汽油機可變配氣技術(shù)發(fā)展

汽油機可變配氣技術(shù)發(fā)展

主講:趙鐵良浙江汽車工程學(xué)院-工學(xué)院2008年4月12日1教師簡介趙鐵良：高級工程師、1968年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)內(nèi)燃機專業(yè)，現(xiàn)任吉利汽車研究院發(fā)動機研究所所長。曾擔(dān)任過一拖沈陽公司技術(shù)部長、沈陽雙福內(nèi)燃機有限公司技術(shù)部長、沈陽汽車拖拉機制造廠設(shè)計處處長先后參與486Q汽油機、491Q汽油機、6102Q柴油機的設(shè)計、試制、試驗及定型。2004年加入吉利，任動力二公司總工程師，自加入吉利后主持了JL4G18、JL4G15、JL4G10汽油機的研發(fā)，目前主持國家863計劃—1.5L缸內(nèi)直噴汽油機、4G24汽油機、與AVL合作開發(fā)4D20柴油機、與韓國GGS公司合作JL4G18N/15N汽油機的開發(fā)。2課程簡介簡要介紹當(dāng)前內(nèi)燃機領(lǐng)域發(fā)展起來的可變配氣定時技術(shù)，以及可變氣門升程、可變進氣歧管技術(shù)。3一、引言二、可變配氣相位（VVT）三、可變氣門升程（VVL）四、可變進氣管（VIM）五、總結(jié)目錄4引言發(fā)動機技術(shù)發(fā)展趨勢為了應(yīng)對日益嚴(yán)格的環(huán)保、排放、安全等法規(guī)要求；為了滿足消費者對產(chǎn)品日益提高的動力性、經(jīng)濟性、可靠性要求，發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展集中在了優(yōu)化燃燒系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、新型材料等方面。在汽油發(fā)動機方面，吉利已在很多新技術(shù)領(lǐng)域開展了研究與開發(fā)?？勺兣錃庀到y(tǒng)

VVT—可變氣門正時

VVL—可變氣門升程

VIM—可變進氣歧管5VVT67VVT技術(shù)是近年來國際汽車業(yè)較為流行的一項發(fā)動機技術(shù)，對提高發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、降低排放等都有比較顯著的效果。對緩解環(huán)境保護和燃油短缺的雙重壓力起到較好效果。吉利的“遠景”車也搭載了CVVT的1.8L發(fā)動機，得到了業(yè)界的好評。為了加深對可變配氣相位技術(shù)的了解，先簡單介紹傳統(tǒng)配氣機構(gòu)，再介紹可變配氣相位技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)組成等。VVT78傳統(tǒng)發(fā)動機配氣機構(gòu)傳統(tǒng)汽油機的配氣相位是不可變的??！

發(fā)動機運行.avi89配氣機構(gòu)構(gòu)成和分類配氣機構(gòu)的構(gòu)成：●氣門組●氣門驅(qū)動組●正時傳動組配氣機構(gòu)的分類：按氣門數(shù)分：2氣門、3氣門、4氣門、5氣門按傳動形式分：鏈、齒形皮帶、齒輪按凸輪軸數(shù)分：單、雙按凸輪軸位置分：頂、中、下吉利現(xiàn)有發(fā)動機(除376)的配氣機構(gòu)屬4氣門、雙頂置凸輪軸、鏈傳動。10配氣機構(gòu)的功用

配氣機構(gòu)定時充氣、定時排出廢氣，定時封閉氣缸進行壓縮、燃燒膨脹過程。進入氣缸的新鮮充量越多，發(fā)動機可能產(chǎn)生的功率和扭矩越大；氣缸內(nèi)殘留得廢氣越多，進氣量越少。因此，要求配氣機構(gòu)保證進氣充分、排氣干凈。充氣效率＝實際進氣量／理論進氣量

