发动机的连续可变气门正时齿轮传动机构

发动机的连续可变气门正时齿轮传动机构Osama H. M. Ghazal1, Mohamad S. H. Dado2安曼大学机械工程系摘要连续可变气门（CVVA）技术为实现了高性能、高电位，低油耗和污染物减排提供了依据。

为了更好实现（CVVT），各种类型的机制已经被提出并设计。

这些机制在生产和提高发动机性能表现出显着的好处。

在本次调查中新设计的齿轮传动机构，从控制进气阀开启（Ivo）和关闭（IVC）的角度进行研究。

该控制方案是建立在任何转速下通过连续改变凸轮轴角度和曲轴转角之间的相来最大限度地发挥发动机制动功率（P）和燃油消耗（BSFC）的基础上的。

单缸发动机是在一个给定的发动机转速模拟上由“莲花”软件来找出最大功率和最小油耗的最佳相位角。

该机构是一个传动设计精确和连续控制的行星齿轮。

这种机制有一个简单的设计和操作条件，可以改变相位角且没有限制。

关键词：机械设计；行星齿轮；可变气门正时；火花点火发动机；性能1.引言在内燃机中，可变气门正时（VVT），也被称为可变气门驱动（VVA），是一个广义的术语，用来描述在改变形状或时间内内燃机[ 1 - 6 ]气门升程事件的任何机制或方法。

（VVT）系统允许解除持续时间或定时（各种组合）的进气或排气阀在发动机运行中的变化，这对发动机性能和排放有重要影响。

装备有可变气门制动系统的发动机从该CON-straint中解脱出来，使性能在发动机运行范围[7-10]得到改善。

某些类型的可变气门控制系统，通过改变开阀时间和/或持续时间优化功率和扭矩。

这些阀门控制系统的优化性能主要体现在低、中档转速。

其他重点在提升高转速功率。

其它系统通过控制气门正时和升程实现这两种优点。

有许多方法可以实现，从机械装置到液压，气动和无凸轮系统[11-14]。

液压系统有许多问题，包括温度变化引起的液压介质的粘度变化，液体倾向于像高速固体，液压系统必须仔细控制，需要使用功能强大的计算机和非常精确的传感器。

气动系统因为其复杂性和压缩空气所需巨大能量，采用气动驱动发动机阀在所有可能下都是不可行的。

无凸轮系统（或免费气门发动机）使用电磁，液压，或气动制动器以打开提升阀来代替。

常见的问题包括高功耗，精度高，速度快，温度敏感性，重量和包装问题，噪声大，成本高，在有电的情况下操作不安全。

Multiair系统（或UniAir）是一个在汽油或柴油发动机电液利用可变气门技术控制进气（无节流阀）的系统。

该系统通过允许最佳的进气门开启时间，来达到完全控制气门升程和正时。

2.连续可变气门正时（CVVT）首先，这个（CVVT）系统提供了独特的能力，使得在内燃机[15-17]中进气阀和排气阀能够实现独立控制。

对于任何发动机负荷标准，进气和排气的时机可以被独立编程，发动机的性能可以在各种条件下优化。

然而，如果气门正时可以独立地控制曲柄轴的旋转，然后在气门正时的极限情况下将提高汽车的燃油经济性和排放水平。

这些系统用于像丰田，日产，本田和其他汽油发动机上。

2010，三菱开发并开始大规模生产具有可变气门正时系统的4n13 1.8升DOHC I4世界第一的乘用车柴油发动机。

一个用于控制可变气门正时的高效机制的行星齿轮机构被提出来。

该行星齿轮箱结构是一个可以提供很多优势的工程设计。

一个优势是其独特的紧凑性和卓越的动力传输效率的组合。

在行星齿轮装置的效率损失是每级只有3％。

这种类型的效率，保证高比例的能量输入是通过变速箱传递，而不是浪费在变速箱的机械损失上。

行星齿轮箱的布置的另一个优点是负载分布。

因为传输的负荷多行星之间共享，扭矩能力大大提高。

更多的行星系统中的更大的负载能力和更高的转矩密度。

由于质量均匀分布，增加转动刚度，行星变速箱的布置也会创造出更大的稳定性。

因此，在这项工作中，我们将提出一个新的连续可变气门正时发动机的行星齿轮传动机构的设计。

3．齿轮传动机构的设计文本编辑已完成之后，用一张纸准备好模板。

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3.1．描述该齿轮传动机构是由机械工程系的Prof. M. Dado教授在约旦大学设计。

这种机制保证了在内燃机的进气和排气时精确和连续的凸轮轴相位。

通过凸轮轴和曲轴间相位角的变化改变发动机的转速，从而提高发动机的性能和排放。

如图1所示的机制是一个行星齿轮传动系统，由外部太阳齿轮（3），行星齿轮（2）由两个行星臂（1）进行组成，和一个内齿圈（4）与外部蜗杆齿与蜗轮（5）啮合连接到与发动机控制系统连接的步进机上。

