一種新型機(jī)械式全可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)

（上海市閔行區(qū)顓興路，上海201108）

一種新型機(jī)械式全可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)

朱譞晟

（上海市閔行區(qū)顓興路，上海201108）

介紹了一種純機(jī)械式的連續(xù)可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)一對(duì)擺桿擺動(dòng)的角度和初始位置的控制，構(gòu)成一個(gè)變速擺系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)氣門(mén)的持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間的連續(xù)可調(diào)，且同時(shí)保持氣門(mén)升程不變。此技術(shù)稱作機(jī)械式FVVT（全可變氣門(mén)正時(shí)）技術(shù)。

內(nèi)燃機(jī) 全可變氣門(mén)正時(shí) 變速擺

1 前言

寶馬汽車公司的Valvetronic可變氣門(mén)升程和正時(shí)技術(shù)使得汽油機(jī)第一次具有連續(xù)可變氣門(mén)正時(shí)的能力[1]，而后其他廠商例如日產(chǎn)也相繼推出自己的類似產(chǎn)品，其基本原理大致相同，但以寶馬的方法最為簡(jiǎn)潔。國(guó)內(nèi)有學(xué)者詳細(xì)分析了其運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2]。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，當(dāng)需要改變氣門(mén)持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間——作為主要目的而不是從屬效果——例如從180℃A連續(xù)變化到360℃A時(shí)，顯而易見(jiàn)的想法是能夠用此技術(shù)或類似機(jī)構(gòu)通過(guò)放大凸輪角度完成么？此技術(shù)或類似機(jī)構(gòu)有個(gè)特征，就是氣門(mén)升程與持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間并非線性正比例關(guān)系，氣門(mén)升程下降比氣門(mén)持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間縮短來(lái)得更快，單純放大凸輪角而不改變機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，將使氣門(mén)在180℃A持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間時(shí)所具有的升程不足最大升程的一半，內(nèi)燃機(jī)低轉(zhuǎn)速全油門(mén)時(shí)進(jìn)氣不足，不利于內(nèi)燃機(jī)的低轉(zhuǎn)速功率和扭矩。

2 FVVT原理

本文分析一種可使氣門(mén)持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間連續(xù)可調(diào)同時(shí)保持氣門(mén)升程不變的純機(jī)械機(jī)構(gòu)——機(jī)械式FVVT（Fully Variable Valve Timing）全可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，對(duì)其運(yùn)行原理進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，此技術(shù)全稱是包含變速擺機(jī)構(gòu)的全可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)。

在介紹這個(gè)機(jī)構(gòu)原理之前，先了解變速擺系統(tǒng)是如何能夠連續(xù)調(diào)節(jié)氣門(mén)正時(shí)同時(shí)不改變氣門(mén)升程的。參見(jiàn)圖1至圖3，一端固定的擺動(dòng)桿，另外一端的滑動(dòng)面接觸到滾輪搖臂的滾輪，滑動(dòng)面的凸起會(huì)在擺動(dòng)到一定角度時(shí)推擠滾輪，使?jié)L輪搖臂擺動(dòng)，從而推動(dòng)氣門(mén)的開(kāi)啟。當(dāng)擺動(dòng)桿回?cái)[時(shí)，釋放滾輪搖臂，使氣門(mén)關(guān)閉。正時(shí)的持續(xù)時(shí)間用下列公式近似表示：

其中，T表示如圖2所示的具有固定角度的高角度凸輪的角度，TW表示工作于某個(gè)轉(zhuǎn)速下的內(nèi)燃機(jī)氣門(mén)所需要的持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間所對(duì)應(yīng)的凸輪角度，A0是能夠推動(dòng)氣門(mén)的部分?jǐn)[桿端面的角度值，AX是擺桿實(shí)際擺動(dòng)的角度值，圖1中顯示了三個(gè)特定值A(chǔ)0、A1、A2，其中A2是擺桿最大擺動(dòng)角度，也就是AX的上限。初始位置指擺桿端面與滾輪接觸的位置，不同位置表示擺桿的初始位置不同，因而擺桿擺動(dòng)角度AX也不同。若我們連續(xù)調(diào)節(jié)AX，就可以得到連續(xù)可調(diào)的TW值，TW和AX成反比例關(guān)系，因?yàn)門(mén)和A0都是固定值。擺桿擺動(dòng)終了位置的不變，因此氣門(mén)升程是不變的。在圖3的氣門(mén)正時(shí)曲線中對(duì)應(yīng)三條正時(shí)曲線，具有相同的升程，不同的持續(xù)時(shí)間，最大持續(xù)時(shí)間就是凸輪的角度T。因?yàn)閿[桿擺動(dòng)角度AX與凸輪角度T之商為擺桿的擺動(dòng)角速率，因此變化的AX與不變的T形成了變速運(yùn)動(dòng)，即擺桿的擺動(dòng)速率是連續(xù)可調(diào)節(jié)的，這構(gòu)成了全可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)原理。

