发动机可变配气相位技术

发动机可变配气相位技术

(VVT engine technology)

本文介绍了通过在配气机构多刚体模型中引入柔性体，描述了配气机构的动力学性能，建立了柔性体气门弹簧,分析了气门弹簧动刚度的非线性行为,并且依据模态技术计算得到其动态应力。主要从进气门晚关角及进排气的动态效应几方面着手，不断改进发动机的配气相位以及进排气系统，使发动机的实际性能曲线逐步接近计算机仿真曲线。其中配气相位、进气门间隙、排气门间隙、转速、负荷五个调整参数之间是相互影响的。

该方法为优化设计配气机构等机械产品及对其进行疲劳性能研究提供了依据。该仪器可检测各种汽、柴油发动机的启动性能、高压点火性能、燃油喷射性能、充电性能、动力性能、配气相位、发动机异响震动分析等30余种技术参数，并分析故障产生的原因，在检测过程中，可随时显示各种波形及技术参数和结果并可随机打印，该仪器内存有一百多种国内外发动机技术参数，内容十分丰富，随时可以与检测结果对比。

目前，汽车工业的发展正在面临着两个主要问题——能源的枯竭与环境的污染。现代高科技的发展已将汽车发动机的节能、减排、低排放作为“节能-高效-环保”一体化课题进行综合研究和技术开发。为了同时提高汽油机的燃油经济性和动力性,满足越来越严格的排放法规要求,世界各大公司竞相采用新技术生产汽车的发动机。汽车发动机的配气相位对其动力性、经济性以及排气污染都有重要的影响。为了保护环境以及为了人类可持续发展，实现低能源消耗和低排放污染已成为汽车发动机的发展方向，这就要求发动机在保证良好动力性的同时，又要降低燃油消耗量，需要某种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，即配气相位角也应该随之改变。最佳的配

气相因此，二十一世纪符合市场需求的应当是节能、环保、高性能的汽车。从进气晚关角及进排气的动态效应几方面着手，不断改进发动机的配气相位以及进排气系统，使发动机的实际性能曲线逐步接近计算机仿真曲线。位能使发动机在很短的换气时间内充入最多的新鲜空气（可燃混合气），并使排气阻力减小，废气残留量最少，从而获得更好的燃油经济性，更高的扭矩和功率特性，提高汽车怠速稳定性和降低排放污染。因此，二十一世纪符合市场需求的应当是节能、环保、高性能的汽车。

关键词：发动机配气正时可变配气相位内燃机配机机构

一、可变气门正时技术

传统发动机,往往将气门正时设计成高速全负荷工况最为有利,以便求得最大的标定功率。近年来由于更注重油耗和排放，就必须考虑小负荷的工况，因为小负荷的工况对排放的影响最大。这样，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，这些这种可能被认为是可靠的，可行的。然而传统的发动机气门正时系统，是一种配气相位即气门开启和关闭都一成不变机械系统，这种配气系统很难满足发动机在多种工况对配气的需要，不能满足发动机在各种转速工况下均输出强劲的动力要求。而可变气门正时系统是一种改变气门开启时间或开启大小的电控系统，通过在不同的转速下为车辆匹配更合理的气门开启和关闭，来增强车辆扭矩输出的均衡性，提高发动机功率并降低车辆的油耗。变气门技术可以用来减小发动机的泵气损失、加快进气速度、改善混合气质量、提高进气效率、最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高。对于汽油机而言，应用可变气门技术有以下几个优点：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过后充气,提高充气效率，

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,减少泵吸损失,提高了燃油经济性。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。

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。

降低排放：利用可变气门技术，控制缸内EGR量，可以有效降低排放，特别的排放。

是NO

x

可变气门正时系统的原理

四行程发动机在工作过程中，吸入新鲜空气，排出高温废气。这种进气和排气的全过程，称为换气过程。在高速发动机中，每个循环的进排气过程时间极短，在这极短的时间内，被吸入的可燃混合气越多，废气排的越干净、越彻底，发动机发出的功率就可能越大。反之，发出的功率就越小，发动机的动力性和经济性就会下降。因此，需要适时开启和关闭进排气门。由内燃机原理可知，气门的开闭位置和活塞的位置有关，活塞的位置和曲轴的转角有关，用曲轴转角来表示气门的开闭时间，就是配气相位。从配气相位图中，可以看出，发动机的进排气门的开启和关闭分别提前打开和延迟关闭。以便争取最大的“时间断面”。把气门提前开启时刻称作提前角，气门迟后关闭时刻称作迟闭角。由于排气迟后关闭和进气提前开启，这就存在着一个进、排气门同时开启的气门重叠阶段，气门叠开时的曲轴转角称为气门重叠角。

