凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用知識擴(kuò)展DOC

5、25,日本人是怎么進(jìn)行設(shè)計的？ 破解：[宋立權(quán),玉蕊,唐彬. 摩托車CG系列發(fā)動機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)最優(yōu)尺度綜合研究與應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報.2007,43<7>. p221-225] 2. 汽車發(fā)動機(jī) 四缸發(fā)動機(jī)配氣及燃燒過程演示 汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展 如前所述,摩托車發(fā)動機(jī)為高速發(fā)動機(jī),最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10000 rpm以上,最大功率一般在7500－8500 rpm,由于成本問題的限制,一般采用2氣門〔1進(jìn)1排〕,且很少采用可變正時和可變升程技術(shù)。 汽車發(fā)動機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速一般在6500 rpm左右,常用工作轉(zhuǎn)速一般在2000－3000 rpm,為節(jié)約燃油消耗、降低排放并提高發(fā)

6、動機(jī)的升功率,對配氣機(jī)構(gòu)采用了可變氣門正時和可變氣門升程技術(shù)。 可變氣門正時技術(shù) 發(fā)動機(jī)工作時的高轉(zhuǎn)速,使四沖程發(fā)動機(jī)的一個工作行程僅需千分之幾秒,短促的時間往往會引起發(fā)動機(jī)進(jìn)氣不足,排氣不凈,造成功率下降。因此,需要利用氣流的進(jìn)氣慣性,氣門要早開晚關(guān),以達(dá)到進(jìn)氣充分,排氣干凈的要求。 氣門的配氣正時是由凸輪的相位角決定的。對于沒有可變氣門正時技術(shù)的普通發(fā)動機(jī)而言,進(jìn)、排氣們開閉時間都是固定的,這種固定不變的氣門正時很難顧及到發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工況時的工作需要。為了讓發(fā)動機(jī)根據(jù)不同的負(fù)載情況能夠自由調(diào)整"呼吸",氣門正時的可變性就發(fā)揮出了應(yīng)有的作用,以達(dá)到提升發(fā)動機(jī)的動力和使燃燒更充分。

7、 重疊角較大的發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速下能發(fā)揮大的功率,在低轉(zhuǎn)時的扭矩輸出方面表現(xiàn)欠佳；而重疊角小的發(fā)動機(jī)是在犧牲了動力性能的前提下具有運轉(zhuǎn)的平順性和高轉(zhuǎn)矩。因此,需要在設(shè)計時,充分考慮到凸輪形狀和正時的設(shè)計,使發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下均具有優(yōu)良的動力特性。 為了解決這個問題,要求"氣門重疊角"的大小可以根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的不同進(jìn)行調(diào)節(jié),使高、低轉(zhuǎn)速下都可以獲得理想的進(jìn)氣量從而提升發(fā)動機(jī)燃燒效率和減少減少NOx的排放,這就是可變氣門正時技術(shù)開發(fā)的目的。 發(fā)動機(jī)可變氣門正時技術(shù)的英文縮寫是"VVT" 〔Variable Valve Timing〕,是"可變氣門正時"的通稱?？勺儦忾T正時的原理是根據(jù)發(fā)動機(jī)的運行情

8、況,調(diào)整進(jìn)氣、排氣的量,控制氣門開合的時間和角度,使進(jìn)入的空氣量達(dá)到最佳,從而提高燃燒效率。 CVVT－連續(xù)可變氣門正時技術(shù),是一種通過電子液壓控制系統(tǒng)控制打開進(jìn)氣門的時間早晚,從而控制所需的氣門重疊角的技術(shù)。這項技術(shù)根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài),來延遲或提前進(jìn)氣門的打開時間,特點是能夠穩(wěn)定燃燒狀態(tài),提高發(fā)動機(jī)工作效率,降低污染排放,提高燃油經(jīng)濟(jì)性。例如伊蘭特采用CVVT發(fā)動機(jī)后減少了油耗8%以上。 雙CVVT技術(shù)是發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,它分別控制發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng),其效果如同一個較小的渦輪增壓器,能有效地提升發(fā)動機(jī)動力。與單CVVT相比,由于進(jìn)氣量的的加大,并使得汽油的燃燒更加完全,更省油,

9、同時實現(xiàn)了低排放的目的。如現(xiàn)代09款中高端轎車領(lǐng)翔發(fā)動機(jī)就采用該項技術(shù),大大提高了整車的科技性。 圖11為通過調(diào)整凸輪的相位角來達(dá)到改變配氣定時的目的 圖11 調(diào)整凸輪的相位角 VVT系統(tǒng)通過在凸輪軸的傳動端加裝一套液力機(jī)構(gòu),從而實現(xiàn)凸輪軸在一定圍的角度調(diào)節(jié),即于氣門的開啟和關(guān)閉時刻進(jìn)行調(diào)整,其部結(jié)構(gòu)如圖12所示。圖中,轉(zhuǎn)子與凸輪軸相連,轉(zhuǎn)子在外轉(zhuǎn)子的推動下旋轉(zhuǎn),同時轉(zhuǎn)子在油壓的作用下可實現(xiàn)一定圍的角度提前和延后。 圖12 角度調(diào)整的液力機(jī)構(gòu) 圖13所示為采用可變氣門正時系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)。 圖13 采用可變氣門正時系統(tǒng)的發(fā)動機(jī) 最先將氣門正時技術(shù)應(yīng)用的公司是意大利的阿

