Nu系列2.0L連續可變氣門升程發動機的開發

Nu系列2.0L連續可變氣門升程發動機的開發

【韓】 K.P.Ha

2012年,Hyundai汽車集團推出1款采用連續可變氣門升程(CVVL)機構的發動機。該發動機是專為中型轎車設計的直列4缸2.0L汽油機，具有燃油耗低、性能高及響應快的特點。CVVL機構是一種6連桿機構，具有結構緊湊和堅固耐用的優點。相比傳統機型，CVVL發動機的燃油經濟性提高7.7%，最大功率提升4.2%。生產CVVL發動機最具挑戰性的問題是發動機各氣缸氣門升程的偏差。為了調整氣門升程的偏差，設計了氣門頂墊片和調節螺釘。通過測量氣門頂部高度和凸輪支架總成的蹄形升程，選擇墊片厚度。調節螺釘是調整氣門升程偏差的輔助裝置。開發了適用于CVVL發動機工廠裝配線的氣門升程偏差診斷系統，并用測試裝置直接測量氣門升程。該診斷系統位于配氣機構裝配臺后，可以實時監測氣門升程的變化，并給出裝配系統的快速反饋。

連續可變氣門升程機構 汽油機 氣門升程偏差 氣門頂墊片

0 前言

可變氣門驅動(VVA)系統是現代內燃機的關鍵技術之一。VVA系統具有多種形式，包括可變氣門正時(VVT)、可變氣門升程(VVL)、可變氣門持續期(VVD)和停缸(CDA)。與往復式發動機的其他組件不同，配氣機構同時受曲軸轉角域和時間域的控制。氣門由曲軸控制，而進氣量則與氣門的開啟時間成比例，并受振蕩氣流和反向氣流的影響。VVA系統可以優化每種發動機工況(發動機轉速和負荷)下的氣門動作。

汽油機應用可變氣門系統的首要動因是為了降低燃油耗。然而，VVA系統還有許多額外的優點。因此，現在許多車輛都已普遍采用VVA技術[1-7]。Hyundai汽車集團在2012年初向市場推出Nu系列2.0L連續可變氣門升程(CVVL)發動機。本文介紹這種CVVL機構，并對Nu 2.0L CVVL發動機的氣門升程調節裝置進行討論。

1 減少泵氣損失

減少發動機能量損失是提高內燃機燃油經濟性的重要途徑。圖1給出了不同運行條件(即不同轉速和負荷)下發動機摩擦損失的例子。如圖1(a)所示，機械損失被分為5個部分，可用分解法測量各部件的摩擦損失。隨著發動機轉速升高，曲軸和活塞組件的摩擦呈增加趨勢，而凸輪軸的摩擦則隨轉速升高而減小。在整個轉速范圍內占最大比率的摩擦損失來自活塞組，配氣機構(凸輪軸和鏈傳動系統)的摩擦損失在低轉速時占主導地位。

利用發動機著火運轉時1個氣缸的壓力數據，評估泵氣損失。也可以對機械損失進行評估，但它是所有機械損失的總和，不能進一步分解。圖1(a)和圖1(b)中的“■”符號表示相同運轉工況(2000 r/min)下的拖動運轉摩擦功。從圖1(b)中可以看到，“■”符號位于機械損失與發動機負荷關系曲線的延長線處,這意味著拖動摩擦是發動機摩擦的一部分。

機械損失隨發動機負荷增加而略有增加，如圖1(b)所示，這是因為曲軸和活塞組摩擦增加的緣故。另一方面，隨著負荷增加，泵氣損失減小，總損失也隨之減少。在低轉速低負荷時，泵氣損失是最主要的，所以作為一種降低泵氣損失的方案，CVVL發動機備受關注。

圖2示出了燃油耗隨發動機負荷的變化趨勢，以摩擦平均有效壓力降低0.03MPa評估燃油耗的變化。可以從圖2中看到，隨著發動機平均有效壓力的增加，燃油耗的降低量減少，而且在各種發動機轉速下的曲線變化趨勢是相似的。因此，對于絕大部分運行工況為低負荷的發動機來說，像CVVL機構那樣的減摩技術是有效的。

圖3為有節氣門控制和無節氣門控制時發動機壓力-容積圖的比較。無節氣門控制時，發動機的泵氣損失雖有減少，但仍然存在。這是因為進氣門處流動阻力降低了，采用適當的氣門型線設計能夠減小這種流動阻力。

