配气相位及气门行程可变技术.pptx
会计学 1配气相位及气门行程可变技术引言n n 1.1.涡轮增压、供油系统、配气系统是现代发动机技术 涡轮增压、供油系统、配气系统是现代发动机技术革新的热点。前两种技术已经比较成熟，所以配气系 革新的热点。前两种技术已经比较成熟，所以配气系统技术的发展对发动机性能的提高有很大的决定作用，统技术的发展对发动机性能的提高有很大的决定作用，配气相位及气门行程可变技术成了汽车技术领域中的 配气相位及气门行程可变技术成了汽车技术领域中的一个重要研究课题。一个重要研究课题。n n 2.2.普通发动机的气门开闭由凸轮驱动，进排气门的早 普通发动机的气门开闭由凸轮驱动，进排气门的早开晚关角固定不变，这实际上只能使发动机在某一转 开晚关角固定不变，这实际上只能使发动机在某一转速下处于最佳的配气相位，而在发动机转速很低或很 速下处于最佳的配气相位，而在发动机转速很低或很高时，其配气相位就会处于不理想的状态。高时，其配气相位就会处于不理想的状态。n n 3.3.配气相位固定不变的缺点已越来越显得不适应时代 配气相位固定不变的缺点已越来越显得不适应时代要求，改变发动机气门的开启持续时间、升程和相位 要求，改变发动机气门的开启持续时间、升程和相位是改善发动机性能、提高热效率和减少有害排放的一 是改善发动机性能、提高热效率和减少有害排放的一种重要途径。为提高发动机的性能，配气相位及气门 种重要途径。为提高发动机的性能，配气相位及气门行程可变技术成了汽车领域中的一个重要研究课题。行程可变技术成了汽车领域中的一个重要研究课题。第1 页/共21 页传统凸轮挺杆气门机构n n 目前四冲程内燃机大多采用传统的凸轮挺杆气门 目前四冲程内燃机大多采用传统的凸轮挺杆气门机构，该机构由凸轮型线控制气门的运动，可以 机构，该机构由凸轮型线控制气门的运动，可以达到较低的落座速度，具有良好的操纵性。达到较低的落座速度，具有良好的操纵性。n n 传统的凸轮挺杆气门机构按凸轮轴的布置位置来 传统的凸轮挺杆气门机构按凸轮轴的布置位置来分可为：分可为：n n 凸轮轴下置式 凸轮轴下置式 缺点是：凸轮轴布置在缸体 缺点是：凸轮轴布置在缸体的下部曲轴箱内。气门驱动机构复杂，配气机构 的下部曲轴箱内。气门驱动机构复杂，配气机构噪声较大。噪声较大。n n 凸轮轴中置式 凸轮轴中置式 凸轮轴布置在缸体上部，驱 凸轮轴布置在缸体上部，驱动气门所需零部件数目较少。动气门所需零部件数目较少。n n 凸轮轴上置式 凸轮轴上置式 凸轮轴 凸轮轴布置在缸盖上。驱动气门所需 布置在缸盖上。驱动气门所需零部件数目最少。适用于高转 零部件数目最少。适用于高转速发动机，应用较广泛。速发动机，应用较广泛。第2 页/共21 页传统凸轮挺杆气门机构 n n 采用传统的机械驱动凸轮结构来驱动进排气 采用传统的机械驱动凸轮结构来驱动进排气门，其气门的升程、配气定时都是固定不变的。门，其气门的升程、配气定时都是固定不变的。由于它简单、可靠、相对来说并不昂贵，至今仍 由于它简单、可靠、相对来说并不昂贵，至今仍广泛使用。但传统气门驱动系统通常只能保证在 广泛使用。但传统气门驱动系统通常只能保证在某一工况下优化发动机的性能 某一工况下优化发动机的性能.为此，可变气门驱动 为此，可变气门驱动(Variable Valve Actuation(Variable Valve Actuation，简称为，简称为VVA)VVA)技术已成为汽车发动机研究重点 技术已成为汽车发动机研究重点方向之一。大量建立在凸轮驱动基础上的可变配 方向之一。大量建立在凸轮驱动基础上的可变配气机构应运而生，它们主要通过变换凸轮型线或 气机构应运而生，它们主要通过变换凸轮型线或凸轮轴相位角来部分优化气门的定时、升程、持 凸轮轴相位角来部分优化气门的定时、升程、持续时间和其它运动参数。