10、爾法羅密歐。作為第一個開發(fā)出了雙凸輪軸量產(chǎn)發(fā)動機(jī)的廠商,用兩根不同的凸輪軸來控制進(jìn)氣門和排氣門的開閉時間,從而達(dá)到了比單凸輪軸更為有效的效果。該裝置由名叫Giampaolo Garcea的工程師發(fā)明,在進(jìn)氣凸輪軸的主動鏈輪里加上一個裝置,并由螺旋鍵槽將其與凸輪相連接,來改變氣門的正時效果,并在增大了氣門重疊角后獲得了更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)如圖14所示。 圖14 可變氣門正時系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 日產(chǎn)和本田公司分別在1987年和1989年,研發(fā)出了自己的雙頂置凸輪軸系統(tǒng),即NVCS和VTEC〔Variabl

11、e Valve Timing and Lift Electronic Control System－可變氣門正時及升程電子控制系統(tǒng)〕系統(tǒng)。1992年,寶馬公司開發(fā)出Vanos系統(tǒng),最先被應(yīng)用在了進(jìn)氣凸輪軸上,并在1998年,推出了雙Vanos系統(tǒng)。 豐田的VVT－i〔i的英文為Intake,意為"進(jìn)氣"可變〕技術(shù)的工作原理為：系統(tǒng)由ECU〔引擎電子控制單元〕協(xié)調(diào)控制,來自發(fā)動機(jī)各部位的傳感器隨時向ECU報告運轉(zhuǎn)工況,在ECU中儲存有氣門最佳正時參數(shù), ECU會隨時控制凸輪軸,根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整氣門的開啟時間,以達(dá)到可變正時的目的。 可變氣門升程技術(shù) VVT或CVVT技術(shù)通過合理的分配氣門

12、開啟的時間可以有效提高發(fā)動機(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)性,但是對發(fā)動機(jī)功率轉(zhuǎn)矩等性能的提升作用不明顯。發(fā)動機(jī)的動力表現(xiàn)主要取決與單位時間的進(jìn)氣量,氣門正時所體現(xiàn)的是氣門開啟的時間,而氣門升程則代表了氣門開啟的大小。從原理上看,可變氣門正時技術(shù)也是通過改變進(jìn)氣量來改善動力表現(xiàn)的,但是氣門正時只能增加或者縮小氣門開啟時間,并不能有效改善汽缸單位時間的進(jìn)氣量,因此對發(fā)動機(jī)動力性的幫助并不大,而可變氣門升程技術(shù)并結(jié)合VVT〔CVVT〕技術(shù)則圓滿地解決了這個問題。 可變氣門升程技術(shù)可以在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下匹配合適的氣門升程,使得低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩充沛,而高轉(zhuǎn)速時動力強(qiáng)勁。低轉(zhuǎn)速時系統(tǒng)使用較小的氣門升程,這樣有利于增加缸紊流

13、以提高燃燒速度,增加發(fā)動機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩,而高轉(zhuǎn)速時較大的氣門升程則可以顯著提高進(jìn)氣量,從而提升高轉(zhuǎn)速時的功率輸出。 本田的i－VTEC技術(shù)是最早將可變氣門升程技術(shù)成功應(yīng)用的廠家。本田工程師利用第三根搖臂和第三個凸輪即實現(xiàn)了看似復(fù)雜的氣門升程變化,其工作原理如圖15所示。 圖15 本田K20Z3發(fā)動機(jī)的i-VTEC系統(tǒng) 當(dāng)發(fā)動機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時,系統(tǒng)控制將兩個進(jìn)氣搖臂和中間搖臂連接為一體,此時三個搖臂就會同時被高角度凸輪驅(qū)動,而氣門升程也會隨之加大,進(jìn)氣量增大,發(fā)動機(jī)動力增強(qiáng)。這種突然的動力爆發(fā)能夠增加駕駛樂趣,缺點是動力輸出不夠線性,具有一定的沖擊。 奧迪、三菱和豐田等廠家也研發(fā)出可

