氣門(mén)機(jī)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀和今后動(dòng)向

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1、氣門(mén)機(jī)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀和今后動(dòng)向,一汽技術(shù)中心 發(fā)動(dòng)機(jī)部 王魯生 2003年6月,汽油機(jī)氣門(mén)機(jī)構(gòu),多氣門(mén)可以提高氣門(mén)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。4氣門(mén)比2氣門(mén)的進(jìn)氣面積增大約3成，在高速區(qū)域可以提高充氣效率 80年代后半期，DOHC、4氣門(mén)結(jié)構(gòu)成為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。SOHC、3氣門(mén)、4氣門(mén)結(jié)構(gòu)因成本低也有采用。DOHC、5氣門(mén)結(jié)構(gòu)也有幾種用于賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。主流還是DOHC、4氣門(mén) 直推式間隙調(diào)整過(guò)去多用液壓間隙調(diào)節(jié)器。出于輕量、低摩擦、低成本，現(xiàn)在多用選擇挺柱厚度（無(wú)墊片挺柱）方式 搖臂式間隙調(diào)整已不用調(diào)整螺栓。搖臂頭處安裝微型液壓間隙調(diào)節(jié)器是主流,氣門(mén)機(jī)構(gòu)型式與凸輪摩擦功,用滾子作凸輪從動(dòng)件有利

2、于降低摩擦功 直推式DOHC、SOHC以外的OHV、搖臂式SOHC、DOHC都用滾針滾子,降低直推式凸輪和從動(dòng)件之間的摩擦功,降低凸輪和從動(dòng)件之間的摩擦系數(shù)：提高表面光潔度，進(jìn)行表面處理 潤(rùn)滑油中添加鉬系減磨劑 減輕氣門(mén)彈簧載荷 氣門(mén)：縮小桿徑、中空、鈦合金 氣門(mén)彈簧座：鋁合金 氣門(mén)彈簧：圓錐小型化、高強(qiáng)度材料 挺柱：無(wú)墊片、鋁合金 搖臂：小型、鈑金化,潤(rùn)滑油中添加鉬系減磨劑降低摩擦功效果,,柴油機(jī)氣門(mén)機(jī)構(gòu),4氣門(mén)在直噴、高性能、低排放開(kāi)發(fā)中發(fā)揮作用 從搖臂和氣門(mén)橋到滾輪搖臂式、直推式多種開(kāi)發(fā) 和汽油機(jī)一樣，用滾輪降低摩擦功的結(jié)構(gòu)在增加,汽油機(jī)可變機(jī)構(gòu)的發(fā)展和現(xiàn)狀,可變機(jī)構(gòu)分類(lèi)：可變

3、相位式、可變升程、包角式、可變氣門(mén)停止式 可變機(jī)構(gòu)的要求，從過(guò)去提高全負(fù)荷功率到部分負(fù)荷降油耗、降排放 可變相位式從兩級(jí)可變很快普及到連續(xù)可變 可變相位式和可變升程、包角式的組合在增加,可變機(jī)構(gòu)的發(fā)展和現(xiàn)狀圖,,可變相位式,進(jìn)氣凸輪相位連續(xù)可變式是主流 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，進(jìn)氣門(mén)相位、重疊角連續(xù)變化，達(dá)到提高扭矩、控制內(nèi)部EGR量、減少泵吸損失、減少排放量的目標(biāo) 葉輪式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能好、易安裝，廣為使用 驅(qū)動(dòng)方法幾乎都用發(fā)動(dòng)機(jī)油壓，少數(shù)用專(zhuān)用升壓泵 發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)油壓不足，為確?？勺冺憫?yīng)速度，也用電磁離合器 為進(jìn)一步改變氣門(mén)重疊角自由度，實(shí)現(xiàn)高性能、低排放、擴(kuò)大膨脹沖程節(jié)油的目標(biāo)，和排氣凸輪相