实验证明，在高转速时，气门重叠角大一些对发动机是十分有利的。就配气相位而言，气门重叠角的大小与发动机的转速有关，若发动机转速高，则气门重叠角就相应设置大些。

在进、排气门开、闭的四个阶段中，进气门迟闭角和进、排气门叠开角对发动机的充气效率有较大的影响，以进气门迟闭角为例：当发动机转速较低时，进气门迟闭角过大，新鲜充量被向上止点运动的活塞推回到进气管，这是因为活塞到下止点时，缸内压力与进气管压力相近；当发动机转速高时，允许有较大的进气门迟闭角，这是因为活塞到下止点时缸内压力远低于进气管压力，可以获得较多的过后充量。

改变进气门的迟闭角可以改变充气效率随转速变化的趋势，用来调整发动机转矩特性，以满足不同的使用要求。如果进气迟闭角加大，高转速时充气效率增加，有利于发挥最大功率，但对中、低速性能不利；反之，则对高速时最大功率的发挥不利。

由上述可知，配气相位与发动机的转速有关。原则上，一种配气相位只适合一种发动机转速。配气相位取决于凸轮轮廓的形状，配气相位对发动机的性能影响很大，且由于凸轮型线的不同，也决定了发动机是高速性能还是低速性能。如果是高速性能的发动机，则在高转速范围功率很大，但在中低转速范围功率下降很多；反之，则在高转速范围功率下降很多。现代发动机要求在任何转速范围都能获得较大的功率，这就要求配气相位能够根据发动机的工作情况及时做出调整，因此，可变配气相位技术应运而生。

1、可变配气相位调整原理

图1.3 配气相位可变+气门开启角、气门升程可变

图1.1 配气相位可变图1.2 气门开启角、气门升程可变从配气相位图上可以看出，活塞从上止点移到下止点的进气过程中，进气门会提前开启和延迟关闭；当发动机做功完毕后，活塞从下止点移到上止点的排气过程中，排气门会提前开启和延迟关闭。这样，必然会出现进、排气门同时开启的时刻，即气门重叠阶段，有可能会造成废气倒流，为了消除这一缺陷，采用了“可变式”的气门驱动机构。

可变式气门驱动机构就是在发动机低速工作时减少气门行程，而在发动机高

速时增大气门行程，改变气门重叠阶段的时间，使发动机在高转速时能提供强大的功率，在低转速时又能产生足够的扭矩，从而改善发动机的工作性能。即气门可变驱动机构能根据汽车的运行状况，随时改变配气相位，改变气门升程或气门开启的持续时间。可变配气相位的调整原理：

1)怠速状态

在怠速时，通过消除气门重叠角，以减小废气进入进气道，达到稳定怠速，提高燃油经济性的目的。

2)中等负荷

在中等负荷行驶范围内，通过增加气门重叠从而增加了内部EGR（废气再循环）量，这样减少了进气歧管内的负压。因而也减小了活塞的泵吸损失并且改善了油耗。另外，由于内部EGR的结果以及未燃气体的再次燃烧，降低了燃烧温度，NOx（氮氧化合物）排放减少，HC排放也减少。

3)从低速到中速大负荷

在低速到中速大负荷行驶范围内，采用提前关闭进气门，提高充气效率。这样，在低速到中速范围提高扭矩输出。

4)高速大负荷

在高速大负荷行驶范围内，采用推迟进气门关闭时刻，提高充气效率，达到提高功率的目的。

5)低温下

在低温状态下时，采用消除气门重叠防止废气窜入进气道。减少低温下燃油消耗，稳定怠速，降低怠速转速。最终稳定怠速，提高燃油经济性。

6)启动/停机

在启动或者停机时，消除气门重叠以消除废气进入进气道，从而提高气动性能。

2、可变配气相位技术条件

理想的配气相位应满足以下条件：

1)低速时，采用较小的气门叠开角和较小的气门升程，防止汽缸内新鲜充量向进气系统倒流，以增加扭矩，提高燃油经济性。

2）高速时，应具有最大气门升程和进气门迟闭角，最大限度的减小流动阻力，充分利用流动惯性，提高充气系数，以满足动力性要求。

3）能够对进气门从开启到关闭的持续期进行调整，以实现最佳的进气定时。

可变配气相位改变了配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，提高了充气系数，较好的解决了高转速与低转速，大负荷与小负荷条件下动力性与经济性的矛盾，在一定程度上改善了废气排放、怠速稳定

