气门重叠角对乘用车怠速抖动的影响*

2013-06-28吴颖军黄丽娜马文亮李慧军冯擎峰

机械研究与应用 2013年3期

吴颖军，黄丽娜，马文亮，李慧军，由毅，冯擎峰

(吉利汽车研究院，浙江杭州 311228)

1 引言

随着汽车行业的发展，人们对汽车舒适性要求越来越高。怠速稳定性是保证车辆舒适性的重要指标。在发动机换气过程阶段，在进排气上止点前后，由于进气门的提前开启与排气门的滞后关闭，内燃机在进气门开启和排气门关闭这段曲轴转角内，出现进排气门同时开启状态［1］，形成气门重叠角。气门重叠角增大，有利于汽车在高速行驶中的换气和充气;但大的气门重叠角造成残余废气系数过大，进而影响燃烧的循环变动，不利于启动和怠速工况，使启动困难，怠速不稳。

2 气门重叠角对发动机性能的影响

在发动机进气行程中，为了提高冲量系数，进气门相对上止点提前开启，排气门相对上止点滞后关闭，在这个区域形成的曲轴转角叫做进排气门重叠角。在怠速工况下，节气门处于关闭状态，进气管存在很大的真空度，在进排气门同时开启状态下，一部分废气会从气缸进入进气管内，与新鲜混合气混合，由于这部分废气几乎不参与燃烧，使得缸内燃烧温度较低，造成失火率的增加，因此增加了怠速不稳定性。车用发动机的气门重叠角同时对扭矩外特性、功率、油耗率、排放等方面有很大影响。在不同工况下，选择合适的气门重叠角使得发动机的动力性、经济性、排放性达到最佳显得极其重要。通过改变某2.4 L怠速抖动发动机气门升程曲线包角、基准配气相位、气门间隙的方式来改变气门重叠角，计算其对发动机性能的影响。

2.1 排气门升程曲线不变，配气相位向前移动20°

按照此方案，排气门开启向前移动20°后，气门重叠角减小，升程曲线对比(见图1)。并模拟计算扭矩、油耗率、进气量、功率，前后对比图如图2～5所示。

图1 排气门升程曲线对比

图2 扭矩曲线对比

根据计算结果，排气气门型线相位向前移动20°，发动机额定功率降低8 kW，最大扭矩降低7.6 N·m，怠速抖动问题需要减小怠速时气门重叠角，采用此方案发动机动力性降低较大。

图3 油耗率曲线对比

图4 进气量曲线对比

图5 功率曲线对比

2.2 排气门升程曲线包角减小20°

排气们升程包角减小20°(改变凸轮型线)，排气门升程曲线对比(见图6)。

从图6可以看出，排气门气门包角减小20°，使得气门重叠角减小，改变升程相位，取EVO-20°、EVO-15°、EVO-10°、EVO-5°、EVO、EVO+5°、EVO+10°共7个排气门开启点对比改变气门包角对发动机性能的影响。曲线图如图7～10所示。

图6 排气门升程曲线对比对比

图7 扭矩曲线对比

图8 油耗率曲线对比

图9 进气量曲线对比

图10 功率曲线对比

由以上计算结果数据可以看出，更改排气门包角后，通过这7个相位点可以看出排气门开启相位角越滞后，发动机的扭矩、功率、油耗率就表现的越出色。需要把排气门开启时间向后移动10°(EVO+10°相位点)，使发动机的外特性性能达到最佳，移动10°后气门升程曲线对比(见图11)。

图11 排气门升程曲线对比

由图11可看出，排气门升程包角减小20°，排气门开启时间滞后10°后，怠速时气门重叠角较原始数据有所减小，实际气门重叠角由原来的45.5°减小到38°，即与原基准相位对比减小气门重叠角7.5°(去除掉气门间隙)，此方案最大扭矩降低4.1 N·m，最大功率减小5.5 kW。

2.3 调整气门间隙

调整气门间隙对怠速时的气门重叠角有相同的影响，原始状态的进气门间隙为0.25，排气门间隙为0.3，选取3组状态的气门间隙计算，状态对比如表1所示，气门重叠角指0 mm升程时气门重叠角(去除气门间隙):根据不同的气门间隙计算对比发动机性能的影响，各参数结果对比(如图12、13所示)。

图12 功率曲线对比

表1 更改气门间隙后实际气门重叠角对比

图13 进气量曲线对比

从图12、13来看，调整气门间隙后，功率曲线和进气量曲线极为接近，对发动机外特性影响较小，且实际的气门重叠角改变较大，可以有效的抑制怠速抖动问题。

3 更改气门间隙解决怠速抖动的实例

某匹配2.4 L发动机、5MT乘用车在进行标定试验时发现在驾驶员座椅及方向盘位置能明显感受到间歇性抖动，检查发现发动机异常抖动，通过排除所有可能引起怠速抖动的原因后，最终方案将发动机进气门间隙由0.25 mm增加到0.35 mm，排气门间隙由0.3 mm增加到0.4 mm。在怠速状态下，对比原状态气门间隙的情况下，通过NVH检测驾驶座椅和方向盘X、Y、Z方向的振动情况，如图14～19所示。