4、位可變組合的傾向增加,可變升程、包角式,一直用凸輪轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)高性能和低油耗 和可變相位式組合的傾向增加 和氣門(mén)停止機(jī)構(gòu)組合，達(dá)到省油和排氣凈化目的,可變相位式和可變升程、包角式組合（豐田）,,直推式可變相位式和可變升程、包角式組合（寶時(shí)捷）,凸輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)適合于搖臂式，也適合于直推式氣門(mén)機(jī)構(gòu),氣門(mén)停止機(jī)構(gòu)（奔馳）,怠速和低負(fù)荷時(shí)，氣門(mén)停止，減缸運(yùn)轉(zhuǎn)，降低泵氣損失 過(guò)去因機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題不能持久，現(xiàn)在用電控技術(shù) 用于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)降 油耗,機(jī)械式連續(xù)可變升程、包角機(jī)構(gòu)（寶馬）,已批量生產(chǎn),技術(shù)引人注目 進(jìn)氣凸輪與搖臂之間設(shè)有調(diào)整桿，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)偏心觸發(fā)軸，調(diào)整桿的位置由偏心觸發(fā)軸決定 步進(jìn)

5、電機(jī)由油門(mén)踏板決定，減少泵吸損失 0.3秒內(nèi)氣門(mén)升程調(diào)整范圍0.39.7mm 和連續(xù)可變 相位機(jī)構(gòu)組合,今后動(dòng)向,氣門(mén)機(jī)構(gòu)低摩擦功的重要度增加 滾子氣門(mén)機(jī)構(gòu)增加 可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)采用比例增加 進(jìn)氣凸輪相位連續(xù)可變進(jìn)一步普及，成為標(biāo)準(zhǔn)裝備，與其它可變機(jī)構(gòu)組合已很普通 排氣凸輪相位可變?cè)黾?升程、包角可變（凸輪轉(zhuǎn)換、進(jìn)而連續(xù)可變）增加,機(jī)械式升程、包角連續(xù)可變機(jī)構(gòu)-1,1,機(jī)械式升程、包角連續(xù)可變機(jī)構(gòu)-2,,機(jī)械式升程、包角連續(xù)可變機(jī)構(gòu)-3,,電磁驅(qū)動(dòng)氣門(mén)機(jī)構(gòu)（寶馬）,開(kāi)發(fā)活躍，不久的將來(lái)實(shí)用 無(wú)凸輪，與傳統(tǒng)氣門(mén)機(jī)構(gòu)完全不同 可變控制自由度大,連續(xù)可變包角、升程系統(tǒng),VEL（Continuous Va

6、riable Valve Event and Lift Control System） 氣門(mén)升程從極小（或0升程）到最大升程（大包角）連續(xù)變化的機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝性好,可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)功能比較,,可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀,凸輪相位連續(xù)變化的VTC型已普遍使用，確立為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù) 在包角和升程可變方式中，凸輪轉(zhuǎn)換的VVL型在擴(kuò)大使用 把VVL型和VTC型組合，提高可變自由度的實(shí)例也已出現(xiàn) 可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)高功能化已成為重要課題 可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)是包角和升程都連續(xù)大幅度可變的機(jī)構(gòu) VEL型和VTC型組合，升程、包角、相位均連 續(xù)可變，實(shí)現(xiàn)了自由控制氣門(mén)正時(shí)和升程,VEL的基本結(jié)構(gòu),機(jī)械式氣門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu) 包角、升

7、程變化執(zhí)行機(jī)構(gòu),VEL的工作原理,曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)四聯(lián)桿機(jī)構(gòu)變成輸出凸輪的搖動(dòng)，驅(qū)動(dòng)氣門(mén) 主動(dòng)軸相當(dāng)于傳統(tǒng)的凸輪軸，和曲軸同步以1/2轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 主動(dòng)軸上固定一驅(qū)動(dòng)偏心凸輪 控制偏心凸輪和控制軸一體，外套搖動(dòng)搖臂 驅(qū)動(dòng)偏心凸輪和搖臂的一端由連桿A連接，將偏心運(yùn)動(dòng)變成搖臂搖動(dòng) 搖臂的另一端由連桿 B和輸出凸輪連接， 使輸出凸輪搖動(dòng) 輸出凸輪套在主動(dòng)軸 上，其搖動(dòng)通過(guò)挺柱 驅(qū)動(dòng)氣門(mén),VEL的可變?cè)?控制凸輪的偏心方向由ECU決定 搖臂中心接近主動(dòng)軸時(shí)，通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)改變輸出凸輪搖動(dòng)范圍，得到大升程 搖臂中心遠(yuǎn)離主動(dòng)軸時(shí)， 輸出凸輪空搖范圍增加， 得到小升程,氣門(mén)升程特性,4條理論設(shè)計(jì)時(shí)（氣門(mén)間隙

