氣門重疊角對乘用車怠速抖動的影響*

吳穎軍，黃麗娜，馬文亮，李慧軍，由 毅，馮擎峰

(吉利汽車研究院，浙江 杭州 311228)

1 引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，人們對汽車舒適性要求越來越高。怠速穩(wěn)定性是保證車輛舒適性的重要指標(biāo)。在發(fā)動機(jī)換氣過程階段，在進(jìn)排氣上止點(diǎn)前后，由于進(jìn)氣門的提前開啟與排氣門的滯后關(guān)閉，內(nèi)燃機(jī)在進(jìn)氣門開啟和排氣門關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，出現(xiàn)進(jìn)排氣門同時開啟狀態(tài)［1］，形成氣門重疊角。氣門重疊角增大，有利于汽車在高速行駛中的換氣和充氣;但大的氣門重疊角造成殘余廢氣系數(shù)過大，進(jìn)而影響燃燒的循環(huán)變動，不利于啟動和怠速工況，使啟動困難，怠速不穩(wěn)。

2 氣門重疊角對發(fā)動機(jī)性能的影響

在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣行程中，為了提高沖量系數(shù)，進(jìn)氣門相對上止點(diǎn)提前開啟，排氣門相對上止點(diǎn)滯后關(guān)閉，在這個區(qū)域形成的曲軸轉(zhuǎn)角叫做進(jìn)排氣門重疊角。在怠速工況下，節(jié)氣門處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)氣管存在很大的真空度，在進(jìn)排氣門同時開啟狀態(tài)下，一部分廢氣會從氣缸進(jìn)入進(jìn)氣管內(nèi)，與新鮮混合氣混合，由于這部分廢氣幾乎不參與燃燒，使得缸內(nèi)燃燒溫度較低，造成失火率的增加，因此增加了怠速不穩(wěn)定性。車用發(fā)動機(jī)的氣門重疊角同時對扭矩外特性、功率、油耗率、排放等方面有很大影響。在不同工況下，選擇合適的氣門重疊角使得發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性達(dá)到最佳顯得極其重要。通過改變某2.4 L怠速抖動發(fā)動機(jī)氣門升程曲線包角、基準(zhǔn)配氣相位、氣門間隙的方式來改變氣門重疊角，計(jì)算其對發(fā)動機(jī)性能的影響。

2.1 排氣門升程曲線不變，配氣相位向前移動20°

按照此方案，排氣門開啟向前移動20°后，氣門重疊角減小，升程曲線對比(見圖1)。并模擬計(jì)算扭矩、油耗率、進(jìn)氣量、功率，前后對比圖如圖2～5所示。

圖1 排氣門升程曲線對比

圖2 扭矩曲線對比

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，排氣氣門型線相位向前移動20°，發(fā)動機(jī)額定功率降低8 kW，最大扭矩降低7.6 N·m，怠速抖動問題需要減小怠速時氣門重疊角，采用此方案發(fā)動機(jī)動力性降低較大。

圖3 油耗率曲線對比

圖4 進(jìn)氣量曲線對比

圖5 功率曲線對比

2.2 排氣門升程曲線包角減小20°

排氣們升程包角減小20°(改變凸輪型線)，排氣門升程曲線對比(見圖6)。

從圖6可以看出，排氣門氣門包角減小20°，使得氣門重疊角減小，改變升程相位，取EVO-20°、EVO-15°、EVO-10°、EVO-5°、EVO、EVO+5°、EVO+10°共7個排氣門開啟點(diǎn)對比改變氣門包角對發(fā)動機(jī)性能的影響。曲線圖如圖7～10所示。

圖6 排氣門升程曲線對比對比

圖7 扭矩曲線對比

圖8 油耗率曲線對比

圖9 進(jìn)氣量曲線對比

圖10 功率曲線對比

由以上計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，更改排氣門包角后，通過這7個相位點(diǎn)可以看出排氣門開啟相位角越滯后，發(fā)動機(jī)的扭矩、功率、油耗率就表現(xiàn)的越出色。需要把排氣門開啟時間向后移動10°(EVO+10°相位點(diǎn))，使發(fā)動機(jī)的外特性性能達(dá)到最佳，移動10°后氣門升程曲線對比(見圖11)。

圖11 排氣門升程曲線對比

由圖11可看出，排氣門升程包角減小20°，排氣門開啟時間滯后10°后，怠速時氣門重疊角較原始數(shù)據(jù)有所減小，實(shí)際氣門重疊角由原來的45.5°減小到38°，即與原基準(zhǔn)相位對比減小氣門重疊角7.5°(去除掉氣門間隙)，此方案最大扭矩降低4.1 N·m，最大功率減小5.5 kW。

