胡孝明，常紅梅，湯鴻明

（陜西理工學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，陜西 漢中723000）

發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)（VVT，Variable Valve Timing）技術(shù)是為了解決發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下，調(diào)整進(jìn)排氣量和氣門開合時(shí)間、角度，使進(jìn)入的空氣量達(dá)到最佳，從而提高燃燒效率，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳性能。由于VVT技術(shù)改變了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中配氣相位固定不變的狀態(tài)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)可提供最佳的配氣正時(shí)[1]，較好地解決了高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷與小負(fù)荷下動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾，同時(shí)在一定程度上改善了廢氣排放，因此VVT技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[2-7]。

早在1880年美國(guó)就出現(xiàn)有關(guān)可變氣門的專利[8]，但最早開始批量生產(chǎn)使用的是1983年阿爾法羅密歐的可改凸輪軸相位角機(jī)構(gòu)[9]。該類機(jī)構(gòu)利用凸輪軸調(diào)相原理，凸輪型線是固定的，而凸輪軸相對(duì)曲軸的轉(zhuǎn)角是可變的。近年來又出現(xiàn)了豐田公司研發(fā)智能可變氣 門 正（VVT-I，Variable valve Timing-intelligent）系統(tǒng)和本田公司研發(fā)的可變氣門相位及升程控制（i-VTEC，Variable Valve Timing and lift Electronic Control）系統(tǒng)。豐田的VVT—i系統(tǒng)可連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時(shí)[10]，但不能調(diào)節(jié)氣門升程，它的工作原理是：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)由低速向高速轉(zhuǎn)換時(shí)，電子計(jì)算機(jī)就自動(dòng)地將機(jī)油壓向進(jìn)氣凸輪軸驅(qū)動(dòng)齒輪內(nèi)的小渦輪，這樣，在壓力的作用下，小渦輪就相對(duì)于齒輪殼旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而使凸輪軸在60°的范圍內(nèi)向前或向后旋轉(zhuǎn)，從而改變進(jìn)氣門開啟的時(shí)刻，達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時(shí)的目的，所以能大大改善燃油經(jīng)濟(jì)性，有效提高汽車的功率與性能，減少油耗和廢氣排放。本田公司的VTEC是一種可變氣門配氣相位和氣門升程電子控制系統(tǒng)，在不同轉(zhuǎn)速和復(fù)核下采用不同凸輪線性驅(qū)動(dòng)氣門[5]，可以實(shí)現(xiàn)幾種轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的最佳氣門的由于該技術(shù)正時(shí)調(diào)節(jié)和升程不連續(xù)，不能獲得所有工況的最佳正時(shí)。隨后本田公司發(fā)表的i-VTEC，也達(dá)到了“可連續(xù)性”變化的正時(shí)與重疊角。

目前，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，高達(dá)80%的燃油消耗出現(xiàn)在低負(fù)荷區(qū)[6]，而現(xiàn)在城市用車大量使用工況在低負(fù)荷區(qū)，加之低負(fù)荷用車大量處于低速狀態(tài)。因此研究氣門正時(shí)對(duì)低速發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能影響，得到真正符合發(fā)動(dòng)機(jī)特性需求，從而可變氣門配氣系統(tǒng)研究與開發(fā)依然具有重大意義。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)可變凸輪軸相位理論分析

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣正時(shí)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)取得的，為設(shè)計(jì)配氣凸輪型線以及確定各氣缸進(jìn)、排氣凸輪軸相位提供依據(jù)。凸輪軸相位變化，導(dǎo)致氣門進(jìn)氣門開啟關(guān)閉時(shí)間及進(jìn)排氣量大小的變化，所以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門調(diào)整凸輪軸相位。發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)工況下都有一個(gè)最合適的配氣正時(shí)，進(jìn)而就有一個(gè)最佳凸輪軸相位[11]，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有一個(gè)最佳體現(xiàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)低速或者怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)無需很多可燃混合氣就能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。如圖1所示，在低速或者怠速，進(jìn)氣氣流比較小，氣流慣性小，如果進(jìn)氣門打開過早即增大角α，使發(fā)動(dòng)機(jī)氣門開啟時(shí)間長(zhǎng)，此時(shí)缸內(nèi)的氣壓和缸外氣壓相差無幾，再加上活塞要上行，就很容易使新鮮空氣被擠出缸外，使進(jìn)氣量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)工作更趨不穩(wěn)定。而減小進(jìn)氣門提前角α，即活塞具有一定的下行速度時(shí)開啟進(jìn)氣門，加強(qiáng)進(jìn)氣渦流，使空氣更容易進(jìn)入氣缸，獲得更好的油氣混合，進(jìn)行更充分的燃燒，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。發(fā)動(dòng)機(jī)低速或者怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)所需的可燃混合氣數(shù)量比較少，應(yīng)減小進(jìn)氣門遲閉角β.為了充分利用缸內(nèi)氣體的能量，應(yīng)推遲開啟排氣門即減小排氣門提前角γ；同時(shí)為了避免進(jìn)入缸內(nèi)混合氣體從排氣門流出缸外和廢氣過多進(jìn)入進(jìn)氣端影響吸氣質(zhì)量，應(yīng)減小排氣門推遲角δ，也減少排氣門重疊角β+γ.發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)足夠動(dòng)力，需要增加進(jìn)氣量。高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)氣氣流很快，流動(dòng)慣性很大，所以保證進(jìn)氣時(shí)間就可以得到足夠進(jìn)氣量，加大進(jìn)氣門提前角α進(jìn)氣可以保證可燃混合氣順利的、充分的進(jìn)入氣缸；推遲進(jìn)氣門關(guān)閉即增大進(jìn)氣門遲閉角β也可以利用進(jìn)氣氣流的慣性增加氣缸的進(jìn)氣量。從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。與此同時(shí)，為了保證氣缸內(nèi)可燃混合氣的含量，應(yīng)盡最大可能排出廢氣。為了充分利用氣缸做功沖程終了前缸內(nèi)氣壓比缸外高，增大排氣門提前角γ；而增大排氣門遲閉角δ可以充分利用進(jìn)氣形成的氣流將廢氣排出氣缸外。這樣就增加了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的效率進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能（如圖1所示）。

