配氣機構優化技術的發展現狀和趨勢

張紀龍

（四川信息職業技術學院 汽車工程系，四川 廣元 628017）

1 發動機可變配氣機構概述

隨著發動機高功率、高速化發展以及資源約束趨緊和環境保護的需要，人們對發動機的性能指標提出了更高的要求。配氣機構作為發動機的供給機構，對發動機性能的優劣有著重要的影響。以前的配氣機構控制系統是固定不變的，其控制參數像配氣定時等是各種轉速下的一種折衷方案。目前可變配氣機構的發展已經成為了主流，而且正在進一步向前發展。現在的可變配氣機構，可變技術主要集中在配氣相位、氣門升程和進氣管上，特別是可變正時和可變氣門升程技術得到了廣泛的運用。大多數配氣機構都是基于有凸輪軸的可變技術，但也有一些新技術沒有凸輪軸，像無凸輪軸電磁驅動技術和無凸輪軸全可變配氣機構等。

2 配氣機構優化技術

目前的配氣優化技術主要有氣門升程曲線、配氣相位以及凸輪型線等的優化。

2.1 氣門升程曲線

氣門升程曲線是反映氣門運動規律的曲線，它與凸輪曲線相對應，設計合理的氣門升程曲線能夠改善發動機的進、排氣，提高發動機的工作性能。氣門升程曲線優化主要是對氣門最大升程、氣門開啟持續角、氣門正時、包角、最大升程對應位置、氣門重疊角以及氣門升程的豐滿系數進行優化，使發動機在給定的氣道下獲得最佳的充量系數。氣門升程曲線優化具有以下規律：1）發動機高轉速時充量系數隨氣門升程的增大而增大，當氣門升程達到一定程度后，充量系數的增加就變得很小了；發動機低速運轉時，氣門升程的變化量對充量系數的影響較小；另外，進氣門升程比排氣門升程對充量系數的影響更明顯［1］；2）當進排氣門處于最大開啟位置且保持不變時，在一定范圍內，氣門開啟重疊角較大有利于提高發動機高速充量系數，反之，則能夠提高低速時發動機的充量系數，并且進氣門持續角比排氣門持續角對充量系數的影響更明顯［1］；3）進氣門升程的大小決定著進氣量，在動力學和摩擦損失允許的情況下，應適當增加進氣門升程以增大進氣量［2］。

2.2 配氣相位

配氣相位是進、排氣門的實際開閉時刻，通常用相對于上、下止點曲軸轉角來表示。配氣相位對于換氣品質、泵氣損失、充氣系數、轉矩外特性、怠速穩定性及尾氣排放等都有很大影響。其中進氣相位，尤其是進氣門關閉角對發動機性能影響最大。配氣相位的優化主要是對氣門直徑、氣門正時、進氣管長度和氣門重疊角的優化。通過優化我們發現：1）在發動機中等轉速時，采用VVT系統并優化配氣相位后，發動機轉矩提高，在低速工況效果更為明顯［3］；2）可變配氣正時系統可以改善發動機進氣過程，從而影響發動機的各種性能參數，提升發動機動力性和經濟性［3］；3）壓縮比越大，發動機功率就會越大，經濟性越好。但壓縮比過大會出現爆震和回火現象，為了避免發動機爆震及回火，需要減小氣門重疊角［4］。

2.3 凸輪型線

凸輪型線的優化主要是對凸輪升程、包角、緩沖段、曲率半徑、函數類型等優化。優化后的凸輪應滿足：1）凸輪型線的升程光滑，豐滿度系數較大，速度、加速度曲線連續；2）為了減小凸輪桃尖的磨損，延長其使用壽命，應盡可能減小進排氣凸輪與挺柱的最大接觸應力［4］；3）優化后的凸輪型線運動學性能較好，能夠達到動力學和運動學的要求。

3 主要仿真軟件

目前用到的主要仿真軟件有GT-power、AVL BOOST及ModeFrontier等。

3.1 GT-POWER

GT-POWER是一款功能強大的發動機模擬仿真軟件，現在被世界上大多數發動機和汽車制造廠家及供應商使用。它能夠對發動機的冷卻系統、燃油供給系統、曲軸機構、配氣機構等多個系統進行仿真。

3.2 AVL BOOST

BOOST是一款通過建立發動機模型仿真和優化發動機性能的軟件。配氣機構優化由BOOST的性能分析模塊完成，通過建立配氣機構模型，設計凸輪型線以及其他匹配參數，然后進行仿真、對比，就可以得到理想的優化方案。但它的缺點是輸入參數復雜、涉及的知識面廣和計算結果的確定性未知。

3.3 ModeFRontier

ModeFrontier是Airbus開發的多目標優化設計軟件，優化功能相當完善。它能夠解決多目標領域的優化問題，具有卓越的操作性能、運行穩定性以及通用性，還具有和各種CAE軟件集成優化功能。