续时间和其它运动参数。n n 到目前为止已出现了多种配气相位可变的发 到目前为止已出现了多种配气相位可变的发动机配气装置，使得这些发动机的动力性、经济 动机配气装置，使得这些发动机的动力性、经济性及排气污染等都得到了改善。性及排气污染等都得到了改善。第3 页/共21 页现有配气相位及气门行程可变技术 n n 由于进气门的配气相位角及行程对发动机 由于进气门的配气相位角及行程对发动机功率和油耗影响较大，因此已有的配气相位及行 功率和油耗影响较大，因此已有的配气相位及行程可变技术主要是针对进气门的。程可变技术主要是针对进气门的。n n 1 1，机械变化方式，机械变化方式 所谓机械变化方式是指控制系统通过操纵一 所谓机械变化方式是指控制系统通过操纵一个机械装置的动作使进气门行程改变，从而实现 个机械装置的动作使进气门行程改变，从而实现配气相位的可控。举例如下：配气相位的可控。举例如下：l-进气凸轮；2-滚轮及移动支架；3-定位凸轮；4-滑轨及进气门顶(摇臂)；5-进气门(a)最小气门行程(b)最大气门行程l-涡轮E 的偏心凸轮；2-中间连杆；3-滚轮；4-摇臂；5-进气门；6-进气凸轮；7-旋转轴(a)最小气门行程(b)最大气门行程图3-1宝马汽车的进气门行程可变原理5第4 页/共21 页现有配气相位及气门行程可变技术 n n 2 2，液压变化方式，液压变化方式 以菲亚特汽车使用的可变气门技术为例，其 以菲亚特汽车使用的可变气门技术为例，其进气门行程的变化主要是通过液压装置实现。气 进气门行程的变化主要是通过液压装置实现。气门驱动机构由凸轮驱动的推杆、封闭的液压腔及 门驱动机构由凸轮驱动的推杆、封闭的液压腔及推动气门的柱塞组成 推动气门的柱塞组成。如下图：。如下图：l-l-凸轮；凸轮；2-2-推杆；推杆；3-3-液压腔；液压腔；4-4-电磁阀；电磁阀；5-5-柱塞；柱塞；6-6-进气门 进气门第5 页/共21 页现有配气相位及气门行程可变技术n n 3，机械液压式 以本田轿车上使用的VTEC 技术为例，四气门发动机每缸有3 个进气摇臂，凸轮轴上有3 个与之对应的凸轮。3 个凸轮中，主凸轮外廓曲线有正常的高度，次凸轮高度很低，而中间凸轮则比主凸轮更高。如右图：种气门可变技术控制比较简单，但气门的重叠角和两进气门的行程只有适应发动机低转速和发动机高转速两种状态，因而其控制精度比上述连续改变的要低。第6 页/共21 页电磁驱动气门机构（EMVA）EMVA EMVA 的结构形式由最初的无弹簧式及后来的 的结构形式由最初的无弹簧式及后来的单弹簧式发展到了眼下的双弹簧式。单弹簧式发展到了眼下的双弹簧式。1 1，无弹簧的电磁气门结构（下图）无弹簧的电磁气门结构（下图）这类机构是最早的 这类机构是最早的EMVA EMVA 装置，其原理图如右图 装置，其原理图如右图所示。上下是两个相对放置的电磁铁，中间是连接发动机 所示。上下是两个相对放置的电磁铁，中间是连接发动机气门的作往复运动的衔铁。上 气门的作往复运动的衔铁。上下电磁铁线圈交替通电和断电，下电磁铁线圈交替通电和断电，使得衔铁上下运动，从而实现 使得衔铁上下运动，从而实现气门的开启和关闭。缺陷：气 气门的开启和关闭。缺陷：气门关闭时，气门以很大速度直 门关闭时，气门以很大速度直接撞击汽缸盖，导致运动不可 接撞击汽缸盖，导致运动不可靠同时产生很大的噪声，能耗过大和响应速度慢等。靠同时产生很大的噪声，能耗过大和响应速度慢等。第7 页/共21 页电磁驱动气门机构2 2，单弹簧的电磁气门结构，单弹簧的电磁气门结构 这类机构由一个电磁铁、一个储能弹簧以及衔铁和气门组成。