发动机配气机构设计发展综述.docx

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发动机配气机构设计发展综述发动机配气机构设计发展综述发动机配气机构发展综述【内容摘要】：

本文论述了发动机配气机构的发展进程，阐述了可变技术在配气机构中的发展和应用，对迄今已有的发动机气门驱动机构进行了分类介绍，总结了不同气门驱动机构的结构、工作原理和优缺点。

并指明了配气机构今后的发展方向。

【关键词】：

发动机配气机构可变技术驱动机构DevelopmentOverviewofValve-trainofEngine【Abstract】:

Thistextdiscusseddevelopmentprogressofvalve-trainofengineandvariabletechniquebeusinginthefield.Inaddition,classificationsanddetailintroductionsweremadeforthevalveactuatorsofautomotiveengine.Thestructures,fundamentalsandadvantageofthedifferentactuatorsweresummedup.Intheend,furtherinvestigationsinthefuturewreputforwards.【Keyword】:

engine；valvetrain；variabletechnique；valveactuators0前言伴随着社会经济的发展，人类生活水平的提高，我们对生活质量也提出了越来越高的要求。

但是事实总是事与愿违，综观历史，我们周围的生活环境是越来越恶化全球气温变暖，酸雨不断致使植被死亡等，都在一步一步的威胁着我们人类的生存。

据统计，90%以上的污染来自汽车的废气排放。

所以要改善我们的生活环境，其首要的任务就是降低、限制汽车的废气排放，低污染、低油耗、大功率、大扭矩的发动机也就是我们的追求目标。

而配气机构严重的影响着发动机的燃烧特性和排放特性。

本文就配气机构的改进发展情况加以论述和展开说明。

1发动机配气机构的可变技术可变技术（VariableTechnology）是指随着使用工况及要求的变化,或者为了解决矛盾及避免内燃机不正常工作现象的出现,使相关系统的结构或参数作相应的变化,从而使内燃机在各种工况下,综合性能指标能大幅度地提高,而且避免不正常燃烧及超负荷现象的产生。

可变技术涉及范围较广,如可变压缩比、可变进气系统、可变配气定时、可变喷油系统、可变增压系统等。

在解决较大转速范围内动力性和经济性的矛盾方面,可变技术显示出独特的优势。

近代电子技术的发展,促成了可变技术的迅速推广,使可变技术在车用内燃机上的应用和影响日渐突出。

11可变进气系统传统的进气歧管长度不可变，只能在一定的转速范围内有较好的充气效率，具有良好的性能；在运行过程中无法进行调节，其动力性在某些工况下必然要受到限制，使内燃机在两种极端的工况下性能下降，影响发动机的经济性和排放性。

长期以来人们发现进气管的长度变化影响内燃机的充气效率。

进气管较短时，在高速运行有较好的充气效果；进气管较长时，在低速运行有较好的充气效果。

如图。

使用可变长度的进气管，可使内燃机在较宽的转速范围内都有叫好的充气效果。

图所示的是一个进气管长度可变的进气控制系统，在内燃机低速运转时，进气控制阀关图1四缸汽油机进气管长度对充气系数的影响随转速的变化关系图2可变进气管长度控制系统闭，管道变长，提高了进气流速，加强了惯性进气的作用，从而提高了充气效率。

在内燃机高速运转时，进气控制阀打开，管道变短降低了进气阻力，从而提高了充气效率。

图所示的为进气管长度无级变化的进气系统示意图，这种系统可以利用动态效应充气，在内燃机的所有转速范图3长度无级可变进气系统示意图围内都能达到最佳的效果。

这种进气管长度可变系统的结构简单、费用不大、可靠性高，比较适用于汽车、拖拉机、摩托车等的发动机上。

1.2可变配气相位传统内燃机配气相位在内燃机运转过程中是固定不变的,不能同时兼顾各种转速的要求,也就很难达到真正的最佳配气相位。

而采用可变配气相位则可以在内燃机整个工作范围内,提供合适的气门开启、关闭时刻或升程,从而改善内燃机进、排气性能,较好地满足高转速和低转速,大负荷和小负荷时的动力性、经济性以及废气排放的要求。

