·设计·计算·研究·
国外发动机可变配气相位研究进展
*
———机构篇
吉林工业大学 苏 岩 李理光长春汽车研究所 肖 敏 曾朝阳
【A bstract 】Summing up the development situation of automobile engine v ariable valve timing (VV T ) technics do -mestic and fo reign , the ar ticle generalizes the meaning and application of variable v alve timing technics , classifies the current valve mechanism , presents typical practical mechanisms of overseas products in late ten and more years , analyzes function o f the mechanism and bring s up recom mendation of practical application of VV T technics in this country .
【摘要】综合国外汽车发动机可变配气相位(V V T ) 技术的发展状况, 概述了可变配气相位技术的意义和应用, 对现有配气机构进行分类。介绍了国外近10多年已形成产品的典型实用机构, 剖析了机构原理, 并对V V T 技术在我国的具体应用提出了建议。
Topic words :Engine , Valve timing 主题词:发动机 配气相位
可变配气相位在柴油机上应用, 可以控制发动机的有效压缩比, 使其既具有良好的起动性能, 又能降低燃油消耗率; 提高各种转速下的充气系数, 增加总功率; 改善废气涡轮增压器与发动机在高、低转速下的匹配。
1 前言
由于环境保护和人类可持续发展的要求, 低能耗和低污染已成为汽车发动机的发展目标。要求发
动机既要保证良好的动力性又要降低油耗满足排放法规的规定。在各种现代技术手段中, 可变配气相位(VV T ) 技术已成为新技术发展方向之一。传统式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各种工况, 是发动机性能的一种折衷方案, 因而不可能在各种情况下达到最佳性能。与固定配气相位相比, 可变配气相位则可以在发动机整个工作范围内的转速和负荷下, 提供合适的气门开启、关闭时刻或升程, 从而改善发动机进、排气性能, 较好地满足高转速和低转速、大负荷和小负荷时的动力性、经济性、废气排放的要求。可变配气相位技术可广泛应用在汽油机以及柴油机上, 特别是双凸轮轴的多气门发动机上。
可变配气相位在汽油机上应用, 可以提高发动机的动力性和经济性; 改善废气排放; 改善怠速稳定性和低速时的平稳性; 提高充气效率和低速扭矩; 降低怠速转速。
*国家自然科学基金资助项目(No . 59676026) 2 可变配气相位在国外的研究状况
由于可变配气相位技术的优越性, 在美国已有800多项专利产品[1]。但是出现在80年代以前的很多机构存在问题较多, 如造价昂贵、机构复杂、可调自由度有限以及冲击速度较高等。近10多年, 电子技术的发展促进了可变配气相位机构产品化, 有些技术已在轿车上使用, 取得了较好的效果。
Benz 公司的500SL 型车用V8发动机采用了可变气门正时, 使用进气凸轮轴两点调相法来改变气门正时。在进气门关闭角提前调整的工况, 发动机4000r /min 全负荷工况下, 扭矩平均增加15Nm ～30Nm , 提高了5%～8%,在进气门关闭角滞后调整时, 标定功率增加15kW , 提高了约7
[2]%。HONDA 公司在1989年第一批装用V TEC
(Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System ) 的1. 6L 发动机, 其最大输出功率可从原
车 术
88kW 增加到118kW , 而且可以达到8000r /min 的超高速[3]。本田公司声称本田VTEC 发动机是把赛车发动机的高转速性能和普通2气门发动机的低转速性能结合在一起的发动机。本田最近新出台的三段式V TEC 发动机, 能在低、中、高三种不同状态下让气门以三种不同的方式工作, 这种崭新的三段式VTEC 机构使发动机油耗在与VTEC -E 相同的情况下, 功率提高了40%,最大功率96
[4]
kW (64kW /L ) , 如图1所示
。
闭所消耗的电能约为1J 。其能量消耗值取决于气门大小和发电机效率等发动机设计参数。使用电磁控制全可变气门机构可以控制无节气门汽油机的混
合气充量和残余废气系数。利用提前关闭进气门来控制混合气充量可以减少换气损失, 降低燃油消耗。根据汽油机的转速和负荷调节节气门正时, 可以改变混合气的成分, 优化燃烧过程。在发动机低转速时, 汽油机可以提高全负荷平均有效压力30%。电磁控制全可变气门机构与普通配气机构相比, 结构比较简单, 驱动气门零件比较少, 而且它能对气门升程和正时进行全面控制。
