發(fā)動機可變配氣機構(gòu)的研究

發(fā)動機可變配氣機構(gòu)的研究

1可變配氣機構(gòu)正逐步商品化近年來，對發(fā)動機的效率（降低燃料成本和性能）和低耗排放的要求越來越高。作為一種手段之一，可變配氣器正在逐步銷售?，F(xiàn)在,特別是在汽車用汽油機上,可變配氣機構(gòu)的配置呈擴大趨向,新配備可變配氣機構(gòu)的汽車公司越來越多。而且,以前使用可變配氣機構(gòu)的汽車公司已不再局限于在高性能或者高級車的范圍內(nèi)配置可變配氣機構(gòu),即使是對于低價格車用的發(fā)動機,也正把可變配氣機構(gòu)作為一種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進行推廣。2配氣機構(gòu)的開發(fā)目的和構(gòu)造對配氣機構(gòu)的要求和可變配氣機構(gòu)的采用方式見圖1,可以看出,現(xiàn)在逐漸成為主流的可變配氣機構(gòu)大致可分為兩種:①配氣相位可變方式;②氣門開啟角、氣門升程可變方式。下面就這兩種可變配氣機構(gòu)的開發(fā)目的和構(gòu)造進行概要說明(括號內(nèi)為批量生產(chǎn)時期和公司名稱)。近年來,日本各汽車公司可變配氣機構(gòu)的采用比例見圖2,世界各大汽車公司采用可變配氣機構(gòu)的情況示于圖3。2.1采用配氣機構(gòu)的變壓方法配氣相位可變方式最早在1983年由阿爾法·羅密歐公司開始批量生產(chǎn),這種方式通過吸氣側(cè)的兩段切換方式改變氣門正時,達到提高扭矩的目的?，F(xiàn)在,吸氣側(cè)連續(xù)可變方式(1992年,寶馬)逐漸成為主流。這種方式不但能根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷改變氣門正時,提高輸出扭矩,而且由于氣門重疊角度甚至內(nèi)部EGR(排氣再循環(huán))量也根據(jù)運轉(zhuǎn)工況進行了最優(yōu)化匹配,降低了泵吸損失,減少了燃油消耗,降低了尾氣排放。1995年寶馬還推出了能在大部分工況利用排氣的掃氣效果的吸排氣兩側(cè)都能連續(xù)可變的配氣機構(gòu)。配氣相位可變方式的采用例見圖4。綜述一般的設(shè)計構(gòu)成是在凸輪軸的前端設(shè)置螺旋形花鍵和油壓活塞或者內(nèi)藏葉片式的執(zhí)行器,利用發(fā)動機油壓或者使用專用油泵進行升壓的油壓來改變凸輪軸鏈輪和凸輪軸之間的相位,油壓的大小由油壓控制閥進行調(diào)節(jié),油壓控制閥的驅(qū)動根據(jù)發(fā)動機控制單元ECU的信號。由于這種可變機構(gòu)只增加凸輪軸前端的執(zhí)行器、氣缸蓋內(nèi)部的油壓通路、油壓控制閥,配氣機構(gòu)的其他零件基本不作設(shè)計變更,因此只要進行小范圍的設(shè)計變更就能使這種可變機構(gòu)的配置成為可能。2.2藥壓調(diào)節(jié)裝置氣門開啟角、氣門升程可變方式的采用例見圖5。氣門開啟角、氣門升程可變方式(1992年,本田)是通過選擇使用幾個氣門開啟角、氣門升程不同的凸輪來實現(xiàn)的。在高性能發(fā)動機上,既能保證高速時的高輸出功率,又能保證提高中低速時的扭矩。在實際中廣泛使用的中低速工況,使用較小氣門開啟角的凸輪,由于吸氣較早關(guān)閉,氣門重疊角縮小,因此能保證中低速時的扭矩,并使怠速穩(wěn)定性得到提高。另一方面,高速時由于使用大氣門開啟角和大升程的凸輪,使氣門開啟時間-斷面增大,且氣門重疊角變大,這樣就能夠得到高的輸出功率。而且這種方式的幾個凸輪中有一個可以設(shè)定為零升程或微升程,從而達到雙進氣門中的一個氣門工作停止(1991年,本田),形成旋回流,利用旋回流形成稀薄燃燒,或者某缸的所有氣門工作全部停止從而形成可變氣缸(1992年,三菱),這些都能達到降低燃費的目的。后來選擇使用幾個不同凸輪的氣門開啟角、氣門升程可變方式和一個氣門工作停止兩種方式結(jié)合在一起,形成了一種新的可變機構(gòu),這種可變機構(gòu)在1995年由本田投入批量生產(chǎn)。