综上所述,可变配气相位改善内燃机性能,主要体现在以下几个方：

1）能兼顾高速及低速不同工况,提高内燃机的动力性和经济性;2）改善内冉机怠速及低速时的性能及稳定性;3）降低内燃机的排放。

目前有两类可变配气相位机构,一类为可变配气相位,这类方法能提高中、低速转矩,改善低速稳定性,但由于最大气门升程保持不变,所以对燃油经济性改善不大,在此不作详细论述。

另一类为在低速和高速时应用不同的凸轮来同时调节配气正时和气门升程,并对高速凸轮和低速凸轮及工况转换点同时进行优化,使内燃机在整个转速范围内获得良好的性能。

由于可变配气相位技术的优越性,在美国已有800多项专利产品。

可变配气相位（VVT）典型代表为日本本田车用公司的VTEC系统。

VTEC系统结构及工作原理如图4。

其配气凸轮轴上布置了高、低速两种凸轮,采用特殊设计的摇臂,能够图4日本本田公司可变配气相位、升程（VETC）机构工作原理图1.液压活塞B2.液压活塞A3.凸轮轴4.高速凸轮5.低速凸轮6.限制活塞7.第2摇臂8.中间摇臂9.第1摇臂根据内燃机转速高低自动切换凸轮,使摇臂分别被高速或低速凸轮驱动,从而实现了配气正时和气门升程同时调节的目的。

凸轮轴上中间为高速凸轮,与中间摇臂相对应,左右各有一个低速凸轮,分别位于第1和第2摇臂位置。

3个摇臂内装有液压活塞A、B和限制活塞。

其工作过程为:

转速低于6000r/min时,液压活塞不移动,中间摇臂在高速凸轮驱动下,压下空动弹簧,而第1和第2摇臂则在2个低速凸轮作用下驱动2个气门;转速高于6000r/min时,在压力油作用下,液压活塞A和B移动,中间摇臂与左右摇臂锁在一起在高速凸轮的作用下驱动气门,低速凸轮随凸轮轴空转。

1.3可变进气涡流强度传统的柴油机进气涡流强度取决于柴油机的转速。

对于一个恒定的柴油机进气道而言,随柴油机转速的升高进气涡流增强,反之涡流强度减弱。

进气道的设计一般只能保证在某一转速范围内的涡流强度使柴油机性能最佳,而转速改变时,进气涡流就会过强或过弱,不利于柴油机正常工作。

图为副气道控制进气涡流强度结构示意图。

副气道以一定角度与主气道图5副气道控制进气涡流强度结构图1.主气道2.汽缸盖4.控制阀5.控制阀行程传感器6.电磁阀7.副气道相连,形成与主气道反向的进气涡流,通过改变副气道的进气量可以很好地改变整个进气涡流强度。

该种控制方法结构简单,涡流强度的改变不会恶化流量系数,因而得到了广泛的应用。

总之，可变技术的应用可使内燃机的各项性能在整个使用工况变化范围内得到优化。

如果说,活塞式内燃机经过百余年的研究与发展,在技术上已达到相当高的水平,那么,可变技术就是使其性能进一步取得重大突破的途径之一。

因而,可变技术的发展前景十分诱人。

可变技术的广泛应用需解决两个关键问题:

其一是研制出可改变参数的结构;其二是确保这种结构在工作过程中的可靠性。

近代电子技术的发展,使改变结构参数的调控过程更易实施,有些可变技术已在轿车上使用并取得了较好的效果,我国应加大在此方面的投入,优化内燃机设计,使可变技术在内燃机上获得普遍应用,进一步提高内燃机的综合性能。

2发动机气门驱动机构的发展2.1凸轮轴气门驱动机构绝大多数活塞式内燃机是采用传统的机械驱动凸轮结构来驱动进排气门的，其气门的升程、配气定时一般是基于某一狭小工况范围发动机性能的局部优化而确定，在工作过程中是固定不变的，是一种折中选择，气门运动规律完全由凸轮的型线确定的。

