是目前使用范圍最廣的可變氣門升程系統 可變氣門升程技術可以在發(fā)動機不同轉速下匹配合適的氣門升程，使得低轉速下扭矩 充沛，而高轉速時馬力強勁。低轉速時系統使用較小的氣門升程，這樣有利于增加缸內紊 流提高燃燒速度，增加發(fā)動機低速輸出扭矩，而高轉速時使用較大的氣門升程則可以顯著 提高進氣量，進而提升高轉速時的功率輸出。 T1MINQ PLATE 氣門升程分段可調的i-VTEC系統 我們最熟悉的可變氣門升程系統無疑就是本田的i-vtec技術了，本田也是最早將可變 氣門升程技術發(fā)揚光大的廠商。本田的可變氣門升程系統結構和工作原理并不復雜

11、，工程 師利用第三根搖臂和第三個凸輪即實現了看似復雜的氣門升程變化。當發(fā)動機達到一定轉 速時，系統就會控制連桿將兩個進氣搖臂和那個特殊搖臂連接為一體，此時三個搖臂就會 同時被高角度凸輪驅動，而氣門升程也會隨之加大，單位時間內的進氣量更大，從而發(fā)動 機動力更強。這種在一定轉速后突然的動力爆發(fā)也能夠增加駕駛樂趣，缺點則是動力輸出 不夠線性。 而隨后像奧迪，三菱和豐田等廠商也都研發(fā)出了自己的可變氣門升程技術，它同樣是 通過增加凸輪軸上的凸輪來實現了氣門升程的分段可調。 輸出凸笛 日產使用了一組螺桿 螺栓）和螺套 螺母）就實現了氣門升程的連續(xù)可變 而在近幾年，日產和寶馬則以更為精巧的設計率先推出了自己

12、的連續(xù)可變氣門升程技 術，實現了氣門升程的無級可調。日產的WEL技術為例，工程師在驅動氣門運動的搖臂 增加了一組螺桿 螺栓）和螺套 螺母），螺套由一根連桿與控制桿相連，連桿又和一個搖 臂和控制桿相連帶動氣門頂端的凸輪。螺套的橫向移動可以帶動控制桿轉動，控制桿轉動 時上面的搖臂隨之轉動，而搖臂又與link B連桿B）相連，搖臂逆時針轉動時就會帶動 link B去頂氣門挺桿上端的輸出凸輪，最后輸出凸輪就會頂起氣門來改變氣門升程。而日 產就是通過這么一套簡單的連桿和螺桿的組合實現了氣門升程的連續(xù)可調。 相比分段可調的i-vtec技術，連續(xù)可變的氣門升程不僅提供全轉速區(qū)域內更強的動 力，也使得動力的輸

13、出更加線性，這項技術最先就被裝備在 G37的VQ37VHR發(fā)動機上, 而VQ37VHR也是2008年沃德十佳發(fā)動機的得主。 扃心凸輪軸 寶馬則是使用偏心凸輪軸來改變搖臂轉軸位置控制氣門升程 此外，寶馬的 Valvetronic技術同樣是依靠改變搖臂結構來控制氣門升程的，同樣可以 實現氣門升程無級可調，只是連桿搖臂的設計思路截然不同。此外，目前的可變氣門升程 技術的運用基本還只停留在進氣端，因此可變氣門升程技術在未來還擁有很大的提升空 間 四、結語 隨著燃油資源的短缺和國際石油百變的局勢，提高汽車發(fā)動機的燃油性和動力性已經 成為各國生產廠家開發(fā)新技術的主要趨向。在我國可變氣門正時技術也已經得到了

14、普遍運 用，各個廠商的叫法雖不同，但在技術上還是異曲同工的。不過，可變氣門升程技術的應 用和開發(fā)則還是少數幾家廠商的寶貝技術，特別是連續(xù)可變氣門升程技術，目前只在少數 高端進口車上使用。 搭配了可變氣門正時和升程技術之后，無疑可以將發(fā)動機動力、經濟性、排放和平順 性之間的均衡性提升到一個新的境界，這也將會是自然吸氣發(fā)動機未來的發(fā)展方向。 參考文獻 : 1 陶建武 , 李理光 , 蘇巖 , 等. 基于智能控制的汽車發(fā)動機可變配氣相位系 統 J . 機械工程學報 , 2003. 2 戴正興, 宋義忠, 崔毅. 汽油機可變氣門正時技術仿真及方案分析 J . 汽車技術 , 2008( 3. 3 姚春德, 劉小平, 黃鈺. 連續(xù)可變凸輪相位器系統的仿真設計研究 J . 系統仿真學報