图1 三段式V T EC 与V T EC -E 发动机输出功率对比图[4]
2. 1 无凸轮轴可变配气相位机构
该类机构没有凸轮轴, 直接对气门进行控制, 其优点是能对气门正时的所有因素进行控制, 在各种工况下获取最佳气门正时; 另外, 还能关闭部分气缸的气门, 实现可变排量。直接对气门控制, 是比较理想的状况, 但该类控制机构操纵时需要消耗较高的能量, 如何降低能量消耗是这类机构必须解决的问题。德国FEV 电磁控制全可变气门机构和美国Fo rd 公司与德国Benz 公司
[4]
图2 FEV 电磁控制全可变气门机构[6]
2. 1. 2福特ECV 无凸轮电控液压可变配气相位机构
福特公司研制出无凸轮电控液压气门控制机
构, 可以对气门正时、升程及速度进行连续可变的控制。利用液压流体的弹性特征, 在气门开启和关闭时对其加速或减速, 简称液压摆原理。象机械摆锤一样, 液压摆可以实现由流体的势能转换到动能, 然后再转回到势能, 其中只有很小的能量损失。该机构原理如图3所示, 它包括高压、低压储能器并在气门顶部安装一个双面作用的柱塞, 柱塞上部可以与高压油源和低压油源相连, 下部与高压油源相连。柱塞上部的承压面远远大于下部承压面。当气门开启时, 高压螺线阀是打开的, 双面柱塞上的净压使气门加速向下运动, 当高压螺线阀关闭时, 柱塞上的压力下降, 在减速的同时, 推动柱塞下部的高压油流到高压储能器, 低压油流经低压检测阀进入柱塞上部空间。当气门停止向下运动时, 低压检测阀关闭, 气门在打开的位置锁住。气门关闭的过程与开启相类似。低压螺线阀打开, 柱塞上部压力降低至低压储能器内的压力, 净压力作
的无凸轮电控液
压可变配气相位机构是属于该类型的典型机构。FEV 电磁控制全可变气门机构已有产品出现。Benz 公司的无凸轮电控液压可变配气相位机构预计二、三年内将应用于车上。而Ford 的ECV 机构正处于台架研究阶段。
2. 1. 1 德国FEV 电磁控制全可变气门机构
图2表示了FEV 发动机技术公司的电磁控制气门机构。这是利用电磁铁来固定气门运动终点的自由振动系统。其气门开启(或关闭) 时间约为
3ms 。气门的开启持续时间可以自由选择。这样, 气门正时和落座速度可以根据发动机的转速和负荷自由选择。在每个发动机循环中, 每个气门启
6
用双面柱塞下部使其加速上行。然后, 低压螺线阀关闭, 柱塞上部压力增加, 柱塞减速的同时, 推动上部液压油通过高压检测阀流回高压储能器。
中速时, 采用中速凸轮型线驱动两个进气门, 确保中速扭矩; 高速时, VTEC 加大气门升程及延长开启时间, 使进气量增加, 以输出更大功率。
Mitsubishi 公司的M IVEC 机构与三段式VTEC 机构原理很类似。它们都已成为产品在车上应用, 取得了较好的效果。
图3 ECV 无凸轮电控液压可变配气相位机构[7]
2. 2 变换凸轮型线的可变配气相位机构
这类机构可以提供两种以上凸轮型线, 在不同转速和负荷下, 采用不同的凸轮型线驱动气门。本田公司的VTEC 机构、M itsubishi 公司的M IVEC 机构
[8]
图4 本田V T EC 可变配气相位机构[4]
、Fiat 三维凸轮机构、Elrod 和Nelson 可变
凸轮相位机构[9]都属于此类机构类型。2. 2. 1 本田三段式VTEC 可变配气相位机构
日本本田公司在VTEC -E 型[3][10]可变配气相位机构基础上, 开发出三段式VTEC 可变配气相位机构。该机构继承了VTEC -E 型机构特点, 能更好的改善发动机性能。机构如图4所示, 每对气门在不同工况由凸轮轴上:滞止凸轮(0. 65mm 最大升程) 、中速凸轮(7. 3m m 升程) 、高速凸轮(10mm 升程) 分别控制; 相应的凸轮推动的摇臂也有三个:主摇臂、中间摇臂、次摇臂; 另外, 还有两个转换柱塞协同转换驱动凸轮。低速时, 各个摇臂分离独立工作。主摇臂驱动主气门正常工作; 次摇臂驱动次气门, 最大升程为0. 65mm , 主要是防止燃油在气门口处积聚。中速时如图5所示, 电脑控制中速油路开启, 液压油驱动中速转换柱塞, 使主、次摇臂联结在一起, 中速凸轮开始起作用, 驱动两个气门运转。高速时, 电脑控制打开高速油路, 液压油推动高速转换柱塞, 主、次摇臂与中间摇臂联结在一起, 由高速凸轮驱动。当转速降低时, 油路内油压降低, 柱塞在回位弹簧的作用下推回, 三根摇臂又依次分开。该机构使发动机根据自身转速和负荷自动改变气门的配气相位及气门升程, 改变进气量。低速时, VTE C 开启一个气门实现稀燃;
图5 V T EC 在发动机中速时工作示意图[4]
2. 2. 2 Fiat 三维凸轮机构
如图6所示, 它是一个三维凸轮机构, 由意大利Fiat 公司开发研制。一个带有锥度外廓的凸轮和装有可倾斜式垫块的挺柱相接触。凸轮轴的轴向移动使得凸轮的不同部分和挺柱相接触, 导致气门升程和配气相位发生变化。基圆半径沿凸轮轴的轴向是不变的, 但凸轮升程沿轴向改变, 故垫块必须随凸轮轴旋转变化它的倾斜角。凸轮轴端部安装一机械式调速器, 当凸轮轴转速发生变化时, 调速器