圖1 配氣定時(shí)圖

綜上所述，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)提前調(diào)節(jié)凸輪軸使進(jìn)排氣門提前開啟，推遲調(diào)節(jié)凸輪軸使進(jìn)排氣門關(guān)閉；在低速和怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)推遲調(diào)節(jié)凸輪軸使進(jìn)排氣門開啟，提前調(diào)節(jié)凸輪氣壓軸使進(jìn)排氣門關(guān)閉。

2 VVT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述發(fā)動(dòng)機(jī)可變凸輪軸相位分析，為某一無VVT配氣功能的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)一套進(jìn)（排）氣正時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)的VVT系統(tǒng)。如圖2所示，該VVT系統(tǒng)保留原發(fā)動(dòng)機(jī)原有的進(jìn)排氣歧管和凸輪軸，通過重新設(shè)計(jì)凸輪軸與凸輪的相位關(guān)系，使發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能提前調(diào)節(jié)凸輪軸使進(jìn)排氣門提前開啟，推遲調(diào)節(jié)凸輪軸使進(jìn)排氣門關(guān)閉；在低速和怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)推遲調(diào)節(jié)凸輪軸使進(jìn)排氣門開啟，提前調(diào)節(jié)凸輪氣壓軸使進(jìn)排氣門關(guān)閉。改造好的發(fā)動(dòng)機(jī)仍采用原發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣正時(shí)調(diào)節(jié)采用另外一套控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 VVT配氣機(jī)構(gòu)

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性指標(biāo)是表征發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力大小的指標(biāo)，一般用發(fā)動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩、有效功率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。下面在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行原發(fā)動(dòng)機(jī)和VVT發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的有效功率、有效轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 原發(fā)動(dòng)機(jī)和VVT發(fā)動(dòng)機(jī)功率對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在全負(fù)載下原發(fā)動(dòng)機(jī)和VVT發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行功率對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)轉(zhuǎn)速而得到的功率曲線如圖3所示，由圖可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣系統(tǒng)改變后，發(fā)動(dòng)機(jī)功率獲得了提高。在轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)獲得了最大功率提升，功率提升了2.5 kW.由此可見可變配氣正時(shí)調(diào)節(jié)對(duì)低速發(fā)動(dòng)機(jī)的功率有提升作用。

圖3 原發(fā)動(dòng)機(jī)和VVT發(fā)動(dòng)機(jī)功率對(duì)比

3.2 原發(fā)動(dòng)機(jī)和VVT發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在不同轉(zhuǎn)速下，原發(fā)動(dòng)機(jī)和VVT發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)進(jìn)行扭矩對(duì)比試驗(yàn)。該扭矩是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后測(cè)得，如圖4所示。從圖4中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)進(jìn)行改變后，VVT發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩比原發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩平均高出2 N·m.由此可見發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣進(jìn)行正式調(diào)節(jié)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩提高有明顯的效果。

圖4 原發(fā)動(dòng)機(jī)和VVT發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩對(duì)比

3.3 調(diào)節(jié)角度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

對(duì)于VVT發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在怠速分別為1 000 r/min和1 200 r/min時(shí)，研究其角度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，得到其關(guān)系曲線如圖5所示。圖中的角度是指進(jìn)氣凸輪軸在原進(jìn)氣凸輪軸相位角度的基礎(chǔ)上晚開相應(yīng)的角度，在原關(guān)閉的角度上早關(guān)相應(yīng)的角度；排氣凸輪軸在原排氣凸輪軸相位角度基礎(chǔ)上晚開相應(yīng)的角度，在原關(guān)閉的角度上早關(guān)相應(yīng)的角度。試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)原發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速時(shí)轉(zhuǎn)速和VVT發(fā)動(dòng)機(jī)0度轉(zhuǎn)速一樣。由圖4可知發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著角度增大轉(zhuǎn)速下降，在轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速降低了82 r/min；在轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)轉(zhuǎn)速降低了54 r/min.轉(zhuǎn)速降低為發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低提供空間從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

圖5 調(diào)節(jié)角度與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

4 結(jié)束語

VVT系統(tǒng)通過調(diào)劑凸輪軸的相位角使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳配氣正時(shí)。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)提前調(diào)節(jié)凸輪軸使進(jìn)排氣門提前開啟，推遲調(diào)節(jié)凸輪軸使進(jìn)排氣門關(guān)閉；在低速和怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)推遲調(diào)節(jié)凸輪軸使進(jìn)排氣門開啟，提前調(diào)節(jié)凸輪氣壓軸使進(jìn)排氣門關(guān)閉。

通過原發(fā)動(dòng)機(jī)與VVT發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比得知，VVT發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩都比原發(fā)動(dòng)機(jī)的高，這樣可以提供更大的動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性提高；發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也與配氣正時(shí)有關(guān)，隨著角度增加，轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)而油耗降低，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)提供更大的動(dòng)力性，從而也證實(shí)了可變氣門正時(shí)低速發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能有了顯著的提高。

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