（光学工程专业论文）全可变机械驱动式气门升程控制系统的仿真与研究.pdf

| j 一 ( t ? 、 u t i c s s i m u l a t i o na n dr e s e a r c ho nf u l l yv a r i a b l e m e c ha n i c a la c t i o nv a l v el i f tc o n t r o ls y s t e m a t h e s i si n v e h i c l ee n g i n e e r i n g b y w ud i a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n gh a i q i n g s u b m i a e di np a v i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 4哪42m 21洲8 删y一l 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：墨丛 日期：型里：圣：墨里 广 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 现代高科技的发展已将汽车发动机的节能、增效、低排放作为“节能一高效一环保”一体 化课题进行综合研究和技术开发。配气相位固定不变的限制已越来越显得不适应节能和排放要 求。为此，可变气门驱动( v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n ，简称为v v a ) 技术已成为汽车发动机研究重 点方向之一。 完全可变气门技术包括连续可变气门正时技术和连续可变气门升程技术，可以根据发动机 不同工况实施不同的配气相位和气门升程，满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时 的要求，全面提高发动机在动力性、经济性和怠速稳定性等方面的综合性能。具体来说，可变 气门技术在部分负荷时利用进气门早关或进气门升程减小的方法控制进入缸内的混合气体，实 现无节气门的负荷控制方式，从而减少泵气损失、改善汽油机燃油经济性。而且，由于气门升 程较小，提高流过气门的气流速度，可以改善汽油机低速小负荷工况下燃油与空气的混合，进 而改善燃烧过程。 本课题主要对全可变机械驱动式气门升程控制系统进行研究，简要分析了连续可变气门正 时( v v t ) 系统、连续可变气门升程( v v l ) 系统的工作原理，并对b m w 发动机v a l v e t r o n i c 连续可变气门升程机构相关机械零件进行了测绘和曲线拟合；用c a t i a 几何建模软件建立了三 维实体模型，通过c a t i a 运动学仿真分析模块得到了不同偏心轴转角下的气门升程曲线；推导 了全可变气门机构运动学数学模型，用m a t l a b 软件编程计算了不同偏心轮转角下的气门升 程曲线。该气门机构运动学数学模型的仿真结果与c a t i a 几何模型运动学仿真分析结果一致， 证实了该数学模型的正确性，为设计连续可变气门升程机构提供了理论依据。 关键词：机械式全可变气门机构，可变气门升程，可变气门正时，数学建模，运动学分析 全可变机械驱动式气门升程控制系统的仿真与研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mh i g h t e c h ，e n e r g y - s a v i n g ，e f f i c i e n c y , l o we m i s s i o n sh a sb e e n t h en e wr e q u i r e m e n t st oa u t o m o b i l ee n g i n e ；”e n e r g ys a v i n g - h i g he f f i c i e n c y - e n v i r o n m e n t f r i e n d l y ” h a sb e e na ni n t e g r a t i o no ft h es u b j e c tw h i c hn e e d st e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n ta n dc o m p r e h e n s i v e r e s e a r c h f i x e dl i m i to fv a l v et i m i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r eu n s u i t e dt ot h er e q u i r e m e n to fe n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o