（车辆工程专业论文）电磁可变气门研究.pdf

摘要 传统的凸轮配气相位是通过各种不同配气相位的试验，从中选取某一固定配 气相位兼顾其他工况，是发动机性能的一种折衷方案，无法在运行的过程中进行 调节，发动机性能难以在各种工况下都达到优化。可变配气相位机构能使气门正 时、气门开启持续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 稳定性和降低排放 电磁可变气门机构是可变气门技术发展的最新进展之一，它能够很好地满足 上述要求，是实现发动机低能耗和低污染的发展目标一个非常有效途径。本研究 是在阅读国内外有关文献资料的基础上，对电磁可变气门技术系统进行研究。包 括发动机汽缸内熟力过程计算和进排气系统热力过程计算，设计了一套电磁可变 气门机构。通过对机械系统工作过程的仿真，研究驱动电压、弹簧刚度、质量和 涡流的变化对电磁气门的响应过程的影响，要提升电磁气门的工作性能，需要设 计好这些参数的组合。最后对电磁可变气门的硬件和软件进行设计。电控单元的 硬件设计是整个控制系统的核心内容，它决定了整个系统的功能及可靠性。本文 给出的还只是系统的基本雏形，为研究提供了实验基础条件，但距离实际工作条 件下的电控应用仍有很大差距，还需要完善和提高 关键词：发动机；可变气门正时；设计；仿真 a b s t r a c t t l 删a l 伽l g i n e s 锄v a l v e 血n i n gt h 咖g hv 描e dv a l v e 吐m j n ga 【p 朗i n 扯n 倒， 晡t hc o n 醯d e l ! i l l g0 t h 盯w o 越n gc d i t i 缸i d 辩l e c t eo ft h 锄i 蚴v 龇v a l v c 出d i 】n g ，w h i c h 印g i n ec a p a b m t y l e c 甑p 叫e c t b 龇i t sv a l v e 血n i i l gi s 喇k d ，锄d j n 砌c h 啪n o ta 由u 或d l l i i l l gw 讲髓n gc d i d o n t h e m f b 咖哩：i n e 恻l b i l i t yi s d i 佑c i l l tt ob ct h cb e s t 啪d d n g 砌| d i d 吼岫d 盯v a i i e d 删岫l i n c r yg o i n g v 撕a b l e v c 髓m i n gs y s 岫c 蛆a d j u 啦咄o r 辩v e l a lo so f p 黜e t e r v a l v c 吐m i n g ，、m 0 p e n i n g 删a n d 砌v c 雌帕鲫【d i n gt o 吼g i s 坝她嘣舢l a lc 伽【d i 6 ，缸淞t o b 嘣盯如dc 霸m 砸咖i c a la n db 甜e r m 删o f 吣鲢a n dc h 柚戚e l i 或i c 8o f p o 岷a n dc n h 粕c e m es t a b i h t y o f i m s p c e d ，锄d 础c ee m i s s i 帆 e l e c n o m h a i l i c a lv a l v e t i l a t o fi s co ft h el a t c 啦d e 他l o p m c n t so fv 撕曲l c v a l v et i m i 甥c 趾础s 每也ec 伽1 p i d m i o f p c m 脚啪c o 髓锄de x h 孤醴e m i s s i s a f t c r 圮a d i n gm a n yo v 盯s 咖删c l e s ，t h i sd i 讲l r 辩地s c a m hm ce l 臼咖岫a n i c a l v a d 曲1 ev a l v cd m i n g h c l u d ct ot h et h c m l o d ) m a m i ce n 唱yp m 路i nt h cm a 曲e c y i 讥d d e s i 弘a 啾o fe k 咖h a n i c a lv a l v c 粒n l a t 睨p 懿st o 妇u 蜥o f t h c m 扯h i n e 眄s o 锄w o f l 【p r o c e s s ，m 辩a r c hl h cv o l t a g c ，8 p 血gs t i 腼e s s ，q i l a l i 锣a n dc d d y n o wt o 他s p o n dt ot h ei n n l l e n o f 也c 讲o c 韶st om ce i n i 哪h 卸_ i c a lw l l ! i a b l ev a l v e d m i n g f i n a n yd e s i g nt h ch a i d w a 他a n d f t w a mo ft h ee l 吐咖h a n i c a lw i l i a b k v a l