配气机构优化技术的发展现状和趋势

2015-04-17张纪龙

机械工程师 2015年11期

张纪龙

（四川信息职业技术学院汽车工程系，四川广元 628017）

1 发动机可变配气机构概述

随着发动机高功率、高速化发展以及资源约束趋紧和环境保护的需要，人们对发动机的性能指标提出了更高的要求。配气机构作为发动机的供给机构，对发动机性能的优劣有着重要的影响。以前的配气机构控制系统是固定不变的，其控制参数像配气定时等是各种转速下的一种折衷方案。目前可变配气机构的发展已经成为了主流，而且正在进一步向前发展。现在的可变配气机构，可变技术主要集中在配气相位、气门升程和进气管上，特别是可变正时和可变气门升程技术得到了广泛的运用。大多数配气机构都是基于有凸轮轴的可变技术，但也有一些新技术没有凸轮轴，像无凸轮轴电磁驱动技术和无凸轮轴全可变配气机构等。

2 配气机构优化技术

目前的配气优化技术主要有气门升程曲线、配气相位以及凸轮型线等的优化。

2.1 气门升程曲线

气门升程曲线是反映气门运动规律的曲线，它与凸轮曲线相对应，设计合理的气门升程曲线能够改善发动机的进、排气，提高发动机的工作性能。气门升程曲线优化主要是对气门最大升程、气门开启持续角、气门正时、包角、最大升程对应位置、气门重叠角以及气门升程的丰满系数进行优化，使发动机在给定的气道下获得最佳的充量系数。气门升程曲线优化具有以下规律：1）发动机高转速时充量系数随气门升程的增大而增大，当气门升程达到一定程度后，充量系数的增加就变得很小了；发动机低速运转时，气门升程的变化量对充量系数的影响较小；另外，进气门升程比排气门升程对充量系数的影响更明显［1］；2）当进排气门处于最大开启位置且保持不变时，在一定范围内，气门开启重叠角较大有利于提高发动机高速充量系数，反之，则能够提高低速时发动机的充量系数，并且进气门持续角比排气门持续角对充量系数的影响更明显［1］；3）进气门升程的大小决定着进气量，在动力学和摩擦损失允许的情况下，应适当增加进气门升程以增大进气量［2］。

2.2 配气相位

配气相位是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲轴转角来表示。配气相位对于换气品质、泵气损失、充气系数、转矩外特性、怠速稳定性及尾气排放等都有很大影响。其中进气相位，尤其是进气门关闭角对发动机性能影响最大。配气相位的优化主要是对气门直径、气门正时、进气管长度和气门重叠角的优化。通过优化我们发现：1）在发动机中等转速时，采用VVT系统并优化配气相位后，发动机转矩提高，在低速工况效果更为明显［3］；2）可变配气正时系统可以改善发动机进气过程，从而影响发动机的各种性能参数，提升发动机动力性和经济性［3］；3）压缩比越大，发动机功率就会越大，经济性越好。但压缩比过大会出现爆震和回火现象，为了避免发动机爆震及回火，需要减小气门重叠角［4］。

2.3 凸轮型线

凸轮型线的优化主要是对凸轮升程、包角、缓冲段、曲率半径、函数类型等优化。优化后的凸轮应满足：1）凸轮型线的升程光滑，丰满度系数较大，速度、加速度曲线连续；2）为了减小凸轮桃尖的磨损，延长其使用寿命，应尽可能减小进排气凸轮与挺柱的最大接触应力［4］；3）优化后的凸轮型线运动学性能较好，能够达到动力学和运动学的要求。

3 主要仿真软件

目前用到的主要仿真软件有GT-power、AVL BOOST及ModeFrontier等。

3.1 GT-POWER

GT-POWER是一款功能强大的发动机模拟仿真软件，现在被世界上大多数发动机和汽车制造厂家及供应商使用。它能够对发动机的冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构等多个系统进行仿真。

3.2 AVL BOOST

BOOST是一款通过建立发动机模型仿真和优化发动机性能的软件。配气机构优化由BOOST的性能分析模块完成，通过建立配气机构模型，设计凸轮型线以及其他匹配参数，然后进行仿真、对比，就可以得到理想的优化方案。但它的缺点是输入参数复杂、涉及的知识面广和计算结果的确定性未知。

3.3 ModeFRontier

ModeFrontier是Airbus开发的多目标优化设计软件，优化功能相当完善。它能够解决多目标领域的优化问题，具有卓越的操作性能、运行稳定性以及通用性，还具有和各种CAE软件集成优化功能。

4 配气机构优化的现状和发展趋势

4.1 国内发展现状

我国的可变配气机构技术起步比较晚。在20世纪90年代中期开发出了一种用谐波齿轮传动的可变凸轮相位机构，可实现小级差的多级调相［5］。2000年后，一些大学的研究机构设计出不同类型可变配气机构，比较典型的有液压张紧式可变配气机构。另外，部分高校还对电磁驱动式可变配气机构进行了研究。虽然国内已兴起了可变配气机构技术的研究，但由于国内的可变技术起步比较晚，技术不成熟，能真正运用到汽车上的产品少之又少。不过有部分公司已经开发出了具有自主知识产权的可变技术。2006年，吉利公司成功研发了一款具有自主知识产权的可变正时配气机构发动机，并且开始量产；2009年长城公司也成功地研发出具有自主知识产权的VVT发动机GW4G15，并且正式上市。长城的这款VVT发动机运用了许多国际先进技术，改善了发动机的许多性能指标，像油耗、排放、最大功率和转矩等。

4.2 国外发展现状

国外的可变配气机构技术起步比较早，在我国刚起步阶段国外的可变配气机构技术已经比较成熟。其可变技术主要体现在控制进、排气门的凸轮轴上。现在，国外的可变技术已经相当成熟，并且普遍运用到汽车产品上［6］。以下就国外主要汽车公司的配气机构可变技术作一简单的介绍。丰田的可变配气机构在进气凸轮与传动链之间装有油压离合器装置，油压离合器装置通过控制进气凸轮与传动链之间转动的相位来实现进气正时可变，提高了发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性并降低了排放；通常，发动机每缸气门只有一组凸轮驱动，而本田的VTEC系统发动机却有中低速和高速两组不同的气门驱动凸轮，这组驱动凸轮可通过电控系统控制，进行自动转换。VTEC保证了发动机中低速和高速不同的配气相位及进气质量的要求，使发动机在不同工况下都能够达到动力性、经济性与低排放的要求；宝马公司的可变配气凸轮轴相位控制技术VANOS是进气正时和排气正时都可变的配气机构技术。这种改变是通过调整进排气凸轮轴和曲轴的相对位置来实现的，并且该改变是持续进行的，能根据节气门踏板位置和发动机转速自动控制；保时捷的VarioCam Plus结合了VTEC和VANOS的特点，在调节气门正时方面，采用了与VANOS相似的做法，但VarioCam Plus没有摇臂机构，而是直接用凸轮轴推动气门，也采用高低行程两组凸轮，实现对气门升程两段调节的功能。

4.3 发展趋势

未来的配气机构可变技术将会朝着配气相位、气门升程、进排气管都可变的全可变技术和无凸轮轴的可变配气机构方向发展。全可变配气机构技术能够提高进气效率、改善空燃比，使混合气的燃烧更加充分，还可使排气更加彻底，降低废气残余系数，另外还能够减小汽油机的泵气损失，使发动机的动力性、经济性、排放性得到提高；无凸轮轴的可变气门机构避免了凸轮型线的限制，使进排气门的控制能够随发动机工况的变化及时做出调整，从而提高发动机的性能。