nr e q u i r e m e n t s t ot h i se n d ，v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n ( v v a ) t e c h n o l o g yh a s b e c o m eak e yd i r e c t i o no f t h ea u t o m o t i v ee n g i n er e s e a r c h v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o nt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gc o n t i n u o u s l yv a r i a b l ev a l v et i m i n gt e c h n o l o g y a n dc o n t i n u o u s l yv a r i a b l ev a l v el i f tt e c h n o l o g y , w h i c hc a nc h o s ed i f f e r e n tl e v e l so fg a sp h a s ea n d v a l v el i f ta c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n so ft h ee n g i n et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fe n g i n ea th i g h s p e e da n dl o ws p e e d ，h e a v yl o a dw i t hs m a l ll o a d s oi tc a ni m p r o v et h ep o w e r , e c o n o m ya n di d l e s t a b i l i t yo ft h ee n g i n ec o m p r e h e n s i v e l y s p e c i f i c a l l y , w h e nt h e r e sp a r to fl o a d ，t h ev a r i a b l ev a l v e a c t u a t i o nt e c h n o l o g yc o n t r o lt h eg a sm i x t u r ei nt h ec y l i n d e rb yt u r n i n go f ft h ei n t a k ev a l v ee a r l yo r r e d u c i n gi n t a k ev a l v el i f t i nt h i sw a y , i tm a k e st h r o t t l e - f r e el o a dc o n t r o lm o d ec o m et r u e ，a n dr e d u c e t h el o s s e so fp u m p i n g ，i m p r o v e st h ef u e le c o n o m yo fg a s o l i n ee n g i n e m o r e o v e r , t h es m a l l e rv a l v el i f t i m p r o v e st h ef l o ws p e e d ，s oi tc a ni m p r o v et h em i x t u r eo ff u e la n da i rw h e nt h eg a s o l i n ee n g i n ei s u n d e rc o n d i t i o n so fl o w s p e e da n dl o wl o a d ，t h e r e b yi m p r o v i n gt h ep r o c e s so fc o m b u s t i o n t h i sa r t i c l em a i n l yr e s e a r c ht h ef u l l yv a r i a b l em e c h a n i c a la c t i o nv a l v el i f tc o n t r o ls y s t e m ，g i v e sa b r i e fa n a l y s i so ft h ec o n t i n u o u s l yv a r i a b l ev a l v et i m i n g ( v v t ) s y s t e m ，c o n t i n u o u s l yv a r i a b