可变气门正时对发动机低速性能影响研究

1、可变气门正时对发动机低速性能影响研究陈家兑谢庆生田丰果王自勤徐玉梁(贵州大学教育部现代制造技术重点实验室，贵阳550025)摘要：研究了现有可变气门正时技术的优缺点，在深入分析了发动机的最佳配气正时需求的基础上提出了发动机的最佳配气正时调节策略。根据该调节策略为某一无VVT配气功能的汽油发动机设计了一套VVT系统，在发动机台架上进行了原发动机和VVT发动机的充气效率、怠速、1000r/min、1500r/min的性能试验，验证了策略和装置的正确性。关键词：发动机可变气门正时最佳配气性能StudyonEffectofVariableValveTimingonEnginePerformanceat

2、lowspeedChenJia-dui,XieQing-sheng,TianFeng-guo,WangZi-qin,XuYu-liang(KeyLaboratoryofAdvancedManufacturing,GuizhouUniversity,Guiyang550025China)Abstract:Theadvantagesanddisadvantagesofexistingvariablevalvetimingtechnologyarestudied.Theregulationstrategyofengineoptimalgasdistributionisputforwardbasedo

3、ntherequirementsofengineoptimalgasdistributiontimingisanalyzedindeeply.AVVTsystemisdesignedforanonVVTgasolineengineaccordingtotheregulationstrategy.Thevolumetricefficiency,theperformanceofidling,1000r/min,1500r/minoforiginalengineandVVTenginearetestedontheenginetestbench.Thevalidityofthestrategyandd

4、eviceareprovedbytheexperimentalresults.Keywords:Engine;VariableValveTiming;Optimalgasdistribution;Performance发动机在不同工况下对配气正时有着不同的要求1,只有满足发动机不同工况下的配气正时要求才能时刻发挥发动机的最佳性能，达到最好的节能减排效果。可变气门正时(VVT,VariableValveTiming)技术正是为解决不同工况下发动机对配气正时有着不同的要求而出现的。由于VVT技术由于具有改善怠速稳定性和低速平稳性、改善排放、提高发动机的动力性和经济性等优点2，得到了社会的认可。特别

5、是随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，VVT技术得到了飞速的发展，已广泛应用在了商用轿车上。美国的相关研究发现高达80%勺燃油消耗出现在低负荷区3,而现代城市用车大量使用工况在低负荷区，加之低负荷区大量工况处于低速工况，因此，降低发动机低负荷及低速使用工况的油耗具有重大意义。1现有可变气门正时技术的缺陷可变气门技术起源于1880年，1983年AlfaRome公司的两点式可变凸轮轴相位机构是最早投入成批生产的可变凸轮轴相位机构4,但VVT技术真正广泛推广是1993年由日本的丰田公司进行的。目前已经商用的VV琮统的工作原理大多与丰田的VVT-i相似，如BMW的Vanos、Ford的VCT、Delp

6、hi的VCP、日产的CVVT现彳t的VV不起亚的CVV侍，都是采用凸轮轴调相原理，即通过改变凸轮轴与曲轴的相对相位实现气门正时的调节。这种气门正时调节方法实现了气门正时在一定角度范围内连续可调，相比传统的配气系统在一定程度上改善了发动机的性能。但是，这种原理的VVT(统存在致命缺陷，因配气凸轮型线不可变，使得气门开启持续角不可变，只能实现气门开启的提前角和迟闭角一优、一劣的调节效果，以致除了凸轮型线设计时所考虑的最佳配气正时的转速之外的每个转速下获得的配气正时仍然不是该转速下的最佳配气正时，也导致了发动机性能改善、节能减排效果十分有限。Honda公司的VTEC(VariableValveTim

7、ingandValveLifeElectronicControlSystem)是一种可变气门配气相位和气门升程电子控制系统，在不同转速和负荷下采用不同的凸轮型线驱动气门56,可以实现几种转速或负荷下的最佳气门正时调节和升程调节。由于该技术的正时调节和升程不连续，所以不能获得所有工况下的最佳配气。保时捷公司的Vario-Cam和奥迪公司的AVS系统的正时调节效果与Honda公司的VTEC相似。可见，真正符合发动机特性需求、优异节油效果和经济适用的可变气门配气系统研究与开发依然具有重大意义。2发动机最佳气门正时需求分析发动机最佳配气正时，是指发动机每一个工况下都有一个最适合的配气正时，使得发动机的

8、动力性、经济性和排放性能都有很好的表现。发动机在高速运转时，进气气流流速较高、流动惯性大8,此时，加大进气门的提前角可以保证新鲜气体或可燃混合气能顺利、充分地进入气缸；加大进气门迟闭角可以充分利用进气气流的惯性增加气缸的充量，利用进气充气的惯性增压效应提高发动机扭矩。同时，为了使废气能尽可能排出气缸，应该加大排气门的提前角，利用做功冲程终了前缸内的气压大于缸外气压进行提前排气；而加大排气门的迟闭角可以充分利用进气的作用将废气挤出气缸。这样进排气门的重叠角也就大大加大，从而达到了提高发动机进气效率的目的。发动机转速较低或怠速时，进气气流流速较低、流动惯性小，此时，如果进气门过早开启，而活塞还处于