v e 劬咄e c u 倒t 啪i cc 伽叫u n i t ) i st h cw h o kc 眦啪t e n 协o fc 咖枞 醪s t e m t h i s 删c l e j u 髓g i v e 8 也eb a s i ca n l m 归n i cf o 珊o f t h es y s t 眦b u tm e 砧s e a 砧h 扯m a lw o d 【岫d 盯c o n d 硒o no ft h ed t l i c i t yc o n 扛o la 即h 痂mt os 6 】1h 州eav e i yb i g g a p ，a l 的地e d i n gp c 橛t 锄d 铱础【a t i 舳 e q r w o r d ：g i n e ；v 舡i a b kv a l v c 豳丑i n g ；d e s i g n ；s i 】吐i l l a l i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 趣廊 日期：d 司年月，z 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向凰家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：电廊 指导教师签名： 鲤粗 日期：d 一年# 月p 日 日期：x 9 年垆月，- 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国汽车工业的迅速发展，随之而来的汽车排放污染问题也逐渐严重。 汽车发动机如何在相同工作条件下减少污染排放、提高燃油使用效率成为人们关 注的问题。传统气门驱动系统通常只能保证在某一工况优化发动机的性能，其凸 轮型线是固定的。凸轮配气相位是通过各种不同配气相位的试验，从中选取某一 固定配气相位兼顾其他工况，是发动机性能的一种折衷方案，无法在运行的过程 中进行调节，发动机性能难以在各种工况下都达到优化。可变气门正时( v 撕龇 他呲g 简称v v r ) 机构能使气门正时、气门开启持续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， 更优异盼扭矩和功率特性，提高怠速稳定性和降低排放。改变发动机气门的开启 持续时间、升程和相位是改善发动机性能、提高热效率和减少有害排放的一种重 要途径。多年的研究表明，采用可变气门技术优化的发动机性能有很大的提升。 气门启闭时刻可调使得发动机在不同工况下均可充分利用气流动力现象，改善进 气过程。利用气门正时可适当减小或增大气门重叠角，改变废气存留量，可减少 h c 或n o x 摊放。由于气门的升程可变，在发动机低转速时，适当减小气门的升 程，可使进气气流通过气门时流速增大，增加缸内气体的扰动，使燃烧速率加快， 提高怠速的稳定性；在高负荷下适当增大气门升程，减小气门的节流损失，可提高 发动机的容积效率，有利于提高燃油的经济性 现在世界上绝大多数活塞式内燃机都采用机械驱动凸轮结构来驱动进排气 门，这些传统的配气机构气门的升程、定时和持续期都是固定不变的。这些定值 是对发动机这种运行工况下的折衷，由于它的简单，可靠、相对来说并不昂贵， 至今仍在广泛使用。但是随着不断发展的燃油经济性和降低有害排放物的要求， 迫切要求设计出能使发动机尽量减少折衷性能的配气机构许多大量建立在凸轮 驱动基础上的气门正时机构被设计出来，重新配置输入凸轮，通过计算机控制这 些与凸轮中心线相关的零件位置来控制凸轮线型来控制气门正时和升程。如表1 1 给出世界各大汽车公司可变气门机构的采用情况【1 1 第一章绪论 表1 1 世界各大汽车公司可变气门机构的采用情况 t a b e l l 1 t h c b i g a l 加咖b i l e m p a n y s 吐沁衄n o f f i a b k l v e 缸i 衅i n 也e w 讲u 年份l 蛔 l 嘲l 1 1 9 盯1 1 9 稿1 9 8 91 9 9 01 9 9 1l 嫩1 9 9 b l l 螂1 9 9 51 9 9 6 i 蛳l i 嘲l l 蛳 卸 f 两段切换】 保时捷奥迫雷诺 相位 阿尔法- 罗米欧日产奔驰宝马菲亚特杰戈娃 马自达 可变 【连续可变】 宝马丰田 福特乌i 5 器 日产 铃木 大发 气门开本田 三菱 罗孚 日产 胄一， 气九升【气门工作停止l奉田一个气门工作停止 控可变兰菱可变气缸弃驺可变气缸 目前，无凸轮气门机构主要有两种方案，电磁可变气门正时机构和电液可变 气门正时机构电液可变气门正时机构是将气门与一个液压活塞相连接，通过电 磁阀控制液压缸内高低压液体的例如和流出来控制气门的运动，美国福特公司的 无凸轮液压可变气门机构是属于该类型的典型机构【刁对于利用电磁铁产生的电磁 力驱动气门的电磁驱动来说，可以实现对气门开关时间的单独控制，减少了燃料 消耗和降低排放提供了最佳方案。目前德国f e v 公司开发的电磁控制全可变气门 机构已经有产品出现，但由于存在响应速度、气门落座冲击、能耗过高和系统昂 贵等问题，仍在进一步改进之中脚。 