l ev a l v e l i f t ( v v l ) s y s t e m ，a n dm a p p i n ga n dc u r v ef i t t i n gw i t hr e l a t e dm e c h a n i c a lp a r t so ft h e v a r i a b l e m e c h a n i c a la c t i o nv a l v el i rc o n t r o ls y s t e m ( v a l v e t r o n i c ) o ft h eb m w e n g i n e ；c r e a t e d3 ds o l i dm o d e l w i t hg e o m e t r i cm o d e l i n gs o f t w a r ec a t i aa n dg o tt h ev a l v el i f tc u r v eu n d e rd i f f e r e n te c c e n t r i cs h a f t c o m e rb yc a t i ak i n e m a t i cs i m u l a t i o na n a l y s i sm o d u l e ；d e r i v a t i o nak i n e m a t i c sm a t h e m a t i c a lm o d e l o fv a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n , c a l c u l a t e dv a l v el i f tc u r v eu n d e rd i f f e r e n te c c e n t r i cs h a f ta n g l ew i t h m a t l a bs o f t w a r e t h er e s u l t so fm a t h e m a t i c a lm o d e lo fv a l v et r a i nk i n e m a t i c ss i m u l a t i o na r e c o n s i s t e n tw i t ht h ec a t i ag e o m e t r i cm o d e l i nt h i sw a y ，t h i sa r t i c l ec o n f i r m st h ec o r r e c t n e s so ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e la n dp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no f c o n t i n u o u s l yv a r i a b l ev a l v e k e y w o r d s ：f u l l yv a r i a b l em e c h a n i c a lv a l v ea c t u a t i o nt e c h n o l o g y , v a r i a b l ev a l v el i r v a r i a b l e v a l v et i m i n g ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，m o t i o ns i m u l a t i o n i i 摘要i a b s t r a c t ：i i 目录i i i 图表清单：v 注释表v i i 第一章绪论l 1 1 引言。l 1 1 1 研究背景1 1 1 2 环境与社会对内燃机要求。l 1 2 发动机可变气门技术概述3 1 2 1 可变气门技术的优点兰：。3 1 2 2 可变气门技术的发展历程6 1 3 可变气门技术的分类。7 1 3 1 可变气门正时二7 1 3 2 可变气门升程分类l o 1 4 本课题研究的目的与内容1 0 第二章全可变气门技术的工作原理：1 2 2 1 叶片式凸轮轴移相器工作原理1 2 2 1 1 可变气门正时机构的主要结构1 2 2 1 2 叶片式移相器( v c p ) 结构1 2 2 1 3 控制电磁阀( o v c ) 的结构1 3 2 1 4 移相器调节过程1 4 2 2 全可变气门升程机构工作原理l7 2 2 1 全可变气门控制系统的工作原理1 8 2 2 2 可变气门升程控制机构v a l v e t r o n i c 工作原理1 9 2 3 本章小结2l 第三章n 5 2 发动机v a l v e t r o n i cv v l 机构测绘与建模2 2 3 1 发动机v a l v e t r o n i cv v l 机构测绘2 2 3 1 1 测绘过程2 2 i l i 0 全可变机械驱动式气门升程控制系统的仿真与研究 3 1 2 测绘数据处理 3 2 三维模型建立2 4 3 2 1c a t i a 软件介绍2 4 3 2 2 建模过程2 4 3 3 可变气门升程机构三维装配2 7 3 3 1c a t i a 装配模块介绍2 7 3 3 2 模型装配2 7 3 4 运动仿真分析。