车 术
拖动凸轮轴产生轴向移动, 使得气门升程和配气相位同时发生改变。该机构可以在气门升起、回落特性上进行控制
。
滑系, 所以不需要另设一套机构提供高压油。
图7 N issan 凸轮轴可变相位机构[12]
图6 Fiat 三维凸轮机构[11]
2. 4 改变凸轮与气门之间联结的可变配气相位机构
该类机构主要是通过改变凸轮与气门之间的联结机构, 如挺柱、摇臂或推杆的结构, 间接的实现改变凸轮型线作用。这类机构机械式的较多, 也有液压式的, 可以较好的实现可变配气相位的功能; 不足之处是大多数机构从动件比较多, 气门系存在冲击, 有的结构也很复杂。
2. 4. 1 M EC 可变配气相位机构
该机构采用一个结构简单的可移动摇臂支点, 结构如图8所示, 当移动枢轴相对固定齿条移动时, 摇臂支点将发生变化, 摇臂比相应改变, 从而使气门升程、持续历程或相角改变。摇臂上表面的平面用来承受移动枢轴的负荷, 固定齿条限制摇臂发生轴向窜动。目前, 这种机构尚处于台架研究阶段, 但该机构成功的通过了200h 连续测试, 可以控制气门升程由0变化到最大行程, 有效持续期从0°-260°, 机构简单、可变范围广, 是一种较为实用的机构。2. 4. 2 电控液压挺柱式可变配气相位机构
该机构原理如图9所示, 当电磁阀关闭时, 凸轮推动第一挺柱, 由于挺柱室内的液压油不能溢出, 油压推动第二挺柱, 使气门工作。当电磁阀打开, 由于一部分液压油溢出到储油室, 第二挺柱延缓推动气门, 使气门晚开或早关, 气门升程也可以减小。这种机构比较简单, 它只需改变液力梃柱; 当液压油溢出到储油室足够多时, 可以完全消除气门升程, 实现可变排量。
2. 3 改变凸轮轴相角的可变配气相位机构该类机构利用凸轮轴调相原理, 凸轮型线是固定的, 而凸轮轴相对曲轴的转角是可变的。因为配气相位中影响发动机性能较大的是进气门关闭角和进排气重叠角, 在多气门双顶置凸轮轴发动机上, 单独控制进、排气凸轮轴, 可以实现对这两个因素的控制, 改善发动机性能。虽然这类机构不能改变气门升程和持续期, 但是它机构原理简单, 可以保持原发动机气门系不变, 只用一套额外的机构来改变凸轮轴相角, 对原机改动较小, 便于采用, 应用较广泛。属于这种原理的机构很多, 大多是液压式的。文献[1]中提到的螺旋花键轴式、张紧轮式、差速器式、液压马达式机构均属此类。
Nissan 凸轮轴可变相位机构, 这是日本Nissan 公司开发的一种液压机构, 用在双顶置凸轮轴发动机上, 改变进气凸轮轴相角, 实现配气相位可变。该机构采用螺旋花键轴式凸轮调相原理, 如图7所示, 主要由凸轮轴、带有斜齿的内轴套、斜齿活塞、正时带轮组成。正时带轮与活塞之间、活塞与内轴套之间分别有旋向相反的斜齿相啮合联结, 正时带轮相对曲轴的相位是固定不变的, 当控制阀打开时, 活塞在高压油作用下向右移动, 由于活塞内外为斜齿, 从而引起内轴套带动凸轮轴相对于正时带轮发生相对角位移; 当控制阀关闭时, 活塞在回位弹簧的作用下左移, 引起内轴套带动凸轮轴相对于正时带轮发生反向转动。该机构的高压油来自发动机润
6
构仍为当今两大主流产品。采用凸轮调相原理的比较多, 因为其结构简单, 容易控制, 而且对原机改动较少, 便于设计。对于液压式机构, 可以直接采用发动机内部的高压润滑油进行驱动, 应用起来有很多方便之处。我国的轿车发动机, 正在全面推广应用电控汽油喷射技术, 有的开始采用顶置双凸轮轴机构, 在这种发动机上实施凸轮调相原理可变配气相位机构, 会有较好的效果。
参
考
文
献
图8 M EC 可变配气相位机构[13]
图9 电控液压挺柱式可变配气相位机构[14]
1. 具有液压制动的第二挺柱 2. 挺柱室
3. 第一挺柱 4. 凸轮轴 5. 电磁阀6. 储油室 7. 气门
2. 5 其它类机构
除了以上4类机构外, 还有一些其它机构, 如文献[15]中提到的采用2个气门为一组控制一个进气口, 只有2个气门全开时, 进气口才打开; 文献[16]中提到的利用电机驱动凸轮的机构。
3 结论
因为全可变配气相位机构能够对气门运动的所有因素进行控制, 因此成为目前研究的主要对象。本文提出的7种典型机构中除了本田三段式VTEC 机构和Nissan 可变配气相位机构外均属于这种机构。全可变配气相位技术日趋成熟, 有的机构已有样车, 类似三段式V TEC 机构和凸轮调相原理机
1 T homas Dresner and P hillp Barkan . A Review and Classi -fication of Variable Valve T iming M echanisms . SA E890674.
2 M ichae G rohn and K laus Wolf . V ariable Valve Timing in
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3 肖超胜陆华忠. 可变配气相位和升程电子控制系统.