电磁可变气门机构由微处理器控制的无凸轮可变气门机构，可以根据变化的 工况来不断调节气门的运动参数，实现对气门的升程运动速度和开启持续时间的 控制，获得更好的燃油经济性，更高的扭矩，怠速性质。电磁驱动可变气门机构 相比之下可以比传统凸轮机构气门节省燃油1 5 左右，同时也提高了排放标准。 目前国外许多著名大学和公司都投入了大量地人力物力进行研究开发，但到目前 为止，结构和控制方面的技术都不够成熟，距实用尚有距离，还需要进一步的发 展完善 1 2 本论文主要工作 电磁可变气门正时技术是发动机设计及电子控制技术的综合应用，它取消了 传统发动机配气机构的凸轮机构，利用电磁铁产生的电磁力来控制气门运动，可 以根据发动机不同的工况来调整最佳的气门运动，从而使发动机不但具有更好的 第一章绪论 2 燃油经济性、降低排放，同时也提供了更大的扭矩和功率，增强了怠速的稳定性。 本文根据一些国内外关于发动机气门的研究资料，对电磁可变气门系统进行了理 论研究，主要做的研究如下： 一、通过对燃料燃烧计算，建立汽缸内燃烧模型，并分析系统进排气热力学 过程； 二、设计了一套电磁可变气门机构系统； 三、建立系统模型，通过软件分析系统在电压、弹簧刚度及运动质量变化对 电磁可变气门的气门升程、电磁力及响应时间等的影响； 四、设计一套可以驱动电磁可变气门的控制系统及相应的软件、硬件 1 3 本章小节 可变配气相位机构能使气门正时、气门开启持续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排放。 第二章可变气门的研究和发展状况3 第二章可变气门的研究和发展状况 2 1 可变气门正时的分类 可变气门正时机构按结构特点和驱动方式的不同，可分为凸轮驱动机构和无 凸轮驱动机构两大类。凸轮驱动可变配气相位机构研究时间相对较长，机构相对 简单可靠，在汽车上已有应用。随着微电脑技术的发展，无凸轮驱动可变配气相 位机构成为最近2 0 年来研究的新领域，由于其涉及液压、电磁、电子等多个领 域，结构较为复杂 2 2 凸轮可变气门机构 在现代凸轮结构中，可以重新配置输入凸轮，可以通过计算机控制这些与凸 轮中心线相关的零件位置来控制凸轮线型来控制气门正时和升程，或者通过不同 线型凸轮的组合使用来控制不同转速范围内的气门下面是几种常见的有凸轮结 构。 一、本田( 1 i o n 血) 公司的三段式v 狂虻( v 撕a b k 啊m i n g a n d u f t 目n 伽曲 c 埘i t 1 ) ： 、呵e c 配气机构( 如图2 1 ) 的每个气缸和一般发动机同样配置有双进双排气 门，但它的两个进气门有主、次之分，主、次气门由相应的主、次摇臂和主、次 凸轮来驱动在主、次摇臂中间设有一个中间摇臂，它不与气门接触，三个摇臂 并列一起在摇臂轴上转动。在主、次凸轮中间有一个中间凸轮，三个凸轮的升程 也各不相同，中间凸轮的升程最大，它是按发动机双进双排气最佳输出功率的要 求设计的；主凸轮升程小于中间凸轮，它是按发动机小负荷低速工作时单气门开 闭要求设计的；次凸轮的升程最小，作用是发动机小负荷低速运转时，通过次摇 臂稍微打开次气门，避免燃油聚集在次气门口中间摇臂的一端和中间凸轮接触， 另一端在低速时可自由活动三个摇臂在靠近气门一端均设有一个油缸，油缸中 安置有活塞它们依次为正时活塞、主同步活塞、中间同步活塞和次同步活塞嗍此 外m i t 洲d ，i 公司的m e c 机构与三段式国c 原理很类似。它们都已成为产品 在车上应用，取得了较好的效果 第二章可变气门的研究和发展状况4 图z l 本田( 舶n d a ) 的三段式y 贮 融z 1 n 血b v a r i a b k 髓l n i 甥a n d l j f t e k g 帅面cc 删叫 二、意大利f i 砒公司三维凸轮机构( 如图2 2 ) ，它是一个三维凸轮机构嘲。 一个带有锥度外廓的凸轮和装有可倾斜式垫块的挺柱相接触。凸轮轴的轴向移动 使得凸轮的不同部分和挺柱相接触，导致气门升程和配气相位发生变化。基圆半 径沿凸轮轴的轴向是不变的，但凸轮升程沿轴向改变，故垫块必须随凸轮轴旋转 变化它的倾斜角。当凸轮轴转速发生变化时，凸轮轴端部的调速器拖动凸轮轴产 生轴向移动，使得气门升程和配气相位同时发生改变。该机构可以在气门升起、 回落特性上进行控制。 图z 2 f - m 三维凸轮机构 h 善2 2 眄a r im r - d i m e 琳h 阻ic 童mm h 岫m 三、德国b e 越公司可变气门正时机构( 如图2 3 ) 它们通过在正时皮带轮( 或 链轮) 与凸轮轴内轴之间设置一环形柱塞，凸轮轴内轴与环形柱塞之间以直键或花 键传动；在电子控制下改变正时皮带轮与凸轮轴内轴之间的相对相位，使气门配 气相位改变。该机构己用于r o a d s t e r 系列的v s 发动机婀。 第二章可变气门的研究和发展状况 5 图z 3b c m 可变气门正时机构 e 擘2 3b 蛐酽硼f i a b l e 垤l v e 血血n gm h 蜘曲m 前面三种由于保留了凸轮，其调节能力仍受到原凸轮型线的限制。