汽油机可变配气技术发展

1、汽油机可变配气技术发展汽油机可变配气技术发展 主讲主讲: :赵铁良赵铁良浙江汽车工程学院浙江汽车工程学院- -工学院工学院20082008年年4 4月月12 12 日日教师简介教师简介赵铁良：赵铁良：高级工程师、高级工程师、19681968年毕业于吉林工业大学内燃机年毕业于吉林工业大学内燃机专业，现任吉利汽车研究院发动机研究所所长。专业，现任吉利汽车研究院发动机研究所所长。 曾担任过一拖沈阳公司技术部长、沈阳双福内燃机有限曾担任过一拖沈阳公司技术部长、沈阳双福内燃机有限公司技术部长、沈阳汽车拖拉机制造厂设计处处长公司技术部长、沈阳汽车拖拉机制造厂设计处处长 先后参与先后参与486Q486Q汽油

2、机、汽油机、491Q491Q汽油机、汽油机、6102Q6102Q柴油机的柴油机的设计、试制、试验及定型。设计、试制、试验及定型。 20042004年加入吉利，任动力二公司总工程师，自加入吉利年加入吉利，任动力二公司总工程师，自加入吉利后主持了后主持了JL4G18JL4G18、JL4G15JL4G15、JL4G10JL4G10汽油机的研发，目汽油机的研发，目前主持国家前主持国家863863计划计划1.5L1.5L缸内直喷汽油机、缸内直喷汽油机、4G244G24汽油汽油机、与机、与AVLAVL合作开发合作开发4D204D20柴油机、与韩国柴油机、与韩国GGSGGS公司合作公司合作JL4G18N/1

3、5NJL4G18N/15N汽油机的开发。汽油机的开发。课程简介课程简介简要介绍当前内燃机领域发展起来的可变配气定时技术，以简要介绍当前内燃机领域发展起来的可变配气定时技术，以及可变气门升程、可变进气歧管技术。及可变气门升程、可变进气歧管技术。目目 录录引言引言配气机构构成和分类配气机构构成和分类配气机构的构成：配气机构的构成： 气门组气门组 气门驱动组气门驱动组 正时传动组正时传动组配气机构的分类：配气机构的分类： 按气门数分：按气门数分： 2 2气门、气门、3 3气门、气门、4 4气门、气门、5 5气门气门 按传动形式分：链、齿形皮带、齿轮按传动形式分：链、齿形皮带、齿轮 按凸轮轴数分：单、

4、双按凸轮轴数分：单、双 按凸轮轴位置分：顶、中、下按凸轮轴位置分：顶、中、下 吉利现有发动机吉利现有发动机( (除除376)376)的配气机构属的配气机构属 4 4气门、双顶置凸气门、双顶置凸轮轴、链传动。轮轴、链传动。配气机构的功用配气机构的功用 配气机构配气机构定时充气、定时排出废气，定时封闭气缸定时排出废气，定时封闭气缸进行进行压缩、燃烧膨胀过程。压缩、燃烧膨胀过程。 进入气缸的新鲜充量越多，发动机可能产生的功率和扭矩进入气缸的新鲜充量越多，发动机可能产生的功率和扭矩越大；气缸内残留得废气越多，进气量越少。因此，要越大；气缸内残留得废气越多，进气量越少。因此，要求配气机构保证进气充分、排

5、气干净。求配气机构保证进气充分、排气干净。 充气效率充气效率 实际进气量理论进气量实际进气量理论进气量 配气定时配气定时进、排气门开启和关闭的时刻（配气定时）直接影响气缸内进、排气门开启和关闭的时刻（配气定时）直接影响气缸内新鲜混合气的充入和废气的排出，进而影响发动机的充新鲜混合气的充入和废气的排出，进而影响发动机的充气效率、发动机的动力性、经济性、排放。气效率、发动机的动力性、经济性、排放。四冲程发动机的工作冲程是：进气、压缩、作功、排气。总四冲程发动机的工作冲程是：进气、压缩、作功、排气。总共延续共延续720720度曲轴转角。似乎每个冲程应各占度曲轴转角。似乎每个冲程应各占180180度，