上述氣門開啟角、氣門升程可變方式的一般設(shè)計是由幾個不同凸輪和其從動機構(gòu)構(gòu)成,由利用發(fā)動機油壓或者專用油泵進行升壓的油壓控制的鎖止銷來選擇控制從動機構(gòu)的連結(jié)、分離或者固定、空轉(zhuǎn)等。這種可變方式一般適用于搖臂式驅(qū)動的進排氣系統(tǒng),這是由于這種可變方式的鎖止銷等零部件安裝于配氣機構(gòu)的運動件內(nèi)部,在既要保證安裝空間,又要盡可能地降低配氣機構(gòu)的慣性質(zhì)量的前提下,在搖臂式驅(qū)動的進排氣系統(tǒng)上作改進是最合適的。3允許在同一條件下混合進行訴訟現(xiàn)在,可變配氣機構(gòu)的采用趨勢基本上演變成吸氣側(cè)相位連續(xù)可變方式和氣門開啟角、氣門升程可變方式(含氣門工作停止)兩種,這兩種方式的采用也正在逐步擴大。另一方面,把吸氣側(cè)相位連續(xù)可變方式和兩段氣門開啟角、氣門升程可變方式并用在一起的可變配氣機構(gòu)(1995年,豐田)也實現(xiàn)了批量生產(chǎn)(圖6)。這種可變配氣機構(gòu)既能提高實際使用工況的輸出扭矩,降低燃費,減少排放,又能提高高速時的輸出功率。今后像這種可變方式的互相組合,可變方式的多自由度化,在實際采用中會逐步擴大。另外,即使是主要采用相位可變方式的歐洲汽車公司,也在搖臂式V8、V12等多缸發(fā)動機上采用利用進排氣門工作停止的可變機構(gòu)而形成的可變氣缸,這種主要用于降低燃費的可變機構(gòu)的互相組合的變化也正受到注目。綜述4混合動力發(fā)動機讓我們把目光轉(zhuǎn)向最近的發(fā)動機的開發(fā)。隨著汽油直噴式發(fā)動機、混合動力發(fā)動機的不斷推出,以及排放法規(guī)的強化等,可變配氣機構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。豐田公司1996年投入批量生產(chǎn)的汽油直噴式發(fā)動機,以提高扭矩和導(dǎo)入內(nèi)部EGR而減少泵吸損失等為目的,也采用了吸氣側(cè)相位連續(xù)可變方式。另外,豐田公司1997年在混合動力發(fā)動機上,利用吸氣遲閉得到各工況時最合適的壓縮比,最后達到高膨脹比化,以高膨脹比化和啟動、停止的減壓效果為目的的吸氣側(cè)相位連續(xù)可變方式也開發(fā)成功;1999年本田也開發(fā)了單氣門工作停止從而得到稀薄燃燒的混合動力發(fā)動機。為了降低尾氣排放,滿足美國的低排放汽車法規(guī),1996年本田推出了改善冷機時的燃燒、降低HC排放的單氣門工作停止的可變配氣機構(gòu)。如上所述,特別是對于混合動力等新型發(fā)動機,可變配氣機構(gòu)對提高發(fā)動機的性能也起著重要的作用?？梢哉J為,伴隨著發(fā)動機的高機能化,可變配氣機構(gòu)作為一個重要手段正變得越來越必要和不可缺少。5配氣機構(gòu)的開發(fā)根據(jù)國外發(fā)表的論文和專利可以知道,可變配氣機構(gòu)的開發(fā)動向主要有兩個:①采用可變配氣機構(gòu)后實現(xiàn)無節(jié)氣門化,見圖7;②電磁閥驅(qū)動的可變配氣機構(gòu),見圖8。關(guān)于無節(jié)氣門化,主要以歐洲為中心進行著開發(fā),這種可變配氣機構(gòu)和前面敘述的不同,而且研究已經(jīng)取得進展。由于采用了幾個凸輪突起和搖動滾輪,這種可變配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)要稍微復(fù)雜一些,發(fā)動機實際使用的凸輪工作型線在從通常的氣門開啟角、氣門升程到氣門工作停止(即升程為0)的區(qū)間中連續(xù)可變是其最大特點,由可變動作來控制吸入空氣量,節(jié)氣門就可以取消,這綜述樣減少了泵吸損失,提高了燃油經(jīng)濟性。另外,為了實現(xiàn)配氣機構(gòu)最大可能的多自由度的可變,利用電磁閥進行驅(qū)動的開發(fā)也在進行中,這種系統(tǒng)能對氣門開啟角實現(xiàn)各種角度的可變,將來也可能實現(xiàn)批量生產(chǎn),但從成本方面來說,可能還不能完全取代現(xiàn)行的可變配氣機構(gòu)。6配氣機構(gòu)的發(fā)展方向針對不同用途、不同目的開