四连杆连续可变气门驱动机构的结构设计和试验分析

屈小贞

(辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001)

随着能源和环境问题日益突出，燃油经济性和动力性能已成为评价汽车发动机的重要指标。相对于传统气门机构只能在某一特定较窄的转速范围内达到最佳配气状态，连续可变气门驱动(Continuously Variable Valve Actuation，简称CVVA)机构可控制其气门升程和相位随发动机实时工况变化始终处于理想状态，以兼顾发动机低速时的燃油经济性和高速时的动力性[1-4]。目前，CVVA系统已成为提高汽车发动机性能的重要关键技术之一。

目前市场上有多种不同类型的CVVA系统，如机械式、液压式、电液式、电磁式等[5-8]。但是在批量生产的发动机中，只有少数几种机械式CVVA模型被成功采用，如日产汽车公司将VVEL模型进行了批量生产[9]，宝马汽车公司将开发的Valvetronic模型用于实现连续可变气门正时和升程，其最明显的优点是利用低摩擦特性减少10%的燃油消耗[10]。尽管市场上的CVVA系统具有很多优点，但其自身仍然存在着较为突出的问题，导致CVVA系统在现有发动机市场上无法广泛应用。

本研究提出了一种结构相对简单的机械式CVVA机构，该机构可以基于现有的发动机模型装配，不需要增加发动机高度。同时由于其自身结构紧凑，可提高系统刚度和动力传输效率，使发动机在高速运转时仍具有良好的动态特性。

1 四连杆CVVA机构的结构设计

CVVA机构的结构布置见图1。该机构通过固定在凸轮轴上的第一凸轮驱动控制臂中的滚轴转动，滚轴带动支撑在控制轴(中心为F点)上的控制臂(中心为S点)、连杆和第二凸轮组成的四连杆机构F·S·B·E绕控制轴摆动，进而由第二凸轮驱动摆臂结构中的滚子转动以推动气门开启。当第一凸轮顶点越过滚轴时，在支撑弹簧作用力下四连杆机构F·S·B·E逐渐向初始位置恢复，气门在气门弹簧作用力下逐渐闭合。

图1 CVVA机构的三维和二维结构布置

四连杆机构F·S·B·E中的第二凸轮套在控制轴上并绕其摆动，控制臂套在偏心套筒上并绕其摆动。当控制轴转过一定角度时，由于偏心套筒固定在控制轴上(见图2)，控制臂随偏心套筒发生位置偏转，使四连杆机构F·S·B·E的位置也随之发生改变(见图3)。控制臂中的滚轴与第一凸轮、摆臂中的滚子与第二凸轮的接触位置均会发生改变，随控制轴转角连续变化后的四连杆机构F·S·B·E在第一凸轮的驱动下实现了连续可变的气门升程(见图4)。考虑实际控制轴的转角范围限制和四连杆机构F·S·B·E的稳定性，确定实际可调的控制轴转角有效范围为250°～330°。

图2 偏心套筒结构

图3 不同升程阶段下的位置对比

图4 四连杆机构的气门升程曲线

该CVVA机构是基于摆臂式气门机构和四连杆机构组合而成的，其结构紧凑、质心位置相对较低，以保障配套发动机工作时的转速需求。控制轴由步进电机直接控制实现不同的控制轴转角，进而带动固定在控制轴上的偏心套筒转动对应的角度，以改变四连杆机构的空间位置，最终实现不同的气门升程曲线。

该CVVA机构中的第一凸轮参考传统凸轮型线设计方法，利用运动转换对第一凸轮型线进行独立设计，计算得出的凸轮型线见图5。该CVVA机构驱动产生的气门位移曲线是由第一凸轮型线、控制轴转角和第二凸轮型线共同决定的，而第二凸轮型线是由图6所示在运动中产生的凸轮位移y来定义的，其中θ为第二凸轮转角，G点为第二凸轮型线上基圆与升程段之间的临界点。

