可变气门升程技术系统的发展

最新可变气门升程技术系统的发展摘要
日产汽车公司已经研发了一种紧凑、简单的新式可变气门执行器系统即可变气门升程，它能够在较大范围内改变进气门升程和气门动作，并把它用在最新的3.7L，V6发动机上。

这个系统和可变气门正时机构（或一个凸轮）结合可以充分地提高发动机的性能属性，即燃油经济性，废气排放和发动机输出功率，因为这个系统可以自由地控制所有进气气门升程，进气气门与排气气门间的气门动作持续角度和相位。

本文将描述可变气门升程技术系统的大致轮廓，系统操作的原理和它对发动机性能的影响。

引言
因为近几年全球的目光全集中到了环境问题上，所以减轻环境压力比如降低燃油消耗和废气排放，已经成为所有汽车厂商的重要挑战。

另一方面，加强驱动性能可以提高汽车的吸引力，驱动性能仍然是许多消费者的一个强烈要求。

能够同时减少环境污染和提高驱动性能的技术是可变气门系统，它能够控制进气和排气的正时与升程。

在1986年，日产汽车是第一个采用液压可变气门正时控制系统的日本车。

从那以后，日产还采用了凸轮转换可变气门升程与正时系统，电磁式可变正时控制来提高气门控制技术。

在本文中，新式可变气门执行器系统称作可变气门升程技术，它的机械装置可以不断地在大范围内控制进气气门的气门升程和动作。

日产把这个机械装置和可变正时控制结合，可以实现气门正时和升程的优化，气门正时和升程可以控制气门动作角度、气门相位，因此极大地提高了发动机性能属性。

本文表述了可变气门升程技术系统的大致轮廓，系统操作的原理和这个系统对发动机性能属性的影响。

可变气门升程技术系统的结构和运作原理
系统结构
可变气门升程技术系统安装在传统的凸轮轴上。

图1和图2给出了可变气门升程技术系统连接部分的基本组件的基本结构和外形。

图1 可变气门升程技术系统的基本结构
图2 可变气门升程技术系统连接部分的外形
这个机构包括两个子系统：机械气门装置系统--管理气门打开和气门关闭；
气门执行器系统--可以根据控制要求，通过控制气门结构的多连杆式机构来改变气门升程和气门动作角度。

机理和工作原理
机械式气门装置系统（工作原理）
可变气门升程技术系统可以通过转化驱动轴的旋转运动来打开和关闭进气门，这个旋转运动来自于曲柄轴，然后通过多连杆式机构转化为输出轴的摆动运动。

