气门机构技术现状和今后动向

气门机构技术现状和今后动向,一汽技术中心 发动机部 王鲁生 2003年6月,汽油机气门机构,多气门可以提高气门机构运动速度，从而提高发动机转速。4气门比2气门的进气面积增大约3成，在高速区域可以提高充气效率 80年代后半期，DOHC、4气门结构成为标准发动机结构。SOHC、3气门、4气门结构因成本低也有采用。DOHC、5气门结构也有几种用于赛车发动机。主流还是DOHC、4气门 直推式间隙调整过去多用液压间隙调节器。出于轻量、低摩擦、低成本，现在多用选择挺柱厚度（无垫片挺柱）方式 摇臂式间隙调整已不用调整螺栓。摇臂头处安装微型液压间隙调节器是主流,气门机构型式与凸轮摩擦功,用滚子作凸轮从动件有利于降低摩擦功 直推式DOHC、SOHC以外的OHV、摇臂式SOHC、DOHC都用滚针滚子,降低直推式凸轮和从动件之间的摩擦功,降低凸轮和从动件之间的摩擦系数：提高表面光洁度，进行表面处理 润滑油中添加钼系减磨剂 减轻气门弹簧载荷 气门：缩小杆径、中空、钛合金 气门弹簧座：铝合金 气门弹簧：圆锥小型化、高强度材料 挺柱：无垫片、铝合金 摇臂：小型、钣金化,润滑油中添加钼系减磨剂降低摩擦功效果,柴油机气门机构,4气门在直喷、高性能、低排放开发中发挥作用 从摇臂和气门桥到滚轮摇臂式、直推式多种开发 和汽油机一样，用滚轮降低摩擦功的结构在增加,汽油机可变机构的发展和现状,可变机构分类：可变相位式、可变升程、包角式、可变气门停止式 可变机构的要求，从过去提高全负荷功率到部分负荷降油耗、降排放 可变相位式从两级可变很快普及到连续可变 可变相位式和可变升程、包角式的组合在增加,可变机构的发展和现状图,可变相位式,进气凸轮相位连续可变式是主流 根据发动机转速和负荷，进气门相位、重叠角连续变化，达到提高扭矩、控制内部EGR量、减少泵吸损失、减少排放量的目标 叶轮式结构简单、性能好、易安装，广为使用 驱动方法几乎都用发动机油压，少数用专用升压泵 发动机低速时油压不足，为确保可变响应速度，也用电磁离合器 为进一步改变气门重叠角自由度，实现高性能、低排放、扩大膨胀冲程节油的目标，和排气凸轮相位可变组合的倾向增加,可变升程、包角式,一直用凸轮转换方法实现高性能和低油耗 和可变相位式组合的倾向增加 和气门停止机构组合，达到省油和排气净化目的,可变相位式和可变升程、包角式组合（丰田）,直推式可变相位式和可变升程、包角式组合（宝时捷）,凸轮转换机构适合于摇臂式，也适合于直推式气门机构,气门停止机构（奔驰）,怠速和低负荷时，气门停止，减缸运转，降低泵气损失 过去因机械振动问题不能持久，现在用电控技术 用于多缸发动机降 油耗,机械式连续可变升程、包角机构（宝马）,已批量生产,技术引人注目 进气凸轮与摇臂之间设有调整杆，步进电机通过蜗轮蜗杆驱动偏心触发轴，调整杆的位置由偏心触发轴决定 步进电机由油门踏板决定，减少泵吸损失 0.3秒内气门升程调整范围0.39.7mm 和连续可变 相位机构组合,今后动向,气门机构低摩擦功的重要度增加 滚子气门机构增加 可变气门机构采用比例增加 进气凸轮相位连续可变进一步普及，成为标准装备，与其它可变机构组合已很普通 排气凸轮相位可变增加 升程、包角可变（凸轮转换、进而连续可变）增加,机械式升程、包角连续可变机构-1,1,机械式升程、包角连续可变机构-2,机械式升程、包角连续可变机构-3,电磁驱动气门机构（宝马）,开发活跃，不久的将来实用 无凸轮，与传统气门机构完全不同 可变控制自由度大,连续可变包角、升程系统,VEL（Continuous