世界汽车, 1997(10)
4 M asato M atsuki , K enji N akano , T ohru A memiy a , Yuichi -ro T anabe , Daisuke Shimizu , and Ichirou O hmura . De -velopment of a Lean Burn Engine with a V ariable V alve T iming M echanism . SAE960583. 5 Leve éde soupapes électrdmag netique Daimler -Benz ,
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7 M ichael M . Schechter and M ichael B . Levin . Camless
Engine . SAE960581.
8 Kiy oshi Hatano , K azumasa lida , Hirohumi Higashi , and
Shinichi M urata . Development o f a New M ulti -Mo de Variable Valve T iming Eng ine . SAE930878.
9 关双城. 凸轮配气相位的连续调整. 小型内燃机, 1988
(2)
10 K enji Shibano and Shinji Damimaru . Takemasa Yamada
and K enzo Wanabe . A N ew ly Developed Variable Valving Mechanism with Low -M echanical Frictio n . SA E920451.
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12 Kellchl M aekaw a and N amlekl Ohsawa , A klo Akasaka .
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13 M ichael B . Riley , M ark M cElw ee and Russell Wake -man . A M echanical Valve Sy stem with V ariable Lift , Du -ratio n , and P hase U sing a M oving Piv ot . SA E970334. 14 Hans Peter Lenz , Bernard Gerlnger , Guenter Smetana
and Alo ls Dachs . I nitial T est Results of an Electro -Hy -draulic
(下转第43页)
车 术
·小知识·小经验·
使用东风EQ1090型汽车应注意的几个问题
解放军汽车管理学院 邵恩坡
东风EQ 1090型汽车在动力性、经济性、可靠性方面都较好, 受到用户的欢迎。现就使用中常见的问题作几点说明。
3 关于轴瓦的装配问题
东风EQ1090型汽车的轴瓦两端各有约10mm 宽无接触印痕, 有一些用户认为是接触不好, 于是用刮刀去刮。实际上, 这正是东风车轴瓦优于其它轴瓦的地方, 它可以排泄磨合中的磨粒, 防止拉瓦和烧瓦。东风EQ1090型汽车的轴瓦采取的是按级别配瓦, 不需要垫片和刮瓦。
1 关于机油压力低的问题
一些新的东风EQ 1090型汽车容易出现机油压力低的问题, 其现象有两种:一是发动机无论在怠速、中速还是高速均无油压, 这种情况非常危险, 容易造成烧瓦; 还有一种是怠速时无油压, 红灯常亮, 中、高速时有油压(约0. 3M Pa ) 。从原理上来说, 机油压力低的原因是多方面的, 对于新东风车, 决大多数原因是机油泵盖上的限压阀钢球卡滞引起的。泵盖上的限压阀通道中有残留的加工毛刺造成钢球卡在通道中间位置, 使限压阀始终处于开启或部分开启状态, 造成机油泵进出油口短路, 油道无压力。解决的方法很简单, 无须拆下机油泵, 只拆下泵盖, 取出钢球和弹簧, 用砂纸除去油道中毛刺即可。
4 关于离合器自由行程的问题
有用户反映, 新车出厂时, 离合器自由行程是正常的, 但行驶一段时间后, 自由行程往往变小甚至没有了。根据我们的经验, 其原因绝大多数是由于新摩擦片正反两面都有凸凹不平, 当汽车行驶一段时间后, 这些表面被磨平, 也就导致离合器自由行程发生变化, 由于摩擦片变薄, 自由行程变小。这时应该及时调整自由行程, 可是很多驾驶员不知道这个原因, 造成没有自由行程也继续行驶, 使摩擦片在重载时产生打滑、甚至烧坏现象。
2 关于活塞烧顶的问题
活塞烧顶虽然是个别现象, 但是如果不认真对待, 会呈发展趋势。分析活塞烧顶的原因, 有以下几个方面:
a . 点火提前角偏大驾驶员在保养发动机时自觉或不自觉地加大了点火提前角, 结果造成发动机爆震。
b . 混合气过稀发动机的混合气过稀会造成燃烧速度缓慢, 导致机体温度升高。混合气变稀的原因是:片面追求节油故意调低油面或减小主量孔; 进气歧管、化油器垫、真空气道接头漏气; 汽油中有水分等。
c . 点火提前角过小点火提前角过小会使燃烧过程推后, 造成发动机过热。
d . 严重超载东风EQ1090型汽车的承载质量是5t , 有些用户为了片面追求经济效益, 加装钢板弹簧, 主车装8t ～10t 货物, 挂车装6t ～8t 货物, 这样势必造成发动机超负荷工作, 极易造成温度过高而烧顶。
5 其它问题
a . 钢板弹簧折断发生钢板弹簧折断的原因除了超载以外, 还有U 形螺栓松动未及时扭紧造成的。
b . 制动鼓发热、制动蹄片不回位在水中行驶后没多久就会发生制动鼓发热、制动蹄片不回位的现象, 这是由于制动蹄孔装的是粉末冶金衬套, 进水后未及时使之干燥, 制动销和衬套便涩滞而咬死, 使制动蹄片制动后不能完全回位, 引起制动鼓发热。解决的方法是出水后多次制动排干水分, 另外建议在更换新衬套时, 在套内拉一道油槽。
c . 连杆螺栓是自锁式, 要求走合期后按规定扭紧一次, 但不是越紧越好, 如果超过规定扭矩的15%以上, 自锁能力将明显下降。
(责任编辑 郝旭辉)
(上接第14页)
Variable -Valve A ctuation Sy stem on a Firing Engine . SA E890678.