后面介绍 的几种取消凸轮，直接由电磁、电液等方式驱动气门，可实现按工况的变化全程 调整气门的运动参数，即实现对气门升程、气门运动速度、气门开启持续时间和 配气相位的灵活独立控制。从而更好的优化发动机的性能。 2 3 无凸轮可变气门正时机构 近2 0 年来，有多家机构对电液气门驱动进行过或正在进行研究。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。气门加速时流体的势能转化为气门的动能，气门减速时气门的动能又转 化为流体的势能，在整个过程中能量损失很少电液气门驱动机构一个重要优点 是除了气门正时外，气门升程也可根据发动机工况需要而改变，这对取消节气门 用进气门控制负荷尤其有利电液气门驱动机构的主要问题是响应速度不够高、 气门落座冲击、能耗过大和系统复杂等【7 】。 2 3 1 电液式可变气门机构 f o n 公司的电液气门驱动工作原理( 如图2 4 ) 圆，将气门与一个液压活塞相 连接，通过电磁阀控制液压缸内高压和低压液体的流入和流出，从而控制液压活 塞气门的运动。液压活塞与气门相连，活塞上端面的液压腔可连通高、低压源， 第二章可变气门的研究和发展状况 6 下端面的液压腔则只能连通高压源。通过两个电磁阀的适时开、闭可实现气 门的开启和关闭。驱动单个气门的实验表明，该电液气门驱动系统可达到相当于 发动机转速在8 0 0 0 妇血下的响应速度；在上液压腔增加一个缓冲室后，门落座速 度可降到o 1 m ，s 以下【鲍。 图z 4f b n 电液式可变气门正时机构 h 蓦z 4f h t oh y 山铷l k cw i r i 鱼b kv a h et i 】她m 池n i s m 2 3 2 电磁式可变气门机构 电磁驱动气门机构由最初的无弹簧式及后来的单弹簧式发展到目前的双弹簧 式。 一、无弹簧电磁气门驱动机构 图z 5 无弹簧电磁气门驱动机构 f 嘻z 5e l e c 的雎g n c 吐c 强f i a b k 诅i 血曲喀m 鲥h n i 矗mw i 恤1 皿。研雌 第二章可变气门的研究和发展状况 7 这是最早的电磁可变气门正时机构，原理如图2 5 所示唧。上下是两个相对放 置的电磁铁，中间是连接发动机气门的做往复运动的衔铁。上下电磁铁线圈交替 通电和断电，使得衔铁上下运动，从而实现气门的开启和关闭 图幺6 单弹簧电磁气门驱动机构 e 参2 6e l e 曲m a 掣e 酏矗矗b l c 憎1 wt i m i n gm h 面o mw i 血s i n g l es p 血g 二、单弹簧电磁气门驱动机构 这类结构由一个电磁铁、一个储能弹簧以及衔铁和气门组成。工作原理如图 2 6 【i 川，发动机不工作时气门在弹簧作用下处于关闭状态，当气门要开启时，向电 磁铁线圈内通入电流，使所产生的电磁力克服弹簧力以打开气门然后向电磁铁 线圈通较小电流，使气门保持全开电磁铁线圈断电时，气门在弹簧力的作用下 关闭。 单弹簧电磁可变气门正时机构存在的缺点是；不能实现气门的软着陆，同时 存在响应速度慢和能耗过大等缺点因而也不是研究的主流方向。 三、双弹簧电磁可变气门正时机构自1 9 7 5 年l 0 n g 啦斌衄e t h 和琢 l 锄坼船s t 姐l e y 提出后n 】，经过不断的研究和发展，目前在国外已经较为成熟，并且已经开始装 车试用场，双弹簧电磁气门驱动机构如图2 7 所示主要由两个相同的电磁铁、一块 衔铁、两个相同的弹簧和气门组成。发动机不工作时，线圈l 和线圈2 均不通电， 气门半开半闭；发动机启动时，气门驱动装置初始化，控制系统根据曲轴转角判 定气门此刻开、关状态，使线圈1 或线圈2 通电，电磁力克服弹簧力，将气门关 闭或开启气门处于开启状态时，线圈i 不通电，线圈2 则通电，使电磁力等于 或大于弹簧力以保持气门开启要关闭气门时，线圈2 断电，衔铁和气门弹簧力 第= 章可变气门的研究和发震状况 8 的作用下向上运动，同时线圈l 通电，电磁力帮助气门快速运动至关闭位置。此后 线圈l 继续通电，使气门保持在关闭状态。需要开启时，线圈l 断电，衔铁和气 门在弹簧力作用下向下运动。如此循环往复该机构缺点是：气门落座冲击与噪 声大，磨损严重，电磁响应速度慢，尺寸大，能耗高，为防止线圈过热，需要冷 却和润滑。a u 穗s y 姚8 、f e v 、g m 公司和通用汽车公司均采用了这种气门驱动 机构m 图2 7 双弹簧电磁气门驱动机构 f 嘻2 6e l 缸o m 印a 血f i a b l e 豫l 鸭t i 面n gm h a n 虹mw 曲面i i b k8 p f i 雌 电气气门驱动：电气气门驱动的工作原理与电液气门驱动相似，只不过将液 体换成了气体与电液气门驱动中采用的液体相比，空气的粘度低，且粘度受温 度的影响小，惯性小，这些都有利于提高电气气门驱动的响应速度；但空气具有 可压缩性，会削弱采用它作为介质带来的好处。同电液气门驱动一样，电气气门 驱动也有气门落座冲击、能耗大、响应速度不够及结构复杂等问题 2 4 本章小节 本章对发动机可变气门正时进行分类。