可变气门正时的分析及设计.pdf

可变气门正时的分析和设计 赵鹏 重庆交通大学机械与汽车工程学院（400074 ） Email：zhaopeng023@126.com 摘 要：本文针对发动机的气门控制条件做分析，计算出进气门开启和关闭的瞬时条件。之 后对一个有凸轮气门结构进行仿真试验，结果证明扭矩在低速中速范围，可以增加 10 ％～ 15 ％，在高速范围可以增加10 ％左右；HC 化合物排放大约减少了 19 ％，NOx 大约减少了 29 ％。 关键词：发动机 可变气门 分析 设计 1．前言 随着我国汽车工业的迅速发展，随之而来的汽车排放污染问题也逐渐严重。汽车发动机 如何在相同工作条件下减少污染排放、提高燃油使用效率成为人们关注的问题。传统发动机 其凸轮配气相位是通过各种不同配气相位的试验，从中选取某一固定配气相位兼顾其他工 况，是发动机性能的一种折衷方案。因为其配气相位是固定的，无法在运行过程中进行调节， 所以发动机性能难以在各种工况下都达到最佳。可变配气相位(Variable Valve Timing 简称 VVT)机构能使气门正时、气门开启持续时间及气门升程等参数中的一个或多个随发动机的 工况变化实时进行调节，从而获得更好的燃油经济性，更优异的扭矩和功率特性，提高怠速 稳定性和降低排放。 2 ．分析和设计 概述：VVT 结构中可分为 有无凸轮两类。使用凸轮结构 中，可以重新配置输入凸轮，方 法是通过计算机控制这些与凸 轮中心线相关的零件位置来控 制凸轮线型来控制气门正时和 [1] 升程（图1） 。无凸轮结构中， 通常有电磁结构、电气结构和电 液结构。电磁驱动可变配气相位机构是利 图1 凸轮气门机构及气门正时升程 用电磁铁产生的电磁力驱动气门，此结构 可以有效控制气门正时和升程，缺点是结构比较复杂、耗费能量大；使用空气驱动，由于其 可压缩性，故不推荐；电液控制可以保持系统的简单而可行，能量消耗很小，缺点是在发动 机高速运转时有滞后，通过改良试验后，表明在4000r/min 转速情况下可以正常工作[2] 。 要取得好的VVT 系统动力分析和设计，还需要阀门组的轮廓，燃烧室和气门的几何尺 寸等几何参数，加之发动机的控制运算单元和软件支持。 以进气门为例子：（下面计算如没有特殊说明，下标i 表示进气管侧，下标 c 表示汽缸 内），（图2 ）。 - 1 - 控制体积 分界面面积A n n 进口压力Pi 汽缸内压力Pc δ 图2 进气口控制结构 首先，分析进气门开启条件 D ρv ⋅dV −(P ⋅n +P ⋅n )⋅A ，雷诺方程在一个空间内简化为 Dt ∫ i i c c ∂ 2 (ρv)dV + ρv ndA −(P +P )nA ∫∂t ∫ i c δ ∴ ∂( ) ( 2 2 ) ( ) ρv dx − ρ v −ρ v e P −P e ∫∂t i i c c x i c x 0 应用平均值法则后： ⎛⎜∂ (