相当于传统的凸轮轴，驱动轴是固定的，驱动轴的转速是曲柄轴转速的一半。

本系统在驱动轴上面安装了控制轴，控制轴和控制凸轮（电磁控制凸轮）相匹配作为一个集成单元，摇臂把控制凸轮中部作为它的支点并摆动。

输入凸轮和摇臂末端通过A连接在一起，把旋转运动转化为摆动运动。

摇臂的另一端和输出凸轮通过B连接在一起，启动（摆动）输出凸轮。

输出凸轮在驱动轴中部时发生振动，把每个气门挺杆向下推。

这里的特征是输入凸轮的所有部件通过机械连接与输出凸轮连接，产生了驱动力。

因此，机械装置不需要一个反力，正常情况下可以通过采用一个复位弹簧实现。

执行机构系统（变化原理）
执行结构系统由一个连接结构，一个还原机构，一个直流电机和一个位置传感器（旋转角度传感器）组成。

发动机控制模块（ECM）和可变气门升程技术系统的电磁控制单元（VVEL-ECU）控制气门升程和气门动作角度。

可变气门升程技术系统的电磁控制单元包括操作及设备激励电路，根据来自发动机控制模型的目标角度指令和传感器发送的测量角度值来驱动直流电动机。

计算结果把驱动电流传给直流电动机。

直流电动机通过还原机构旋转偏心凸轮，从而改变气门升程和气门动作。

直流电动机还原机构采用了一个滚珠螺钉，它对于机构的耐久性和机械效率方面有自己的优势。

此外，执行机构系统结合一个传感器可以探测偏心凸轮的旋转角度，从而实现了高效率和小型机构，，它们可以很容易的装入小型汽车中。

图3显示了这个系统怎样通过改变连接机构姿势来改变气门升程。

图3-（1）给出了最大气门升程状态。

摇臂的支点通过确定偏心凸轮位置已经快速向驱动轴方向移动。

结果，连接机构的整个姿势都已经改变了，允许输出凸轮在一个大角度内摆动，因此产生了一个较大的气门升程。

图3-（2）显示了最小气门状态。

与最大气门升程状态相反的是摇臂支点已经被驱动轴控制，缩小了输出凸轮的摆动角。

结果，摆动凸轮和气门挺杆
间的间隙缩短，因此产生了较小的气门升程。

图3 输出凸轮和气门升程的摆动位置间的关系
图4给出了气门动作角度和气门升程对控制曲轴角度的各自敏感性。

正如图所示，这些敏感性在小气门升程和气门动作角度区域是呈线性关系的，需要这些区域具有良好的控制，从而提供舒适的控制特性。

图4 气门动作角度、气门升程和控制轴角度的关系
系统控制
随着可变气门升程技术系统硬件的发展，技术的发展也需要一个驱动系统，它在可变气门升程技术系统中可以精确地提供所需的气门升程和正时。

因此，我们已经开发了一种系统，这个系统和其它功能结合起来可以控制可变气门升程技术系统。

可变气门升程技术系统的发动机控制单元通过一个高速局域网通信总线与发动机控制管理系统相连，还有一个可以精确地驱动执行机构系统的闭环控制，精确值是由发动机控制管理系统计算得到。

这样就能够采用基于模型控制、成熟反馈概念和传统反馈控制相结合的方法。

所以，此系统在低能量消耗条件下，可以高度精确地连续控制气门升程和气门动作角度。

发动机控制管理系统主要负责计算目标值。

这是因为可变气门升程技术系统需要计算气门升程和正时的目标值，从而对每一个变化的操作要求和环境要求做出反应，与其它执行结构结合可以实现优化发动机操作。

图5给出了上面提到的控制逻辑的框图，这些框图结合在一起可以控制三种不同的执行机构—节流阀，可变正时控制，可变气门升程技术。

因此，这个系统可以根据发动机操作和环境条件，控制气体从进气门流入气缸，从而在任何条件下都可以实现高精度和响应扭矩控制。

同时，这个系统可以满足排放降低和燃油消耗降低的严格要求。

图5 可变正时控制—可变气门升程技术联合控制的框架
此外，这个系统还带有一个检测系统--用来检测上述提高的复杂机构是否总在正常状态下工作；一个便携式诊断系统—当汽车出现不正常时采用合适的方法警示驾驶员，因此，保证了系统的可靠性。

可变气门升程技术系统的特征
系统硬件的选择
可变气门升程技术系统的发展原理是不断地改变气门升程和气门动作角度，注意以下的几条可以从气门动作可变性中得出最大效益。

? 简单结构—带有很少部件
? 舒适汽车安装的紧凑性
? 高发动机转速的操作可靠性和功能性
? 对改变气门升程和正时的高响应
? 改变气门升程和正时的低能量消耗
根据测试就可以实现这些事项，这个系统采用的结构具有以下特征。

可变气门升程技术系统的特征
采用摆动凸轮和多连杆式机构
气门装置机构采用了一个强制驱动摆动凸轮和多连杆。

如前面所述，它不需要一个复位弹簧，它可以减少机械摩擦，可以在大范围内最优地改变气门升程，同时实现了与可变气门升程机构的简单结构的结合。

下面将介绍系统的功能特征。

（1）气门升程的变化范围
图6给出了气门升程的特性，气门加速和可变气门升程技术系统的输出凸轮上的摆动角度。

气门升程（气门动作角度）可以在最小值为0.7mm（100°曲轴转角）到最大值为12.5mm（292°曲轴转角）范围内连续的变化。

气门升程曲线图包括了摆动凸轮轮廓和摆动频率，它们因构件性能不同而存在差别。

对它们进行优化，同时采用高的正加速度和适当的减加速度特性，可以使它们产生一个较大的气门升程，从而改善了气门运动性能。

此外，在气门打开和关闭时，对连接构件进行优化可以改变输出凸轮的摆动角速度，这样气门升程曲线变小，从而可以使气门升程稳定，气门速率变化减小，这是它的显着特征，使气门噪声降低。