15 Olivier V ogel , K imon Roussopoulos , and Lino Guzzella .
James Czekaj . An Initial Study of V ariable v alve T iming Imlemented with a Secondary Valve in the Intake Run -6ner . SA E960590.
16 Rassem R . Henry and Bruno Lequesne . A Novel , Fully
F lexible , Electro -M echanical Engine Valve Actuation System . SA E970249.
(责任编辑 维 云)
修改稿收到日期为1999年3月30日。
·设计·计算·研究·
国外发动机可变配气相位研究进展
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吉林工业大学 苏 岩 李理光长春汽车研究所 肖 敏 曾朝阳
【A bstract 】Summing up the development situation of automobile engine v ariable valve timing (VV T ) technics do -mestic and fo reign , the ar ticle generalizes the meaning and application of variable v alve timing technics , classifies the current valve mechanism , presents typical practical mechanisms of overseas products in late ten and more years , analyzes function o f the mechanism and bring s up recom mendation of practical application of VV T technics in this country .
【摘要】综合国外汽车发动机可变配气相位(V V T ) 技术的发展状况, 概述了可变配气相位技术的意义和应用, 对现有配气机构进行分类。介绍了国外近10多年已形成产品的典型实用机构, 剖析了机构原理, 并对V V T 技术在我国的具体应用提出了建议。
Topic words :Engine , Valve timing 主题词:发动机 配气相位
可变配气相位在柴油机上应用, 可以控制发动机的有效压缩比, 使其既具有良好的起动性能, 又能降低燃油消耗率; 提高各种转速下的充气系数, 增加总功率; 改善废气涡轮增压器与发动机在高、低转速下的匹配。
1 前言
由于环境保护和人类可持续发展的要求, 低能耗和低污染已成为汽车发动机的发展目标。要求发
动机既要保证良好的动力性又要降低油耗满足排放法规的规定。在各种现代技术手段中, 可变配气相位(VV T ) 技术已成为新技术发展方向之一。传统式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各种工况, 是发动机性能的一种折衷方案, 因而不可能在各种情况下达到最佳性能。与固定配气相位相比, 可变配气相位则可以在发动机整个工作范围内的转速和负荷下, 提供合适的气门开启、关闭时刻或升程, 从而改善发动机进、排气性能, 较好地满足高转速和低转速、大负荷和小负荷时的动力性、经济性、废气排放的要求。可变配气相位技术可广泛应用在汽油机以及柴油机上, 特别是双凸轮轴的多气门发动机上。
可变配气相位在汽油机上应用, 可以提高发动机的动力性和经济性; 改善废气排放; 改善怠速稳定性和低速时的平稳性; 提高充气效率和低速扭矩; 降低怠速转速。
*国家自然科学基金资助项目(No . 59676026) 2 可变配气相位在国外的研究状况
由于可变配气相位技术的优越性, 在美国已有800多项专利产品[1]。但是出现在80年代以前的很多机构存在问题较多, 如造价昂贵、机构复杂、可调自由度有限以及冲击速度较高等。近10多年, 电子技术的发展促进了可变配气相位机构产品化, 有些技术已在轿车上使用, 取得了较好的效果。
Benz 公司的500SL 型车用V8发动机采用了可变气门正时, 使用进气凸轮轴两点调相法来改变气门正时。在进气门关闭角提前调整的工况, 发动机4000r /min 全负荷工况下, 扭矩平均增加15Nm ～30Nm , 提高了5%～8%,在进气门关闭角滞后调整时, 标定功率增加15kW , 提高了约7
[2]%。HONDA 公司在1989年第一批装用V TEC
(Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System ) 的1. 6L 发动机, 其最大输出功率可从原
车 术