凸轮式可变气门正时目前还是比较常 用的机构，主要原因就是：凸轮驱动可变配气相位机构研究时间相对较长，技术 比较成熟，而且机构相对简单可靠，在汽车上已有大量应用实践，并且相对无凸 轮机构其制造成本较低。但是，随着汽车技术的不断进步、燃油的日益紧张以及 各国对汽车尾气排放标准的不断完善，传统的凸轮可变气门已经逐渐不能适应发 展要求，无凸轮驱动可变配气相位机构开始被逐步运用到汽车上主要的原因是： 由于取消了凸轮轴及其相关零部件，从而简化了内燃机的结构，减小了内燃机的 第二章可变气门的研究和发展状况 9 重量和高度，使得内燃机结构更为紧凑。同时，增大了气门布置的灵活性，使气 门不是必须布置在与凸轮轴中心线相垂直的平面内，实现了气门设计的柔性化， 因而能使换气过程与燃烧室匹配得更好；能灵活、单独、精确地控制气门的运行 气门运行参数包括气门正时、气门开启持续时间以及气门升程等。控制气门正时、 开启持续时间以及升程能使换气过程更加完善，优化内燃机的工作性能：可以通 过改变气门的配气相位来改变多燃料发动机的有效压缩比，以适应不同燃料的要 求。鉴于无凸轮驱动可变配气相位机构的上述优点，无凸轮驱动可变配气相位机 构必将逐渐取代凸轮驱动可变配气相位机构，成为研究的熟点。 第三章y v t 系统总体设计】o 第三章w t 系统总体设计 3 1 发动机相关理论 发动机的性能指标，要进行发动机性能改进，首先要介绍发动机有关的性能 参数，以便后面计算方便。 评价一台发动机好坏，需要有一批性能指标来衡量。常见的性能指标有动力 性能指标、经济性能指标、运转性能指标、和可靠性、耐久性能指标等n 习其中 包括一些主要概念： 一、有效转矩 发动机曲轴输出的平均转矩称为有效转矩，以t 表示，单位为辨。有效转 矩与外界施加与发动机曲轴上的阻力矩相平衡，可以用发动机台架试验方法测得。 二、平均有效压力 指单位气缸工作容积所输出的有效功率，以p 。表示，单位七p 口平均有效压 力越大，动力性能越好。 三、有效功率 发动机曲轴输出的功率称为有效功率，以表示，单位为| 形。它等于有效转 矩和曲轴角速度的乘积，即式3 1 ： 只= 瓦等枷4 = 盅 ( 3 - ) 式中：互有效转矩( 辫) 玎曲轴转速( 恤) 。 有效功率也可以由下式3 2 计算： 只= 紫 g 2 ) 式中：p 。平均有效压力( 丘p 4 ) e 气缸工作容积( m ) 第三章、w 系统总体设计 一曲轴转速( 恤) f 气缸数 f 冲程系数，二冲程，f = i ；四冲程。r = 2 发动机制造厂按国家规定标定的功率，称为标定功率。在以标定功率运行时 的发动机转速称标定转速。 发动机还常用升功率只( 单位为i 州工) 来比较发动机动力性能。它是指发动 机在标定工况下每升气缸工作容积所发出的有效功率，即式3 3 只= 寺 ( 3 3 ) 四、燃油消耗率 每小时单位有效功率消耗的燃油量称为燃油消耗率，单位为g ) ，用以 表示。其可按下计算： 6 = 号1 0 3 g 4 ) 式中：曰发动机每小时消耗的燃油质量( 坛， ) 发动机的有效功率( 辐，) 五、有效热效率 燃料中所含的热量转变为有效功率的比例称为有效热效率，用玑表示，下式 3 5 仉= 鲁 汽油机发动机仉一般为0 3 左右 3 2 配气参数对发动机性能影响 理论上讲发动机的四个行程各占1 8 0 。，也就是说进、排气门都是在上、下止 点开闭，延续时间都是曲轴转角1 8 0 。但实际表明。简单配气相位对实际工作是 第三章、n ，t 系统总体设计 很不适应的，它不能满足发动机对进、排气门的要求。 对实际的配气相位分析后，为了使进气充足，排气干净，除了从结构上进行 改进外( 如增大进、排气管道) ，还可以从配气相位上想办法从示功图中可以看 出，活塞到达进气下止点时，由于进气吸力的存在，气缸内气体压力仍然低于大 气压，在大气压的作用下仍能进气；另外，此时进气流还有较大的惯性由此可 见，进气门晚关可以增加进气量进气门早开，可使进气一开始就有一个较大的 通道面积，可增加进气量。在做功行程快要结束时，排气门打开，可以利用作功 的余压使废气高速冲出气缸，排气量约占5 0 。捧气门早开，势必造成功率损失， 但因气压低，损失并不大，而早开可以减少排气所消耗的功，又有利于废气的排 出，所以总功率仍是提高的。 由于进气门早开，排气门晚关，势必造成在同一时间内两个气门同时开启。 把两个气门同时开启时间相当的曲轴转角叫作气门重叠角在这段时间内，进、 排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，而重叠时间又很短，不至于混乱，即 吸入的可燃混合气不会随同废气排出，废气也不会经进气门倒流入进气管，而只 能从排气门排出；进气门附近有降压作用，有利于进气。 优化气门正时可以提高充气效率，当发动机高速运转时，进气门更早开启， 则在上止点附近气门流通面积增加，新鲜空气量增加，充气系数提高；推迟气门 关闭，可以充分利用进气充气的惯性增压效应，实现补充进气，提高充气系数从 而提高扭矩；低速时，考虑到进气门与活塞的避免碰撞，进气门的提前角可以适 当减少为使空气不会倒流回进气管，不再推迟进气门关闭，也使发动机扭矩曲线 更平稳。 发动机处于低速运转时，尤其是在怠速阶段，缸内涡流强度减弱导致燃烧速 度不足。