新型发动机连续可变气门装置原理及分析_耿爱农

Abstracts： The principle and realization of a new continuously variable valve train is proposed to ignition engine ） at various operation loads． meet the requirement of air intake of SI engine （ sparkmodulated camshaft and an adjustThe intake valve is driven by hydraulic actuation，where a phaseable valve lift controller are used for controlling its timing angle and lift，respectively． Hence the valve timing and lift are infinitely variable within the working range． A mathematical model of the train for motorcycle engine was built for simulation． The results showed that the range of adjustable intake valve closing （ IVC ） and intake valve opening （ IVO） were 16 ～ 44 ℃A and 8 ～ 14 ℃A，respectively，and for the valve lift， 0 ～ 7． 825 mm． The optimized engine operation range was hereby expanded and the engine performance at mid and low load / speed can be improved． This study results can also be further applied for the design of throttlefree motorcycle engine． Key words： engine； continuously variable valve timing technology； hydraulic actuated valve； simulation 传统的发动机配气机构参数是不可调节的 ， 只能保证发动机在标定工况的狭窄范围内性能最优 ， 却 ， 。 不能充分顾及发动机在中小负荷和中低转速区的性能 而这恰恰是机动车的常用工况区域 随着环保 研发能适应发动机不同工况的配气机构愈发重要和紧迫 。在此背景下， 各种可 及节能的呼声日渐增高，
Байду номын сангаас
第 37 卷
［13 ］ ， i 系统和德国宝马 变气门技术应运而生 像日本本田公司推出的 VTEC 系统、 丰田公司开发的 VVT这些系统现已成为可变气门技术领域的典范 。然而， 上述系统乃针对汽 公司提出的 VANOS 系统等等， 车发动机而设计， 技术虽然成熟但因体积硕大而难以移植到诸如摩托车等小型发动机上 。目前， 面向小 型发动机的可变气门技术多为有级调节 ， 如日本本田公司、 意大利比阿桥公司以及我国重庆大学与嘉陵 ［4 ］ 它们均是采用高低速多档凸轮进行若干级调节的技术路线； 山东大 公司共同研究的各类 VVT 装置 ， ［56 ］ ， 学和清华大学探索的 FVVT 系统 则通过机、 电、 液一体化控制技术实现了全可变气门定时的调控目 该方案因布局灵活而特别适合于摩托车发动机 ， 但其气门正时与气门升程属于共进式的捆绑调节方 标， 式， 因此制约了调控的灵活性。鉴于此， 本文对 FVVT 系统提出改进设计， 其解决方案是利用可独立调 由此获得气门定时、 气门持续期以及 控的调相凸轮和气门升程调节器对气门相位及升程实施分进调控 ， ， 。 气门升程的连续无级可变 从而实现拓宽配气机构适应范围之目的
The principle and analysis of a new continuously variable valve train for SI engine
GENG Ainong，LI Xinmo，ZHANG Chengtao
（ School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020 ，China）
0204 ； 修订日期： 20120226 收稿日期： 2012基金项目： 广东省教育部产学研结合资助项目（ 2008B090500229 ） ）， mail： wyu487@ 126. com。 通讯联系人： 耿爱农（ 1961男， 广西北海人， 五邑大学副教授； E-
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新型可变气门配气机构的特点和原理
新型可变气门配气机构的构成 本文提出的新型可变气门配气机构由四大部分构成 ： 相位调节执行机构 、 升程调节执行机构 、 气 门复位执行机构和中央处理控制系统 ， 图 1 所示为新机构示意图 （ 图中省略了液压供油系统及其配 置的各种放气阀 、 补油阀 、 缓冲阀 、 调压阀和回油阀等等 ） 。 相位调节执行机构和升程调节执行机构 均采用液压油进行驱动 ， 并将输出的高压油通过油管连接并驱动气门 ， 从而获得可控的气门开启相 位及升程 ； 而气门复位执行机构则通过弹簧来促使气门落座 ， 期间以液压油为媒介并在凸轮的约束 。 并兼做发动机 下获得可控的气门关闭相位 以上执行机构的液压系统可安置在摩托车的变速箱内 ， 的润滑系统 。
第 37 卷 第 2 期 2012 年 4 月 7445 （ 2012 ） 02027707 文章编号： 1001-
广西大学学报： 自然科学版 Journal of Guangxi University： Nat Sci Ed
Vol． 37 No． 2 Apr． 2012
新型发动机连续可变气门装置原理及分析
