发动机可变配气机构的研究

发动机可变配气机构的研究

1可变配气机构正逐步商品化近年来，对发动机的效率（降低燃料成本和性能）和低耗排放的要求越来越高。作为一种手段之一，可变配气器正在逐步销售。现在,特别是在汽车用汽油机上,可变配气机构的配置呈扩大趋向,新配备可变配气机构的汽车公司越来越多。而且,以前使用可变配气机构的汽车公司已不再局限于在高性能或者高级车的范围内配置可变配气机构,即使是对于低价格车用的发动机,也正把可变配气机构作为一种标准技术进行推广。2配气机构的开发目的和构造对配气机构的要求和可变配气机构的采用方式见图1,可以看出,现在逐渐成为主流的可变配气机构大致可分为两种:①配气相位可变方式;②气门开启角、气门升程可变方式。下面就这两种可变配气机构的开发目的和构造进行概要说明(括号内为批量生产时期和公司名称)。近年来,日本各汽车公司可变配气机构的采用比例见图2,世界各大汽车公司采用可变配气机构的情况示于图3。2.1采用配气机构的变压方法配气相位可变方式最早在1983年由阿尔法·罗密欧公司开始批量生产,这种方式通过吸气侧的两段切换方式改变气门正时,达到提高扭矩的目的。现在,吸气侧连续可变方式(1992年,宝马)逐渐成为主流。这种方式不但能根据发动机的转速和负荷改变气门正时,提高输出扭矩,而且由于气门重叠角度甚至内部EGR(排气再循环)量也根据运转工况进行了最优化匹配,降低了泵吸损失,减少了燃油消耗,降低了尾气排放。1995年宝马还推出了能在大部分工况利用排气的扫气效果的吸排气两侧都能连续可变的配气机构。配气相位可变方式的采用例见图4。综述一般的设计构成是在凸轮轴的前端设置螺旋形花键和油压活塞或者内藏叶片式的执行器,利用发动机油压或者使用专用油泵进行升压的油压来改变凸轮轴链轮和凸轮轴之间的相位,油压的大小由油压控制阀进行调节,油压控制阀的驱动根据发动机控制单元ECU的信号。由于这种可变机构只增加凸轮轴前端的执行器、气缸盖内部的油压通路、油压控制阀,配气机构的其他零件基本不作设计变更,因此只要进行小范围的设计变更就能使这种可变机构的配置成为可能。2.2药压调节装置气门开启角、气门升程可变方式的采用例见图5。气门开启角、气门升程可变方式(1992年,本田)是通过选择使用几个气门开启角、气门升程不同的凸轮来实现的。在高性能发动机上,既能保证高速时的高输出功率,又能保证提高中低速时的扭矩。在实际中广泛使用的中低速工况,使用较小气门开启角的凸轮,由于吸气较早关闭,气门重叠角缩小,因此能保证中低速时的扭矩,并使怠速稳定性得到提高。另一方面,高速时由于使用大气门开启角和大升程的凸轮,使气门开启时间-断面增大,且气门重叠角变大,这样就能够得到高的输出功率。而且这种方式的几个凸轮中有一个可以设定为零升程或微升程,从而达到双进气门中的一个气门工作停止(1991年,本田),形成旋回流,利用旋回流形成稀薄燃烧,或者某缸的所有气门工作全部停止从而形成可变气缸(1992年,三菱),这些都能达到降低燃费的目的。后来选择使用几个不同凸轮的气门开启角、气门升程可变方式和一个气门工作停止两种方式结合在一起,形成了一种新的可变机构,这种可变机构在1995年由本田投入批量生产。上述气门开启角、气门升程可变方式的一般设计是由几个不同凸轮和其从动机构构成,由利用发动机油压或者专用油泵进行升压的油压控制的锁止销来选择控制从动机构的连结、分离或者固定、空转等。这种可变方式一般适用于摇臂式驱动的进排气系统,这是由于这种可变方式的锁止销等零部件安装于配气机构的运动件内部,在既要保证安装空间,又要尽可能地降低配气机构的惯性质量的前提下,在摇臂式驱动的进排气系统上作改进是最合适的。3允许在同一条件下混合进行诉讼现在,可变配气机构的采用趋势基本上演变成吸气侧相位连续可变方式和气门开启角、气门升程可变方式(含气门工作停止)两种,这两种方式的采用也正在逐步扩大。另一方面,把吸气侧相位连续可变方式和两段气门开启角、气门升程可变方式并用在一起的可变配气机构(1995年,丰田)也实现了批量生产(图6)。这种可变配气机构既能提高实际使用工况的输出扭矩,降低燃费,减少排放,又能提高高速时的输出功率。今后像这种可变方式的互相组合,可变方式的多自由度化,在实际采用中会逐步扩大。另外,即使是主要采用相位可变方式的欧洲汽车公司,也在摇臂式V8、V12等多缸发动机上采用利用进排气门工作停止的可变机构而形成的可变气缸,这种主要用于降低燃费的可变机构的互相组合的变化也正受到注目。综述4混合动力发动机让我们把目光转向最近的发动机的开发。随着汽油直喷式发动机、混合动力发动机的不断推出,以及排放法规的强化等,可变配气机构得到了广泛应用。丰田公司1996年投入批量生产的汽油直喷式发动机,以提高扭矩和导入内部EGR而减少泵吸损失等为目的,也采用了吸气侧相位连续可变方式。另外,丰田公司1997年在混合动力发动机上,利用吸气迟闭得到各工况时最合适的压缩比,最后达到高膨胀比化,以高膨胀比化和启动、停止的减压效果为目的的吸气侧相位连续可变方式也开发成功;1999年本田也开发了单气门工作停止从而得到稀薄燃烧的混合动力发动机。为了降低尾气排放,满足美国的低排放汽车法规,1996年本田推出了改善冷机时的燃烧、降低HC排放的单气门工作停止的可变配气机构。如上所述,特别是对于混合动力等新型发动机,可变配气机构对提高发动机的性能也起着重要的作用。可以认为,伴随着发动机的高机能化,可变配气机构作为一个重要手段正变得越来越必要和不可缺少。5配气机构的开发根据国外发表的论文和专利可以知道,可变配气机构的开发动向主要有两个:①采用可变配气机构后实现无节气门化,见图7;②电磁阀驱动的可变配气机构,见图8。关于无节气门化,主要以欧洲为中心进行着开发,这种可变配气机构和前面叙述的不同,而且研究已经取得进展。由于采用了几个凸轮突起和摇动滚轮,这种可变配气机构结构要稍微复杂一些,发动机实际使用的凸轮工作型线在从通常的气门开启角、气门升程到气门工作停止(即升程为0)的区间中连续可变是其最大特点,由可变动作来控制吸入空气量,节气门就可以取消,这综述样减少了泵吸损失,提高了燃油经济性。另外,为了实现配气机构最大可能的多自由度的可变,利用电磁阀进行驱动的开发也在进行中,这种系统能对气门开启角实现各种角度的可变,将来也可能实现批量生产,但从成本方面来说,可能还不能完全取代现行的可变配气机构。6配气机构的发展方向针对不同用途、不同目的开