6、即度，即进排气门均在活塞上下止点开闭。进排气门均在活塞上下止点开闭。事实上不是如此。事实上不是如此。 进排气门都要早开晚关。进排气门都要早开晚关。 进气门要在上止点前开，下止点后关；持续角大于进气门要在上止点前开，下止点后关；持续角大于180180度度 排气门要在下止点前开，上止点后关。持续角大于排气门要在下止点前开，上止点后关。持续角大于180180度度 持续角由凸轮包角决定，故不可变；定时由凸轮与曲轴持续角由凸轮包角决定，故不可变；定时由凸轮与曲轴 的传动位置决定，如无调节机构，也不可变。的传动位置决定，如无调节机构，也不可变。 把上述配气定时用图形表示，如下页：把上述配气定时用图形表示，

7、如下页：配气相位图进、排气凸轮升程固定的重叠角配气相位分析配气相位分析发动机转速很高，以发动机转速很高，以6000RPM6000RPM计算每行程只占计算每行程只占5 5毫秒，时间极短。为进毫秒，时间极短。为进气充分排气干净必须设法延长进排气时间。气充分排气干净必须设法延长进排气时间。气门打开到具备足够的开度需要时间，所以气门打开到具备足够的开度需要时间，所以进气门早开进气门早开可以使进气行程可以使进气行程( (活塞下行）开始就有一个较大的开度，增加进气量。活塞下行）开始就有一个较大的开度，增加进气量。 活塞到达进气下止点时，缸内压力仍低于外面大气压，在压差的作用活塞到达进气下止点时，缸内压力仍

8、低于外面大气压，在压差的作用下仍能进气；尤其是进气流有较大的惯性，尽管活塞已上行，进气下仍能进气；尤其是进气流有较大的惯性，尽管活塞已上行，进气流仍能克服活塞上行阻力增加进气。所以流仍能克服活塞上行阻力增加进气。所以进气门要滞后关闭进气门要滞后关闭。在作功行程快要结束，活塞还未达到下止点时，在作功行程快要结束，活塞还未达到下止点时，排气门提前打开排气门提前打开利用余利用余压使废气高速冲出气缸，进行自由排气。压使废气高速冲出气缸，进行自由排气。 排气行程中活塞已达到上止点时气缸内废气压力仍然高于排气行程中活塞已达到上止点时气缸内废气压力仍然高于 大气压，加之排气流的惯性大气压，加之排气流的惯性排

9、气门滞后关闭排气门滞后关闭可使排气更干净。可使排气更干净。在排气、进气上止点处，进排气门都处于开启状态，称为气门重叠。在排气、进气上止点处，进排气门都处于开启状态，称为气门重叠。而传统发动机的配气机构和凸轮形线一旦而传统发动机的配气机构和凸轮形线一旦确定，其配气相位和升程就不可能改变，重点确定，其配气相位和升程就不可能改变，重点考虑高速高负荷则牺牲了低速低负荷；重点考考虑高速高负荷则牺牲了低速低负荷；重点考虑低速低负荷则牺牲了高速高负荷。要全面考虑低速低负荷则牺牲了高速高负荷。要全面考虑只能是根据对性能的要求兼顾各工况进行折虑只能是根据对性能的要求兼顾各工况进行折中处理。中处理。VVT技术分类

10、区段调节连续调节进气调节排气调节进、排气同步调节（单凸轮轴）进气、排气独立调节区段调节区段调节张紧器式张紧器式排气凸轮轴排气凸轮轴进气凸轮轴进气凸轮轴功率调整功率调整调整功率时，链调整功率时，链条下部短，上部条下部短，上部长，进气门延迟长，进气门延迟关闭。关闭。进气管内气流速进气管内气流速高，气缸充气量高，气缸充气量足。足。因此高转速时，因此高转速时，功率大。功率大。进气可变配气相位进气可变配气相位扭扭 矩调整矩调整凸轮轴调整器向下凸轮轴调整器向下拉长，于是链条上拉长，于是链条上部变短，下部变长部变短，下部变长。因为排气凸轮轴被因为排气凸轮轴被齿形带固定了，此齿形带固定了，此时排气凸轮轴不能时