1. 本相凸轮； 2. 调相凸轮； 3. 推力滚销； 4. 压油柱塞； 5. 柱塞套； 6. 进给装置； 7. 中控系统； 8. 进气门； 9. 气门柱塞； 10. 复位弹簧 图 1 新型液压式连续可变气门机构简图 Fig. 1 The diagram of new type hydraulicdriven continuously variable valve train
耿爱农， 李辛沫， 张承涛
（ 五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020 ） 摘要： 为了适应发动机不同工况对进气系统的要求， 提出一种新型连续可变气门装置的原理及实现方法 。 新 其特色在于采用可控转角的调相凸轮调控进气门的相位 、 采用可控 装置以液压作为驱动进气门运动的动力， 据此实现发动机配气相位及气门升程的连续无级可变 。对一台采 升程的气门升程调节器调控进气门的升程， 纳新型配气机构的摩托车发动机进行了数学建模及仿真分析， 结果表明： 发动机进气迟闭角（ IVC ） 的调节范 围可达 16 ～ 44 ℃A， 进气早开角（ IVO） 的调节范围可达 8 ～ 14 ℃A， 进气门升程 h 调节范围可达0 ～ 7. 825 mm， 由此将配气机构的最佳适应范围拓宽至常用工况区域， 从而有利于改善摩托车在中小负荷和中低转速区的 性能， 并为研制无节气门汽油机奠定了设计基础 。 关键词： 发动机； 连续可变气门技术； 液压驱动气门； 仿真分析 中图分类号： TK413. 4 文献标识码： A
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耿爱农等： 新型发动机连续可变气门装置原理及分析
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升程调节执行机构的任务是按照中控发出的指令调控进气门的有效升程 ， 它包括一个能往复运动 在柱 并受进气凸轮驱使的柱塞和一个可以转动的柱塞套 。与柴油机高压油泵油量调节装置结构相似， 塞上开设有连通的轴向孔、 径向孔和圆周斜槽， 在柱塞套上开设有进油孔和回油孔， 通过转动柱塞套控 制柱塞腔与回油孔的接通时刻， 以此来调控柱塞的有效压油行程 ， 进而控制气门的开启升程。 气门复位执行机构的任务是当进气凸轮 （ 包括本相凸轮和调相凸轮 ） 完成顶升推抬柱塞后， 在柱塞 ， 进入回落期时促使进气门及时落座关闭 并通过回推液压油的方式保证柱塞对进气凸轮的跟随性 ， 以防 止出现脱空冲击现象。气门复位执行机构主要由复位弹簧来完成并同时受到凸轮型线的约束 ， 其中复 位弹簧的结构及布局形式与现有发动机的气门弹簧复位机构完全相同 。 1. 2 新型可变气门配气机构的原理 ， 研究表明 在配气机构诸参数中， 对发动机性能具有较大影响的是进气门迟闭角 、 进气门早开 另外还有气门升程。因此现代可变气门技术无不以上述参数作为调控对象 ， 其中 角和气门开启持续期， 进气门迟闭角（ IVC ） 对发动机的性能影响最大， 它主要是影响发动机的充气效率 η v ， 进而影响发动机的 功率和扭矩。一般而言， 随着发动机转速的提高， 进气门迟闭角应不断增大， 亦即进气门关闭得更加滞 后； 进气门早开角（ IVO） 的大小则直接关系到发动机气门重叠角的大小 ， 对排放和机件的热负荷有显著 影响， 它关联到发动机的工作负荷和转速等参数 ； 而气门开启持续期对气门开启的时面值影响较大， 对 ； ， 发动机的动力性和经济性均有影响 进气门升程大小及启闭规律则不仅关乎到气门的时面值 而且还关 系到发动机换气过程中的泵气损失 ， 在中低转速及中小负荷区域， 传统发动机的节气门 （ 亦即油门 ） 处 于部分开启状态， 因而会造成很大的节流损失， 另外由于进气门存在惯性并要顾及冲击的影响， 因而启 闭动作不能瞬间完成， 故在气门的阀口处还会出现一次剧烈的节流效应 ， 因此传统发动机在常用工况区 的泵气损失特别大， 是造成机动车经济性变差和排放不好的主要根源之一 。 可变气门升程的目的之一 此时节气门可以维持在全开的位置上甚至可以摒弃掉节 就是谋求利用可变的升程替代节气门的启闭 ， 气门， 这样可以减少一次节流效应亦即减少了泵气损失 ； 特别地， 由于可变气门升程可以在部分负荷时 ［17 ］ 此举亦能有效减少泵气损失 。从以上阐述中不难看 控制进气门更早地关闭（ 在活塞下止点前关闭） ， 出现代可变气门技术的端倪及发展路径 ， 这就是设法根据机动车不同的使用工况 ， 适时调控进气门的迟 闭角、 进气门的早开角、 进气门开启持续期以及进气门升程 ， 使配气机构能动态地与发动机的工况需求 达到最佳的匹配。下面就本文中最重要的执行机构的工作原理介绍如下 。 1. 2. 1 气门相位调控原理 如前所述， 本文特色是采用调相凸轮结合本相凸轮来调控进气门的定时。 参见图 1 和图 2［ 图2 TDC 表示发动机活塞行程上止点 （ Top Dead Center ） ， BDC 表示活塞行程下止点 （ Bottom Dead Cen中， ter） ］ ， 调相凸轮与本相凸轮取相同的轮廓型线并共用一根驱动轴 ， 其中调相凸轮采用斜键槽的配合方 换句话说调相凸轮可以相对于驱动轴做一定位移的轴向移动 ， 并在移动的同时还 式与驱动轴进行连接， 亦即调相凸轮可以相对本相凸轮做出超前或者滞后的调节 。 为了避免 伴随有相对于本相凸轮的转动， 调相工作时调相凸轮与本相凸轮出现交接冲击 ， 本文特地将本相凸轮和调相凸轮在最大穹顶处的型线 设计成半径相同并且与基圆共圆心的圆弧， 以此确保 。 ， 两凸轮在调相幅值内能平顺交接 显然 连接穹顶圆 弧和基圆圆弧的过渡型线宜采用样条函数或高次方 函数去构造， 以减少乃至消除交会点处柱塞因凸轮轮 廓曲率半 径 不 同 而 产 生 的 跃 度 及 由 此 产 生 的 撞 击 。 当中控系统发出调相指令后， 电机经涡轮蜗杆减速并 驱动拨叉， 拨叉再驱动调相凸轮左移或者右移 （ 图 1 ） ： 左移则调相凸轮的相位超越本相凸轮先行驱动柱塞 而提前压油， 此时进气门的早开角增大， 但它的迟闭 角仍由本相凸轮控制而保持不变； 右移则让调相凸轮 的相位落后于本相凸轮而使柱塞的回落期滞后并延