图5 第一凸轮型线

图6 第二凸轮型线定义

根据凸轮型线设计要求，先定义第二凸轮的加速度曲线，然后参考基础积分学通过积分公式(见式(1)和式(2))可依次计算得出其速度和位移[11]，及其对应的速度和位移曲线(见图7)。

图7 第二凸轮型线

速度曲线：

(1)

位移曲线：

(2)

式中：V2ramp和Y2ramp分别为第二凸轮型线过渡段对应的速度和位移。

参照设定的第一凸轮和第二凸轮型线以及结构参数进行运动学计算分析，通过改变控制轴转角实现有效范围内的不同气门升程阶段，得出不同控制轴转角对应的气门升程曲线(见图8)。气门升程从控制轴转角250°对应的低升程(0.72 mm)到控制轴转角330°对应的高升程(9.91 mm)实现连续可变，可满足发动机不同工况的运行需求，既能提高发动机的燃油经济性，又能满足发动机的动力性输出需求。

图8 不同控制轴转角下的气门升程

2 CVVA机构的试验装置设计

为验证CVVA机构的设计合理性和动态性能，需在试验台上进行试验验证分析。该CVVA机构的试验样机台架设计及控制系统组成见图9，通过ECM单元控制直流电机驱动控制轴实现不同控制轴转角，以此模拟不同气门升程阶段下的试验工况。

图9 CVVA机构的台架控制系统

该CVVA机构的台架试验装置见图10。CVVA机构的旋转编码器与第一凸轮轴直接相连，用来测量第一凸轮的旋转角度，压电加速度计固定在气门头部用来测量实际气门加速度，激光位移传感器固定在气门上下运动对应的台架底板上，用来测量实际气门位移。试验过程中还需保证油泵温度和油压控制在允许的范围内。

图10 CVVA机构的试验装置

试验过程中基于不同的控制轴转角来实现发动机不同转速下的气门升程，通过ECM单元控制直流电机适时调整控制轴上的偏心套筒位置来实现不同的控制轴转角，进而改变四连杆机构的不同位置，以实现不同气门升程阶段下的气门升程变化来满足不同工况下的发动机运行需求。

3 CVVA机构的试验验证对比分析

试验验证分析选取与图8相对应的4种典型升程阶段，控制轴转角分别为250°，280°，310°和330°。通过验证不同升程阶段下，发动机转速从1 200 r/min到7 200 r/min的区间转速变化，以测量分析不同工况下的气门位移和加速度等数据变化。不同升程阶段下的发动机转速都选择与实际行车相匹配的极限转速进行验证分析，每个升程阶段下的气门升程变化曲线见图11至图14。

图11 控制轴转角250°下的气门升程对比

由图11可见，在控制轴转角250°的低升程阶段，发动机1 200 r/min低速状态下的气门升程曲线与设计的气门升程曲线基本吻合。说明在低速运行时可以忽略不计其动态影响，且由于低升程阶段适用在发动机空转速度附近，符合CVVA系统在发动机低速工况下的实用性。

控制轴转角为280°的中低升程阶段气门升程见图12。该CVVA机构可以成功地运行到3 600 r/min，且与设计的气门升程曲线基本吻合。说明该升程阶段下的CVVA机构运行稳定，可满足发动机中低速行车需求。

图12 控制轴转角280°下的气门升程对比

控制轴转角为310°的中高阶段升程见图13。该CVVA机构可以成功地运行到4 800 r/min。但在发动机高转速的情况下，气门升程损失较大，这主要是由于CVVA机构的压缩载荷增大和惯性效应，使其对应的升程损失随转速升高而增大，同时还使升程曲线发生偏移，但均处在合理范围内，不会影响该CVVA机构的正常性能。且图中所示的气门升程曲线与设计曲线相比存在较大偏差是因控制轴转角手动调控误差造成的。

