发动机可变配气相位技术探析论文目 录 摘要 2 一、可变气门正时技术 3 （一）、可变气门正时系统的原理 3 1、可变配气相位调整原理 4 2、可变配气相位技术条件 5 （二）、可变气门正时技术的现状 5 （三）、可变气门正时技术的发展趋势 6 二、国内外可变气门配气机构的现状和发展趋势 7 （一）、可变配气机构分类 7 （二）、可变气门技术的发展现状 7 三、可变配气相位技术探讨研究意义 8 三、连续可变配气凸轮轴设计浅析 9 （一）、连续可变凸轮轴作用 9 （二）、...
目 录 摘要 2 一、可变气门正时技术 3 （一）、可变气门正时系统的原理 3 1、可变配气相位调整原理 4 2、可变配气相位技术条件 5 （二）、可变气门正时技术的现状 5 （三）、可变气门正时技术的发展趋势 6 二、国内外可变气门配气机构的现状和发展趋势 7 （一）、可变配气机构分类 7 （二）、可变气门技术的发展现状 7 三、可变配气相位技术探讨研究意义 8 三、连续可变配气凸轮轴设计浅析 9 （一）、连续可变凸轮轴作用 9 （二）、连续可变配气凸轮轴的工作原理 9 （三）、连续可变配气凸轮轴与传统可变配气技术凸轮轴优缺点比较 9 （四）、可变配气相位技术条件 11 四、可变气门正时技术的发展趋势 11 参考文献 13 摘要 本文介绍了从进气晚关角及进排气的动态效应几方面着手，一直在改进发动机的配气相位以及进排气系统，使发动机的实际性能曲线逐步接近计算机仿真曲线。配气相位、进气门间隙、排气门间隙、转速、负荷五个调整参数之间是相互影响的。 通过在配气机构多刚体模型中引入柔性体,描述了配气机构的动力学性能;建立了柔性体气门弹簧,分析了气门弹簧动刚度的非线性行为,并且依据模态技术计算得到其动态应力;该方法为优化设计配气机构等机械产品及对其进行疲劳性能研究提供了依据。该仪器可检测各种汽、柴油发动机的启动性能、高压点火性能、燃油喷射性能、充电性能、动力性能、配气相位、发动机异响震动分析等30余种技术参数，并分析故障产生的原因、检验测试过程中，可随时显示各种波形及技术参数和结果并可随机打印，该仪器内存有一百多种国内外发动机技术参数，
十分丰富，随便什么时间都能与检测结果对比。Passat B5轿车有4缸和6缸两种发动机,4缸机有4G54与4G64两种型号,6缸机型号为6G72,其配气机构均采用顶置凸轮轴式配气机构。 介绍了气门间隙自动调整器的结构、工作原理,以及其维护与保养。 目前，汽车工业的发展正在面临着两个主体问题——能源的枯竭与环境的污染。汽车发动机的配气相位对其动力性、经济性以及排气污染都有重要的影响，在传统汽车发动机中，发动机转速变化时，气流的速度和进排气门早开迟闭的绝对时间都发生了变化，由于发动机的气门开闭由凸轮驱动，进、排气门的早开角、迟闭角固定不变，这实际上只能使发动机在某一转速范围下处于最佳的配气相位，而在发动机转速很低或者很高的时候，其配气相位处于不理想的状态。在发动机低转速时，会因为气门叠开角比理想值大，使部分新鲜混合气被废气带走而造成油耗和排污增加；在高转速时，由于气门叠开角比理想值小，进气量不足，从而限制发动机所能达到的上限功率。 为保护环境和为了人类可持续发展，实现低能源消耗和低排放污染已成为汽车发动机的发展趋势，这就
发动机在保证良好动力性的同时，又要降低燃油消耗量，需要某种可变配气相位机构能使气门正时、气门开启维持的时间及气门升程等参数中的一个或多个随发动机的工况变化实时进行调节，即配气相位角也应该随即改变。最佳的配气相位能使发动机在很短的换气时间内充入最多的新鲜空气（可燃混合气），并使排气阻力减小，废气残留量最少，从而获得更好的燃油经济性，更高的扭矩和功率特性，提高汽车怠速稳定性和降低排放污染。 关键词： 发动机 可变配气相位 内燃机配机机构 一、可变气门正时技术 传统的发动机气门正时系统，是一种配气相位即气门开启和关闭都一成不变机械系统，这种配气系统很难满足发动机在多种工况对配气的需要，不能够满足发动机在各种转速工况下均输出强劲的动力要求。而可变气门正时系统是一种改变气门开启时间或开启大小的电控系统，通过在不同的转速下为车辆匹配更合理的气门开启和关闭，来增强车辆扭矩输出的均衡性，提高发动机功率并降低车辆的油耗。 （一）、可变气门正时系统的原理 四行程发动机在工作过程中，吸入新鲜空气，排出高温废气。这种进气和排气的全过程，称为换气过程。在高速发动机中，每个循环的进排气过程时间极短，在这极短的时间内，被吸入的可燃混合气越多，废气排的越干净、越彻底，发动机发出的功率就可能越大。反之，发出的功率就越小，发动机的动力性和经济性就会下降。因此，需要适时开启和关闭进排气门。由内燃机原理可知，气门的开闭位置和活塞的位置有关，活塞的位置和曲轴的转角有关，用曲轴转角来