2.3 調(diào)整氣門間隙

調(diào)整氣門間隙對怠速時的氣門重疊角有相同的影響，原始狀態(tài)的進(jìn)氣門間隙為0.25，排氣門間隙為0.3，選取3組狀態(tài)的氣門間隙計(jì)算，狀態(tài)對比如表1所示，氣門重疊角指0 mm升程時氣門重疊角(去除氣門間隙):根據(jù)不同的氣門間隙計(jì)算對比發(fā)動機(jī)性能的影響，各參數(shù)結(jié)果對比(如圖12、13所示)。

圖12 功率曲線對比

表1 更改氣門間隙后實(shí)際氣門重疊角對比

圖13 進(jìn)氣量曲線對比

從圖12、13來看，調(diào)整氣門間隙后，功率曲線和進(jìn)氣量曲線極為接近，對發(fā)動機(jī)外特性影響較小，且實(shí)際的氣門重疊角改變較大，可以有效的抑制怠速抖動問題。

3 更改氣門間隙解決怠速抖動的實(shí)例

某匹配2.4 L發(fā)動機(jī)、5MT乘用車在進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)在駕駛員座椅及方向盤位置能明顯感受到間歇性抖動，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)異常抖動，通過排除所有可能引起怠速抖動的原因后，最終方案將發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門間隙由0.25 mm增加到0.35 mm，排氣門間隙由0.3 mm增加到0.4 mm。在怠速狀態(tài)下，對比原狀態(tài)氣門間隙的情況下，通過NVH檢測駕駛座椅和方向盤X、Y、Z方向的振動情況，如圖14～19所示。

圖14 怠速工況駕駛員座椅X向振動對比

從對比圖看出，氣門間隙增大后，駕駛員座椅X向振動幅值降低了0.01 m/s2，峰值減小;駕駛員座椅Y向振幅均值不變，但振動更平穩(wěn)，峰值明顯變小;駕駛員座椅Z向振動加速度均值降低了0.01 m/s2，峰值大幅減小。

同樣在氣門間隙增大后，方向盤X向振動幅值降低了0.08 m/s2，峰值減小;方向盤Y向振動加速度幅值降低了0.02 m/s2，峰值略微減小;方向盤Z向振動加速度均值降低了0.07 m/s2，峰值顯著減小。

圖15 怠速工況駕駛員座椅Y向振動對比

圖16 怠速工況駕駛員座椅Z向振動對比

圖17 怠速工況方向盤X向振動對比

圖18 怠速工況方向盤Y向振動對比

圖19 怠速工況方向盤Z向振動對比

增大發(fā)動機(jī)氣門間隙后，無論是駕駛員座椅還是方向盤，其振幅及振動頻率均得到了有效地改善。解決了怠速抖動的問題。

4 結(jié)論

(1)排氣氣門升程曲線不變，把基準(zhǔn)相位向前移動，在不改變標(biāo)定數(shù)據(jù)(不更改ECU數(shù)據(jù))的情況下，對發(fā)動機(jī)的外特性影響較大，怠速抖動問題可以解決，但額定轉(zhuǎn)速的功率降低8 kW。

(2)排氣門升程不變，包角減小20°(更改排氣門凸輪型線)，排氣門開啟角不變，此方案可減小怠速時氣門重疊角，但是由于外特性能要求，需要保持原來重疊角才能保證外特性性能，所以此方案可以解決減小怠速時氣門重疊角問題，但是對于其它負(fù)荷下的VVT角度需要重新掃描標(biāo)定，以保證各種工況下的性能。

(3)增大進(jìn)排氣門間隙，對發(fā)動機(jī)性能影響較小，但可以有效的減小發(fā)動機(jī)怠速時氣門重疊角，不需要更改標(biāo)定數(shù)據(jù)，但是發(fā)動機(jī)的性能沒有得到優(yōu)化。此方案可以用于解決發(fā)動機(jī)怠速抖動問題。針對發(fā)動機(jī)抖動問題所做的改動是最小的。

發(fā)動機(jī)性能優(yōu)化方案，采用減小進(jìn)氣門升程曲線包角實(shí)現(xiàn)，可以較大幅度提高中低速性能，但高速性能略有降低，可以通過VVT角度的優(yōu)化來確定最佳的發(fā)動機(jī)性能。同時更改氣門升程曲線后需要進(jìn)行動力學(xué)驗(yàn)算，保證滿足動力學(xué)及運(yùn)動學(xué)的要求。

［1］ 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.