这些特征可以使系统更加平稳地工作，确保了气门运动的稳定性，但是对发动机没有带来任何有害异常，比如在整个工作速度范围内气门跳出。

图6 气门升程，气门加速和摆动角的特性
（2）紧凑的、简单的结构
采用连接机构可以设置输入凸轮和输出凸轮在同一个轴上的位置，可变气门升程技术提供了一个较短的高度，与市场上相似功能的机构相比，此连接机构对于汽车装饰更重要。

此外，这个系统的机构采用无复位弹簧的低负荷设计，进行了特别的表面处理，比如渗氮法和在摆动、滑动部件上进行钨-碳涂层，可变气门升程技术不需要任何滚柱轴承，与相似功能的部件相比减少了一半，从而实现了结
构的简单化。

膨胀阀升程在高速/大动作时的操作
在发动机高速运转时，全负荷性能要求较高的气门升程。

在传统直接上凸轮气门装置具有较大气门升程情况下，气门挺杆需要一个较大的外直径，因为气门升程越大，气门挺杆顶端的链接区域越大。

传统凸轮系统的气门挺杆顶端的滑动决定了挺杆的最小外直径，它在可变气门升程技术中可以不用抵消驱动轴的作用力，只是摆动凸轮系统结构的一半，如图7所示。

虽然挺杆越大，抵消力越大，但是允许气门升程有一个过渡位移，提高了摆动输入力，如图8所示。

因此，采用一个从气门中央2mm的驱动轴位移和修正凸轮轮廓可以实现气门升程极大地提高，同时在装配时使气缸盖在横向方面具有优势。

图7 驱动轴和气门挺杆间的空隙
图8 气门升程特性的变化
在低气门升程时改善循环气缸的分布
传统凸轮系统具有低水平的循环气缸气门升程分布。

然而，在可变气门升程技术系统中甚至气门升程的一个小循环气缸分布都能对不同气缸的进气流产生重要影响，特别是在小气门升程的情况下。

因此，精确地控制气门升程对于减少分布是必要的。

控制气门升程分散的传统方法包括降低机械部件的公差，通过组件分级或者在流水线上采用选择垫片来进行构件的选择性匹配。

在装配中使用其中任何一个传统的方法都可能降低生产率。

可变气门升程技术系统可以代替这些方法，因为可变气门升程技术系统可以把调整螺钉嵌入连杆机构中，然后利用多连杆机构的优点改变气门升程。

这种方法可以调整连杆支点的位置，确定精确的、舒适的调整程序。

通过调节螺栓调整螺栓和构件B顶点的位置，然后在构件的另一端采用防松螺栓进行微小调整，因为这种方法改变了摇臂和摆动凸轮之间的连接长度，因此改变了能够抵消摇臂摆动角度的摆动凸轮的数量，如图9所示。

图9 调整气门升程的部分结构
图10显示了在流水线上采用自动气门升程调整的仪器，它能够通过第一次调整调节螺栓的方式，在几秒内完成精确调节的任务，同时可以测量气门升程，然后锁定防松螺栓。

润滑和摩擦特性
凸轮和挺杆连接区域的润滑特性
存在一种可能性，即润滑油膜的存在状态在最大气门升程时会发生恶化，因为输出凸轮的摆动角速度ω会变为0，正如以前所述。

因此，我们可以证实凸轮和挺杆之间的润滑特性。

一般来说，在低燃油温度和低速的工作条件下，凸轮和挺杆间的润滑很恶劣。

因此，主要分析发动机在小气门升程、怠速、和低发动机转速情况下的工作条件，此时发动机正常工作。

图10 自动气门升程调整的示意图
首先，图11给出了可变气门升程技术系统和传统凸轮系统在发动机低转速和低燃油压力（650 rpm, 50°C）条件下的，关于燃油输送速度计算结果的比较。

可变气门升程技术系统与传统凸轮系统相比，燃油输送速度接近0的持续时间要长一些。

图11油膜输送速度的比较（发动机转速为650 rpm，燃油温度为50℃）
第二，图12给出了发动机怠速、低燃油温度（650rpm, 50°C）条件下--此时发动机磨损最严重，油膜厚度的计算值的比较。