11、排气凸轮轴不能被转动，进气凸轮被转动，进气凸轮轴被转一个角度，轴被转一个角度，进气门提前关闭。进气门提前关闭。在这个位置时，在在这个位置时，在中、低转速，可获中、低转速，可获得大扭矩输出得大扭矩输出.进气可变配气相位进气可变配气相位连续调节连续调节螺旋花键式螺旋花键式连续调节连续调节叶片式叶片式I I连续调节连续调节叶片式叶片式H H连续调节连续调节叶片式叶片式J J应用策略应用策略WheWhen n公布的优点公布的优点进气进气连续可变大幅度调节1995丰田VVTi提高5-8%5-8% 低速端扭矩提高5%5%高速端功率限定NOx排放水平下，HC 排放最大可减少20%20%燃油经济性提高1-3%

12、1-3%降低IMEP的循环变动系数 ，提高稳定性在丰田公布的规划(9/96)中决定要把VVTi技术推广到所有装备汽油机的汽车中。排气排气连续可变大幅度调节1997福特 Zeteci限定Nox排放水平下，HC 排放最大可减少20%20%燃油经济性提高1-3%1-3%降低IMEP的循环变动系数 ，提高稳定性单凸轮单凸轮(CIB/SOHC)(CIB/SOHC)连续可变大幅度调节(进排气等相位调节)300ZX日产最多可以减少 12%12% 的HC 和 15%15%的 NOx燃油经济性提高2-3%2-3%不能改变气门重叠角，系统集成比较复杂目前的趋势是改单凸轮为双凸轮，使用单独的进气或排气策略。进气进气

13、+ +排气排气连续可变大幅度调节(进排气独立相位调节)1996宝马优点如上所述，包括进气和排气VVT的优点但是必需考虑到成本和系统集成带来的问题传感器实际输出信号信号轮36-2个齿缺齿部位信号轮传感器实际信号 后盖 定子 转子 油封（4 个） 定子螺栓（4 个） 锁销、锁销弹簧和弹簧导承 回位弹簧 前盖 通过控制内转子两侧的机通过控制内转子两侧的机油流量使其相对于外转油流量使其相对于外转子发生相对旋转，进行子发生相对旋转，进行相位调节相位调节机油由发动机的机油泵经机油由发动机的机油泵经四通四通OCVOCV电磁控制阀控电磁控制阀控制后供应制后供应. .通过液压控制使转子保持通过液压控制使转子保持

14、在中间位置在中间位置 根据曲轴和凸轮轴位置传根据曲轴和凸轮轴位置传感器信号，由控制软件感器信号，由控制软件决定内转子和外转子的决定内转子和外转子的相对位置相对位置供油方向C1C2泻油孔相位器移动到回位状态阀-断电状态供油方向C1C2泻油孔供油方向C1C2泻油孔相位器移动到回位状态阀-断电状态供油方向C1C2相位器移动到最大行程阀-最大占空比时供油方向C1C2相位器移动到最大行程阀-最大占空比时供油孔阻塞C1C2相位器被保持在中间位置阀-中等占空比时供油孔阻塞C1C2相位器被保持在中间位置阀-中等占空比时吉利 4G18 丰田VVT-i 伊兰特G4ED 凯迪拉克3.6L北极星V6 VVT发动机 设

15、计、生产中的要点设计、生产中的要点为保证为保证OCVOCV、VVTVVT有效工作必须注意以下几点：有效工作必须注意以下几点：1 1、设计时尽可能缩短、设计时尽可能缩短OCVOCV阀到阀到VVTVVT的油路长度。的油路长度。2 2、设计时尽可能提高、设计时尽可能提高OCVOCV阀后的油压。阀后的油压。 凸轮轴环槽处尽可能用径向密封代替端面密封。凸轮轴环槽处尽可能用径向密封代替端面密封。3 3、设计有效的过滤措施。、设计有效的过滤措施。4 4、生产中要保证零部件的清洁度。、生产中要保证零部件的清洁度。5 5、ECUECU中要写入中要写入OCVOCV阀清洗程序，出厂试验增加清洗阀清洗程序，出厂试验增