11配氣定時進、排氣門開啟和關(guān)閉的時刻（配氣定時）直接影響氣缸內(nèi)新鮮混合氣的充入和廢氣的排出，進而影響發(fā)動機的充氣效率、發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放。四沖程發(fā)動機的工作沖程是：進氣、壓縮、作功、排氣?？偣惭永m(xù)720度曲軸轉(zhuǎn)角。似乎每個沖程應(yīng)各占180度，即進排氣門均在活塞上下止點開閉。事實上不是如此。進排氣門都要早開晚關(guān)。進氣門要在上止點前開，下止點后關(guān)；持續(xù)角大于180度排氣門要在下止點前開，上止點后關(guān)。持續(xù)角大于180度持續(xù)角由凸輪包角決定，故不可變；定時由凸輪與曲軸的傳動位置決定，如無調(diào)節(jié)機構(gòu)，也不可變。把上述配氣定時用圖形表示，如下頁：1213不可變的配氣相位圖配氣相位圖進、排氣凸輪升程固定的重疊角13配氣相位分析發(fā)動機轉(zhuǎn)速很高，以6000RPM計算每行程只占5毫秒，時間極短。為進氣充分排氣干凈必須設(shè)法延長進排氣時間。氣門打開到具備足夠的開度需要時間，所以進氣門早開可以使進氣行程(活塞下行）開始就有一個較大的開度，增加進氣量?；钊竭_進氣下止點時，缸內(nèi)壓力仍低于外面大氣壓，在壓差的作用下仍能進氣；尤其是進氣流有較大的慣性，盡管活塞已上行，進氣流仍能克服活塞上行阻力增加進氣。所以進氣門要滯后關(guān)閉。在作功行程快要結(jié)束，活塞還未達到下止點時，排氣門提前打開利用余壓使廢氣高速沖出氣缸，進行自由排氣。排氣行程中活塞已達到上止點時氣缸內(nèi)廢氣壓力仍然高于大氣壓，加之排氣流的慣性排氣門滯后關(guān)閉可使排氣更干凈。在排氣、進氣上止點處，進排氣門都處于開啟狀態(tài)，稱為氣門重疊。1415可變配氣相位的提出而實際上發(fā)動機不同的工況對配氣相位的要求是不同的：例如：怠速：最小的進、排氣重疊角，以求怠速燃燒穩(wěn)定。高速區(qū)域：較大的進氣滯后角，以利用進氣慣性提高充氣效率。低速區(qū)域：較大的進氣提前角，增大進氣流通面積；較小的進氣滯后角，以避免進氣倒流。而傳統(tǒng)發(fā)動機的配氣機構(gòu)和凸輪形線一旦確定，其配氣相位和升程就不可能改變，重點考慮高速高負(fù)荷則犧牲了低速低負(fù)荷；重點考慮低速低負(fù)荷則犧牲了高速高負(fù)荷。要全面考慮只能是根據(jù)對性能的要求兼顧各工況進行折中處理。1516可變配氣相位的提出為了滿足不同工況對配氣相位的不同要求，配氣相位應(yīng)該是可調(diào)節(jié)的。1617可變配氣相位的優(yōu)點■改善怠速通過減小重疊角,降低廢氣回流,使燃燒更穩(wěn)定.■改善排放增大重疊角,實現(xiàn)內(nèi)部EGR.1718可變配氣相位的優(yōu)點■提高低速工況扭矩加大進氣提前角減小進氣滯后角,為進氣提供足夠流通面積,避免混合氣倒流.■提高高速工況功率加大進氣滯后角,充分利用進氣慣性,提高充氣效率.■改善燃油經(jīng)濟性充氣效率提高,燃燒更充分.1819可變配氣相位系統(tǒng)的分類VVT技術(shù)分類區(qū)段調(diào)節(jié)連續(xù)調(diào)節(jié)進氣調(diào)節(jié)排氣調(diào)節(jié)進、排氣同步調(diào)節(jié)（單凸輪軸）進氣、排氣獨立調(diào)節(jié)19區(qū)段調(diào)節(jié)——張緊器式20排氣凸輪軸進氣凸輪軸功率調(diào)整調(diào)整功率時，鏈條下部短，上部長，進氣門延遲關(guān)閉。進氣管內(nèi)氣流速高，氣缸充氣量足。因此高轉(zhuǎn)速時，功率大。進氣可變配氣相位21扭矩調(diào)整凸輪軸調(diào)整器向下拉長，于是鏈條上部變短，下部變長。因為排氣凸輪軸被齒形帶固定了，此時排氣凸輪軸不能被轉(zhuǎn)動，進氣凸輪軸被轉(zhuǎn)一個角度，進氣門提前關(guān)閉。在這個位置時，在中、低轉(zhuǎn)速，可獲得大扭矩輸出.