工作原理如右图所示：发动机不工作时气门在弹簧作用下处于关闭状态,当气门要开启时，向电磁铁线圈通较大电流，使所产生的电磁力克服弹簧力以打开气门。然后向电磁铁线圈通较小电流，使气门保持全开状态。电磁铁线圈断电时，气门在弹簧力作用下关闭。缺点是：不能实现气门的 缺点是：不能实现气门的软着陆，同时存在响应速度慢 软着陆，同时存在响应速度慢和能耗过大等缺陷。和能耗过大等缺陷。第8 页/共21 页电磁驱动气门机构（EMVA）3 3，双弹簧，双弹簧EMVA EMVA 双弹簧EMVA 的结构和工作原理如下图所示：驱动机构的两个电磁铁、两个弹簧以及一个衔铁组成,衔铁在上下两个电磁铁之间运动。衔铁通过上下两个弹簧的作用保持在两个电磁铁之间的中间位置，这时气门相应处于半开状态；当发动机启动时，电磁铁1 的线圈通电，衔铁和电磁铁1 接触，气门处于关闭状态；当气门打开时，电磁铁1 的线圈断电，衔铁在弹簧力的作用下运动到电磁铁2，使气门保持在开启状态。电磁铁2 断电并且重新给电磁铁1通电,气门关闭周而复始。第9 页/共21 页电磁驱动气门机构的优点电磁气门驱动机构的优点：电磁气门驱动能灵活单独地控制进、排气门开 电磁气门驱动能灵活单独地控制进、排气门开启及关闭共四个定时中的任一定时及气门开启延 启及关闭共四个定时中的任一定时及气门开启延续时间，使发动机每一工况的这些参数都符合最 续时间，使发动机每一工况的这些参数都符合最佳能要求。佳能要求。电磁气门驱动极大地简化了发动机的结构 电磁气门驱动极大地简化了发动机的结构。双弹簧、双电磁铁式 双弹簧、双电磁铁式EMVA EMVA 具有能耗低的特点。具有能耗低的特点。利用电磁力驱动发动机气门，提高系统的动态 利用电磁力驱动发动机气门，提高系统的动态响应速度。响应速度。在部分负荷工况可以方便地有选择地将某些气 在部分负荷工况可以方便地有选择地将某些气缸关闭 缸关闭。控制残余废气量 控制残余废气量。第10 页/共21 页电磁驱动气门机构存在的问题n n电磁气门驱动机构存在的问题电磁气门驱动机构存在的问题 虽然EMVA 有很多优点，但是使EMVA 实用化必须解决3 个问题：气门落座冲击。通过对EMVA系统分析可知，在衔铁运动接近静铁芯(上或下电磁铁)位置附近，系统的平衡是不稳定的。在平衡位置A 处将产生扰动，随着距离的减小，由于电磁力的增加远大于弹簧力的增加，必将加速衔铁向静铁芯的运动。此时，电流的调节尤为重要，否则会引起高速落座。EVA 具有足够高的响应速度，即满足发动机最高转速时的工作要求；EVA 装置尺寸足够小，满足在多气门发动机气缸盖上的布置要求。第1 1 页/共21 页电磁气门驱动机构存在问题的解决措施 EMVA EMVA 的运动特点应是快速初始化、快速过渡并实 的运动特点应是快速初始化、快速过渡并实现软着陆。为此，对控制系统的要求如下 现软着陆。为此，对控制系统的要求如下：电流快速变化 电流快速变化 在初始化阶段，要求电流快速上升以获得较大的电 在初始化阶段，要求电流快速上升以获得较大的电磁力，使气门在尽可能短的时间内就位；在气门过渡 磁力，使气门在尽可能短的时间内就位；在气门过渡过程的最后时段，需要迅速减小电流而使气门以较小 过程的最后时段，需要迅速减小电流而使气门以较小的速度落座。的速度落座。气门运动软着陆 气门运动软着陆 选合适的参量和算法进行反馈控制才可能实现气门 选合适的参量和算法进行反馈控制才可能实现气门软着陆。软着陆。能量消耗少 能量消耗少 EVA EVA 正常工作时，消耗的能量包括两部分一是电流 正常工作时，消耗的能量包括两部分一是电流通过电路和线圈中的电阻发热，二是弹簧一质量系统 通过电路和线圈中的电阻发热，二是弹簧一质量系统在往复运动中因阻力而消耗的机械能。