16、加清洗OCVOCV阀的程序。阀的程序。VVLVVL按照其控制效果分类：按照其控制效果分类： 两段式可变升程两段式可变升程 技术代表就是本田技术代表就是本田VTECVTEC技术和保时捷的技术和保时捷的VairocamVairocam技术。技术。 连续可变升程连续可变升程 技术代表是宝马的技术代表是宝马的“电控气门电控气门”技术。技术。 伊顿公司作为世界第一大气门、摇臂的伊顿公司作为世界第一大气门、摇臂的生产企业，为本田开发多款生产企业，为本田开发多款VTECVTEC的摇臂机的摇臂机构。通过这个视频演示，可以直观看到构。通过这个视频演示，可以直观看到TECTEC的两段式的两段式VVLVVL工作过程

17、。工作过程。可变升程摇臂可变升程摇臂.mpeg.mpeg Vairocam Vairocam技术是保时捷的两段式技术是保时捷的两段式VVLVVL技术。其工作原理与技术。其工作原理与VTECVTEC基本一致。基本一致。 但其结构有所不同。本田但其结构有所不同。本田VTECVTEC采用了采用了组合式摇臂达到技术目标，而保时捷组合式摇臂达到技术目标，而保时捷VairocamVairocam技术则采用了组合式液压挺柱来技术则采用了组合式液压挺柱来实现实现VVLVVL功能。功能。可变气门升程可变气门升程n 两段式两段式VVLVVL不具备全工况气门升程可变不具备全工况气门升程可变的功能。引领世界发动机技术

18、的宝马公司的功能。引领世界发动机技术的宝马公司推出了连续可变的推出了连续可变的VVLVVL技术。技术。n 宝马公司开发的宝马公司开发的VavleTronicVavleTronic技术，可技术，可以在发动机的大部分工况下，连续改变气以在发动机的大部分工况下，连续改变气门升程，保证最优化的气门升程匹配。门升程，保证最优化的气门升程匹配。 宝马的控制机构是由电机驱动的，电机通过蜗杆宝马的控制机构是由电机驱动的，电机通过蜗杆传动齿轮，然后由齿轮上的凸轮带动摇臂运动来改变传动齿轮，然后由齿轮上的凸轮带动摇臂运动来改变摇臂的控制角，在凸轮轴的驱动下由摇臂带动气门运摇臂的控制角，在凸轮轴的驱动下由摇臂带动气

19、门运动。通过改变摇臂的角度就可以改变气门的行程了。动。通过改变摇臂的角度就可以改变气门的行程了。由于是通过电机控制的，所以可以在一定区域内做无由于是通过电机控制的，所以可以在一定区域内做无段级调节气门开度，这样驾驶起来就会毫无唐突感，段级调节气门开度，这样驾驶起来就会毫无唐突感，舒适性更强，配气机构在各转速下的适应性也更强，舒适性更强，配气机构在各转速下的适应性也更强，能最大限度的提高发动机充气效率。能最大限度的提高发动机充气效率。 目前宝马已经把这套系统装备到了他的主流发动机目前宝马已经把这套系统装备到了他的主流发动机机上，象以宝马机上，象以宝马745i,530i,330i745i,530i

20、,330i为代表的直列为代表的直列6 6缸发动缸发动机和机和V V型型8 8缸发动机都装备了该系统。缸发动机都装备了该系统。 VVL VVL技术业已在行业内开始普及，丰田推出技术业已在行业内开始普及，丰田推出VVTL-iVVTL-i技术，三菱公司推出的技术，三菱公司推出的MIVECMIVEC技术都是技术都是VVLVVL家族中的新成员。家族中的新成员。 由于由于VVLVVL技术零部件成本高，可靠性要求高，发技术零部件成本高，可靠性要求高，发动机缸盖设计的难度较大，其性价比不如动机缸盖设计的难度较大，其性价比不如VVTVVT。且。且VVLVVL与与VVTVVT一般同时采用，发动机匹配难度很大。目一