推迟进气门开启时间，减少气门的有效流通面积，可以提高进气速度， 加强进气涡流，提高燃烧速率，获得较高的循环效率，另一方面也阻止了气门与 活塞的碰撞。 发动机的泵气损失是进气和排气过程中活塞克服气体阻力所作的负功，在传 统配气机构中由于气门引起节流，导致较大的泵气损失，而可变气门机构其气门 升程和开启时间根据发动机工况可以随时调整，使气门引起的节流作用降低到最 小，从而大大降低泵气损失。 3 3 燃料燃烧 汽油机对燃料供给系的基本要求： 第三章v v t 系统总体设计 可燃混合气体通常用空燃比来表示( a f ) ，空燃比是每个工作循环充入气缸 的空气量和燃油量的比。发动机的输出功率是可燃气体燃烧时产生的膨胀力推动 活塞而产生的在理想状况下，理论的空燃比一般是略低于1 5 。当空燃比稍小于 理论空燃比，即在1 3 5 1 4 时，因为空气中燃油偏多，氧气能充分反应，此时火 焰温度最高。当空燃比大于理论值，即在1 6 左右的时候，此时燃油可以完全燃烧， 经济性最好。 可燃混合气体的浓度也可以用过量空气系数来表示，过量空气系数是气缸内 实际空气量与喷入气缸内的燃料完全燃烧所需的理论空气量的质量比，通常用九 来表示不同工况，发动机对可燃混合气体浓度的要求不同。 不同工况对混合气体浓度的要求： 怠速工况，汽油机转速一般为7 0 0 9 0 0 r m i n ，进入气缸内的混合气体很少， 气缸内残余废气对混合气稀释严重，而且转速低，空气流速小，汽油雾化和蒸发 不良，混合气体不均匀，所以要求供给丸= 0 6 o 8 的浓混合气。 小负荷工况，发动机负荷在2 5 以下，混合气体数量比怠速时有所提高，混 合气体浓度可以略微减小，丸= 0 7 5 0 9 。 中等负荷，负荷在2 5 8 5 之间，进入气缸内的混合气体数量增多，燃烧 条件较好。此外，汽油机在大部分中等负荷的工作条件下，为提高其经济性，供 给较稀的混合气体，丸= 1 0 1 1 5 大负荷是在负荷8 5 以上，负荷1 0 0 称为全负荷。此时，为了克服较大的 j 外部阻力，要求发动机发出尽可能大的功率因此，应供给较浓量多的混合气，死 = 0 8 5 0 9 5 。 3 3 1 汽缸内热力过程计算 一、汽缸内热力过程计算方程1 4 1 习 汽缸内的工作过程是很复杂的，它包括物理、化学、流体、传热等综合过程。 为了描述汽缸内状态变化，视汽缸为一个热力系统，系统的边界由汽缸壁、活塞 和汽缸盖组成。系统内状态有压力p 、温度t 、质量m 三个参数组成，利用理想 气体状态方程、能量守恒方程和质量守恒方程建立联系，求解三个参数。 为了计算简便，下面做几个假设：汽缸内各处瞬时物质压力、温度和浓度相 等；汽缸内气体为理想气体；气体在进出口流动视为层流且动能忽略不计 第三章v 、丌系统总体设计1 4 能量守恒方程式3 6 ： 掣= w 尝+ 警一警一k 鲁 4 44口d444 理想气体状态方程式3 7 ： p 。2 寺幌兄乏 ( 3 刀 式中，皇粤! 尘是缸内内能的变化，一p 。譬是活塞对外的机械功，! 暨是燃 4 4似却 料燃烧释放能量，! 譬是壁面传热损失，j i _ 。竺磐是进出汽缸的焓流，是 4 44 4 缸内气体质量，p 。缸内压力，y 汽缸容积，q ，燃料能量，q 0 壁面热量损失，口曲 柄转角，囊。流动焓，! 亨质量流动率。 二、汽缸及气道的传热模型叼【1 7 l 【1 叼 燃烧提供的能量有一大部分损失在传热上，热能损失直接影响了发动机的效 率，还使发动机零件产生热应力实验数据统计，工质在压缩、燃烧和膨胀过程 中，通过汽缸壁各部分向外散发的热量损失引起的发动机效率和热效率下降大约 占视理论混合循环的功率和热效率的l o 。汽缸壁的传人是很复杂的，它具备着 传热的三种基本方式导热、对流和辐射，其中对流是传热的主要方式。此外，它 是在传热面积和工质状态，包括压力、温度、相对汽缸壁各部分的对流速度等变 化的情况下进行的。所有这些都使内燃机的传热问题，要从理论计算上获得解决， 尚有不小的困难。 工质向汽缸盖底面、活塞顶面和汽缸套的湿润表面等燃烧室各面的换热量q 0 是能量守恒方程的一部分。可以通过下式3 8 计算得到： 级= a 口。纯一乙)( 3 8 ) 式中q 0 为能量损失( 汽缸顶、活塞、汽缸套) ； 为换热面积( 汽缸项、活 塞、汽缸套) ；为换热系数；乏为汽缸内温度：乙为壁面温度( 汽缸顶、活塞、 汽缸套) 计算工质和燃烧室各壁面的瞬时换热量的关键是确定瞬时平均换热系数a 0 ， 通常使用w b 踮h n i l 9 7 8 、w r o h n i l 9 帅、a i 咖m d i i o h c n b e 喀等传热模型对汽缸内 第三章、r v t 系统总体设计 换热系数进行计算。本文采用w | o h n i l 9 7 8 来计算换热系数，下式3 9 。 铲啪俨掣矿卜吩糟忆圪圹， 式中；c i = 2 2 8 + 0 3 气，q ：c 2 = o 3 2 4 ( 直喷) 或c 2 = o 0 0 6 2 2 ( 非直 喷) ：d 为缸径；q 为活塞平均速度；为汽缸工作容积；巳为倒拖过程压力线； 死为进气门关闭时汽缸内温度；匕为进气门关闭时汽缸内压力；c 为缸内压力。 