性和低速平稳性，降低了怠速转速。

二、可变配气相位技术的发展趋势

现代的汽车发动机大多数使用机械式气门系，这种驱动形式的有效性、可靠性强，但是缺点也很明显：不能改变气门正时、延续时间和进气门升程。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，为了解决上述问题，可变配气机构得到了广泛的应用。伴随着发动机的高性能化，可变配气机构作为一个重要的手段正变得越来越必要和不可缺少。

为了实现配气机构的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。

无凸轮驱动可变配气相位机构可分为电磁驱动可变配气相位机构、电液驱动可变配气相位机构、电气驱动可变配气相位机构以及其他驱动方式的可变配气相位机构。

电磁驱动可变配气相位机构是利用电磁铁产生的电磁力驱动气门；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；电气驱动可变配气相位机构与前者的工作原理相似，只不过所用的介质是空气。

在未来的发动机开发过程中，无凸轮轴可变气门正时技术将成为研究与应用的主流，它将集成在ECU中，高效可靠地发挥提高发动机输出功率和扭矩、降低排放和燃油消耗的双重作用。运用VVT技术可以大大改善怠速稳定性和低速平稳性，提高发动机功率和扭矩，扩大发动机转速范围，降低部分负荷燃油消耗率；改善废气排放。所以VVT在未来的很长一段时间内将会是发动机研发的重要组成部分。

参考文献

1.苏岩;李理光;肖敏可变配气相位对发动机性能的影响 [期刊论文] -汽

车技术2000(10)

2.何玲电喷发动机可变进气系统的研究 [学位论文] 2002

3.邵显龙可变配气机构的种类、构造和未来动向 [期刊论文] -汽车研究与

开发2001(04)

4.期刊论文液氮发动机及其性能分析 - 车用发动机2005(4)

5.学位论文车用高速柴油机四气门配气机构设计与研究 2004

6.期刊论文浅谈二冲程与四冲程发动机的结构差异及检修特点 - 摩托车

技术2005(2

7.期刊论文浅谈压缩比在恢复发动机功率中的作用 - 农机使用与维修

2004(4)

8.期刊论文某型发动机压气机转子叶片失效分析 - 航空维修与工程

2005(4)

9.学位论文基于MSDA和FEA方法的摩托车发动机配气机构分析与仿真

2004

10.会议论文 ADMAS在发动机传动机构、配气机构设计中的应用第十五届全

国大功率柴油机学术年会2007

11.期刊论文液压自由活塞柴油机无凸轮电液驱动配气机构设计与试验研究

- 液压与气动2010(4

12.期刊论文定时进气技术在天然气发动机上的应用 - 石油机械2003,

31(5)

13.学位论文小型火花点火发动机可控充气准均质稀混合气燃烧的研究

2003

14.李理光;苏岩;肖敏车用高速汽油机电控可变配气相位系统 [期刊论文]

-汽车工程2001(04)

15.苏岩;李理光;肖敏可变配气相位对发动机性能的影响 [期刊论文] -汽

车技术2000(10)

16.苏岩;李理光;肖敏国外发动机可变配气相位研究进展-机构篇 1999(06

17.[1] 邵显龙.可变配气机构的种类、构造和未来动向[J].汽车研究与开发,

18.[2] 麻友良.配气相位可变技术的现状与发展[J].公路交通科技,

19.[3] 苏岩肖敏.可变配气相位对发动机性能的影响[J].汽车技术,

20.[1] 刘鸿仓.可变气门正时系统[J].汽车杂志,

21.[2] 王韬秦德郝志勇.发动机可变气门正时技术的研究[J].小型内燃机

与摩托车,

22.[3] 麻友良.配气相位可变技术的现状与发展[J].公路交通科技,

23.