采用弹性流体动力润滑（EHL）概念结合油膜的弹性变形。

证实了可变气门升程技术系统具有较长的厚油膜持续时间，此时气门升程达到最大值，负荷达到最大值，从而摆动凸轮确保了油膜厚度。

图12 油膜厚度的比较（发动机转速为650 rpm，燃油温度为50℃）
此外，图13给出了电压值的计算结果的比较，电压值对于零件磨损是一个很重要的参数。

电压值定义为接触应力和相对滑动速度的乘积。

可变气门升程技术系统与传统系统相比，摆动凸轮的电压值相当的小。

图13 电压值的比较（发动机转速为650 rpm，燃油温度为50℃）
这些分析结果显示了，尽管可变气门升程技术系统与传统系统相比，在油膜输送速度接近0的持续时间长，但是可变气门升程技术系统确保了油膜厚度和电压值。

此外，采用一个设计，此时气门打开和气门关闭的不同产生的摆动角加速度导致了气门挺杆围绕气门轴旋转，避免了接触面的不均匀磨损。

不同种类的持久性测试的理想结果证明了每个滑动部件的磨损不会继续，因此，可以证实燃油特性在任何情况下不会加重相关磨损。

摩擦特性
下面将描述可变气门升程技术在实际汽车应用中的摩擦特性，工作条件是发动机低转速，气门升程小，因此，多连接机构受到的输入负荷比较小。

图14给出了可变气门升程技术机械部件的摩擦损失的结果，这个结果是汽车在典型的城市工况、发动机转速为2000rpm条件下分析得到的。

这个分析采用了机械系统的自动分析(ADAMS)软件，考虑了连接构件的惯性力。

该图表显示了可变气门升程技术系统与传统凸轮系统相比，摩擦损失的规范化水平达到100%。

图14摩擦损失的因素分析（发动机转速为2000 rpm，燃油温度为80℃）
从根本上来说，可变气门升程技术的气门升程越小，摩擦损失越小。

当发动机负荷达到最大值时，气门升程也达到了它的最大值，但是摩擦损失也会比较大。

然而，考虑到实际汽车工作条件（发动机转速大约在2000rpm附近）所需的气门升程在1.4mm到3.2mm附近，此时摩擦损失降低50%。

仅仅可以在没有复位弹簧的主动驱动力多连杆机构中产生低摩擦损失，否则，连杆上的摩擦力将要提高20%。

此外，气门挺杆另一侧因为采用了滚筒状，所以摩擦损失大大减少。

图15给出了可变气门升程技术系统和传统凸轮系统关于摩擦损失的测量结果的比较。

从图中可以看出，在城市工况、发动机转度为2000rpm情况下，可变气门升程技术系统产生的摩擦损失要比传统系统降低一半，这与试验结果是一致的。

图15 摩擦损失的测量（发动机转速为2000 rpm，燃油温度为80℃）
总的来说，在城市工况下，可变气门升程技术系统与传统凸轮系统相比可以产生较小的摩擦损失，因此在燃油经济性方面具有优势。