2 8 3 4 ic a t i ad m u 模块介绍。2 8 3 - 4 2 组建仿真过程2 9 3 4 3 仿真结果分析3 0 3 5 本章小结3 5 第四章可变气门升程机构数学建模和仿真分析3 6 4 1 运动学分析3 6 4 2 机构数学建模3 7 4 2 1 机构结构参数3 7 4 2 2 由偏心轮转角求中间推杆上滚轮圆心3 7 4 2 3 进气凸轮转角求中间推杆转角3 9 4 2 4 中间推杆转角求摇臂摆角4 0 4 2 5 摇臂摆角求气门升程4 2 4 - 3 软件编程设计4 2 4 4 仿真分析结果4 3 4 5c a t i a 运动仿真与m a t l a b 仿真验证4 4 4 6 本章小结j 。4 5 第五章课题总结与展望。4 6 5 1 课题总结4 6 5 2 工作方向和展望。4 6 参考文献4 8 致谢。5 0 在学期间的研究成果及发表的学术论文5 l i v 图表清单 图1 1 传统气门汽油机与可变气门汽油机的压力示功图比较4 图1 2 可变气门技术发展历程一6 图1 3 可变气门相位8 图1 4 可变气门相位与持续期8 图1 5 斜螺旋齿轮套系统9 图1 6 凸轮轴链条调节系统一9 图1 7 六缸b m w 发动机上的双v a n o s 凸轮轴移相机构9 图1 8 叶片式凸轮移相器1 0 图1 9 可变气门升程与定时l o 图1 1 0 单独可变气门升程一1 0 图2 1 气门驱动系统中的叶片式移相器1 2 图2 2 叶片式移相器结构1 3 图2 3 移相器正时控制阀1 4 图2 4v v t 滞后调节过程1 5 图2 5v v t 提前调节过程1 6 图2 6v v t 调节控制过程1 7 图2 7 进气门正时与升程调节1 8 图2 8 可变进气门升程机构v a l v e t r o n i c 1 9 图2 9 全可变气门升程机构v a l v e t r o n i c 工作原理2 0 图3 1 宝马n 5 2 发动机气缸盖实物图2 2 图3 2 限位槽板2 2 图3 3 进气凸轮2 2 图3 4 偏心凸轮。2 3 图3 5 中间推杆2 3 图3 6 摇臂2 3 图3 7 凸轮测绘过程2 3 图3 8 三维坐标测绘仪2 3 图3 9 进气凸轮点云图2 5 图3 1 0 点云扫描曲线的曲率图2 5 图3 1 l 点云扫描曲线的光顺后曲率图2 5 图3 1 2 凸轮三维模型图2 5 图3 1 3 偏心轮点云图2 5 v 全可变机械驱动式气门升程控制系统的仿真与研究 图3 。1 4 偏心轮扫描曲线曲率图 图3 1 5 偏心轮扫描曲线光顺后曲率图 图3 1 6 偏心轮三维模型图 图3 1 7 中间推杆 图3 1 8 中间推杆调节板曲率图 图3 1 9 摇臂 图3 2 0 限位槽板 图3 2 l 气门 图3 2 2 中间推杆上的滚轮 图3 2 3 连续可变气门升程机构装配图 图3 2 4 进气凸轮升程图2 9 图3 2 5 偏一t l , 轮升程图2 9 图3 2 6 中间推杆调节板升程图3 0 图3 2 7 偏心轮转角与气门最大升程关系图3 0 图3 2 8 气门最大升程时进气凸轮转角与中间推杆转角关系图3 l 图3 2 9 气门最大升程时进气凸轮转角与摇臂转角关系图3 l 图3 3 0 气门最大升程时进气凸轮转角与气门升程关系图3 l 图3 3 l 气门最大升程时中间推杆转角与摇臂转角关系3 2 图3 3 2 气门最大升程时中间推杆与气门升程图3 2 图3 3 3 摇臂转角与气门升程图3 2 图3 3 4 不同偏心轮转角的气门升程图3 3 图3 3 5 发动机6 0 0 0 转分气门速度曲线图3 3 图3 3 6 发动机6 0 0 0 转分气f - i n 速度曲线图3 4 图3 3 7 系统气门加速度曲线簇一3 4 图4 1 宝马全可变气门结构图3 6 图4 2 全可变气门机构控制原理图3 7 图4 3 偏心轮与中间推杆上滚轮运动关系图一3 8 图4 4 进气凸轮与中间推杆运动关系图3 9 图4 5 中间推杆与摇臂、气门运动关系图4 l 图4 6 程序流程图一4 3 图4 7 不同偏心轮转角的气门升程曲线4 3 图4 8 偏心轮转角与最大升程之间关系图4 4 图4 9 全可变气门机构气门升程图4 4 表1 1 美国联邦和加利福尼亚州制定的低污染轻型汽油车排放限值l 表1 2 欧洲的排放限值( e c e e u 测试循环) 2 表4 1 图4 1 索引3 6 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 c o n o x s 0 2 p c