当步进电机轴是静止时，齿圈是固定的。

这时曲轴与凸轮轴之间的速度比是恒定的。

步进电机轴的旋转导致环形齿轮旋转，从而引起该行星齿轮的外太阳齿轮和凸轮轴额外的旋转。

这种额外的旋转导致曲轴和凸轮轴之间产生相变。

3.2．机构的安装该机构由行星齿轮系操作以连续地和精确地改变凸轮轴和曲轴相位角。

内齿圈具有外部蜗杆的齿，因此它可以就像一个蜗轮。

与蜗杆相连。

该机构由行星齿轮系操作以连续地和精确地改变凸轮轴和齿轮之间的相位角。

四个相同的行星齿轮被齿圈和太阳齿轮啮合在一起，并且他们由两个臂承载。

机制（图2）在内燃机的安装如下：其机制是通过以这样的方式进行，该凸轮（6）和太阳齿轮轴同轴，轴连接在花键联轴器（7）上。

一行星臂（1）的与所述曲柄轴（9）由链或正时带（8）连接。

蜗杆轴与步进电机机械连接。

步进电机配备有传感器和电源，其被连接到CPU，以控制蜗轮的运动。

图1.该机构的组成图2.该机构的安装3.3.操作方法该机制的操作的方法是容易和简单的，它的描述如下：1）当步进电动机轴是静止的，这是普遍的情况下，环形齿轮也是固定的。

根据等式臂由曲轴的旋转导致环的旋转：3ω= ⎝⎛14T T +)11ω (1)其中：3ω-太阳齿轮（3），这也是所述凸轮轴的转速的速度; 1ω-摇臂的速度（1）。

T1和T 4的是分别是太阳齿轮的齿数数目和内齿的环形齿轮的数量。

太阳齿轮，行星齿轮，以及内部环形齿轮的齿数之间的关系是：2342T T T += (2)其中:T2-的齿为行星齿轮数（2）2）当步进电机从CPU 得到将旋转按需要移动角导致蜗轮旋转的信号时（5），将导致齿圈转动，最终行星齿轮获得一个额定的旋转。

3）这种旋转导致的太阳齿轮与凸轮轴相连的附加旋转，根据以下等式565433θθ∆=∆T T T T (3) 其中：3θ-凸轮轴位移角; 5θ-蜗轮转动角度;T5，T6-分别为蜗轮和外齿环形齿轮的数目。

4）臂将不会受到该旋转，因为它被连接到曲轴上。

5）连接到凸轮轴的太阳齿轮额外的旋转将引起凸轮轴和曲轴之间 θ1相位角的改变。

3.4.该机制的优势上述机制在其他机制上主要优点如下：1）相位角的变化限制了步进电机的运动，控制精度可达到每一步1.8度。

此值将对凸轮轴齿轮齿数的依赖较小。

2）蜗轮，连接到步进电机与齿圈啮合，提供齿轮自锁机构。

将确保凸轮轴和曲轴之间具体的相位角的恒定的速度比，这是发动机很好的运行运行所必需的。

3)在这个机制中除了发动机的性能限制的信封,相位角变化值没有限制。

4.凸轮相位优化的最大功率输出在这项工作中，对进气和排气气门正时的最大制动功率最佳值进行了计算。

这些值被用来计算和康博MISE 制动功率和燃料消耗的发动机不同的转速和压缩比。

莲花工程软件的目的为了分析的发动机尺寸的特性。

莲花引擎模拟和分析程序是一个自80年代起由莲花工程公司开发的内部的代码。

对动力性能参数，容积效率，油耗的验证已经广泛的在目前生产的发动机中进行。

四缸发动机仿真模型（图3）已建成，找出最大功率的最佳相位角。

发动机气门正时的几何数据，如表1所示。

如进口压力，温度输入数据，当量比也被介绍对于所有运行。

还需要的出口数据，例如背部压力。

，在表2中给出计算气门正时的最佳值。

优化引擎变量以找到最大制动输出功率。

速度范围在1000 - 6000转变化。

优化配气定时值和默认值的制动功率和不同的压缩比（CR ）的影响的说明在表3和图4到6。

5.该机制的应用（举例）在表2中给出了计算蜗轮位移值所需的数据。

为了说明上述机制的工作原理，我们有作出以下假设：T3 =20, T=20, T5 =2, T6 =45 (4)从方程（1）和（2）得到：4T =20+(2*20)=60以及 （5）3ω=24ω这意味着该臂结果4转的凸轮轴（与太阳齿轮）的一转。

这需要保持曲轴之间的速度比和臂等于二，得到凸轮轴之间的速度比和曲轴等于2，这是必要的四冲程内燃机的操作。

另一方面，步进电机角和凸轮轴角度之间的关系是由公式获得（3）3θ∆=-43N N 65N N 5θ∆3θ∆⇒=-5.75θ∆ （6)这意味着当步进电机（蜗轮）旋转7.5度时，凸轮轴旋转一个额外的程度。

为了确定该机构的尺寸，可以做出下述操作：我们假定行星齿轮，太阳齿轮和环形齿轮是螺旋齿轮与螺旋角ψ= 30°和模数m= 1 [毫米]和齿宽F =20 [毫米]。

此外，蜗杆齿具有导程角χ= 10°和轴向间距p= 2[毫米]。

从这些假设我们发现，该机制的直径不超过150×150×50毫米]，因此它可以容易地安装在发动机室内。

六，结论该行星齿轮传动机构被设计并实现优化的四冲程单缸发动机的性能。

该机制精确地和连续地改变凸轮轴和曲轴角之间的相位角。

优化相位角上的制动功率的给定速度的效果是明显的。

制动功率的增加范围之间21％，并根据发动机转速和压缩比为35％，如表3所示的这种增加是大在低发动机速度和下降随着发动机速度的增加。

可以得出结论，在四冲程发动机所提出的机制的实施提高了发动机的性能和效率。

.表1发动机的基本参数，燃料是汽油(C 8H 18).表2.最大功率和不同转速下气门正时的最佳值表3.（a ）制动功率的不同速度气门正时的最佳和默认值;（b ）制动功率为用于不同速度的阀定时最佳值和默认值。

图4最优值和默认值制动功率的影响（CR 8）图6.制动功率最佳阀值和默认值（CR14）的影响。

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