進氣可變配氣相位22連續(xù)調(diào)節(jié)——螺旋花鍵式23連續(xù)調(diào)節(jié)——葉片式I24連續(xù)調(diào)節(jié)——葉片式H25連續(xù)調(diào)節(jié)——葉片式J2627各種型式VVT系統(tǒng)的作用2728四種系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響應(yīng)用策略When公布的優(yōu)點進氣連續(xù)可變大幅度調(diào)節(jié)1995豐田VVTi提高5-8%低速端扭矩提高5%高速端功率限定NOx排放水平下，HC排放最大可減少20%燃油經(jīng)濟性提高1-3%降低IMEP的循環(huán)變動系數(shù)，提高穩(wěn)定性在豐田公布的規(guī)劃(9/96)中決定要把VVTi技術(shù)推廣到所有裝備汽油機的汽車中。排氣連續(xù)可變大幅度調(diào)節(jié)1997福特Zeteci限定Nox排放水平下，HC排放最大可減少20%燃油經(jīng)濟性提高1-3%降低IMEP的循環(huán)變動系數(shù)，提高穩(wěn)定性單凸輪(CIB/SOHC)連續(xù)可變大幅度調(diào)節(jié)(進排氣等相位調(diào)節(jié))300ZX日產(chǎn)最多可以減少12%的HC和15%的NOx燃油經(jīng)濟性提高2-3%不能改變氣門重疊角，系統(tǒng)集成比較復(fù)雜目前的趨勢是改單凸輪為雙凸輪，使用單獨的進氣或排氣策略。進氣+排氣連續(xù)可變大幅度調(diào)節(jié)(進排氣獨立相位調(diào)節(jié))1996寶馬優(yōu)點如上所述，包括進氣和排氣VVT的優(yōu)點但是必需考慮到成本和系統(tǒng)集成帶來的問題2829“遠景”CVVT系統(tǒng)的構(gòu)成VVT驅(qū)動器（VVT）電磁液壓控制閥（OCV）2930“遠景”CVVT系統(tǒng)的構(gòu)成轉(zhuǎn)速及曲軸位置信號輪及傳感器傳感器實際輸出信號信號輪36-2個齒缺齒部位3031“遠景”CVVT系統(tǒng)的構(gòu)成凸輪軸相位傳感器及信號輪信號輪傳感器實際信號31323334“遠景”CVVT系統(tǒng)的構(gòu)成負(fù)荷傳感器（空氣流量計）電子控制單元（ECU/EMS）3435系統(tǒng)構(gòu)成示意圖3536相位調(diào)節(jié)原理框圖3637進氣VVT相位調(diào)節(jié)3738VVT驅(qū)動器及OCV閥工作原理VVT驅(qū)動器及OCV閥工作原理.avi3839VVT驅(qū)動器結(jié)構(gòu)3940VVT驅(qū)動器的工作原理描述通過控制內(nèi)轉(zhuǎn)子兩側(cè)的機油流量使其相對于外轉(zhuǎn)子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，進行相位調(diào)節(jié)機油由發(fā)動機的機油泵經(jīng)四通OCV電磁控制閥控制后供應(yīng).通過液壓控制使轉(zhuǎn)子保持在中間位置根據(jù)曲軸和凸輪軸位置傳感器信號，由控制軟件決定內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的相對位置4041OCV閥結(jié)構(gòu)OCV閥由電磁閥和液壓四通閥構(gòu)成，電磁閥控制四通閥閥芯的位置。液壓四通閥結(jié)構(gòu)如圖所謂四通即四個進出油口：壓力油進口、進角、遲角、回油。電磁閥控制閥芯在不同位置使VVT進角油腔（或遲角油腔）與壓力油溝通，另一腔與回油腔溝通，使VVT內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動凸輪軸轉(zhuǎn)過一角度?；蚴归y芯在中立位置不動，VVT兩油腔壓力平衡，使VVT內(nèi)轉(zhuǎn)子及凸輪軸保持在某一位置。4142OCV閥工作原理4243OCV閥工作原理4344OCV閥工作原理4445可變配氣相位技術(shù)的發(fā)展趨勢進、排氣雙VVT技術(shù)全可變配氣定時：相位和升程同時可變純電控VVT技術(shù)：徹底取消凸輪軸，每個氣門都通過電磁閥由ECU單獨控制4546代表機型吉利4G18