这种气门驱动机构难于满足发动机动力性、经济性和环保性能不断提高的要求，尤其是车用发动机，由于其工作范围非常宽，要求配气相位可变、气门升程可调。

但由于它简单、可靠、相对来说不昂贵，至今仍广泛的使用。

2.2凸轮轴可变气门驱动机构凸轮轴可变气门驱动机构是在传统气门驱动机构的基础上改进的，有两种实现形式：

一种是凸轮轴和凸轮可变系统；另一种是气门-挺杆可变系统，工作时凸轮轴和凸轮不变动，气门、挺杆、摇臂或拉杆靠机械力或液力作用而改变，从而改变配气相位和气门升程。

凸轮轴调相机构是通过正时带轮与凸轮轴内轴之间设置一环型柱塞，图6传统进气机构与Valvetronic机构的比较柱塞和凸轮轴内轴以直键或花键传动，电控单元通过液压或电子控制柱塞，使柱塞带动凸轮轴相对于曲轴转动一个角度，从而改变配气定时。

如图所示为带有Valvetronic的可变气门系统，它保留了传统的凸轮轴，增加了一根偏心轴、滚轴和顶杆机构，电控单元根据油门信号控制步进电机，步进电机改变偏心凸轮的偏移量，经中间摇臂间接地改变进气门动作。

Valvetronic可任意控制进气门升程，取代了节气门的功能，从而将泵气损失减至最低。

Valvetronic有利于提高冷车时的运转性能、降低排放，并使运转更加平稳。

2.3无凸轮轴驱动配气机构无凸轮电液驱动配气机构在所有工况下都能连续、独立地控制气门运动,使发动机获得低排放、低能耗、高扭矩和高功率输出等优点。

无凸轮配气机构就是取消发动机配气机构中的凸轮轴以及从动件,而以电液、电磁、电气或者其他方式驱动气门。

相对于传统的机械式配气机构来说,电液驱动配气机构的优点可以概括为:

降低了能耗、增加了扭矩、提高了输出功率和怠速稳定性、减少了磨损和冲击噪声、可以简化发动机结构,降低了发动机的加工成本和重量、实现了发动机的制动性能等等。

2.3.1电液驱动配气机构无凸轮电液驱动配气机构就是取消凸轮轴和弹簧,利用一种压缩流体的弹性特征对气门的开启和闭合起加速和减速的作用,为气门定时、气门升程和速度提供了连续的可变控制。

加速时流体的势能转化为气门的动能;减速时气门的动能又转化为流体的势能,在整个过程中能量损失很少。

Daimler-Benz公司研究员Letsche研制的电液气门驱动机构如图所示。

该系统通过加速踏板位置、发动机转速等数据,精确计算出气门开启时刻和持续时间。

使用电磁阀控制液压系统就可使发动机气门动作。

气门在其起始（全闭）和终了（全开）位置之间振动,开启力来自气门开启弹簧,关闭力来自气门关闭弹簧。

这项技术既可节省10%以上燃油,获得更好的发动机工作特性,有效地降低排放,又可实现新的发动机制动技术。

图7Benz的电液气门驱动系统Ford公司的Schechter和Levin研究的电液气门驱动工作原理如图所示。

液压活塞与气门相连,活塞上端的液压腔与高、低压源连通,下图8Ford的电液气门机构驱动原理端的液压腔则只能连通高压源。

通过两个电磁阀的适时开、闭可实现气门的开启和关闭。

他们在该系统上进行的单个气门实验得出:

该电液气门驱动系统可达到相当于发动机转速在8000r/min下的响应速度。

但是，内燃机无凸轮电液气门驱动现仍然处于实验室研究阶段,还有许多问题等待解决,例如响应速度不够高、气门落座冲击、能耗过大和系统复杂等等,有待进一步探索。

而且无凸轮电液气门驱动的大部分试验结论仅仅限制在四缸机上。

2.3.2电磁气门驱动机构随着电控技术在汽车上的广泛应用,电磁气门驱动系统已成为颇受重视的前沿课题之一。

电磁气门驱动发动机相对于传统的凸轮轴驱动发动机在结构、性能、燃油经济性和排放方面都具有潜在的优势。

如图所示是采用双弹簧、双线圈的电磁气门驱动机构。

发动机不工作时,两线圈均不通电。

衔铁4及气门1在弹簧7的作用下,处于半开半闭的中间状态。

发动机在起动的初始时刻对该装置进行初始化。

控制系统根1.气门2.开门线圈3.开门铁芯4.衔铁5.关门线圈6.关门铁芯7.弹簧8.气门导管图9电磁气门驱动机构原理图据曲轴转角判定各气门应打开或关闭,使关门线圈5或开门线圈2通电,电磁力克服弹簧力将气门1关闭或开启。