示气门的开闭时间，就是配气相位。从配气相位图中，能够准确的看出，发动机的进排气门的开启和关闭分别提前打开和延迟关闭。以便争取最大的“时间断面”。把气门提前开启时刻称作提前角，气门迟后关闭时刻称作迟闭角。由于排气迟后关闭和进气提前开启，这就存在着一个进、排气门同时开启的气门重叠阶段，气门叠开时的曲轴转角称为气门重叠角。 实验
，在高转速时，气门重叠角大一些对发动机是十分有利的。就配气相位而言，气门重叠角的大小与发动机的转速有关，若发动机转速高，则气门重叠角就相应设置大些。 在进、排气门开、闭的四个阶段中，进气门迟闭角和进、排气门叠开角对发动机的充气效率有较大的影响，以进气门迟闭角为例：当发动机转速较低时，进气门迟闭角过大，新鲜充量被向上止点运动的活塞推回到进气管，这是因为活塞到下止点时，缸内压力与进气管压力相近；当发动机转速高时，允许有较大的进气门迟闭角，这是因为活塞到下止点时缸内压力远低于进气管压力，能够得到较多的过后充量。 改变进气门的迟闭角能改变充气效率随转速变化的趋势，用来调整发动机转矩特性，以满足多种的使用上的要求。如果进气迟闭角加大，高转速时充气效率增加，有利于发挥上限功率，但对中、低速性能不利；反之，则对高速时上限功率的发挥不利。 由上述可知，配气相位与发动机的转速有关。原则上，一种配气相位只适合一种发动机转速。配气相位取决于凸轮轮廓的形状，配气相位对发动机的性能影响很大，且由于凸轮型线的不同，也决定了发动机是高速性能还是低速性能。如果是高速性能的发动机，则在高转速范围功率很大，但在中低转速范围功率下降很多；反之，则在高转速范围功率下降很多。现代发动机要求在任何转速范围都能获得较大的功率，这就要求配气相位可以依据发动机的工作情况及时做出调整，因此，可变配气相位技术应运而生。 1、可变配气相位调整原理 从配气相位图上能够准确的看出，活塞从上止点移到下止点的进气过程中，进气门会提前开启和延迟关闭；当发动机做功完毕后，活塞从下止点移到上止点的排气过程中，排气门会提前开启和延迟关闭。这样，必然会出现进、排气门同时开启的时刻，即气门重叠阶段，有一定的概率会造成废气倒流，为了消除这一缺陷，采用了“可变式”的气门驱动机构。 可变式气门驱动机构就是在发动机低速工作时减少气门行程，而在发动机高速时增大气门行程，改变气门重叠阶段的时间，使发动机在高转速时能提供强大的功率，在低转速时又能产生足够的扭矩，从而改善发动机的工作性能。即气门可变驱动机构能根据汽车的运作状况，随时改变配气相位，改变气门升程或气门开启的维持的时间。可变配气相位的调整原理： 1)怠速状态 在怠速时，通过消除气门重叠角，以减小废气进入进气道，达到稳定怠速，提高燃油经济性的目的。 2)中等负荷 在中等负荷行驶范围内，通过增加气门重叠从而增加了内部EGR（废气再循环）量，这样减少了进气歧管内的负压。因而也减小了活塞的泵吸损失并且改善了油耗。另外，由于此内部EGR的结果以及未燃气体的再次燃烧，降低了燃烧温度，NOⅹ（氮氧化合物）排放减少，HC排放也减少。 3)从低速到中速大负荷 在低速到中速大负荷行驶范围内，采用提前关闭进气门，提高充气效率。这样，在低速到中速范围提高扭矩输出。 4)高速大负荷 在高速大负荷行驶范围内，采用推迟进气门关闭时刻，提高充气效率，达到提高功率的目的。 5)低温下 在低温状态下时，采用消除气门重叠防止废气窜入进气道。减少低温下燃油消耗，稳定怠速，降低怠速转速。最终稳定怠速，提高燃油经济性。 6)启动/停机 在启动或者停机时，消除气门重叠以消除废气进入进气道，来提升气动性能。 