豐田VVT-i

4647代表機型伊蘭特G4ED

凱迪拉克3.6L北極星V6VVT發(fā)動機

474849設(shè)計、生產(chǎn)中的要點為保證OCV、VVT有效工作必須注意以下幾點：1、設(shè)計時盡可能縮短OCV閥到VVT的油路長度。2、設(shè)計時盡可能提高OCV閥后的油壓。凸輪軸環(huán)槽處盡可能用徑向密封代替端面密封。3、設(shè)計有效的過濾措施。4、生產(chǎn)中要保證零部件的清潔度。5、ECU中要寫入OCV閥清洗程序，出廠試驗增加清洗OCV閥的程序。50515152535455VVL5556VVL，是英文variablevalvelift的簡寫，意為可變氣門升程。傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機的氣門升程是固定不可變的。也就是凸輪軸的凸輪型線只有一種。這就造成了該升程不可能使發(fā)動機在高速區(qū)和低速區(qū)都得到良好響應(yīng)。傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的氣門升程——凸輪型線設(shè)計是對發(fā)動機在全工況下的折中性選擇。其結(jié)果是發(fā)動機既得不到最佳的高速功率，也得不到最佳的低速扭矩。但得到了全工況下最平衡的性能。VVL的采用，使發(fā)動機在高速區(qū)和低速區(qū)都能得到滿足需求的氣門升程。從而改善發(fā)動機高速功率和低速扭矩。VVL的概念5657VVL按照其控制效果分類：兩段式可變升程技術(shù)代表就是本田VTEC技術(shù)和保時捷的Vairocam技術(shù)。連續(xù)可變升程技術(shù)代表是寶馬的“電控氣門”技術(shù)。VVL的種類5758VTEC技術(shù)是本田公司的專利技術(shù)，它綜合集成了VVT與VVL技術(shù)于一身，曾是發(fā)動機可變配氣技術(shù)的代表。其VVL技術(shù)就是典型的兩段式可變氣門升程技術(shù)。VTEC是在同一根凸輪軸上設(shè)計兩種不同的配氣正時和凸輪升程（高速和低速），利用液壓進行驅(qū)動轉(zhuǎn)換的裝置。VTEC5859視頻演示伊頓公司作為世界第一大氣門、搖臂的生產(chǎn)企業(yè)，為本田開發(fā)多款VTEC的搖臂機構(gòu)。通過這個視頻演示，可以直觀看到TEC的兩段式VVL工作過程?？勺兩虛u臂.mpeg5960Vairocam技術(shù)

■Vairocam技術(shù)是保時捷的兩段式VVL技術(shù)。其工作原理與VTEC基本一致。但其結(jié)構(gòu)有所不同。本田VTEC采用了組合式搖臂達到技術(shù)目標(biāo)，而保時捷Vairocam技術(shù)則采用了組合式液壓挺柱來實現(xiàn)VVL功能。6061Vairocam技術(shù)61可變氣門升程6263兩段式VVL的優(yōu)缺點兩段式VVL的優(yōu)缺點優(yōu)點缺點低速扭矩上升2%~3%兩段升程過渡工況較唐突，駕駛感較差最大功率上升3%~5%成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜低速區(qū)油耗平均下降5%仍不能達到全工況最佳氣門升程的目標(biāo)怠速平穩(wěn)性好6364連續(xù)可變VVL

兩段式VVL不具備全工況氣門升程可變的功能。引領(lǐng)世界發(fā)動機技術(shù)的寶馬公司推出了連續(xù)可變的VVL技術(shù)。寶馬公司開發(fā)的VavleTronic技術(shù)，可以在發(fā)動機的大部分工況下，連續(xù)改變氣門升程，保證最優(yōu)化的氣門升程匹配。6465連續(xù)可變VVL6566連續(xù)可變VVL

