石家庄市中考满分作文-机械系统设计大作业[1].doc

《机械系统设计》
课程大作业

院 （系） 工程学院
专 业 机械设计制造及其自动化
姓 名 高剑
班 级 机械设计094班

汽车发动机可变气门正时技术
摘要：
目前，汽车工业的发展正在面临着两个主要问题——能源的枯竭与环境的污染。汽车发动机的配气相位对其动力性、经济性以及排气污染都有重要的影响，在传统汽车发动机中，发动机转速变化时，气流的速度和进排气门早开迟闭的绝对时间都发生了变化，由于发动机的气门开闭由凸轮驱动，进、排气门的早开角、迟闭角固定不变，这实际上只能使发动机在某一转速范围下处于最佳的配气相位，而在发动机转速很低或者很高的时候，其配气相位处于不理想的状态。在发动机低转速时，会因为气门叠开角比理想值大，使部分新鲜混合气被废气带走而造成油耗和排污增加；在高转速时，由于气门叠开角比理想值小，进气量不足，从而限制发动机所能达到的最大功率。
为了保护环境以及为了人类可持续发展，实现低能源消耗和低排放污染已成为汽车发动机的发展方向，这就要求发动机在保证良好动力性的同时，又要降低燃油消耗量，需要某种可变配气相位机构能使气门正时、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，即配气相位角也应该随之改变。最佳的配气相位能使发动机在很短的换气时间内充入最多的新鲜空气（可燃混合气），并使排气阻力减小，废气残留量最少，从而获得更好的燃油经济性，更高的扭矩和功率特性，提高汽车怠速稳定性和降低排放污染。

关键词： 发动机 可变配气相位 内燃机配机机构

汽车发动机可变气门正时技术现状和发展趋势
近几十年来，基于提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污的要求，许多国家和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力进行新技术的研究与开发。目前，这些新技术和新方法，有的已在内燃机上得到应用，有些正处于发展和完善阶段，有可能成为未来内燃机技术的发展方向。发动机的配气机构负责向汽缸提供汽油燃烧做功做必须的新鲜空气，并将燃烧后的废气排除出去，这一套动作的工作原理可以看做是动物呼吸器官的吸气和呼气。从工作原理上讲，配气机构的主要功能是按照一定时限自动开启和关闭各气缸的进、排气门，从而使空气及时通过进气门向气缸内供给新鲜空气或者可燃混合气，并且及时将燃烧做功后形成的废气从排气门排出，实现发动机气缸换气补给的整个过程。
传统的发动机气门驱动系统采用机械凸轮机构控制进气门和排气门，这种机构的气门开启时刻、开启持续角和气门升程是固定不变的，配气正时已经制造安装完成即为定值，难以满足汽油机全工况性能优化的需要。不同的发动机，由于结构和转速的不同，其配气定时也不相同。即使是同一台发动机，其配气定时也应该随转速的变化而变化。欲使配气定时随发动机转速而变化，需采用可变配气定时机构。目前，大多数发动机采用不变的配气定时，它只适应发动机某一常用的转速。最有利的配气定时需通过反复试验确定。
世界上第一个申请可变气门正时技术(包括可变气门升程)专利的汽车制造商是Fiat，在60年代 Giovanni Torazza 开发了这一系统并申请了专利，专利号是：US Patent 3,641,988。Alfa Romeo Spider 2.0 L 在1980年成为世界上第一个采用这一技术的车型。美国通用汽车公司于1975年9月申请了可变气门升程的专利。Nissan公司是第一个开发 VVT 技术的日本公司，它于1986年开发了 VG30DE(TT) 引擎。本田公司于1987年开发了 VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) 系统，这是一个类似于 VVT 但又简单的系统，它的工作原理是用两套凸轮系统来操作汽缸气门 ，即一套用于低转速(低速性能好而高速差)、另一套用于高转速(高速性能好而低速差) ， 由电子控制单元(ECU)来进行切换。由於 VTEC 相对於 VVT 系统较为简陋，而且在当前一套凸轮系统完全可以胜任的情况下、采用两套凸轮系统则显得有些多余，所以本田的VTEC系统只为少量汽车制造商所采用，但由於无级可变气门正时设计相对困难，VTEC 系统也不失为一种廉价的选择。2001年 BMW 开发的 Valvetronic 系统，则是世界上第一个能够提供连续气门正时及连续调节气门升程(从 0 ~ 10 mm) 的 CVVT (Continuous Variable Valve Timing) 系统。