88kW 增加到118kW , 而且可以达到8000r /min 的超高速[3]。本田公司声称本田VTEC 发动机是把赛车发动机的高转速性能和普通2气门发动机的低转速性能结合在一起的发动机。本田最近新出台的三段式V TEC 发动机, 能在低、中、高三种不同状态下让气门以三种不同的方式工作, 这种崭新的三段式VTEC 机构使发动机油耗在与VTEC -E 相同的情况下, 功率提高了40%,最大功率96
[4]
kW (64kW /L ) , 如图1所示
。
闭所消耗的电能约为1J 。其能量消耗值取决于气门大小和发电机效率等发动机设计参数。使用电磁控制全可变气门机构可以控制无节气门汽油机的混
合气充量和残余废气系数。利用提前关闭进气门来控制混合气充量可以减少换气损失, 降低燃油消耗。根据汽油机的转速和负荷调节节气门正时, 可以改变混合气的成分, 优化燃烧过程。在发动机低转速时, 汽油机可以提高全负荷平均有效压力30%。电磁控制全可变气门机构与普通配气机构相比, 结构比较简单, 驱动气门零件比较少, 而且它能对气门升程和正时进行全面控制。
图1 三段式V T EC 与V T EC -E 发动机输出功率对比图[4]
2. 1 无凸轮轴可变配气相位机构
该类机构没有凸轮轴, 直接对气门进行控制, 其优点是能对气门正时的所有因素进行控制, 在各种工况下获取最佳气门正时; 另外, 还能关闭部分气缸的气门, 实现可变排量。直接对气门控制, 是比较理想的状况, 但该类控制机构操纵时需要消耗较高的能量, 如何降低能量消耗是这类机构必须解决的问题。德国FEV 电磁控制全可变气门机构和美国Fo rd 公司与德国Benz 公司
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图2 FEV 电磁控制全可变气门机构[6]
2. 1. 2福特ECV 无凸轮电控液压可变配气相位机构
福特公司研制出无凸轮电控液压气门控制机
构, 可以对气门正时、升程及速度进行连续可变的控制。利用液压流体的弹性特征, 在气门开启和关闭时对其加速或减速, 简称液压摆原理。象机械摆锤一样, 液压摆可以实现由流体的势能转换到动能, 然后再转回到势能, 其中只有很小的能量损失。该机构原理如图3所示, 它包括高压、低压储能器并在气门顶部安装一个双面作用的柱塞, 柱塞上部可以与高压油源和低压油源相连, 下部与高压油源相连。柱塞上部的承压面远远大于下部承压面。当气门开启时, 高压螺线阀是打开的, 双面柱塞上的净压使气门加速向下运动, 当高压螺线阀关闭时, 柱塞上的压力下降, 在减速的同时, 推动柱塞下部的高压油流到高压储能器, 低压油流经低压检测阀进入柱塞上部空间。当气门停止向下运动时, 低压检测阀关闭, 气门在打开的位置锁住。气门关闭的过程与开启相类似。低压螺线阀打开, 柱塞上部压力降低至低压储能器内的压力, 净压力作
的无凸轮电控液
压可变配气相位机构是属于该类型的典型机构。FEV 电磁控制全可变气门机构已有产品出现。Benz 公司的无凸轮电控液压可变配气相位机构预计二、三年内将应用于车上。而Ford 的ECV 机构正处于台架研究阶段。
2. 1. 1 德国FEV 电磁控制全可变气门机构
图2表示了FEV 发动机技术公司的电磁控制气门机构。这是利用电磁铁来固定气门运动终点的自由振动系统。其气门开启(或关闭) 时间约为
3ms 。气门的开启持续时间可以自由选择。这样, 气门正时和落座速度可以根据发动机的转速和负荷自由选择。在每个发动机循环中, 每个气门启
6
用双面柱塞下部使其加速上行。然后, 低压螺线阀关闭, 柱塞上部压力增加, 柱塞减速的同时, 推动上部液压油通过高压检测阀流回高压储能器。
中速时, 采用中速凸轮型线驱动两个进气门, 确保中速扭矩; 高速时, VTEC 加大气门升程及延长开启时间, 使进气量增加, 以输出更大功率。
Mitsubishi 公司的M IVEC 机构与三段式VTEC 机构原理很类似。它们都已成为产品在车上应用, 取得了较好的效果。
图3 ECV 无凸轮电控液压可变配气相位机构[7]
2. 2 变换凸轮型线的可变配气相位机构
这类机构可以提供两种以上凸轮型线, 在不同转速和负荷下, 采用不同的凸轮型线驱动气门。本田公司的VTEC 机构、M itsubishi 公司的M IVEC 机构
[8]
图4 本田V T EC 可变配气相位机构[4]
、Fiat 三维凸轮机构、Elrod 和Nelson 可变
凸轮相位机构[9]都属于此类机构类型。2. 2. 1 本田三段式VTEC 可变配气相位机构
日本本田公司在VTEC -E 型[3][10]可变配气相位机构基础上, 开发出三段式VTEC 可变配气相位机构。该机构继承了VTEC -E 型机构特点, 能更好的改善发动机性能。机构如图4所示, 每对气门在不同工况由凸轮轴上:滞止凸轮(0. 65mm 最大升程) 、中速凸轮(7. 3m m 升程) 、高速凸轮(10mm 升程) 分别控制; 相应的凸轮推动的摇臂也有三个:主摇臂、中间摇臂、次摇臂; 另外, 还有两个转换柱塞协同转换驱动凸轮。低速时, 各个摇臂分离独立工作。主摇臂驱动主气门正常工作; 次摇臂驱动次气门, 最大升程为0. 65mm , 主要是防止燃油在气门口处积聚。中速时如图5所示, 电脑控制中速油路开启, 液压油驱动中速转换柱塞, 使主、次摇臂联结在一起, 中速凸轮开始起作用, 驱动两个气门运转。高速时, 电脑控制打开高速油路, 液压油推动高速转换柱塞, 主、次摇臂与中间摇臂联结在一起, 由高速凸轮驱动。当转速降低时, 油路内油压降低, 柱塞在回位弹簧的作用下推回, 三根摇臂又依次分开。该机构使发动机根据自身转速和负荷自动改变气门的配气相位及气门升程, 改变进气量。低速时, VTE C 开启一个气门实现稀燃;
