一種新型發(fā)動機可變配氣相位與氣門升程機構(gòu)的設計

陳建華 高志賢

CHEN Jian-hua, GAO Zhi-xian

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學院，邯鄲 056001）

0 引言

汽車發(fā)動機配氣相位和氣門升程對發(fā)動機性能有很大影響。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的不同，對配氣相位和氣門升程的要求也不同。但在傳統(tǒng)的發(fā)動機配氣機構(gòu)中，氣門驅(qū)動凸輪的形狀、凸輪軸與曲軸的相對位置是固定的，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時配氣相位和氣門升程都不能改變，導致發(fā)動機性能就不能在各種工況下均能得到最佳優(yōu)化。為解決上述問題，汽車發(fā)動機可變配氣相位與可變氣門升程裝置應運而生。可變配氣相位(Variable Valve Timing，簡稱VVT)機構(gòu)能使氣門正時、氣門開啟持續(xù)時間及氣門升程等參數(shù)中的一個或多個隨發(fā)動機的工況變化實時進行調(diào)節(jié)，從而獲得更好的燃油經(jīng)濟性、更優(yōu)異的扭矩和功率特性，提高怠速穩(wěn)定性和降低排放。

1 可變配氣相位技術(shù)的研究現(xiàn)狀

可變配氣相位機構(gòu)按結(jié)構(gòu)特點和驅(qū)動方式的不同，可分為凸輪驅(qū)動機構(gòu)和無凸輪驅(qū)動機構(gòu)兩大類。凸輪驅(qū)動可變配氣相位機構(gòu)研究時間相對較長，機構(gòu)相對簡單可靠，在汽車上已獲廣泛應用。隨著微電腦技術(shù)的發(fā)展，無凸輪驅(qū)動可變配氣相位機構(gòu)成為近年來研究的新領域，由于其涉及液壓、電磁、電子等多個領域，結(jié)構(gòu)較為復雜，目前正處于研究及試用階段。

1.1 可變配氣相位技術(shù)在各工況下的實現(xiàn)功能

1）低溫、起動、低負荷、低速

如圖1（a）所示，延遲進氣門的打開時刻，提前排氣門的關閉時刻，可減少氣門重疊，以減少廢氣逆吹入進氣管，從而達到穩(wěn)定怠速、提高燃料經(jīng)濟性和起動性能。

2）中等負荷、高負荷中低速

如圖1（b）所示，提前進氣門的打開時刻，推遲排氣門的關閉時刻，可增加氣門重疊，以增加EGR率以及降低泵氣損失，從而改善了排放控制和燃料消耗率。此外，提前進氣門的關閉時刻可減少進氣被逆吹回進氣管，改善了充氣效率。

3）高負荷、高速

如圖1（c）所示，提前排氣門的打開時刻，可以減少泵氣損失；延遲進氣門的關閉時刻，可以利用慣性增壓提高充氣效率，從而提高發(fā)動機的輸出功率。

4）廢氣再循環(huán)（EGR）功能

通過提前打開進氣門，讓部分廢氣流至進氣管，起到廢氣再循環(huán)（EGR）的作用，從而降低NOx的排放。

（a） (b) (c)圖1 各工況下的配氣相位圖

1.2 凸輪驅(qū)動可變配氣相位機構(gòu)

1）改變凸輪軸相角的可變配氣相位機構(gòu)

該類機構(gòu)利用凸輪軸調(diào)相原理，凸輪曲線是固定的，而凸輪軸相對曲軸的轉(zhuǎn)角是可變的。屬于這種原理的機構(gòu)很多，各機構(gòu)主要的差異在于實現(xiàn)凸輪軸調(diào)相的方式不同。其主要代表為豐田可變氣門正時系統(tǒng)（VVT-i），它是利用發(fā)動機潤滑油的油壓來調(diào)整凸輪軸相對于正時齒輪的轉(zhuǎn)角，執(zhí)行元件液壓控制器有螺旋槽式和葉片式兩種類型。此類機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理簡單，可以保持原發(fā)動機氣門系統(tǒng)不變，只用一套額外的機構(gòu)來改變凸輪軸相角，對原機改動較小，便于采用；其缺點是不能改變氣門升程和氣門開啟持續(xù)時間。

2）變換凸輪曲線的可變配氣相位機構(gòu)