减少能量消耗 在往复运动中因阻力而消耗的机械能。减少能量消耗是设计控制系统时要考虑的问题。是设计控制系统时要考虑的问题。第12 页/共21 页电磁气门研究现状 n n 1，国外研究现状 国外电磁气门研究起步较早，在 国外电磁气门研究起步较早，在20 20 世纪 世纪70 70 年代就开 年代就开始了这方面的研究。目前世界上为数众多的机构相继 始了这方面的研究。目前世界上为数众多的机构相继接受了双弹簧、双电磁铁的 接受了双弹簧、双电磁铁的EMVA EMVA 方案，并进行了广 方案，并进行了广泛研究。其中主要有美国的 泛研究。其中主要有美国的Aura systems Aura systems 公司、通用汽 公司、通用汽车公司，德国的 车公司，德国的FEV FEV 公司、西门子公司、宝马公司，公司、西门子公司、宝马公司，法国的雷诺汽车公司等。法国的雷诺汽车公司等。Aura Systems Aura Systems 和 和FEV FEV 公司设计 公司设计的电磁气门驱动装置已经装车试用。的电磁气门驱动装置已经装车试用。2 2，国内研究现状，国内研究现状 中国对电磁气门驱动技术的研究尚属起步阶段，目 中国对电磁气门驱动技术的研究尚属起步阶段，目前国内只有少数几所高校对其进行了研究。国内，大 前国内只有少数几所高校对其进行了研究。国内，大连工学院上世纪八十年代中期曾对 连工学院上世纪八十年代中期曾对EMVA EMVA 进行过研究，进行过研究，但一度终止。目前仅有清华大学和浙江大学对 但一度终止。目前仅有清华大学和浙江大学对EMVA EMVA在进行探索性的试验研究。其中，清华大学已经进行 在进行探索性的试验研究。其中，清华大学已经进行了电磁铁静吸力特性与动态特性试验，并设计了开环 了电磁铁静吸力特性与动态特性试验，并设计了开环控制系统。浙江大学亦对其设计的 控制系统。浙江大学亦对其设计的EMVA EMVA 装置进行了 装置进行了仿真。仿真。第13 页/共21 页双簧电磁气门实验 1 实验装置 为了进一步对双弹簧的电子气门有一个为了进一步对双弹簧的电子气门有一个全面的了全面的了 解，我们组织了一个有李光辉，解，我们组织了一个有李光辉，李辉和纪勇昌为成员的研究小组。在高献李辉和纪勇昌为成员的研究小组。在高献坤老师的指导下和研究生张强的带领下我坤老师的指导下和研究生张强的带领下我们做了大量的实验工作，对双弹簧的电子们做了大量的实验工作，对双弹簧的电子气门有了更深层的认识，图气门有了更深层的认识，图7-17-1、7-27-2、7-37-3为实验装置图。为实验装置图。第14 页/共21 页实验照片第15 页/共21 页实验照片第16 页/共21 页实验照片第17 页/共21 页实验数据n n 电磁铁吸力实验数据I(电压为直流10V 时测量):n n 气隙为2.0mm 2.5mm 3.0mm 3.5mm 4.0mm 电磁吸力分别为56N 50N 46N 45N 42Nn n 电磁铁吸力实验数据(电压为直流30V 时测量):n n 气隙为2.0mm 2.5mm 3.0mm 3.5mm 4.0mm 电磁吸力分别为116N 105N 100N 98N 92N第18 页/共21 页实验的结果n n 从所得结果可以看到，所设计的电磁铁能满足气门在不同位置时的电磁力驱动要求。在初始化阶段，衔铁处于中间位置，工作间隙4mm 此时需要较大的电磁力，只要按照电压的变化情况供给较大的电流就可以满足要求；在小间隙阶段，通个较小的电流。在过渡阶段，让电磁铁电压按照一定规律变化就行。第19 页/共21 页致谢 我的介绍完毕，感谢各位老师多年来对我的培养和教育。老师，你们辛苦了！第20 页/共21 页