Variable Valve Event and Lift Control System） 气门升程从极小（或0升程）到最大升程（大包角）连续变化的机构 结构简单、安装性好,可变气门机构功能比较,可变气门机构现状,凸轮相位连续变化的VTC型已普遍使用，确立为标准技术 在包角和升程可变方式中，凸轮转换的VVL型在扩大使用 把VVL型和VTC型组合，提高可变自由度的实例也已出现 可变气门机构高功能化已成为重要课题 可变气门机构的关键技术是包角和升程都连续大幅度可变的机构 VEL型和VTC型组合，升程、包角、相位均连 续可变，实现了自由控制气门正时和升程,VEL的基本结构,机械式气门开闭机构 包角、升程变化执行机构,VEL的工作原理,曲轴的旋转运动通过四联杆机构变成输出凸轮的摇动，驱动气门 主动轴相当于传统的凸轮轴，和曲轴同步以1/2转速旋转 主动轴上固定一驱动偏心凸轮 控制偏心凸轮和控制轴一体，外套摇动摇臂 驱动偏心凸轮和摇臂的一端由连杆A连接，将偏心运动变成摇臂摇动 摇臂的另一端由连杆 B和输出凸轮连接， 使输出凸轮摇动 输出凸轮套在主动轴 上，其摇动通过挺柱 驱动气门,VEL的可变原理,控制凸轮的偏心方向由ECU决定 摇臂中心接近主动轴时，通过四连杆机构改变输出凸轮摇动范围，得到大升程 摇臂中心远离主动轴时， 输出凸轮空摇范围增加， 得到小升程,气门升程特性,4条理论设计时（气门间隙为0）的升程、加速度曲线 气门间隙取0.3mm时,最大升程11.1mm(包角294),最小升程 1.4mm(包角120) 缓冲段变化稳定 控制轴连续转动时， 升程可无级变化,摇动输出凸轮型线,和传统凸轮相同：有基圆、缓冲段、正负加速度区间 不同之处：仅半周 加工方法和传统凸轮相同（架空另半周）,气门运动评价结果,落座时实测结果，7200rpm无反跳 气门弹簧承受的惯性质量无增加 改进凸轮型线和连杆几何形状可以抑制最大升程附近的负加速度和下侧的正加速度,驱动摩擦力矩,驱动主动轴摩擦力矩实测值 同样升程 时和传统直动式气门机构力矩几乎相同 滑动部位增加，摇动凸轮与挺柱间的摩擦损失是旋转凸轮的一半 小升程 时摩擦力矩锐减，实用时降低油耗 驱动偏心凸轮使用滚 针轴承可以大幅度降 低摩擦力矩 大升程低转速 时摩擦 力矩增加，此区域实 际上不使用，无问题,安 装 性,主动轴及其同轴的输出凸轮安装在传统凸轮轴位置 气缸盖的基本尺寸不须变更，链条和链轮的布置也不须变更 旋转半径最大的连杆A布置在气缸之间的空间，避免与挺柱干涉 增加支撑控 制轴的支架,执行机构,执行机构设在气缸盖后端，直流电机驱动型 减速机构采用效率优良的滚珠丝杠机构 滚珠丝杠小型化，减少电机悬臂,转换响应性,最大功率100W（50、长100）电机的响应性测试结果优良 作用在控制轴的扭矩随发动机转速和控制轴的相位变化 控制逻辑的 PID常数也可变 可以实现无节 气门负荷控制,改进发动机性能,VEL型和VTC型组合可以自由控制气门正时、升程，对功率、油耗、排放有很大效果 小升程在冷机时可以降低排放，提高排温,小升程促进燃料微粒化,小升程时，气门处流速加快，促进MPI燃料微粒化 怠速时气门前后压差一定，缸内燃料微粒化状态 冷机运转时改善燃烧，减少HC,减少排放、提高排温,冷机时减少排放、提高 排温实测效果 水温40时，小升程 （2.6mm）和标准升程 （8.3mm）的时面值比例 与涡流控制阀节流比例 几乎相同 得到与涡流控制阀同等 的减少HC、提高排温效 果,结束语,VEL开发成功的同时 BMW公司的连续可变气门升程系统被实用化,