14、變氣門升程技術(shù),均是通過增加凸輪軸上的凸輪來實現(xiàn)了氣門升程的分段可調(diào)。 連續(xù)可變氣門升程技術(shù) 日產(chǎn)和寶馬推出了連續(xù)可變氣門升程技術(shù),實現(xiàn)了氣門升程的無級可調(diào)。英菲尼迪VVEL技術(shù)在驅(qū)動氣門運動的搖臂增加了一組螺桿和螺套,螺套由一根連桿與控制桿相連,連桿和一個搖臂和控制桿相連帶動氣門頂端的凸輪。螺套的橫向移動可以帶動控制桿轉(zhuǎn)動,控制桿轉(zhuǎn)動時上面的搖臂隨之轉(zhuǎn)動,而搖臂又與link B相連,搖臂轉(zhuǎn)動時帶動link B去頂氣門挺桿上端的輸出凸輪,最后輸出凸輪就會頂起氣門來改變氣門升程。日產(chǎn)通過這樣一套連桿和螺桿的組合實現(xiàn)了氣門升程的連續(xù)可調(diào),如圖16所示。 圖16連桿和螺桿的組合的連續(xù)可變氣

15、門升程技術(shù) 相比分段可調(diào)的i-VTEC技術(shù),連續(xù)可變的氣門升程不僅提供全轉(zhuǎn)速區(qū)域更強(qiáng)的動力,也使得動力的輸出更加線性,這項技術(shù)最先就被裝備在G37的VQ37VHR發(fā)動機(jī)上。 VANOS是寶馬開發(fā)的連續(xù)可變氣門正時技術(shù),寶馬2.0升直列四缸發(fā)動機(jī)采用的是進(jìn)氣氣門正時和排氣氣門正時同時可變的Double-VANOS雙可變氣門系統(tǒng)。Double-VANOS系統(tǒng)能夠在大部分轉(zhuǎn)速區(qū)持續(xù)地調(diào)節(jié)進(jìn)氣門正時和排氣門正時,并且還能夠在各種工況下控制高溫廢氣再循環(huán)進(jìn)入進(jìn)氣歧管的流量,利用調(diào)節(jié)再循環(huán)廢氣量在低速時提高燃油經(jīng)濟(jì)性,在高速時產(chǎn)生最大輸出功率。其連續(xù)可變氣門正時技術(shù)與日產(chǎn)英菲尼迪VVEL技術(shù)類似

16、。 BMW連續(xù)可變氣門正時技術(shù)演示 3. 結(jié)束語 配備在大眾GTI上的2.0 T-FSI發(fā)動機(jī)〔T－渦輪增壓,FSI－Fuel Stratified Injection－燃油分層噴射〕,5100轉(zhuǎn)時動力輸出為147千瓦,升功率達(dá)到了73.5 kw/L。由于擁有直噴發(fā)動機(jī)燃油直接噴射的特征,還擁有渦輪增壓器,所創(chuàng)造的動力強(qiáng)大和突出的扭矩輸出區(qū)域,其卓越的響應(yīng)提供給駕駛者完美的操控快感,也完全沒有機(jī)械渦輪增壓器動力滯后的現(xiàn)象,充分體現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)的完美結(jié)合。 直噴演示 圖17 凱迪拉克D-VVT可變雙氣門技術(shù)＋直噴技術(shù) 直噴演示畫外音 發(fā)動機(jī)根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷工況,可以自動選擇兩

17、種運行模式。在低負(fù)荷時為分層稀薄燃燒,在高負(fù)荷時則為均質(zhì)燃燒。 低負(fù)荷時,油門為半開狀態(tài),燃油系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)壓縮沖程噴注燃油,特別的活塞頂設(shè)計〔彎曲頂面活塞〕使吸入的空氣和噴入的燃油形成滾流,僅在火花塞周圍形成達(dá)到理論空燃比、足以燃燒的空燃混合氣,來引燃整個燃燒室的混合氣,而在燃燒室的其他地方則為富含空氣的高空燃比混合氣,以此形成稀薄燃燒。 全負(fù)荷時,根據(jù)吸入空氣量精確控制地燃油的噴注量,燃油與空氣同步注入汽缸并充分霧化混合,使符合理論空燃比的混合氣均勻地充滿燃燒室,即,形成勻質(zhì)燃燒, 充分的燃燒使發(fā)動機(jī)動力得到淋漓盡致的發(fā)揮。而燃油的蒸發(fā)又使混合氣降溫去除了爆震的產(chǎn)生,即在均勻燃燒情況和獲得高動力輸出和扭矩的同時付出了較低的燃油消耗。 結(jié)合可變氣門技術(shù)和發(fā)動機(jī)渦輪增壓技術(shù)、直噴技術(shù)以及氣道和燃燒室的優(yōu)化,不僅使得發(fā)動機(jī)具有低排放、低能耗,并具有更強(qiáng)勁的動力輸出。這些技術(shù)能夠讓發(fā)動機(jī)對駕駛者的意圖做出更迅捷的反饋,同時通過發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)對氣門升程的精確控制,實現(xiàn)了車輛在各種工況和負(fù)荷下的最佳動力匹配。 10 / 10