大众汽车可变配气相位技术

发动机“可变气门正时技术”（Variable Valve Timing）在大众车系广泛使用，如宝来、奥迪、帕萨特等。配气相位角的大小因车而异，总的目的是：利用气流的惯性和压差，使进气充分、排气彻底，提高动力性和经济性。

大众车系可变气门正时机构VVT原理

结构
　　采用双顶置凸轮轴、4气门结构。排气凸轮轴通过正时齿形皮带与曲轴相连接，进、排气土林轴之间采用链条驱动，链条上装有油压张紧器。
　a)低速时—早开、早关，重叠角加大；b)高速时—晚开、晚关，重叠角减小
链条式配气相位工作原理图

　　可变相位调节器是在液压紧链器的基础上，加装了用ECU控制的电磁阀，形成了一个“配气相位调节总成”部件
　　大众车系链条式配气相位调节机构

链条式配气相位工作原理
　　1）当发动机转速低于1 300r/min时，电磁控制阀不通电，进气凸轮轴即反向转动一定角度θ，进气门早开角度变小，进、排气门的重叠角变小，防止发动机回火，低速运转平稳。
　　2）当发动机转速高于1 300r/min时，电磁控制阀通电，进气门早开角度变大，进、排气门的重叠角变大，废气排出率加大，提高了容积效率和转矩值。
　　3）当发动机转速高于3 600r/min时，电磁控制阀又断电，调节工作结束，进气门又回到不提前的位置，晚开和晚关角度加大，可利用气体的惯性能量，提高功率值。
　　大众车系可变气门正时机构的特点是只改变进气门开、关时间的早晚，配气相位角值不变（时间平移—即早开、早关；晚开、晚关），不改变进气门升程的大小。

一 机械系统的功能及其支承系统、控制系统、操纵系统和安全系统进行分析
在配气相位的四个角度中，进气晚关迟后角，在不同的转速时对发动机性能的好坏影响最大（充气效率、转矩、功率）。其次为重叠角的大小，影响缸内排气效果好坏或产生回火现象。发动机的最大功率转速和最大转矩转速不是对应的，最大转矩是发生在低速区，其曲线与充气效率ηv 曲线相近似。
它由正时链条、链轮及可变相位调节器和电磁控制阀组成。其调节原理如下：

（1）驱动端（固定端）是排气凸轮轴，在正时皮带的驱动下顺时针转动，不可能逆转，相对进气凸轮轴而言为“固定端”。它拉动进气凸轮轴也顺时针旋转，驱动气门开闭
（2）自由端（浮动端）为进气凸轮轴，它不仅在排气凸轮轴的链条拉动下顺时针旋转，也可在可变配气正时调节器上下伸长时，转动一个θ角（拉、压合力）。
（3）如（A）图所示，调节器弧形滑板下降，链条下降，拉动进气凸轮轴顺时针转动一个θ角。进气门即早开、早关，使重叠角加大，排气效果改善，容积效率提高，为低转速、大转矩工作段。

（4）如（B）图所示，调节器弧形滑板上升，链条上升，拉动进气凸轮轴逆时针转动一个θ角，进气门即晚开、晚关，充分利用流体惯性，提高充气效率，为高转速、大功率工作段。

（5）曲轴相位角的调节范围为20°~30°，只是早开、晚关的时间变了，配气相位角不变（时间平移），气门升程不变，但进、排气重叠角变了（它的大小影响废气排出量和回火）。
（6）调节开始点多为1300r/min， 低速时气流惯性小，进气门早开、早关，为大转矩区段，适于一般行驶工况；高速时气流惯性大，进气门晚开、晚关，为大功率区段，适于高速行驶工况。
（7）电脑ECU根据发动机转速信号SP，通过电磁控制阀上的滑阀，使润滑系统的主油道油压，驱动调节器中的控制活塞动作，使弧形滑板分别上升或下降，进气凸轮轴即转动一个θ角，改变了气门的开闭时间。