總之，在發動機低轉速低負荷工況下，泵氣損失占總損失的絕大部分，所以降低泵氣損失是提高汽油機燃油經濟性最有效的方法。在泵氣損失降低量相同的前提下，低負荷時的燃油消耗率較高。此外，低負荷時的泵氣損失要高得多，所以在低負荷工況下，CVVL發動機的燃油效率能改善更多。在城市工況和高速公路工況下，燃料效率分別可提高6.8%和10.0%以上[8]，這是發動機無節氣門控制的效果，但在車輛實際行駛過程中，這一改善率可能會略低一些。

2 Nu系列2.0L CVVL發動機

Hyundai汽車集團于2012年初開始生產Nu系列2.0L CVVL發動機。該系列發動機配裝中型轎車和小型車，有2種排量(1.8L和2.0L)，包括進氣道噴射、缸內直噴，以及燃用液化丙烷氣體燃料等多種變型。Nu系列2.0L進氣道噴射發動機是本文所述CVVL發動機的原型機。

圖4為Nu系列2.0L CVVL發動機外觀，主要技術規格如表1所列。CVVL發動機在進排氣凸輪軸上都設有液力調相器，真空泵由排氣凸輪軸驅動。與原型機相比，CVVL發動機的最大功率和扭矩分別提高7PS和0.3kgf·m①①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。。

項目參數氣缸布置及氣缸數直列4缸排量/L1.999缸徑/mm81行程/mm97壓縮比10.5燃油噴射進氣道噴射燃油種類常規汽油最大輸出功率/PS172(6700r/min)最大扭矩/(kgf·m)20.5(4800r/min)氣門傳動機構Ⅱ型(滾子搖臂)調相器液力,進排氣雙側真空泵由排氣凸輪軸驅動

CVVL發動機的優點可以歸納為： 燃油耗更低、發動機全負荷性能和車輛加速性能更高，以及催化劑起燃更快。與原型機相比，Nu系列2.0L CVVL發動機的這些性能都得到改善。正如在上一節中提到的，通過降低泵氣損失，改善了燃油耗，并且由于進氣量的增加，最大扭矩和功率都有所增加。CVVL系統的最大氣門升程為10.7mm，比原型機增加0.6mm。此外，發動機的額定轉速有所提高，對進氣歧管也相應進行改動。

本文重點關注CVVL發動機的硬件開發和相關的生產問題，主要涉及3個重要問題： CVVL機構、氣門升程偏差和氣門廓線。這些問題將在以下章節詳細討論。

3 CVVL機構

Nu系列2.0L發動機的CVVL機構如圖5所示，由6個連接件組成： 輸入搖臂、輸入連桿、輸出搖臂、輸出連桿、偏心件和控制連桿。這些CVVL連接件組合成6連桿聯動機構，由控制軸支承。輸入搖臂和輸出搖臂可繞控制軸自由旋轉，偏心件用鎖銷固定在控制軸上。輸入連桿、輸出連桿和控制連桿與其他連接件連接后傳遞運動。輸入搖臂上有滾輪與凸輪接觸。輸出搖臂推動指形滾子從動件提升氣門。輸出搖臂與指形滾子從動件接觸的表面在本文中稱為“蹄形部件”，其形狀簡單，但卻是按照凸輪型線設計的。

圖6為CVVL機構氣門提升改變升程的工作原理。圖6(a)是聯動機構處于基準位置時的情況。基準位置指控制軸處于氣門最大升程位置，以及凸輪的基圓與輸入搖臂接觸時的位置。在基準位置下，如果輸入搖臂移動，蹄形部件正好推動滾子從動件。在圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)中，基準位置用虛線繪制。控制軸由位于發動機后側的電機驅動。控制軸與電機之間的蝸輪傳動比為60∶1。控制軸僅在改變氣門升程時轉動，這意味著不改變氣門升程時，控制軸位置是固定的。在圖6(a)和圖6(b) 中，控制軸處于氣門升程最大的位置。在圖6(c) 和圖6(d)中，控制軸處在氣門升程最小的位置。當凸輪推動輸入搖臂時，CVVL聯動機構就會轉動，但氣門升程的變化取決于聯動機構的形狀。如圖6(c)所示，在氣門升程最小的位置，輸出搖臂向后移動，就能得到較小的氣門升程。

CVVL機構最重要的特點是結構緊湊。圖7比較了CVVL發動機與原型機的缸蓋布置。兩者的控制軸和凸輪軸都在同一平面，即凸輪軸罩蓋安裝平面。CVVL機構能適配原型機的空間布置，無須改變原發動機氣缸蓋罩的高度。