8、為0）的升程、加速度曲線 氣門(mén)間隙取0.3mm時(shí),最大升程11.1mm(包角294),最小升程 1.4mm(包角120) 緩沖段變化穩(wěn)定 控制軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 升程可無(wú)級(jí)變化,搖動(dòng)輸出凸輪型線,和傳統(tǒng)凸輪相同：有基圓、緩沖段、正負(fù)加速度區(qū)間 不同之處：僅半周 加工方法和傳統(tǒng)凸輪相同（架空另半周）,氣門(mén)運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)結(jié)果,落座時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果，7200rpm無(wú)反跳 氣門(mén)彈簧承受的慣性質(zhì)量無(wú)增加 改進(jìn)凸輪型線和連桿幾何形狀可以抑制最大升程附近的負(fù)加速度和下側(cè)的正加速度,驅(qū)動(dòng)摩擦力矩,驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸摩擦力矩實(shí)測(cè)值 同樣升程 時(shí)和傳統(tǒng)直動(dòng)式氣門(mén)機(jī)構(gòu)力矩幾乎相同 滑動(dòng)部位增加，搖動(dòng)凸輪與挺柱間的摩擦損失是旋轉(zhuǎn)凸輪的一半

9、小升程 時(shí)摩擦力矩銳減，實(shí)用時(shí)降低油耗 驅(qū)動(dòng)偏心凸輪使用滾 針軸承可以大幅度降 低摩擦力矩 大升程低轉(zhuǎn)速 時(shí)摩擦 力矩增加，此區(qū)域?qū)?際上不使用，無(wú)問(wèn)題,安 裝 性,主動(dòng)軸及其同軸的輸出凸輪安裝在傳統(tǒng)凸輪軸位置 氣缸蓋的基本尺寸不須變更，鏈條和鏈輪的布置也不須變更 旋轉(zhuǎn)半徑最大的連桿A布置在氣缸之間的空間，避免與挺柱干涉 增加支撐控 制軸的支架,執(zhí)行機(jī)構(gòu),執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)在氣缸蓋后端，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)型 減速機(jī)構(gòu)采用效率優(yōu)良的滾珠絲杠機(jī)構(gòu) 滾珠絲杠小型化，減少電機(jī)懸臂,轉(zhuǎn)換響應(yīng)性,最大功率100W（50、長(zhǎng)100）電機(jī)的響應(yīng)性測(cè)試結(jié)果優(yōu)良 作用在控制軸的扭矩隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和控制軸的相位變化 控制邏輯的 P

10、ID常數(shù)也可變 可以實(shí)現(xiàn)無(wú)節(jié) 氣門(mén)負(fù)荷控制,改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能,VEL型和VTC型組合可以自由控制氣門(mén)正時(shí)、升程，對(duì)功率、油耗、排放有很大效果 小升程在冷機(jī)時(shí)可以降低排放，提高排溫,小升程促進(jìn)燃料微?；?小升程時(shí)，氣門(mén)處流速加快，促進(jìn)MPI燃料微?；?怠速時(shí)氣門(mén)前后壓差一定，缸內(nèi)燃料微?；癄顟B(tài) 冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)改善燃燒，減少HC,減少排放、提高排溫,冷機(jī)時(shí)減少排放、提高 排溫實(shí)測(cè)效果 水溫40時(shí)，小升程 （2.6mm）和標(biāo)準(zhǔn)升程 （8.3mm）的時(shí)面值比例 與渦流控制閥節(jié)流比例 幾乎相同 得到與渦流控制閥同等 的減少HC、提高排溫效 果,結(jié)束語(yǔ),VEL開(kāi)發(fā)成功的同時(shí) BMW公司的連續(xù)可變氣門(mén)升程系統(tǒng)被實(shí)用化,