进气门开、关时刻：
（1）发动机转速低时，进气管内混合气随活塞运动，空气流速慢。进气门应提前关闭，以避免混合气回流进气管。发动机低速时，进气门应提前关闭，进气凸轮轴相位应提前调整。

（2） 发动机转速高时，进气管内气流快，活塞在向上运动过程中，混合气应可继续涌入气缸，为增加混合气量，进气门延迟关闭。

扭矩调整
凸轮轴调整器向下拉长，于是链条上部变短，下部变长。
因为排气凸轮轴被齿形带固定了，此时排气凸轮轴不能被转动，进气凸轮轴被转一个角度，进气门提前关闭。
在这个位置时，在中、低转速，可获得大扭矩输出。

凸轮轴调整器

进气凸轮轴
排气凸轮轴

二 对产品进行总体评价，提出自己的改进方案
优点：
1.节省燃油；
2.降低排放污染；
缺点：
1.制造工艺复杂；
2.对材料要求高；
3.对控制机构精度要求较高。
活塞从上止点移到下止点的进气过程中，进气门会提前开启（开启角度为α）和延迟关闭（开启角度为β）；当发动机做功完毕后，活塞从下止点移到上止点的排气过程中，排气门会提前开启（开启角度为γ）和延迟关闭（开启角度为δ）。这样，必然会出现进、排气门同时开启的时刻，即气门重叠阶段，有可能会造成废气倒流，为了消除这一缺陷，采用了“可变式”的气门驱动机构。可变式气门驱动机构就是在发动机低速工作时减少气门行程，而在发动机高速时增大气门行程，改变气门重叠阶段的时间，使发动机在高转速时能提供强大的功率，在低转速时又能产生足够的扭矩，从而改善发动机的工作性能。即气门可变驱动机构能根据汽车的运行状况，随时改变配气相位，改变气门升程或气门开启的持续时间。

三 个人对于可变正时系统改进建议：
利用电磁阀进行驱动实现配气机构的最大可能的多自由度的可变，这种系统能对气门开启角实现各种角度的可变，但从成本方面来说，可能还不能完全取代现行的可变配气机构。
无凸轮驱动可变配气相位机构可分为电磁驱动可变配气相位机构、电液驱动可变配气相位机构、电气驱动可变配气相位机构以及其他驱动方式的可变配气相位机构。
电磁驱动可变配气相位机构是利用电磁铁产生的电磁力驱动气门；电液驱动可变配气相位机构是利用一种压缩性较小流体的弹性特征对气门的开启和关闭起加速和减速的作用，对内燃机气门正时、气门升程和气门运动速度提供了连续的可变控制；电气驱动可变配气相位机构与前者的工作原理相似，只不过所用的介质是空气。
在未来的发动机开发过程中，无凸轮轴可变气门正时技术将成为研究与应用的主流，它将集成在ECU中，高效可靠地发挥提高发动机输出功率和扭矩、降低排放和燃油消耗的双重作用。
四 结束语：
我们所熟悉的可变气门正时技术在国内已经得到了普遍运用，各个厂商叫法不同但是技术上大同小异。不过，可变气门升程技术则还是少数几家厂商的宝贝技术，特别是连续可变气门升程技术目前只在少数高端进口车上使用。而搭配了可变气门正时和升程技术之后，无疑可以将发动机动力、经济性、排放和平顺性之间的均衡性提升到一个新的境界，这也将会是自然吸气发动机未来的发展方向。
参考文献：1.苏岩;李理光;肖敏 可变配气相位对发动机性能的影响2000(10)
2.何玲 电喷发动机可变进气系统的研究 [学位论文] 2002
3.邵显龙 可变配气机构的种类、构造和未来动向 [期刊论文] -汽车研究与开发2001(04)