图13 控制轴转角310°下的气门升程对比

图14示出控制轴转角处于330°高升程阶段的气门升程对比。虽然气门位移曲线没有明显的气门升程损失和气门跳动现象，但图中0.25 mm的气门跳动也表明7 200 r/min已接近该CVVA机构的极限转速，这也是多数汽车发动机的极限转速。同样随着发动机转速的提高和惯性效应的增强，该高升程阶段在高转速下的气门升程曲线也向右偏移。由于气门开启时间是向右偏移，如果作为进气门升程曲线会延迟发动机的进气门开启，但这正与可变气门机构高负荷工况下延迟进气门开启策略相吻合，更有利于改善发动机的进气效果。

图14 控制轴转角330°下的气门升程对比

不同控制轴转角下的气门升程在气门开启和关闭区域均有减小的趋势，且随着发动机转速的提高，气门升程曲线偏移逐渐增大，这是由该四连杆CVVA机构在高速工况下的惯性效应引起的[12]，但其偏差均在合理范围内。而330°高升程阶段的气门升程损失减小是由于该CVVA机构在极限转速下的动态响应及气门跳动相应地增大了气门开闭区域的气门机构力，减小了气门升程峰值处的气门机构力。

不同控制轴转角下的气门升程对比见表1。控制轴转角为310°和330°时的气门升程曲线模拟了发动机在试验工况下的极限转速，验证了该CVVA系统在发动机极限转速工况下的稳定性和可靠性。该CVVA机构在发动机试验转速范围内表现了良好的气门正时和气门升程可控特性。

表1 不同控制轴转角下的气门升程对比

该CVVA机构可减小发动机在低转速时进气门的升程开度及时间，以获取最佳的进气量，提高发动机的燃油经济性；而在发动机高转速时提高进气门的升程开度及时间，保障气门重叠范围更加合理，以达到最佳的进排气门重叠时间来获取最大的进气量，提高发动机功率输出。

气门加速度曲线通常会反映出更多关于气门运动的信息，但试验中加速度计的附加质量会使高转速下的气门运动信号失真，因此该试验选用低速下的气门加速度曲线来分析。图15和图16分别示出为控制轴转角250°和330°对应低速下的气门加速度曲线，试验测量数据与设计数据近似。图15中的试验加速度曲线在气门开启和闭合时出现低频加速度峰值现象，这是因为气门运动在气门开启和闭合瞬间给加速度计增加了高频冲量。图16中的试验加速度曲线与设计曲线除气门闭合处基本吻合，气门闭合侧的角速度峰值现象是气门机构动态性能的一个重要指标，因为它能准确反映气门弹跳、气门落座速度以及液压挺杆的泵升等问题。

图15 控制轴转角250°下的气门加速度对比

图16 控制轴转角330°下的气门加速度对比

通过试验测得的加速度曲线可以估算出该CVVA系统的固有频率约为720 Hz，远低于传统的同类气门机构。由于该CVVA机构中增加了四连杆机构，促使系统运动质量增加和系统刚度降低，从而降低了该CVVA系统的固有频率。

4 结束语

通过分析四连杆CVVA机构在不同升程阶段下的气门运动和在整个发动机转速范围内连续可变的气门升程，说明该CVVA机构具有结构紧凑、稳定性好等特点，且匹配该CVVA机构的发动机结构紧凑、重心位置相对较低。基于控制轴带动偏心套筒调控四连杆CVVA机构空间位置，实现不同的气门升程曲线，相对市场上现有可变气门机构更容易实现且稳定性好。

该CVVA机构在模拟发动机转速的试验台上成功地运转到7 200 r/min，通过对比分析其气门升程和加速度曲线，验证了该CVVA机构具有良好的气门升程连续可调范围和动态稳定特性。试验结果表明该CVVA机构能达到预期设计目标，且能保障该型发动机装置在低速工况下具有良好的燃油经济性，在高速工况下具有良好的动力输出性能。