若系统判定气门应开启,则开门线圈2通电,衔铁4与开门铁芯3间的电磁力克服弹簧力,使气门1向下运动直至最大开启位置。

为保持气门的开启状态,开门线圈2必须继续维持较小的电流使电磁力等于或大于弹簧力.需要关闭气门时,开门线圈2断电,衔铁4和气门1在弹簧7的作用下向上运动.在无阻尼的理想情况下,气门可达到完全关闭的位置（即落座）,在气门落座的一瞬间,关门线圈5开始通电,衔铁4与关门铁芯6间的电磁力与弹簧力平衡或大于弹簧力,使气门1保持在关闭状态.需要开启时,关门线圈5断电,衔铁4和气门1在弹簧7作用下向下运动.如此循环往复.因该系统存在空气阻力和摩擦力的阻尼作用.气门1在弹簧7作用下从最大开启位置向上运动时不可能到达关闭位置.因此在气门1接近关闭位置时,关门线圈5就需提前开始通电,使电磁力帮助气门1快速运动至关闭位置。

气门1从关闭位置向开启位置运动时情况相同。

2.3.3电气气门驱动机构电气气门驱动和电液气门驱动的工作原理相似，只不过所用的介质为空气。

与电液相比，空气的粘度低、运动惯性小，有利于提高电气气门的响应速度；但空气的可压缩性更高，更难精确控制，会削弱采用它作为介质带来的好处。

同电液气门驱动一样，电气气门驱动也有气门落座冲击大、能耗大、响应速度不够及结构复杂等问题。

因此，空气作为传动介质的优越性并不明显。

所以寻找合适的传动介质是提高此类气门驱动机构性能的关键。

2.3.4其他的气门驱动机构近年来研究无凸轮轴气门驱动机构还包括电机凸轮驱动、旋转驱动器摇臂驱动和电机驱动等等。

如图所示是P.Fitsos等人提出了用旋转驱动器摇臂驱动气门的方法,旋转驱动器工作原理类似于计算机中驱动读写磁头的驱动装置,能够快速运动,准确定位。

但目前只对此驱动方式进行了仿真计算。

R.P.Henry等人提出了电机凸轮驱动气门的方案如图所示。

电机轴、凸轮、凸轮从动件总成及气门在同一轴线上。

电机及凸轮转动时,图10电机-凸轮气门驱动机构示意图凸轮从动件及气门作往复运动;控制电机的瞬时转速和旋转方向,即可改变气门正时和升程。

样机试验表明,在相当于发动机转速2500r/min以上时能量消耗很大,并且气门落座速度随转速增加而增大,在2500r/min时达0.30m/s。

电机直接控制凸轮的可变气门驱动机构中，每一气门都由一套永磁无刷直流电机通过凸轮驱动，并通过增加或减少电机的角速度、改变电机的旋转方向来改变气门的开启和关闭相位和升程。

该系统的转速灵活性范围很大。

这些驱动气门的方式都有气门落座冲击、响应速度、能量消耗和机构复杂等问题。

对旋转电气气门驱动和旋转驱动器摇臂气门驱动的研究远不如对电磁、电液气门驱动的研究那样深入。

还有人进行了以旋转气门代替往复运动的菌形气门的尝试,但可靠密封和润滑的老问题依然没有解决。

结论可变配气机构可解决难以满足全速运行的问题，而今的发动机运行转速范围越来越宽，可变配气机构也就越来越显地重要了。

目前可变配气机构已经在过国内外成了发动机研究的热门课题之一。

将可变配气定时和可变进气管长度等结合使用是发动机配气机构发展的趋势。

影响配气相位和气门升程的主要因素是气门的驱动机构，传统的凸轮气门驱动机构很难满足发动机在全速运行时有合适的配气相位和气门升程，严重影响着发动机的工作性能。

采用无凸轮电液、电磁、电气或其他的气门驱动方式，可完全控制配气相位和气门升程，从而提高发动机的动力性和经济性，降低排放。

但无凸轮气门驱动大都还处于实验研究进程，要广泛的应用于发动机还需要更多的投入。

这也是气门驱动技术发展的必然趋势。

参考文献：

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