21、般同时采用，发动机匹配难度很大。目前在国内自主品牌的发动机中还没有应用。前在国内自主品牌的发动机中还没有应用。n车用发动机的转速范围很广，利用普通车用发动机的转速范围很广，利用普通 进气歧管不可能在全转速域利用进气的进气歧管不可能在全转速域利用进气的 脉动效应。多气门发动机高速域充量系脉动效应。多气门发动机高速域充量系 数较大，而中低速的扭矩特性不够好。数较大，而中低速的扭矩特性不够好。n利用可变长度进气歧管可以使发动机在利用可变长度进气歧管可以使发动机在 中低速域和高速域都得到最佳调谐，使中低速域和高速域都得到最佳调谐，使 中低速域的扭矩特性得到很大改善。中低速域的扭矩特性得到很大改善。一般

22、可变长度进气歧管是在歧管稳压室下游安装一转换阀片，该装置将歧一般可变长度进气歧管是在歧管稳压室下游安装一转换阀片，该装置将歧管气道分为长管和短管两部分。在发动机高速段利用短管，可提高高速功管气道分为长管和短管两部分。在发动机高速段利用短管，可提高高速功率；中低速段使用长管，可提高中低速扭矩。一般可提高中低速扭矩率；中低速段使用长管，可提高中低速扭矩。一般可提高中低速扭矩5%5%以上。以上。当发动机处于低当发动机处于低转速时，关闭转转速时，关闭转换阀片，使用长换阀片，使用长进气管。因为进进气管。因为进气管越长，空气气管越长，空气在管内的震动频在管内的震动频率越低，只要长率越低，只要长度与转速相匹

23、配度与转速相匹配就能得到最大的就能得到最大的进气能量进气能量 带进气歧管转换的发动机扭矩曲线带进气歧管转换的发动机扭矩曲线当发动机处于高转当发动机处于高转速时，由于吸气频速时，由于吸气频率高，打开转换阀率高，打开转换阀片，换上较短的进片，换上较短的进气管来提高空气在气管来提高空气在进气管内的固有频进气管内的固有频率，得到最大的进率，得到最大的进气能量。气能量。 带进气歧管转换的发动机扭矩曲线带进气歧管转换的发动机扭矩曲线用转换阀来改变进气管长度，实际上只用转换阀来改变进气管长度，实际上只有两种选择有两种选择长管或短管。长管或短管。宝马公司开发了一种可变长度进气管，宝马公司开发了一种可变长度进气

24、管，可以在一定工况下，实现连续转换。可以在一定工况下，实现连续转换。n宝马新宝马新7 7系的发动机进气管设计不是采用系的发动机进气管设计不是采用 控制阀来切换进气管的长度，而是在进气控制阀来切换进气管的长度，而是在进气 管中间设计了一个可以旋转的转子，当这管中间设计了一个可以旋转的转子，当这 个转子旋转一定角度后进气管的长度就发个转子旋转一定角度后进气管的长度就发 生了改变，同样达到了优化进气的目的。生了改变，同样达到了优化进气的目的。 有了这套系统，发动机就能在高低转速时有了这套系统，发动机就能在高低转速时 都能保持最佳进气效率。都能保持最佳进气效率。n可以说该进气管达到了全工况连续可变长可

25、以说该进气管达到了全工况连续可变长 度。度。VIMVIM技术除了可变长度进技术除了可变长度进气管外，还有可变截面积气管外，还有可变截面积进气管技术。进气管技术。可变截面积进气管能在发可变截面积进气管能在发动机高转速时使用较大的动机高转速时使用较大的进气歧管截面积提高进气进气歧管截面积提高进气流量；在发动机低转速时流量；在发动机低转速时使用较小的进气歧管截面使用较小的进气歧管截面积，提高进气负压和进气积，提高进气负压和进气速度或者产生进气涡流让速度或者产生进气涡流让空气跟汽油更好的混合。空气跟汽油更好的混合。图（图（1 1）表示的是进气歧管）表示的是进气歧管截面积较大时汽缸的吸气状截面积较大时汽缸的吸气状况和气门关闭后缸内气体混况和气门关闭后缸内气体混合情况。图（合情况。图（2 2）表示的是）表示的是进气歧管