v e g r v v t v l t o v c h c d o h c 一氧化碳 氮氧化物 二氧化硫 曲轴箱强制通风系统 废气再循环率 可变气门正时 可变气门升程与定时 控制电磁阀 碳氢化合物 双顶置凸轮轴 注释表 c 0 2 p m 矿朔 h c c i v v l v c p v p v e t d m e c a 二氧化碳 碳烟颗粒 全可变气门技术 均质压燃 可变气门升程 叶片式移相器 可变气门相位 可变气门相位与持续期 发动机电子数字管理系统 曲轴转角 v i i 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 1 研究背景 第一章绪论 能源和环境问题是2 l 世纪人类所面临的最严峻的挑战，据美国埃克森美孚公司 ( e x x o n m o b i l e ) 2 0 0 4 年度能源报告预测，到2 0 2 0 年，世界能源需求将比现在增长4 0 以上，届 时世界能源消费可能会接近每日3 亿桶油当量，且这些能源的6 0 仍然来自于石油和天然气【l i 。 在世界石油能源消费中，内燃机作为目前热效率最高、应用最为广泛的动力机械，发出的总功 率占全世界所用动力装置总功率的9 0 ，是世界石油能源的主要消费渠道，这其中又以汽车工 业为消耗的主要大户。根据欧洲汽车委员会( e u c a r ) 预测，到2 0 3 0 年内，内燃机仍将为9 5 以 上的车辆提供动力【2 】；另据人民网报道，2 0 1 0 年世界汽车保有量将突破1 0 亿辆。随着汽车保 有量的增加，内燃机石油消费量将迅速增加，石油供需矛盾必将日趋严重。在消耗大量能源的 同时，内燃机也是大气环境特别是城市大气环境污染的最大源泉【3 l 。据研究，大气中3 8 5 的 c o 、2 1 7 的h c 、8 7 6 的n o x 、1 1 7 的c 0 2 、6 2 的s 0 2 、3 2 的微粒物来自于汽车废气 排放，城市大气中更有高达6 1 的c o 、8 7 的h c 、5 5 的n o x 来自汽车废气排放1 4 1 。由此可 见，创新内燃机技术，对于节约能源、减轻环境污染具有重大意义。 1 1 2 环境与社会对内燃机要求 另一方面，随着世界各国排放法规的日趋严格，低排放和环保已经成为发动机进入市场的 前提条件，成为目前汽车工业所面临的重要课题。从表1 1 和表1 2 我们可以看到，作为世界 汽车的主要生产和消费区域，欧盟和北美在能源和排放问题上虽然法规各有特点，但总的趋势 是，对能源越来越重视，对排放越来越严格。 表1 1 美国联邦和加利福尼亚州制定的低污染轻型汽油车排放限值5 i 行驶里 t h c n m h c n m o g 名称标准 c o ( g l 【r n )n o x ( g k m ) 程k m ( g l a n )( g k m )( g k m ) 美国联邦法规 8 0 4 5 0o 2 50 1 62 1 l0 2 5 ( 1 9 9 4 年实 t i e r l 1 6 0 9 0 00 1 92 6 lo 3 7 施) 加州法规( 1 9 9 4 8 0 4 5 0o 1 62 1 lo 2 5 t i e r l 年实施) 1 6 0 9 0 00 1 92 6 lo 3 7 全可变机械驱动式气门升程控制系统的仿真与研究 表1 1 ( 续) 8 0 4 5 0 o 0 82 1 l0 2 5 t l e v 1 6 0 9 0 0o 1 02 6 l 0 3 7 加州法规 8 0 4 5 0o 0 52 1l o 1 2 ( 1 9 9 4 2 0 0 3 l e v 1 6 0 9 0 00 0 62 6 lo 1 9 年实施) 8 0 4 5 0o 0 21 0 60 1 2 u l e v 1 6 0 9 0 00 0 31 3 lo 1 9 表1 - 2 欧洲的排放限值( e c e e u 测试循环) 【6 ) 欧洲标发动机 c oh c n o 。h c + n o 。 p m 实施日期 准类型 ( g k m )( g k m )( g k m ) ( g k m )( g k m ) 汽油机 2 7 20 9 7 e u r o i1 9 9 2 0 7 柴油机2 7 20 9 70 1 4 汽油机2 2 00 5 0 e u r o i i 1 9 9 6 0 1 柴油机 1 0 00 7 00 0 8 汽油机 2 3 00 2 00 1 5 e u r o i l l2 0 0 0 0 l 柴油机 0 6 40 5 0o 5 6o 0 5 汽油机 1 0 0o 1 00 0 8 e u r o i v2 0 0 5 0 l 柴油机 0 5 00 2 50 3 0 0 0 2 5 汽油机 1 0 00 0 7 50 0 60 0 0 5b e u r o v *m i d 2 0 0 8 柴油机o 5 0o 2 00 2 50 0 0 5 注：1 、表中数据为 2 5 吨的m 1 类乘用车； 2 、为2 0 0 5 年7 月建议草案； 。