4 配氣機構優化的現狀和發展趨勢

4.1 國內發展現狀

我國的可變配氣機構技術起步比較晚。在20世紀90年代中期開發出了一種用諧波齒輪傳動的可變凸輪相位機構，可實現小級差的多級調相［5］。2000年后，一些大學的研究機構設計出不同類型可變配氣機構，比較典型的有液壓張緊式可變配氣機構。另外，部分高校還對電磁驅動式可變配氣機構進行了研究。雖然國內已興起了可變配氣機構技術的研究，但由于國內的可變技術起步比較晚，技術不成熟，能真正運用到汽車上的產品少之又少。不過有部分公司已經開發出了具有自主知識產權的可變技術。2006年，吉利公司成功研發了一款具有自主知識產權的可變正時配氣機構發動機，并且開始量產；2009年長城公司也成功地研發出具有自主知識產權的VVT發動機GW4G15，并且正式上市。長城的這款VVT發動機運用了許多國際先進技術，改善了發動機的許多性能指標，像油耗、排放、最大功率和轉矩等。

4.2 國外發展現狀

國外的可變配氣機構技術起步比較早，在我國剛起步階段國外的可變配氣機構技術已經比較成熟。其可變技術主要體現在控制進、排氣門的凸輪軸上。現在，國外的可變技術已經相當成熟，并且普遍運用到汽車產品上［6］。以下就國外主要汽車公司的配氣機構可變技術作一簡單的介紹。豐田的可變配氣機構在進氣凸輪與傳動鏈之間裝有油壓離合器裝置，油壓離合器裝置通過控制進氣凸輪與傳動鏈之間轉動的相位來實現進氣正時可變，提高了發動機在所有轉速范圍內的動力性、燃油經濟性并降低了排放；通常，發動機每缸氣門只有一組凸輪驅動，而本田的VTEC系統發動機卻有中低速和高速兩組不同的氣門驅動凸輪，這組驅動凸輪可通過電控系統控制，進行自動轉換。VTEC保證了發動機中低速和高速不同的配氣相位及進氣質量的要求，使發動機在不同工況下都能夠達到動力性、經濟性與低排放的要求；寶馬公司的可變配氣凸輪軸相位控制技術VANOS是進氣正時和排氣正時都可變的配氣機構技術。這種改變是通過調整進排氣凸輪軸和曲軸的相對位置來實現的，并且該改變是持續進行的，能根據節氣門踏板位置和發動機轉速自動控制；保時捷的VarioCam Plus結合了VTEC和VANOS的特點，在調節氣門正時方面，采用了與VANOS相似的做法，但VarioCam Plus沒有搖臂機構，而是直接用凸輪軸推動氣門，也采用高低行程兩組凸輪，實現對氣門升程兩段調節的功能。

4.3 發展趨勢

未來的配氣機構可變技術將會朝著配氣相位、氣門升程、進排氣管都可變的全可變技術和無凸輪軸的可變配氣機構方向發展。全可變配氣機構技術能夠提高進氣效率、改善空燃比，使混合氣的燃燒更加充分，還可使排氣更加徹底，降低廢氣殘余系數，另外還能夠減小汽油機的泵氣損失，使發動機的動力性、經濟性、排放性得到提高；無凸輪軸的可變氣門機構避免了凸輪型線的限制，使進排氣門的控制能夠隨發動機工況的變化及時做出調整，從而提高發動機的性能。

5 結語

本文論述了配氣機構對發動機性能的影響、配氣機構優化技術及配氣機構技術的發展現狀。縱觀國內外配氣機構的發展趨勢，全可變技術和無凸輪軸可變技術將會是未來可變技術發展的主流。

［1］ 張小燕，蒲運平.應用GT-POWER設計發動機氣門升程［EB/OL］.（2009-06-25）［2015-05-01］.http：//www.idaj.cn/download/show/id/2617.

［2］ 王東榮，楊陳，沈源，等．應用AVL-BOOST軟件優化發動機氣門型線參數［J］.內燃機，2013（2）：29-30.

［3］ 朱振夏，孫柏剛，李剛，等.基于GT-POWER軟件的發動機配氣相位優化設計［EB/OL］.（2011-07-12）［2015-05-01］.http：//www.idaj.cn/download/show/id/2965.

［4］ 安娜，斯海林，邵毅明，等.某增壓汽油機配氣相位優化設計［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2013，15（5）；107-110.

［5］ 趙雨東，陸際清.實現汽車發動機可變氣門相位的新方法［J］.清華大學學報（自然科學版），1994，34（2）：18-23.

［6］ 王立彪，何邦全，謝輝，等.發動機可變氣門技術的研究進展［J］.汽車技術，2005（12）：4-9.