這類機構(gòu)可以提供兩種以上凸輪曲線，在不同轉(zhuǎn)速和負荷下采用不同的凸輪曲線驅(qū)動氣門。如本田公司的可變配氣相位與氣門升程(VTEC)機構(gòu)，就能根據(jù)發(fā)動機運行工況的變化，通過變換驅(qū)動氣門的凸輪，來實現(xiàn)對配氣相位及升程的控制。但此種機構(gòu)可變配氣相位與可變氣門升程不是連續(xù)變化的，而只是分成兩個階段，因此，還是不能滿足所有工況變化的需要。

3）既改變凸輪軸相角又變換凸輪曲線的可變配氣相位機構(gòu)

豐田公司的智慧型可變氣門正時及升程控制系統(tǒng)（VVTL-i）由兩部分組成。一部分由VVT-i液壓控制器和液壓控制閥組成，用來改變進氣凸輪軸與其帶輪的相對位置，控制進氣門的配氣相位；另一部分由VVTL-i液壓控制閥、進氣凸輪軸和搖臂總成等組成，用來變換驅(qū)動進氣門的凸輪，以改變進氣門升程。

1.3 無凸輪軸可變配氣相位機構(gòu)

1）電控液壓驅(qū)動可變配氣相位機構(gòu)

電控液壓氣門驅(qū)動是將氣門與一個液壓活塞相連，通過電磁閥控制液壓缸內(nèi)高低壓油液的流入和流出來控制氣門的運動。主要的開發(fā)公司分別為Ford和Lucas公司。Ford公司開發(fā)的可變配氣相位機構(gòu)取消了氣門回位彈簧；Lucas公司開發(fā)的可變配氣相位機構(gòu)保留了氣門回位彈簧。

2）電磁鐵驅(qū)動可變配氣相位機構(gòu)

電磁鐵驅(qū)動可變配氣相位機構(gòu)由電磁線圈直接驅(qū)動氣門，通過改變線圈的通電和斷電時刻控制氣門的開啟始點和開啟持續(xù)期。氣門動作調(diào)節(jié)靈活、響應迅速、調(diào)節(jié)能力強。

2 一種新型發(fā)動機可變配氣相位與氣門升程機構(gòu)的設計

本機構(gòu)屬凸輪驅(qū)動的可變配氣相位機構(gòu)，其控制原理如圖2所示。凸輪軸凸輪曲線與普通凸輪軸凸輪曲線不同，它是能滿足發(fā)動機所有工況要求的配氣相位和氣門升程的連續(xù)變化的曲線，凸輪軸軸向位置由步進電機驅(qū)動，步進電機由發(fā)動機電腦（ECU）控制。步進電機控制原理如圖3所示。發(fā)動機電腦主要根據(jù)轉(zhuǎn)速、負荷、水溫、節(jié)氣門開度等信號綜合分析、計算，通過控制ISC1、ISC2、ISC3、ISC4的搭鐵順序及次數(shù)，就可控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向及步數(shù)，進而精確控制絲桿伸出或縮短的長度。絲桿伸出，推動凸輪軸向左移動，改變了凸輪與氣門挺桿的接觸位置，也就改變了該氣門的配氣相位與氣門升程。絲桿縮短，則由回位彈簧控制使其自動向右，同樣使該氣門的配氣相位與氣門升程得到了精確的控制。

1-回位彈簧支架； 2-凸輪軸； 3-回位彈簧；4軸頸；5-凸輪；6-絲桿；7-步進電機；8-插頭圖2 汽車發(fā)動機可變配氣相位與可變氣門升程控制系統(tǒng)原理圖

圖3 步進電機控制電路圖

該機構(gòu)的控制系統(tǒng)可直接在發(fā)動機電腦（ECU）上擴展而成，不需單獨的控制系統(tǒng)。且能對進、排氣門的配氣相位和氣門升程都實行精確、連續(xù)的控制，很方便就能實現(xiàn)發(fā)動機的廢氣再循環(huán)（EGR）功能，大大降低NOX的排放。

3 結(jié)束語

無凸輪軸可變配氣相位機構(gòu)由于去掉了凸輪系統(tǒng)，由電腦（ECU）控制，能對氣門正時的所有因素進行控制，在各種工況下獲取最佳氣門正時；另外，還能關閉部分氣缸的氣門，實現(xiàn)可變排量，因此，它是未來的主要發(fā)展方向，但該技術(shù)目前還有待于進一步完善與發(fā)展。本設計能克服原有的凸輪驅(qū)動的可變配氣相位機構(gòu)的缺點，能方便實現(xiàn)對進、排氣門的配氣相位及氣門升程的全范圍控制，且原結(jié)構(gòu)沒有大的變化，技術(shù)已經(jīng)成熟。

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