在气体交换过程中，经常还要考虑迸排气道的传热。由于气门及气门座区域 具有较高的温度及换热系数，所以热量传递也较多。用修改过后的z a p f 热传递模 型式3 1 0 ： l ：眈一l ) 。( 鸣南) + l( 3 1 。) 三、燃烧模型切嗍 模拟燃烧过程最简单的途径是直接给出燃烧放热率。燃烧放热率曲线的拟合 是发动机工作过程模拟及优化计算的关键。燃烧放热率与缸内压力变化的历史有 密切关系。计算方法有三种：用实测示功图计算燃烧放热率；利用半经验公式模 拟燃烧放热率；用实际燃烧的物理化学过程建立简化燃烧模型合流体动力学模型。 下面采用半经验公式的单韦伯及双韦伯燃烧模型。韦伯函数由燃烧起始角、燃 烧持续期瓯和形状参数m 三个参数就可以确定下来。这些参数或者通过试验和 实测示功图来确定或者通过相似机型的类比加以确定。单韦伯函数由下式3 1 l 确 定： 要：白+ 1 ) y - 口 ( 3 1 1 ) d 口 a 、 。 7 出；丝v ：业 q 。 以 式中q 为输出燃料的总能量，口为曲柄转角，为燃烧起始角，q 为燃烧 持续角，m 为燃烧品质指数，口为v i b e 参数( 完全燃烧时口= 6 捌略) 四、进捧气流量计算 流经进排气道的流量以流经小孔的等熵流动为基础进行计算，用在稳流实验 台上测试的气道流量系数进行修正流量方程式3 1 2 ： 第三章v 、盯系统总体设计 1 6 鲁啼氐甲 式中等为质量流率，a 彳为瞬时几何流截面积，p 。为气门前工质压力，乙为 气门前工质温度，兄为气体常数。对于亚音速范围，计算式3 1 3 ； v = ( 3 1 3 ) 式中p ：为气门后工质压力，七为绝热指数对于超音速范围计算式3 1 4 ： 甲叱= 皓r 辱 有效流通面积可由下式3 1 5 决定： 如= 胪字 ( 3 1 5 ) 式中，灯为流量系数，以为气门座直径。 流量系数随着气门升程的变化而变化，通常由实验确定。气流流经进排气阀 的流动，本质上是一种在气阀开度不断变化，气阀前后压力降也不断变化的不稳 定流动，但在实验过程中将它作为准稳定流动来考虑，即是认为在各个瞬间，气 流是在固定气阀升程和压力降之下，按稳定流动通过气阀的。质量流速霉、上游 压力p 。和温度乙，下游压力p ：均由实验测出然后计算出有效流通截面 f 和流 量系数。 3 3 2 进排气系统热力过程计算 一、管内一维非恒定流动的解法阎【捌 描述进、排气系统内工作过程的方法有特性曲线法和容积法，本文采用容积 法对进、排气系统参数进行计算。整个管道系统被分成很多的体积，这样每个流 动单元都有一个小体积代表，每个管道也被分成很多的体积。这些体积由边界连 接，主要的变量有密度、能量、压力、温度、流动速度等。 连续性方程式3 1 6 ： 第三章、r 、丌系统总体设计1 7 害一掣节口去罢 6 ， 盘a a 出 掣= 一掣吵一三差专7 ， a | 知 缸y 詈= 一掣一h 国+ p ) 去罢+ 等g 船，a缸 、 a 出y 式中：p 为密度，“为流动速度，善为管道轴向坐标， 为管道横截面积，f 为 时间，p 为静压力，吒为管道壁的摩擦力，y 为单元体积( a 出) ，嚣为气体的总 能量( p 石丁+ 三p 2 ) ，勺为定容比热容，r 为温度，鼋，为管壁热损失。 由管壁的摩擦系数可以得出摩擦力，公式3 1 9 如下： 等= 去吵h h ( 3 聊 y2 d 7 式中：以为管道壁摩擦系数，d 为管道直径。 摩擦损失是根据雷诺数和壁面摩擦计算得到的，对于光滑壁面来说： 乃：= 兰。层流 乃2 面层抛 一= ：笋冬紊流 ，= = 氏况 。 r c d ” 当壁面有摩擦时，流动不是层流，摩擦值要大一些，用下面的公式3 加计算： 护南 式中：r e 。为基本管道直径的雷诺数，d 为管道直径，矗为粗糙度。 模型中的摩擦因子和小碎片流动在必要的时候可以用作计算摩擦的尺度。小 碎片流动的壁面通常假定是光滑的，为了将摩擦记入其中，用到摩擦因数。 第三章、m 系统总体设计 为式3 2 l ： 铲筹 1 ) 式中：p ：为第二部分的静压，。为第一部分的静压，p 为内部密度，k 为 内部速度。 热传递是流体与管道壁面的热转换，是由热传递系数计算的，热传递系数是 在每个时间步进由流体速度、热物理性质和管壁表面计算的，表面粗糙度对热传 递系数有很大的影响，特别是对于铸铁和铸铝件，热传递系数定义式3 2 2 如下： 以= 寺乃p c ，刃i ( 3 2 2 ) 式中：乃为摩擦系数，p 为密度，u ，为外边界层的有效速度，c ，为比热， b 为普朗特数( 对于空气办= o 7 ) 。 管道的壁面温度是根据初始温度和管内外的热传递还有管壁的容热能力计算 出来的。 在不同转速工况下，使开系统能够与发动机热力循环过程合适匹配，而达 到提高发动机扭矩、经济性和排放性能是设计可变气门系统的关键。 低速时，采用较小的气门重叠角和较小的气门升程，防止出现汽缸内气体向 迸气管倒流，提高燃油经济性；高速时应具有较大的气门升程和进气门迟闭角， 最大限度地减小流动阻力，充分吸气，以满足动力要求。