3 、b 仅适用于采用稀薄直喷式汽油机。 以欧盟为例，从欧洲l 号到欧洲l l l 号标准，污染物排放水平降低了9 0 i 。欧洲汽车工 业协会还提出了一项自我限制法案，要求以1 9 9 5 年为基准到2 0 0 5 年油耗减少1 5 ( 即百公里 油耗减少6 l ) 。我国在2 0 0 5 年出台了乘用车燃油消耗量限值强制性国家标准，对乘用车燃油消 耗量限值仅次于日本和欧盟。同年4 月，又出台了轻型汽车污染物排放限值及测量方法( 中国 三、四阶段) 。标准的两个阶段分别将于2 0 0 7 年7 月1 日和2 0 1 0 年7 月1 日开始在全国实施， 这表明了我国在保护能源和环境方面的决心，并且正在逐步地与世界发达国家和地区接轨。在 此形势下，汽车行业必须开发具有先进性的内燃机技术来满足高效率、低能耗的需求。 2 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 此外，我们还应该注意到，随着生活水平的提高和产品的升级以及技术的发展，人们不但 希望汽车更加节能省油，对汽车的动力性、舒适性的要求也在不断的提高【8 l 。在满足公益目标 的前提下，人们期望以低的使用成本获得快捷的交通便利，享受到驾驶的乐趣。因此，集“节 能一高效一环保”于一身的新型汽车成为二十一世纪市场需求的理想车型，这对汽车行业，特 别是内燃机技术的创新与应用提出了更高的要求。 1 2 发动机可变气门技术概述 配气控制技术的研究从1 8 8 0 年就已开始了，但早期的研究进展比较缓慢，主要成果是1 9 8 5 年以后才取得的【9 1 。然而，以可变气门技术为代表的配气控制技术在汽车界被认为是发展下一 代发动机最为有效的技术，必将对汽油机发展产生重要影响。 1 2 1 可变气门技术的优点 传统发动机的气门驱动机构，其配气相位一般基于某一狭小工况范围发动机性能的局部优 化而确定，在工作过程中固定不变，是一种折衷选择，且气门运动规律完全由凸轮型线决定【1 0 】。 传统发动机配气机构的气门运行参数是固定不变的，参数的确定取决于设计的工况点。最早时， 设计的工况选择在高速大负荷，目的是为了提高动力性，随着节能要求的不断提高以及排放法 规的日益严格，就必须考虑到低速小负荷工况，因为低速小负荷工况对排放的影响较大。然而， 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运行的全部工况， 采取一种折衷的处理方式来确定这些参数，长期以来，这种折衷被认为是可靠的，也是可行的 1 1 1 1 。但是，随着“高效、低能耗、低排放”的要求不断提高，这种折衷就显得捉襟见肘了，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。可变 气门机构就是通过各种技术途径使得气门的运行参数随着发动机工况的改变而改变。可变气门 机构一般均可改变配气相位，有的还能改变气门升程，不同可变气门机构均可在一定程度上提 高发动机动力性、经济性和怠速稳定性，降低h c 、n o 。的排放。 传统汽油机通过改变节气门调节进气量的大小来改变发动机负荷的大小。在小负荷工况下， 节气门开度很小，节气门后真空度很大，发动机换气过程的泵气损失很大，这就是汽油机工作 效率比柴油机低的一个重要原因。 理想汽油机配气机构要求： 为了获得较好的发动机性能，配气相位应随着转速和负荷的变化而变化。发动机在高速和 大负荷下需要较大的气门重叠角和进气门关闭角，以得到较高的功率输出；反之，在怠速和低 速小负荷下则需要较小的进气门关闭角和气门重叠角，以便得到较好的怠速平稳性和废气排放 性能1 1 2 l 。 3 全可变机械驱动式气门升程控制系统的仿真与研究 p， 计计 ( 注：活塞指示功= s a s b ) 图1 1 传统气门汽油机与可变气门汽油机的压力示功图比较【”】 图1 1 的左图所示为传统汽油机通过改变节气门开度控制发动机负荷大小的方式，显然换 气过程的负功损失较大( b ) 。右图所示是可变气门驱动方案的方式，节气门开度始终最大( 即 没有节气门) ，进气管内真空度很小，因此进气流动阻力损失很小，换气过程的负功损失较小， 改变发动机负荷大小通过改变进气门关闭时刻来实现。 v v a 是使发动机尾气排放达到欧洲i v 号排放限值标准的重要技术选择之一。我国北京、 上海等一些城市已经开始把汽车尾气排放限值标准提升到欧洲i v 号排放限值标准水平，相信 其它城市也将会陆续实施，所以v v a 技术在中国也将有很大的发展潜力。 一、汽油机采用可变气门技术的好处 可变气门技术在汽油机上应用，可以实现以下几点： l 、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 实现过后充气，提高充气效率。