可变气门正时对低速发动机动力性能的影响

2015-11-30胡孝明常红梅汤鸿明

装备制造技术 2015年11期

胡孝明，常红梅，汤鸿明

（陕西理工学院机械学院，陕西汉中723000）

发动机可变气门正时（VVT，Variable Valve Timing）技术是为了解决发动机在不同工况下，调整进排气量和气门开合时间、角度，使进入的空气量达到最佳，从而提高燃烧效率，进而使发动机达到最佳性能。由于VVT技术改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内可提供最佳的配气正时[1]，较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾，同时在一定程度上改善了废气排放，因此VVT技术得到广泛应用[2-7]。

早在1880年美国就出现有关可变气门的专利[8]，但最早开始批量生产使用的是1983年阿尔法罗密欧的可改凸轮轴相位角机构[9]。该类机构利用凸轮轴调相原理，凸轮型线是固定的，而凸轮轴相对曲轴的转角是可变的。近年来又出现了丰田公司研发智能可变气门正（VVT-I，Variable valve Timing-intelligent）系统和本田公司研发的可变气门相位及升程控制（i-VTEC，Variable Valve Timing and lift Electronic Control）系统。丰田的VVT—i系统可连续调节气门正时[10]，但不能调节气门升程，它的工作原理是：当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60°的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的，所以能大大改善燃油经济性，有效提高汽车的功率与性能，减少油耗和废气排放。本田公司的VTEC是一种可变气门配气相位和气门升程电子控制系统，在不同转速和复核下采用不同凸轮线性驱动气门[5]，可以实现几种转速或负荷的最佳气门的由于该技术正时调节和升程不连续，不能获得所有工况的最佳正时。随后本田公司发表的i-VTEC，也达到了“可连续性”变化的正时与重叠角。

目前，相关研究发现，高达80%的燃油消耗出现在低负荷区[6]，而现在城市用车大量使用工况在低负荷区，加之低负荷用车大量处于低速状态。因此研究气门正时对低速发动机的动力性能影响，得到真正符合发动机特性需求，从而可变气门配气系统研究与开发依然具有重大意义。

1 发动机可变凸轮轴相位理论分析

发动机配气正时是根据实验取得的，为设计配气凸轮型线以及确定各气缸进、排气凸轮轴相位提供依据。凸轮轴相位变化，导致气门进气门开启关闭时间及进排气量大小的变化，所以根据发动机气门调整凸轮轴相位。发动机每一个工况下都有一个最合适的配气正时，进而就有一个最佳凸轮轴相位[11]，使发动机动力性有一个最佳体现。

发动机低速或者怠速时，发动机无需很多可燃混合气就能够保证发动机动力。如图1所示，在低速或者怠速，进气气流比较小，气流惯性小，如果进气门打开过早即增大角α，使发动机气门开启时间长，此时缸内的气压和缸外气压相差无几，再加上活塞要上行，就很容易使新鲜空气被挤出缸外，使进气量减少，发动机工作更趋不稳定。而减小进气门提前角α，即活塞具有一定的下行速度时开启进气门，加强进气涡流，使空气更容易进入气缸，获得更好的油气混合，进行更充分的燃烧，提高发动机性能。发动机低速或者怠速时，发动机所需的可燃混合气数量比较少，应减小进气门迟闭角β.为了充分利用缸内气体的能量，应推迟开启排气门即减小排气门提前角γ；同时为了避免进入缸内混合气体从排气门流出缸外和废气过多进入进气端影响吸气质量，应减小排气门推迟角δ，也减少排气门重叠角β+γ.发动机在高速运转时，为保证发动机足够动力，需要增加进气量。高速运转时，进气气流很快，流动惯性很大，所以保证进气时间就可以得到足够进气量，加大进气门提前角α进气可以保证可燃混合气顺利的、充分的进入气缸；推迟进气门关闭即增大进气门迟闭角β也可以利用进气气流的惯性增加气缸的进气量。从而改善了发动机的动力性能。与此同时，为了保证气缸内可燃混合气的含量，应尽最大可能排出废气。为了充分利用气缸做功冲程终了前缸内气压比缸外高，增大排气门提前角γ；而增大排气门迟闭角δ可以充分利用进气形成的气流将废气排出气缸外。这样就增加了发动机进气的效率进而提高发动机的动力性能（如图1所示）。

图1 配气定时图

综上所述，在发动机高速运转时，应提前调节凸轮轴使进排气门提前开启，推迟调节凸轮轴使进排气门关闭；在低速和怠速运转时推迟调节凸轮轴使进排气门开启，提前调节凸轮气压轴使进排气门关闭。

2 VVT系统设计

根据上述发动机可变凸轮轴相位分析，为某一无VVT配气功能的汽油发动机设计一套进（排）气正时独立调节的VVT系统。如图2所示，该VVT系统保留原发动机原有的进排气歧管和凸轮轴，通过重新设计凸轮轴与凸轮的相位关系，使发动机高速运转时，能提前调节凸轮轴使进排气门提前开启，推迟调节凸轮轴使进排气门关闭；在低速和怠速运转时推迟调节凸轮轴使进排气门开启，提前调节凸轮气压轴使进排气门关闭。改造好的发动机仍采用原发动机的控制系统。发动机的配气正时调节采用另外一套控制系统根据发动机的转速进行调节。

图2 VVT配气机构

3 试验及结果分析

发动机的动力性指标是表征发动机做功能力大小的指标，一般用发动机的有效转矩、有效功率、发动机转速等作为评价指标。下面在发动机试验台架上进行原发动机和VVT发动机在低速时的有效功率、有效转矩和转速的对比试验。

3.1 原发动机和VVT发动机功率对比实验

在全负载下原发动机和VVT发动机进行功率对比试验。根据转速而得到的功率曲线如图3所示，由图可以看出发动机的配气系统改变后，发动机功率获得了提高。在转速为2 500 r/min时获得了最大功率提升，功率提升了2.5 kW.由此可见可变配气正时调节对低速发动机的功率有提升作用。

图3 原发动机和VVT发动机功率对比

3.2 原发动机和VVT发动机扭矩对比实验

在不同转速下，原发动机和VVT发动机同时进行扭矩对比试验。该扭矩是在发动机转速稳定后测得，如图4所示。从图4中可以看出，发动机配气系统进行改变后，VVT发动机的扭矩比原发动机的扭矩平均高出2 N·m.由此可见发动机的配气进行正式调节对发动机的扭矩提高有明显的效果。

图4 原发动机和VVT发动机扭矩对比

3.3 调节角度和转速的关系实验

对于VVT发动机单独进行实验，在怠速分别为1 000 r/min和1 200 r/min时，研究其角度与转速的关系，得到其关系曲线如图5所示。图中的角度是指进气凸轮轴在原进气凸轮轴相位角度的基础上晚开相应的角度，在原关闭的角度上早关相应的角度；排气凸轮轴在原排气凸轮轴相位角度基础上晚开相应的角度，在原关闭的角度上早关相应的角度。试验时发现原发动机的怠速时转速和VVT发动机0度转速一样。由图4可知发动机转速随着角度增大转速下降，在转速1 000 r/min时，转速降低了82 r/min；在转速1 200 r/min时转速降低了54 r/min.转速降低为发动机油耗降低提供空间从而提高了发动机的动力性。