图5 V T EC 在发动机中速时工作示意图[4]
2. 2. 2 Fiat 三维凸轮机构
如图6所示, 它是一个三维凸轮机构, 由意大利Fiat 公司开发研制。一个带有锥度外廓的凸轮和装有可倾斜式垫块的挺柱相接触。凸轮轴的轴向移动使得凸轮的不同部分和挺柱相接触, 导致气门升程和配气相位发生变化。基圆半径沿凸轮轴的轴向是不变的, 但凸轮升程沿轴向改变, 故垫块必须随凸轮轴旋转变化它的倾斜角。凸轮轴端部安装一机械式调速器, 当凸轮轴转速发生变化时, 调速器
车 术
拖动凸轮轴产生轴向移动, 使得气门升程和配气相位同时发生改变。该机构可以在气门升起、回落特性上进行控制
。
滑系, 所以不需要另设一套机构提供高压油。
图7 N issan 凸轮轴可变相位机构[12]
图6 Fiat 三维凸轮机构[11]
2. 4 改变凸轮与气门之间联结的可变配气相位机构
该类机构主要是通过改变凸轮与气门之间的联结机构, 如挺柱、摇臂或推杆的结构, 间接的实现改变凸轮型线作用。这类机构机械式的较多, 也有液压式的, 可以较好的实现可变配气相位的功能; 不足之处是大多数机构从动件比较多, 气门系存在冲击, 有的结构也很复杂。
2. 4. 1 M EC 可变配气相位机构
该机构采用一个结构简单的可移动摇臂支点, 结构如图8所示, 当移动枢轴相对固定齿条移动时, 摇臂支点将发生变化, 摇臂比相应改变, 从而使气门升程、持续历程或相角改变。摇臂上表面的平面用来承受移动枢轴的负荷, 固定齿条限制摇臂发生轴向窜动。目前, 这种机构尚处于台架研究阶段, 但该机构成功的通过了200h 连续测试, 可以控制气门升程由0变化到最大行程, 有效持续期从0°-260°, 机构简单、可变范围广, 是一种较为实用的机构。2. 4. 2 电控液压挺柱式可变配气相位机构
该机构原理如图9所示, 当电磁阀关闭时, 凸轮推动第一挺柱, 由于挺柱室内的液压油不能溢出, 油压推动第二挺柱, 使气门工作。当电磁阀打开, 由于一部分液压油溢出到储油室, 第二挺柱延缓推动气门, 使气门晚开或早关, 气门升程也可以减小。这种机构比较简单, 它只需改变液力梃柱; 当液压油溢出到储油室足够多时, 可以完全消除气门升程, 实现可变排量。
2. 3 改变凸轮轴相角的可变配气相位机构该类机构利用凸轮轴调相原理, 凸轮型线是固定的, 而凸轮轴相对曲轴的转角是可变的。因为配气相位中影响发动机性能较大的是进气门关闭角和进排气重叠角, 在多气门双顶置凸轮轴发动机上, 单独控制进、排气凸轮轴, 可以实现对这两个因素的控制, 改善发动机性能。虽然这类机构不能改变气门升程和持续期, 但是它机构原理简单, 可以保持原发动机气门系不变, 只用一套额外的机构来改变凸轮轴相角, 对原机改动较小, 便于采用, 应用较广泛。属于这种原理的机构很多, 大多是液压式的。文献[1]中提到的螺旋花键轴式、张紧轮式、差速器式、液压马达式机构均属此类。
Nissan 凸轮轴可变相位机构, 这是日本Nissan 公司开发的一种液压机构, 用在双顶置凸轮轴发动机上, 改变进气凸轮轴相角, 实现配气相位可变。该机构采用螺旋花键轴式凸轮调相原理, 如图7所示, 主要由凸轮轴、带有斜齿的内轴套、斜齿活塞、正时带轮组成。正时带轮与活塞之间、活塞与内轴套之间分别有旋向相反的斜齿相啮合联结, 正时带轮相对曲轴的相位是固定不变的, 当控制阀打开时, 活塞在高压油作用下向右移动, 由于活塞内外为斜齿, 从而引起内轴套带动凸轮轴相对于正时带轮发生相对角位移; 当控制阀关闭时, 活塞在回位弹簧的作用下左移, 引起内轴套带动凸轮轴相对于正时带轮发生反向转动。该机构的高压油来自发动机润
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构仍为当今两大主流产品。采用凸轮调相原理的比较多, 因为其结构简单, 容易控制, 而且对原机改动较少, 便于设计。对于液压式机构, 可以直接采用发动机内部的高压润滑油进行驱动, 应用起来有很多方便之处。我国的轿车发动机, 正在全面推广应用电控汽油喷射技术, 有的开始采用顶置双凸轮轴机构, 在这种发动机上实施凸轮调相原理可变配气相位机构, 会有较好的效果。
参
考
文
献
图8 M EC 可变配气相位机构[13]
图9 电控液压挺柱式可变配气相位机构[14]
1. 具有液压制动的第二挺柱 2. 挺柱室
3. 第一挺柱 4. 凸轮轴 5. 电磁阀6. 储油室 7. 气门
2. 5 其它类机构