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 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，消除泵气损失，提高了燃油经济性【1 4 l 。 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，同样可以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。 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，并可以降低怠速转速。 4 、降低排放 利用可变气门技术，控制缸内e g r 量，可以有效地降低排放，特别是n o 。的排放。此外， 可变气门技术也是目前在汽油机上实现均质充量压缩着火h c c i 的一个最为实际有效的途径。 h c c i 作为一种高效低排放的新概念燃烧方式目前备受内燃机界的高度关注。j e f f a l l e n 等利用 l o t u s 公司的电液驱动气门机构，通过控制进排气门的定时，实现负的气门重叠角，在缸内形 成适当的残余废气，利用残余废气的热量加热进气，促进燃油蒸发汽化，并使混合气的温度在 压缩上止点附近达到汽油的着火点以上，从而实现自燃。 二、柴油机采用可变气门技术的好处 在柴油机上应用可变气门技术既可增大低速扭矩，也可使冷起动性能改善，对增压系统工 作有利。现阶段，可变气门技术主要应用在汽油机上，柴油机上用可变气门技术的比较少，可 变气门技术在柴油机上的应用潜力也不如汽油机。一般认为，有以下三个原因使得v v a 技术 用在柴油机上的好处不如汽油机显著：第一、柴油机的负荷为质调节，汽油机从降低换气损失 得到的好处在柴油机上得不到：第二、柴油机工作转速较低，同汽油机相比，在配气定时上高 低速矛盾较小：第三、柴油机压缩比高，活塞在上止点时与缸盖间隙小，气门重叠的可变范围 小。 三、可变气门技术用于h c c i h c c i ( 均质压燃) 是一种采用预混的均匀混合气，并使得混合气自燃，发生非扩散的，在整 个燃烧室内同时发生的均匀燃烧过程的一种新的燃烧方式。 这种新的燃烧方式不只可以提高热效率，与此同时，由于采用了压燃，混合气的空燃比将 不再受到混合气点燃和火焰传播的限制，内燃机的压缩比也将不再受到爆震的限制。与此同时， 由于可以在稀薄混合气中进行燃烧，n o x 的生成受到抑制，减轻了排气后处理的困难。 而h c c i 燃烧方式的实现，需要在不同工况下调整配气定时，需要可变压缩比，控制混合 5 全可变机械驱动式气门升程控制系统的仿真与研究 气温度，也需要通过提前或者推迟关闭排气门来改变缸内残余废气量来加热新进来的空气，减 缓燃烧速度，这就需要用到可变气门技术。 1 2 2 可变气门技术的发展历程 发动机可变气门驱动技术的研究有着1 0 0 多年的历史。2 0 世纪8 0 年代末以来，全球能源 和环境问题日益突出，各国对提高燃油经济性和降低有害排放物的要求日趋严格，为了在提高 汽油机燃油经济性和动力性的同时，满足越来越严格的排放法规要求，从2 0 世纪7 0 年代开始， 汽油机燃油电控技术逐步发展，至今己形成了以进气管多点顺序喷射为代表的较为成熟的汽油 机燃油喷射控制技术，与燃油喷射控制技术相比，配气控制技术早期的研究进展比较缓慢，主 要成果是在1 9 8 5 年以后取得的【”】。此后大量的可变气门驱动机构应运而生，应用该技术的发 动机产品也越来越多，其发展历程如图1 2 所示。 配气控制技术发展的所程 7 。至今，l 奏竺竺：! ! ： 无酗轮电磁 曙j | 越。l ，拿i 缸ti 机撤式全可 优f 艺，i 轮! 班之鼍 图1 2 可变气门技术发展历程1 1 6 1 最早的关于可变气门技术的专利是在1 8 8 0 年，英国人d u g a l d c l e k r 发明了一种用于煤气发 动机上的可变气门机构【1 7 1 。1 9 1 8 年，发明家哈尔腾博格获得了一项将汽油机凸轮轴转过一个角 度的专利1 8 1 。从1 8 8 0 年到1 9 9 0 年的l l o 年间，仅美国专利局大概有8 0 0 项关于可变气门技术 的专利，其中大部分是在1 9 8 5 年- - 1 9 8 7 年间获得的【1 9 】，同时广大研究者也发表了大量关于可 变气门技术研究的文章。然而，纵使有多项可变气门技术的专利和研究，这期间投入实际产品 发动机应用的却较少。最早实用的可变气门系统是由f i a t 的工程师g i o v a n n it o r a z z a 等人开发 的，包括气门升程可变，他们采用的液压技术，液压随着发动机的转速和负荷而变化，气门的 开启时间变化可达3 7 。另外一个比较有代表意义的事件是h o n d a 公司在8 0 年代末期采用可 变气门升程系统进行的试验，工程师们并将此机构运用到了1 9 8 9e f 9h o n d ac i v i c 发动机上，