2、可变配气相位技术条件 理想的配气相位应满足以下条件： 1)低速时，采用较小的气门叠开角和较小的气门升程，防止汽缸内新鲜充量向进气系统倒流，以增加扭矩，提高燃油经济性。 2）高速时，应具有最大气门升程和进气门迟闭角，最大限度的减小流动阻力，充分的利用流动惯性，提高充气系数，以满足动力性要求。 3）能够对进气门从开启到关闭的持续期做调整，以实现最佳的进气定时。 可变配气相位改变了配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，提高了充气系数，较好的解决了高转速与低转速，大负荷与小负荷条件下动力性与经济性的矛盾，在某些特定的程度上改善了废气排放、怠速稳定性和低速平稳性，降低了怠速转速。 （二）、可变气门正时技术的现状 可变配气相位机构能使气门正时、气门开启维持的时间及气门升程等参数中的一个或多个随发动机的工况变化实时进行调节，从而获得更好的燃油经济性、更优异的扭矩和功率特性，提高怠速稳定性和降低尾气排放。在现在的汽车发动机上，经常可以看见像VVT、VVT—i、VVTL—i、i—VTEC、VVL等技术符号，这些发动机都采用了可变配气正时的技术。 国外研究机构对可变气门正时技术早就进行了大量的研究，美国自1880年就已然浮现了有关可变气门的专利，至1987年约有近800件，近年来仍在持续不断的发展。但是出现在1980年以前的很多机构存在的问题较多，1980年以后，电子技术的发展促进了可变配气相位机构产品化，有些技术已在汽车上使用，取得了较好的效果。 例如：“可变气门正时和气门升程电子控制管理系统（VTEC）”是日本本田公司在1989年推出的自行研制的世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程的气门控制管理系统，其凸轮轴上有多种不同角度的凸轮。本田公司的VTEC发动机一直享有“可变气门发动机的代名词”之称。 “智能可变气门正时系统（VVT—i）”是丰田公司推出的可连续调节气门正时但不能调节气门升程的可变气门控制管理系统。当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就能自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的叶片，这样，在压力的作用下，固定的凸轮轴上的叶片就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在40°的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。 德国大众的张紧器式可变配气机构，通过将原液压张紧器改进设计为可变位置张紧器及电控系统，实现了对进气门关闭角的提前和滞后控制。 宝马公司的全可变气门控制管理系统由电脑决定其动作，经过控制活塞两侧的机油压力，就能移动斜齿轮，斜齿轮的直线移动可以带动凸轮轴发生一定的旋转角度，经由可移动活塞位置的改变，控制凸轮轴正是提前或延迟。 （三）、可变气门正时技术的发展的新趋势 目前大多数发动机使用机械式气门系，这种驱动形式的有效性、可靠性强，但是缺点也很明显：不能改变气门正时、延续时间和进气门升程。随着汽油直喷式发动机、混合动力发动机的不断推出以及排放法规的强化等，未解决以上问题，可变配气机构得到了广泛的应用。伴随着发动机的高性能化，可变配气机构作为一个重要的手段正慢慢的变必要和必不可少。 为实现配气机构的最大可能的多自由度的可变，利用电磁阀进行驱动的开发也在进行中，这种系统能对气门开启角实现各种角度的可变，将来也可能实现批量生产，但从成本方面来说，可能还不能完全取代现行的可变配气机构。无凸轮驱动可变配气相位机构可分为电磁驱动可变配气相位机构、电液驱动可变配气相位机构、电气驱动可变配气相位机构以及其他驱动方式的可变配气相位机构。 电磁驱动可变配气相位机构是利用电磁铁产生的电磁力驱动气门；电液驱动可变配气相位机构是利用一种压缩性较小流体的弹性特征对气门的开启和关闭起加速和减速的作用，对内燃机气门正时、气门升程和气门运动速度提供了连续的可变控制；电气驱动可变配气相位机构与前者的工作原理相似，只不过所用的介质是空气。 