4 氣門升程偏差

Nu系列2.0L CVVL發動機的氣門升程可在1.0～10.7mm范圍內變化。該數值是設計值，不是實際的氣門升程，從統計學角度來說，最小升程是1.0mm，而實際氣門升程約為1.0mm。這是因為機加工和零件公差會影響升程的偏差。發動機廠家常規機加工公差和發動機零件可導致約0.3mm的氣門升程偏差。由于最小氣門升程的相對偏差很大，因此會導致發動機噪聲和排放增加。這是因為各氣缸的空氣流量不同，而噴油量基本是一定的，所以會導致各氣缸的空燃比和燃燒產生差異。

如前文圖5(a)所示，Nu系列2.0L CVVL發動機有2種升程調節裝置，即調節螺釘和氣門頂墊片。在Hyundai汽車集團的工廠中，CVVL發動機與原型機系列在同一條裝配線上組裝，包括不同排量，以及不同燃油噴射方式和燃油的機型。因此，CVVL發動機會產生上述氣門升程偏差。

氣門頂墊片裝在氣門頂部，與指形滾子從動件接觸。改變墊片厚度可調整由氣門長度偏差和氣門座機加工誤差導致的偏差。例如，如果氣門頂高度相對較小，那就可以用較厚的氣門頂墊片來補償高度。

氣門頂墊片還可以調節由CVVL總成和凸輪軸造成的氣門升程偏差。Nu系列2.0L CVVL發動機具有凸輪軸支架結構，進排氣凸輪軸和CVVL聯動機構都裝在凸輪軸支架上。蹄形升程是CVVL凸輪軸支架的輸出，其升程偏差將影響發動機的氣門升程。與氣門頂部高度的影響不同，蹄形升程對氣門升程的影響較為復雜。圖8示出了氣門頂墊片厚度與氣門升程之間的關系。

如圖8(a)所示，改變氣門頂墊片厚度可以調整氣門升程。當氣門頂墊片厚度增加時，氣門升程減小。升程的相對變化示于圖8(b)，0.5mm以上的氣門升程變化可認為是線性的，圖中的氣門升程是氣門頂墊片為2mm時計算所得的。氣門頂墊片的敏感度示于圖8(c)，敏感度隨氣門升程的增加而增加。

總之，氣門升程偏差是通過氣門頂墊片來調整的。通過測量氣門頂部高度和凸輪軸支架總成上的蹄形升程來選擇氣門頂墊片厚度。基于圖8(a)所示氣門升程與氣門頂墊片厚度的關系進行計算。

CVVL發動機中還有另一個氣門升程調節機構，即調節螺釘。采用這一額外機構的原因如下。首先，在選擇氣門頂墊片的過程中，沒有考慮指形滾子從動件和液壓氣門間隙調節器(HLA)這兩個重要因素，而這對于控制氣缸蓋上HLA孔的機加工特別重要。因此，設計了調節螺釘，以便在裝配發動機后調節氣門升程的偏差。其次，對氣門升程偏差調節機構進行充分驗證后確認，調節螺釘可從發動機頂部進行調節(圖9)。這樣，只須拆卸氣缸蓋罩，就可以重新調整氣門升程偏差。在裝配工廠，將凸輪軸支架裝到缸蓋上后會再次測量氣門升程，此時如氣門升程偏差超標，就可以利用調節螺釘對氣門升程進行重新調整。

調節螺釘轉動升程調節桿的情況示于圖9(a)。轉動升程調節桿的作用與改變輸入連桿長度的效果相似。與改變氣門頂墊片厚度不同，調節螺釘可同時改變2個氣門升程。升程調節桿有2個偏心圓，分別與輸入連桿，以及輸出連桿和控制連桿相連接。

5 結語

自2012年以來，Hyundai汽車集團一直在生產配裝中型轎車的Nu系列2.0L CVVL發動機，該機型具有獨特的CVVL機構。CVVL機構為6連桿聯動機構，結構緊湊。CVVL發動機與原型機在整車上占用的安裝空間相同。

在生產CVVL發動機的過程中，氣門升程的偏差是非常重要的。Nu系列2.0L CVVL發動機中有2種升程調整裝置，即氣門頂墊片和調節螺釘。氣門頂墊片裝在氣門頂部，與指形滾子從動件接觸，可以通過測量氣門頂部高度來選擇墊片厚度。調節螺釘通過轉動升程調節桿，可以改變輸入連桿的長度。

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武 濤 譯自 SAE Paper 2014-01-1635

朱炳全 校

虞 展 編輯

《國外內燃機》網址：

2014-10-20)