配合上面的变化，对进 气门开启和关闭的升程和持续期进行正时控制，到达最佳的进气正时总之，理 想的气门正时应当是根据发动机工作的情况做出即时的调整。 3 4 机械系统整体设计 根据电磁可变气门的工作过程和工作特征可知，该机构的设计过程中涉及到 磁性材料的选择、磁性材料的热处理、静铁心与衔铁的合理设计、弹簧的选择以 及电磁气门整体装配定位连接件的设计等多方面内容。初步设计中选用额定转速 为2 0 ，m i n ，气门升程为8 榭i 的机械系统。 3 4 1 整体装配联接设计 第三章v v t 系统总体设计 电磁阀装配联接用以保证电磁阀的上下静铁心之间，衔铁和静铁心以及气门 中间的准确定位和合理安装。 合理设计装配联接关系有利于通过调整两个静铁心之间的距离，来保证气门 升程的精确调整；有利于保证静铁心和衔铁之间工作间隙的均匀性，使电磁阀产 生的作用力指向运动方向，对运动阀杆不产生弯曲力矩，从而减少由于弯曲力矩 造成的阀杆磨损和不同电磁阀运动功率的差异等。 如图3 1 所示，电磁阀上下静铁心利用电磁座定位，套筒内圆面为定位面确 保上下静铁心的同轴度。衔铁和气门之间的定位依靠衔铁锥孔内表面，确保衔铁 和气门的垂直度和同轴度，它们之间为接触连接。外壳体和下底座之间的定位及 联接依靠下预紧螺栓；上客体和电磁铁座之间的定位及联接依靠紧固螺钉 在发动机不工作时，气门是处于半开半闭状态的，此时衔铁应处于上下静铁 心之间的中点位置。另外由于铁磁体受到反复撞击时会有磁性能明显减退，为了 避免衔铁撞击铁心，采取下面措施：在气门关闭时，衔铁与上下静铁心之间的残 余间隙通过调整垫片来调节，在气门全开时，让衔铁下端凸台地面与气门导管上 端面相接触，而衔铁不接触下静铁心。 第三章v v t 系统总体设计 图3 1 电磁可变气门整体装配图 h 蓦3 11 1 l e 鲥血gd m v i 雌o f c l c c 柚蛐哪础聊讪l cv 村 吐面雌m 衄出m 3 4 2 磁性材料的选择 电磁气门机构中电磁系统设计是整体设计的关键，而磁性材料的合理选择是 电磁系统设计的基础 在研制电磁气门的初期，借鉴了国内外科研机构的研究经验，选用软磁材料 作为机构的磁性材料软磁材料的特点是磁导率大，磁滞损耗小，它适用于旋转 电机、变压器、各种电器的电磁机构以及其他要求磁感应强度大而能量损耗少的 电工装置属于软磁材料可以选择的材料有：钢铁、硅钢、坡莫合金和软磁铁导 体等。 软磁材料经过机械加工后，其金属材料内会产生内应力，会降低材料的磁导 率，因此需要在加工成形后进行退火处理来改善磁性能。 第三章、w t 系统总体设计 3 4 3 静铁心和衔铁的设计 电磁铁虽然使用汽车上的直流电源供电，但是实际上是用p 咖方式驱动的， 即利用脉冲直流信号来控制电磁铁线圈中的电流，由于电流是变化的，所以通过 其磁路的磁通是随时间作周期性交化的交交磁通，这样电磁铁的磁导体中必然会 产生磁滞损耗和涡流损耗，因此在设计时不能将其简单视为直流电磁铁进行设计。 静铁心和衔铁结构的合理设计是磁路设计中的关键环节，因为合理的结构设 计可以确保磁路漏磁少，使得整个电磁阀具有电磁力大。能耗小等优点，使系统 能够满足高速、强力的要求 在双弹簧电磁气门结构中，电磁铁主要有三种结构方式，一种是f 公司设 计的长方形电磁铁“1 ，静铁心外型近似为长方形，衔铁形状为长方形，双弹簧分别 放在上下静铁心的上面和下面，虽然纵向尺寸增大了，但使整个电磁铁的横向尺 寸减小；另一种是a l l r as y s t 蛐s 公司设计的圆柱形电磁阀嘲，双弹簧放置在静铁 心的中间，静铁心外形为柱状，衔铁为圆盘形；还有一种是s i m e n s 公司设计的外 形为矩形的电磁阀嘲，其静铁心采用长方形的铁磁材料，主要是为了减少能量消 耗，双弹簧也是分别在上下静铁心的上面和下面，这有利于在有限的空间内布置 更多的发动机气门。 本篇文章选择类似s i m e n s 公司的设计方法，设计矩形电磁铁机构，用高电阻 率的硅钢片叠在一起制作磁导体选择这种结构是出于下面几点考虑的：该结构 设计方式可以减少磁滞损耗和涡流损耗；为电磁线圈提供了较大的散热面积；结 构简单，刚度好，且容易加工。 一，静铁心设计如图3 2 所示，静铁心采用矩形硅钢片制作成叠片式结构， 制作时先把硅钢片冲制成需要的形状，然后再叠合到所需要的厚度，最后再用铆 钉把这些冲片铆装在一起成型电磁铁要获得较大的电磁力就需要有足够的电磁 作用面积，电磁阀只有产生足够大的电磁作用力才能保证气门的快速开启和关闭。 因此在设计时应充分考虑电磁作用力的余量。经过校核计算后，选择的尺寸为 工= 7 0 栅，日= 3 5 姗。 第三章y y t 系统息体设计 圈3 2 静铁心截面设计图 f 嘻3 2 t b e d 髂i 扣血a w i 雌o f 8 t d s t i l l 如n 二、衔铁的设计如图3 3 所示，在电磁阀中衔铁一方面与静铁心共同构成磁 路产生电磁力，另一方面又与气门、气门座、双弹簧构成系统的运动质量。为提 高系统的响应速度，应尽可能减少运动质量，但与静铁心构成有效磁路，衔铁又 必须满足一定尺寸的要求。设计尺寸时候，考虑到衔铁的最大外径略小于