除了以上4类机构外, 还有一些其它机构, 如文献[15]中提到的采用2个气门为一组控制一个进气口, 只有2个气门全开时, 进气口才打开; 文献[16]中提到的利用电机驱动凸轮的机构。
3 结论
因为全可变配气相位机构能够对气门运动的所有因素进行控制, 因此成为目前研究的主要对象。本文提出的7种典型机构中除了本田三段式VTEC 机构和Nissan 可变配气相位机构外均属于这种机构。全可变配气相位技术日趋成熟, 有的机构已有样车, 类似三段式V TEC 机构和凸轮调相原理机
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(2)
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(下转第43页)
车 术
·小知识·小经验·
使用东风EQ1090型汽车应注意的几个问题
解放军汽车管理学院 邵恩坡
东风EQ 1090型汽车在动力性、经济性、可靠性方面都较好, 受到用户的欢迎。现就使用中常见的问题作几点说明。
3 关于轴瓦的装配问题
东风EQ1090型汽车的轴瓦两端各有约10mm 宽无接触印痕, 有一些用户认为是接触不好, 于是用刮刀去刮。实际上, 这正是东风车轴瓦优于其它轴瓦的地方, 它可以排泄磨合中的磨粒, 防止拉瓦和烧瓦。东风EQ1090型汽车的轴瓦采取的是按级别配瓦, 不需要垫片和刮瓦。
1 关于机油压力低的问题
一些新的东风EQ 1090型汽车容易出现机油压力低的问题, 其现象有两种:一是发动机无论在怠速、中速还是高速均无油压, 这种情况非常危险, 容易造成烧瓦; 还有一种是怠速时无油压, 红灯常亮, 中、高速时有油压(约0. 3M Pa ) 。从原理上来说, 机油压力低的原因是多方面的, 对于新东风车, 决大多数原因是机油泵盖上的限压阀钢球卡滞引起的。泵盖上的限压阀通道中有残留的加工毛刺造成钢球卡在通道中间位置, 使限压阀始终处于开启或部分开启状态, 造成机油泵进出油口短路, 油道无压力。解决的方法很简单, 无须拆下机油泵, 只拆下泵盖, 取出钢球和弹簧, 用砂纸除去油道中毛刺即可。
4 关于离合器自由行程的问题
有用户反映, 新车出厂时, 离合器自由行程是正常的, 但行驶一段时间后, 自由行程往往变小甚至没有了。根据我们的经验, 其原因绝大多数是由于新摩擦片正反两面都有凸凹不平, 当汽车行驶一段时间后, 这些表面被磨平, 也就导致离合器自由行程发生变化, 由于摩擦片变薄, 自由行程变小。这时应该及时调整自由行程, 可是很多驾驶员不知道这个原因, 造成没有自由行程也继续行驶, 使摩擦片在重载时产生打滑、甚至烧坏现象。
2 关于活塞烧顶的问题
活塞烧顶虽然是个别现象, 但是如果不认真对待, 会呈发展趋势。分析活塞烧顶的原因, 有以下几个方面:
a . 点火提前角偏大驾驶员在保养发动机时自觉或不自觉地加大了点火提前角, 结果造成发动机爆震。
b . 混合气过稀发动机的混合气过稀会造成燃烧速度缓慢, 导致机体温度升高。混合气变稀的原因是:片面追求节油故意调低油面或减小主量孔; 进气歧管、化油器垫、真空气道接头漏气; 汽油中有水分等。
c . 点火提前角过小点火提前角过小会使燃烧过程推后, 造成发动机过热。
d . 严重超载东风EQ1090型汽车的承载质量是5t , 有些用户为了片面追求经济效益, 加装钢板弹簧, 主车装8t ～10t 货物, 挂车装6t ～8t 货物, 这样势必造成发动机超负荷工作, 极易造成温度过高而烧顶。
5 其它问题
a . 钢板弹簧折断发生钢板弹簧折断的原因除了超载以外, 还有U 形螺栓松动未及时扭紧造成的。
b . 制动鼓发热、制动蹄片不回位在水中行驶后没多久就会发生制动鼓发热、制动蹄片不回位的现象, 这是由于制动蹄孔装的是粉末冶金衬套, 进水后未及时使之干燥, 制动销和衬套便涩滞而咬死, 使制动蹄片制动后不能完全回位, 引起制动鼓发热。解决的方法是出水后多次制动排干水分, 另外建议在更换新衬套时, 在套内拉一道油槽。
c . 连杆螺栓是自锁式, 要求走合期后按规定扭紧一次, 但不是越紧越好, 如果超过规定扭矩的15%以上, 自锁能力将明显下降。
(责任编辑 郝旭辉)
(上接第14页)
Variable -Valve A ctuation Sy stem on a Firing Engine . SA E890678.
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James Czekaj . An Initial Study of V ariable v alve T iming Imlemented with a Secondary Valve in the Intake Run -6ner . SA E960590.
16 Rassem R . Henry and Bruno Lequesne . A Novel , Fully
F lexible , Electro -M echanical Engine Valve Actuation System . SA E970249.
(责任编辑 维 云)
修改稿收到日期为1999年3月30日。