9、上行排气，缸内气压与缸外气压差别不大，容易发生新鲜空气被挤出气缸的现象，使进气量减少，从而使发动机工作不稳定。而推迟进气门开启时刻，即活塞具有一定的下行速度时开启进气门，可以提高进气速度，加强进气涡流，使混合气体获得更好的均质性，可以提高燃烧速率和燃烧更充分，获得较高的循环效率。因此，发动机转速较低或怠速时，应减小进气门的提前角。发动机转速较低或怠速时，发动机需要的混合气体数量相对较少，应减小进气门的迟闭角减小进气量。为了充分利用缸内气体对活塞做功，发动机转速较低或怠速时应减小排气门提前角；同时，为了避免进入缸内的混合气体从排气门流出缸外和废气过多的泄入进气端而影响吸气量和气缸内气流出现紊乱，

10、应该减小排气门迟闭角，也减小了进排气门的重叠角。综上所述，发动机的进、排气门的提前角、迟闭角、持续角、重叠角应该随着发动机转速的提高而同时加大，随着发动机转速的降低而同时减小，如图1所示。图1发动机配气正时调节策略示意图3可变气门正时系统设计及试验根据上述发动机配气正时的需求，为某一无VV赠己气功能的汽油发动机设计了一套进排气正时独立调节的VVT（统。该VVT（统保留了发动机原有的进排气歧管和凸轮轴，通过重新设计凸轮与气门之间的传动系统，实现进气门和排气门的提前角、迟闭角、持续角及两者的重叠角能随着发动机转速的提高而同时加大相同的角度，随着发动机转速的降低而同时减小相同的角度。改造后的发动机仍

11、采用原发动机控制系统。发动机的配气正时调节采用另外一套控制系统根据发动机机转速进行调节。在发动机台架上进彳T了原发动机和VV动机的充气效率、怠速、1000r/min、1500r/min的对比试验。1）图2是原发动机和VVT发动机在全负荷下发动机的充气效率，从图中可以知道，发动机配气系统进过改造后，发动机获得了较好的充气效率。在低速区时，充气效率最大提高了11.5%;在高速区，充气效率最大提高了5%可见，根据发动机的转速进行配气正时调节可以提高发动机的充气效率。S隔寂忙图2全负荷下发动机充气效率对比该数据是在发动机2）图3是VVT发动机怠速时在不同配气正时的油耗和转速关系曲线。怠速稳定后采集得到

12、。图中调节角度是指进气门在原进气提前角的基础上晚开相应的角度,在原进气迟闭角的基础上早关相应的角度，排气门在原排气提前角的基础上晚开相应的角度，在原排气迟闭角的基础上早关相应的角度。试验发现，整个测试过程中，VVT发动机怠速稳定；原发动机怠速时的油耗量、转速与VV饯动机调节角度为0°时的油耗量、转速基本一致。从图中可知，随着调节角度的增大，油耗和转速都逐渐降低，油耗最大降低达到了30%转速降低了70r/min。怠速转速的降低为发动机降低油耗提供更大的空间。T-油耗»转速。a64口&sS调节再度广)图3怠速时调节角度与油耗、转速的关系3)图4是原发动机和VV发动机在转

13、速为1500r/min时不同负荷下的油耗曲线。VV彼动机的转速为1500r/min的配气相位为：进气门在原进气提前角的基础上晚开7.2°、在原进气迟闭角的基础上早关7.2。，排气门在原排气提前角的基础上晚开7.2。、在原排气迟闭角的基础上早关7.2。从图中可知，原发动机和VV发动机的油耗都随着负荷的增大逐渐减小,而VV成动机的油耗比原发动机小，特别是在低负荷时更为明显，在负荷为30N.mW,VV饯23号圈幕S图41500r/min时不同负荷的油耗曲线4)图5是VV发动机在转速为1000r/min、负荷为30N.m时调节角度与油耗的关系。从图可知，没有进行正时调节时，发动机油耗较大，与

14、原发动机的油耗一致，达到了530g/(kw.h),随着调节角度的增大，发动机的油耗直线下降，在调节角度为10。时，油耗降到了380g/(kw.h),下降了28.3%。调节角度.图51000r/min、负荷为30N.m时调节角度与油耗的关系4结语目前商用的VVTI统并没有满足发动机每个工况下的最佳配气正时需求。发动机的最佳配气正时应是发动机的进、排气门的提前角、迟闭角、持续角和两者的重叠角应该随着发动机转速的提高而同时加大，随着发动机转速的降低而同时减小。试验研究表明，根据发动机的转速合理调节配气正时可以提高发动机的充气效率；原发动机在低速和怠速时具有较大的油耗挖掘空间，油耗与配气正时有着密切关

15、系，调节发动机配气正时可以大幅度降低油耗；进行发动机配气正时可以降低发动机怠速转速，为发动机降低油耗提供更大空间。试验也证明了本文所提发动机的最佳配气正时调节策略的合理性和有效性。参考文献1平银生，张小矛，董尧清.可变气门相位对发动机性能影响的仿真研究J.汽车技术,2008,(2):6-92苏岩，李理光，肖敏，曾朝阳.国外发动机可变配气相位研究进展-机构篇J.汽车技术,1999,(6):10-14,433 KreyuterPetal.StrategiestoImproveSI-EnginePerformancebyMeansofVariableIntakeLift,TimingandDurationC.SAEPaper9204494 ThomasDresnerandPhilipBarkan.AReviewandclassificationofVariableValveTimingMechanismsC.SAEPaper8906745 KiyoshiHatano,Kazumasalida,HirohumiHigashi,andShiniehiMurata.Develop-mentofaNewMuti-Mode!rariableVakeTimi