寶馬的控制機構(gòu)是由電機驅(qū)動的，電機通過蝸桿傳動齒輪，然后由齒輪上的凸輪帶動搖臂運動來改變搖臂的控制角，在凸輪軸的驅(qū)動下由搖臂帶動氣門運動。通過改變搖臂的角度就可以改變氣門的行程了。由于是通過電機控制的，所以可以在一定區(qū)域內(nèi)做無段級調(diào)節(jié)氣門開度，這樣駕駛起來就會毫無唐突感，舒適性更強，配氣機構(gòu)在各轉(zhuǎn)速下的適應(yīng)性也更強，能最大限度的提高發(fā)動機充氣效率。目前寶馬已經(jīng)把這套系統(tǒng)裝備到了他的主流發(fā)動機機上，象以寶馬745i,530i,330i為代表的直列6缸發(fā)動機和V型8缸發(fā)動機都裝備了該系統(tǒng)。6667VVL技術(shù)業(yè)已在行業(yè)內(nèi)開始普及，豐田推出VVTL-i技術(shù)，三菱公司推出的MIVEC技術(shù)都是VVL家族中的新成員。由于VVL技術(shù)零部件成本高，可靠性要求高，發(fā)動機缸蓋設(shè)計的難度較大，其性價比不如VVT。且VVL與VVT一般同時采用，發(fā)動機匹配難度很大。目前在國內(nèi)自主品牌的發(fā)動機中還沒有應(yīng)用。6768VIM6869VIM，是英文variable-geometryintakemanifold的英文簡寫。其意義是可變幾何形狀進氣管。VIM技術(shù)一般可分為兩類：可變長度進氣管——這種技術(shù)在行業(yè)中運用較多。我們眾所周知的奔馳SLK系列發(fā)動機，寶馬7系列都采用了這種技術(shù)?？勺兘孛娣e進氣管——該技術(shù)使用較少，但具有其獨特的優(yōu)勢。VIM的概念6970可變長度進氣管車用發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍很廣，利用普通進氣歧管不可能在全轉(zhuǎn)速域利用進氣的脈動效應(yīng)。多氣門發(fā)動機高速域充量系數(shù)較大，而中低速的扭矩特性不夠好。利用可變長度進氣歧管可以使發(fā)動機在中低速域和高速域都得到最佳調(diào)諧，使中低速域的扭矩特性得到很大改善。7071可變長度進氣管一般可變長度進氣歧管是在歧管穩(wěn)壓室下游安裝一轉(zhuǎn)換閥片，該裝置將歧管氣道分為長管和短管兩部分。在發(fā)動機高速段利用短管，可提高高速功率；中低速段使用長管，可提高中低速扭矩。一般可提高中低速扭矩5%以上。轉(zhuǎn)換閥片7172可變長度進氣管當(dāng)發(fā)動機處于低轉(zhuǎn)速時，關(guān)閉轉(zhuǎn)換閥片，使用長進氣管。因為進氣管越長，空氣在管內(nèi)的震動頻率越低，只要長度與轉(zhuǎn)速相匹配就能得到最大的進氣能量

7273可變長度進氣管帶進氣歧管轉(zhuǎn)換的發(fā)動機扭矩曲線低速時用長進氣管7374可變長度進氣管當(dāng)發(fā)動機處于高轉(zhuǎn)速時，由于吸氣頻率高，打開轉(zhuǎn)換閥片，換上較短的進氣管來提高空氣在進氣管內(nèi)的固有頻率，得到最大的進氣能量。

7475可變長度進氣管帶進氣歧管轉(zhuǎn)換的發(fā)動機扭矩曲線高速時用短進氣管7576777879可變長度進氣管■用轉(zhuǎn)換閥來改變進氣管長度，實際上只有兩種選擇——長管或短管?！鰧汃R公司開發(fā)了一種可變長度進氣管，可以在一定工況下，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)換。7980可變長度進氣管8081可變長度進氣管寶馬新7系的發(fā)動機進氣管設(shè)計不是采用控制閥來切換進氣管的長度，而是在進氣管中間設(shè)計了一個可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，當(dāng)這個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度后進氣管的長度就發(fā)生了改變，同樣達到了優(yōu)化進氣的目的。有了這套系統(tǒng)，發(fā)動機就能在高低轉(zhuǎn)速時都能保持最佳進氣效率?！隹梢哉f該進氣管達到了全工況連續(xù)可變長度。8182可變截面積進氣管VIM技術(shù)除了可變長度進氣管外，還有可變截面積進氣管技術(shù)?？勺兘孛娣e進氣管能在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時使用較大的進氣歧管截面積提高進氣流量；在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時使用較小的進氣歧管截面積，提高進氣負(fù)壓和進氣速度或者產(chǎn)生進氣渦流讓空氣跟汽油更好的混合。8283可變截面積進氣管圖（1）表示的是進氣歧管截面積較大時汽缸的吸氣狀況和氣門關(guān)閉后缸內(nèi)氣體混合情況。圖（2）表示的是進氣歧管截