采用ADAMS软件可以观察到摩擦降低的原因。

图16给出了可变气门升程技术摆动凸轮与传统凸轮关于摩擦力、相对滑动率和摩擦损失能量的比较。

数据显示了凸轮和气门挺杆区域间的摩擦比较。

在图16中，这两个相互独立的系统的气门是完全相同的。

在可变气门升程技术系统中，相对滑移率降低，摩擦力增大，在气门升程达到最大值时滑移率为0但是摩擦力达到最大值。

图16 凸轮和挺杆摩擦特性的比较
（凸轮轴转速为500rpm，燃油温度为80℃）
这就反映了可变气门升程技术的特性是，当气门升程达到最大值时，摆动角速度为0。

这个特性降低了摆动凸轮和气门挺杆之间的摩擦损失。

发动机性能改善的影响
燃油经济性的改善
可变气门升程技术系统和凸轮相位器的结合可以优化进气气门升程、持续时间和相位。

传统发动机的节气门控制着进气流，特别是在发动机低负荷
时产生了泵气损失。

在发动机全负荷条件下可变气门升程技术系统可以通过保持节气门开度来降低泵气损失。

可以通过给变化气门升程—时间积分的方法控制负荷。

当气门升程出现较快变化，此时节气门保持打开，这样可以改善加速度响应。

图17显示了进气气门正时（最大升程）和气门动作角度对泵气损失的影响。

图的每一个轮廓都显示气缸内产生的泵气损失，测试数据产生的条件是，发动机工作的转速为2000rpm，所有测试中排气阀的平均指示压力全为2bar。

图17 进气气门正时对泵气损失的影响
（发动机转速为2000rpm，平均指示压力为2bar）
在图中因为气门动作角度变短，出现了气流限制，原因是为了燃烧稳定性。

图中数据显示，因为进气气门打开时刻提前，出现了燃烧不稳定区域。

这是因为进气气门打开时刻的提前增大了气门重叠的持续时间，在这段时间内进气气门和排气气门都打开，从而导致气缸内存留了大量残余气体。

具有可变气门正时的可变气门升程技术系统可以通过选择一个进气气门正时和气门动作角度的优化结合来改善燃油效率，从而保证了所需气流和稳定的燃烧。

图18给出了可变气门升程技术发动机和传统发动机关于指示压力参数在各自设定点的比较。

可以明显看出可变气门升程技术发动机产生的泵气损失更小。

图18 指示压力参数（发动机转速为2000rpm，平均指示压力为2bar）
一个带有可变气门升程技术系统和进气气门升程和正时优化设备的实验发动机可以实现燃油经济性降低10%，条件是典型的城市工况，发动机的转速为2000rpm，平均有效压力为2bar。

在配有可变气门升程技术系统、3.7L、V6发动机中得到燃油经济性数据为在城市工况下为20mpg，在高速工况下为27mpg，然而配有进气气门正时技术、3.5L、V6的传统发动机的燃油经济性是城市工况为18mpg，高速工况为25mpg。

发动机在冷环境下的废气排放物的清洁
随着燃油经济性的发展，废气排放也实现了改善。

在发动机处于冷环境，进气门打开延迟的条件下设置较小的进气气门升程可以提高燃油雾化，因为存在压力差，提高了气流从进气门进入气缸的速度。

图19显示了在相同压力差的条件下，如何增大气缸内燃油雾化，降低气门升程。

可以证明一个小的气门升程在气门打开产生孔径情况下可以促进燃油雾化（二次雾化），原因是增大了进气门处的气体流动速度。

图19 小气门升程对燃油雾化的影响
在发动机加热过程中改善燃油经济性可以改善燃烧稳定性，因此在可变气门升程技术发动机中，可以保证延迟点火正时，延迟的角度大约为曲轴转
角20°，进而实现了与传统发动机相同的燃烧稳定性σpi（循环气缸压力分布的标准偏差）。

这样就提高了排气温度，原因为气缸延迟释放热量。

图20给出了延迟点火正时对排气温度的影响（在FTP行驶周期，发动机冷启动后，在15秒内测量的进气门催化剂温度升高了300°C）。

图20 延迟点火时刻对排气温度的影响
结果，配有可变气门升程技术发动机的汽车在加热过程中，在催化剂被激活前极大地缩短了时间，因此降低了非甲烷碳氢化合物的排放，从0.561g 降低到0.45g。

普通汽车采用传统的带有进气可变正时控制、3.5L、V6发动机。

驾驶性能的改善
首先，下面将描述全负荷发动机性能的提高。

在发动机低转速情况下，在下止点附近设置进气门关闭时刻可以防止由于活塞作用造成的气体回流，从而在低转速区域提高了扭矩。

在发动机高转速情况下，较大范围地扩大进气门升程可以增大进气门气体流动面积，因此在高转速区域提高了扭矩。

综合这些影响，可变气门升程技术系统可以在发动机整个转速范围内提高发动机扭矩。

图21显示了一个3.7L、V6发动机扭矩的改善结果，图22显示了带有可变气门升程技术、V6发动机在任何转速下的进气气门升程的优化结果。

图21 平均有效压力的改善
图22 进气气门升程图（(3.7L，V6发动机）
此外，可变气门升程技术系统对改善汽车加速响应也作出了贡献。

传统凸轮系统发动机通过安装在进气集电极上部的节气门调整进气量，再加速需要快速增大进气量，由于内部集电极空间的缘故延长了进气充量的时间。

可变气门升程技术发动机可以通过进气门升程调整进气量，极大地改善了进气充量的延迟，而不受集电极体积的影响。

图23给出了改善加速响应的一个例子，试验为一个中型汽车从油门踏板处于关闭状态（油门踏板输入为0）到处于1/8开度的加速性能。

如图所示，可变气门升程技术系统可以为汽车提供一个较快的加速启动，缩短了到达最大加速度值的时间，从油门踏板闭合起大约减少了30%的时间。

图23 中型汽车在80km/h的加速度的评估结果
结论
（1）可变气门升程技术系统作为一个带有紧凑装配简单结构多自由度机械可变气门执行机构已经被研制。