在未来的发动机开发过程中，无凸轮轴可变气门正时技术将成为研究与应用的主流，它将集成在ECU中，高效可靠地发挥提高发动机输出功率和扭矩、降低排放和燃油消耗的双重作用。 二、国内外可变气门配气机构的现状和发展的新趋势 （一）、可变配气机构分类 根据内燃机理论上对配气机构的要求，目前成为主流的可变配气机构按功能上可分为两大类：①可变气门正时(Variable Valve Timing,VVT),即气门开启与关闭时刻可变。（见图1.1）其原理是低速时,提前关闭进气门减少进气回流;高速时,推迟关闭进气门,充分的利用气流的惯性过后充气,提高充气效率.最早是1983年由阿尔法罗密欧公司开始批量生产，现在已慢慢的变成为主流。②可变气门升程(Variable Valve Lift,VVL),即改变气门开启的最大升程。（见图1.2）其原理是在小负荷时,利用较小的气门升程,控制进入缸内的混合气的量,一样能实现无节气门的负荷控制方式.而且,由于气门升程较小,流过气门的气流速度较快,改善了燃油与空气的混合,进而可以改善燃烧过程。这种机构1992年首次在本田的VTEC发动机上实现。另外，在这两大类的基础上，将①和②同时应用于汽油机在一些高档车上应用逐渐多起来。 （二）、可变气门技术的发展现状 与燃油控制技术相比，配气机构控制技术早期的研究进展比较缓慢，主要成果是在1985年以后取得的。20世纪90年代，国外对可变气门技术的研究成为热点，开发出了一系列基于凸轮轴的可变气门机构，并且应用于车用发动机，其中可变凸轮轴相位机构应用最广。2O世纪9O年代中后期，开始研究无凸轮气门机构。其中，FEV、Aura、BMW、Ford 等分别展开了电磁阀驱动式气门机构的研究；Ford、Lotus、Bosch 等分别展开了电液驱动式气门机构的研究。但是目前无凸轮的气门机构还处于研究阶段，未见到其大量应用于车用发动机的研究报道。 我国从20世纪90年代逐步开始进行可变气门技术的研究。在90年代中期开发出了一种用谐波传动实现可变凸轮相位的机构，可实现小级差的多级调相。2000年后，吉林大学、上海交通大学与长春汽车研究所等设计了一种液压张紧器式可变配气相位机构，可将气门正时在小范围内变化(进气门：提前15°CA，滞后13°CA)；清华大学开展了电磁阀驱动式气门机构的研究；浙江大学对电磁阀驱动式气门机构进行了模型仿真研究。但与国外相比，可变气门技术只是局限于试验室研究，还没有形成具有自主知识产权、可以广应用于车用发动机的可变气门构. 三、可变配气相位技术研究意义 能源与环境问题是目前汽车工业所面临的两个问题。现代高科技的发展已将汽车发动机的节能、减排、低排放作为“节能-高效-环保”一体化课题进行综合研究和技术开发。为了同时提高汽油机的燃油经济性和动力性,满足越来越严格的排放法规要求,世界各大公司竟相采用新技术装备其生产的轿车。另一方面，随着生活水平的提高和产品的升级以及技术的发展，人们对汽车的动力性、舒适性的要求却在不断的提高。要求在满足公益目标的前提下，以低的成本获得快捷的交通便利，享受到驾驶乐趣。因此，二十一世纪符合市场需求的应当是节能、环保、高性能的汽车。 针对这种现状，发动机可变气门技术作为一种性价比相当高的技术
，近年来在对发动机的高效率化、降低油耗、提高性能和降低尾气排放的要求越来越高的情况下，作为手段之一的可变配气机构正逐步商业化。众所周知，传统发动机配气机构的气门运行参数（气门开启相位、气门开启持续角度和气门升程）是固定不变的，参数的确定取决于设计的工况点。因此，传统发动机,往往将气门正时设计成高速全负荷工况最为有利,以便求得最大的标定功率。近年来由于更注重油耗和排放，就必须考虑小负荷的工况，因为小负荷的工况对排放的影响最大。这样，这两个工况范围对气门运行参数的要求甚至是矛盾的，因此需要综合发动机的全部工况，采取一种折衷的处理方式来确定这些参数，长期以来，这些这衷可能被认为是可靠的，可行的，但是，随着“高效、低能耗、低排放”的要求不但提高，这种折衷明显不是长久之计，进而要求气门运行参数随发动机工况的改变而变化，从而在全工况范围内优化充量的更换。 为了满足发动机全工况的要求，就需要设计可变的配气相位。