發(fā)動(dòng)機(jī)可變配氣機(jī)構(gòu)的研究

發(fā)動(dòng)機(jī)可變配氣機(jī)構(gòu)的研究

1可變配氣機(jī)構(gòu)正逐步商品化近年來，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)上,可變配氣機(jī)構(gòu)的配置呈擴(kuò)大趨向,新配備可變配氣機(jī)構(gòu)的汽車公司越來越多。而且,以前使用可變配氣機(jī)構(gòu)的汽車公司已不再局限于在高性能或者高級(jí)車的范圍內(nèi)配置可變配氣機(jī)構(gòu),即使是對(duì)于低價(jià)格車用的發(fā)動(dòng)機(jī),也正把可變配氣機(jī)構(gòu)作為一種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行推廣。2配氣機(jī)構(gòu)的開發(fā)目的和構(gòu)造對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的要求和可變配氣機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)的開發(fā)目的和構(gòu)造進(jìn)行概要說明(括號(hào)內(nèi)為批量生產(chǎn)時(shí)期和公司名稱)。近年來,日本各汽車公司可變配氣機(jī)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(jī)構(gòu)的情況示于圖3。2.1采用配氣機(jī)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(shí),達(dá)到提高扭矩的目的。現(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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷改變氣門正時(shí),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(yùn)轉(zhuǎn)工況進(jìn)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(jī)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(jì)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(dòng)機(jī)油壓或者使用專用油泵進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié),油壓控制閥的驅(qū)動(dòng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU的信號(hào)。由于這種可變機(jī)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(jī)構(gòu)的其他零件基本不作設(shè)計(jì)變更,因此只要進(jìn)行小范圍的設(shè)計(jì)變更就能使這種可變機(jī)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(gè)氣門開啟角、氣門升程不同的凸輪來實(shí)現(xiàn)的。在高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上,既能保證高速時(shí)的高輸出功率,又能保證提高中低速時(shí)的扭矩。在實(shí)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(shí)的扭矩,并使怠速穩(wěn)定性得到提高。另一方面,高速時(shí)由于使用大氣門開啟角和大升程的凸輪,使氣門開啟時(shí)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(gè)凸輪中有一個(gè)可以設(shè)定為零升程或微升程,從而達(dá)到雙進(jìn)氣門中的一個(gè)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(dá)到降低燃費(fèi)的目的。后來選擇使用幾個(gè)不同凸輪的氣門開啟角、氣門升程可變方式和一個(gè)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(jī)構(gòu),這種可變機(jī)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(jì)是由幾個(gè)不同凸輪和其從動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成,由利用發(fā)動(dòng)機(jī)油壓或者專用油泵進(jìn)行升壓的油壓控制的鎖止銷來選擇控制從動(dòng)機(jī)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(dòng)的進(jìn)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)件內(nèi)部,在既要保證安裝空間,又要盡可能地降低配氣機(jī)構(gòu)的慣性質(zhì)量的前提下,在搖臂式驅(qū)動(dòng)的進(jìn)排氣系統(tǒng)上作改進(jìn)是最合適的。3允許在同一條件下混合進(jìn)行訴訟現(xiàn)在,可變配氣機(jī)構(gòu)的采用趨勢(shì)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(kuò)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(jī)構(gòu)(1995年,豐田)也實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)(圖6)。這種可變配氣機(jī)構(gòu)既能提高實(shí)際使用工況的輸出扭矩,降低燃費(fèi),減少排放,又能提高高速時(shí)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(shí)際采用中會(huì)逐步擴(kuò)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(dòng)機(jī)上采用利用進(jìn)排氣門工作停止的可變機(jī)構(gòu)而形成的可變氣缸,這種主要用于降低燃費(fèi)的可變機(jī)構(gòu)的互相組合的變化也正受到注目。綜述4混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)讓我們把目光轉(zhuǎn)向最近的發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)。隨著汽油直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷推出,以及排放法規(guī)的強(qiáng)化等,可變配氣機(jī)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(dòng)機(jī),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(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)上,利用吸氣遲閉得到各工況時(shí)最合適的壓縮比,最后達(dá)到高膨脹比化,以高膨脹比化和啟動(dòng)、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(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。為了降低尾氣排放,滿足美國(guó)的低排放汽車法規(guī),1996年本田推出了改善冷機(jī)時(shí)的燃燒、降低HC排放的單氣門工作停止的可變配氣機(jī)構(gòu)。如上所述,特別是對(duì)于混合動(dòng)力等新型發(fā)動(dòng)機(jī),可變配氣機(jī)構(gòu)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能也起著重要的作用?？梢哉J(rèn)為,伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的高機(jī)能化,可變配氣機(jī)構(gòu)作為一個(gè)重要手段正變得越來越必要和不可缺少。5配氣機(jī)構(gòu)的開發(fā)根據(jù)國(guó)外發(fā)表的論文和專利可以知道,可變配氣機(jī)構(gòu)的開發(fā)動(dòng)向主要有兩個(gè):①采用可變配氣機(jī)構(gòu)后實(shí)現(xiàn)無節(jié)氣門化,見圖7;②電磁閥驅(qū)動(dòng)的可變配氣機(jī)構(gòu),見圖8。關(guān)于無節(jié)氣門化,主要以歐洲為中心進(jìn)行著開發(fā),這種可變配氣機(jī)構(gòu)和前面敘述的不同,而且研究已經(jīng)取得進(jìn)展。由于采用了幾個(gè)凸輪突起和搖動(dòng)滾輪,這種可變配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)要稍微復(fù)雜一些,發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)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(diǎn),由可變動(dòng)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(jì)性。另外,為了實(shí)現(xiàn)配氣機(jī)構(gòu)最大可能的多自由度的可變,利用電磁閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的開發(fā)也在進(jìn)行中,這種系統(tǒng)能對(duì)氣門開啟角實(shí)現(xiàn)各種角度的可變,將來也可能實(shí)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(jī)構(gòu)。6配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向針對(duì)不同用途、不同目的開