可变气门技术就改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，较好地解决了高转速和低转速、大负荷和小负荷下动力性与经济性的矛盾，同时在一定程度上改善了废气排放。更一步的说，可变气门技术可以用来减小发动机泵气损失、加快进气速度、改善混合气质量、提高进气效率、最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高。对于汽油机而言，应用可变气门技术有以下几个优点： 1.提高发动机的动力性：低速时,提前关闭进气门减少进气回流;高速时,推迟关闭进气门,充分利用气流的惯性过后充气,提高充气效率. 2.改善部分负荷的燃油经济性：众所周知,部分负荷时汽油机燃油经济性低于柴油机的一个重要原因是节气门带来的泵吸损失.通过可变气门技术,在部分负荷时利用进气门早关,减少压缩始点缸内混合气的量,即可实现无节气门的负荷控制方式,减少泵吸损失,提高了燃油经济性.另外,也可以通过气门的升程来控制负荷.在小负荷时,利用较小的气门升程,控制进入缸内的混合气的量,同样能轻松实现无节气门的负荷控制方式.而且,由于气门升程较小,流过气门的气流速度较快,改善了燃油与空气的混合,进而能改善燃烧过程. 3.改善怠速的稳定性和低速时的平稳性：怠速时,通过可变气门定时,减小气门重叠角,进而减小充量更换过程中进排气的相互影响,提高怠速和低速的稳定性,并能够更好的降低怠速转速. 4.降低排放：利用可变气门技术,控制缸内EGR量,可以大大降低排放,特别是NOX的排放 三、连续可变配气凸轮轴设计浅析 （一）、连续可变凸轮轴作用 连续可变凸轮轴的作用是根据发动机工况，调整节气门升程，改善原有可变配气相位技术节气门只有高、低两个升程的现状，致力于实现节气门升程根据发动机工况连续可变，以更好的实现节能、降低排放污染、提高发动机功率的效果。 （二）、连续可变配气凸轮轴的工作原理 连续可变配气凸轮轴在工作时，需要配合节气门升程传感器，将节气门升程传至发动机ECU，发动机根据实时车辆负载情况、发动机工况、气门实际升程，计算出该工况下最佳气门升程，发出指令令带式制动器动作，由于带式制动器对应部分轴体上的螺纹的作用，凸轮轴发生轴向移动，另楔形凸轮的大端或小端顶住气门连杆，此时，由于正时齿轮由花键槽与凸轮轴连接，凸轮轴发生轴向移动时，并不影响其转动速度，因此凸轮轴正常运作。必须要格外注意的是，凸轮轴上两段螺纹的方向是相反的，因此，两个不同的带式制动器能控制凸轮轴的左、右移动。 （三）、连续可变配气凸轮轴与传统可变配气技术凸轮轴优缺点比较 连续可变配气凸轮轴相对于传统可变配气技术凸轮轴 优点： 1.节省燃油； 2.降低排放污染； 缺点： 1.制造工艺复杂； 2.对材料要求高； 3.对控制机构精度要求比较高。 活塞从上止点移到下止点的进气过程中，进气门会提前开启（开启角度为α）和延迟关闭（开启角度为β）；当发动机做功完毕后，活塞从下止点移到上止点的排气过程中，排气门会提前开启（开启角度为γ）和延迟关闭（开启角度为δ）。这样，必然会出现进、排气门同时开启的时刻，即气门重叠阶段，有一定的概率会造成废气倒流，为了消除这一缺陷，采用了“可变式”的气门驱动机构。可变式气门驱动机构就是在发动机低速工作时减少气门行程，而在发动机高速时增大气门行程，改变气门重叠阶段的时间，使发动机在高转速时能提供强大的功率，在低转速时又能产生足够的扭矩，从而改善发动机的工作性能。即气门可变驱动机构能根据汽车的运作状况，随时改变配气相位，改变气门升程或气门开启的维持的时间。可变配气相位的调整原理： 1)怠速状态 在怠速时，通过消除气门重叠角，以减小废气进入进气道，达到稳定怠速，提高燃油经济性的目的。 2)中等负荷 在中等负荷行驶范围内，通过增加气门重叠从而增加了内部EGR（废气再循环）量，这样减少了进气歧管内的负压。因而也减小了活塞的泵吸损失并且改善了油耗。另外，由于此内部EGR的结果以及未燃气体的再次燃烧，降低了燃烧温度，NOⅹ（氮氧化合物）排放减少，HC排放也减少。
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