圖1 變速擺桿的變速擺動(dòng)

圖2 FVVT技術(shù)使用的高角度凸輪

圖3 FVVT技術(shù)的氣門(mén)正時(shí)效果

3 FVVT機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

根據(jù)所設(shè)想的FVVT機(jī)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)出如圖所示的氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，圖中省略了一些顯而易見(jiàn)的部分。次氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部分是一對(duì)可變擺動(dòng)角速度和初始位置連續(xù)變化的變速擺及控制這對(duì)變速擺的控制凸輪。

在圖4所示的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，凸輪1通過(guò)滾輪驅(qū)動(dòng)變速擺桿7，變速擺桿7通過(guò)一根軸推動(dòng)變速擺桿6圍繞固定軸5擺動(dòng)，控制凸輪8是變速擺桿7的支點(diǎn)，扭力簧3固定在固定座4上，為擺動(dòng)桿6提供一個(gè)回復(fù)力矩。滾輪13、滾輪的軸14、滾輪搖臂15、氣門(mén)19和液壓挺柱20構(gòu)成了常用的含滾輪搖臂的氣門(mén)組件。下面將對(duì)這個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和仿真計(jì)算。

圖4 FVVT全可變氣正時(shí)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

參考圖5，RQ切凸輪1（軸心為A）和滾輪（軸心為F）于Q點(diǎn)，AR垂直于RQ，于是：

∠AQR與AQ決定了凸輪的形狀，因此具有確定的關(guān)系，從而可求得所有∠AQR的角度下凸輪和主動(dòng)擺桿滾輪之間的距離。應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)FVVT的原理，凸輪所對(duì)應(yīng)曲軸的角度應(yīng)當(dāng)是超過(guò)通常凸輪角度的，我們這里選擇了示例性的凸輪角度是360℃A，以下計(jì)算采用此數(shù)值。

圖5 控制凸輪角度細(xì)節(jié)計(jì)算圖

在圖6中，AD與水平線垂直，DE與水平線平行。E是主動(dòng)擺桿FE和從動(dòng)擺桿CE的鏈接點(diǎn)。以F為圓心的圓是主動(dòng)擺桿滾輪，以A為圓心的圓是凸輪的升程。A和C是凸輪和從動(dòng)擺桿的固定位置，G是控制凸輪的固定位置。AF是任意角度下凸輪和主動(dòng)擺桿滾輪之間的距離，令∠ECL=α1，∠AEF=α2，F(xiàn)E與 JK的夾角是 α3，∠AED=α4，EC=l1，EF=l2，則：

圖7中虛線O是主動(dòng)擺桿7在內(nèi)燃機(jī)最低轉(zhuǎn)速時(shí)的位置，GP垂直于虛線O于P點(diǎn)。GH是當(dāng)前狀態(tài)下控制凸輪對(duì)應(yīng)于直線GP的位置。GM是水平線，GN是當(dāng)前與IH的垂線?！螲GP是控制凸輪的旋轉(zhuǎn)角度，因此：

令α5=α2+α3+α4，這是擺桿7和水平線的夾角，∠HGN=β1這是控制凸輪對(duì)于擺桿7的角度，∠HGP=β這是控制凸輪相對(duì)于水平線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，∠MGP=β'這是控制凸輪在最低轉(zhuǎn)速的角度位置則：

圖6 機(jī)構(gòu)中控制凸輪和擺桿部分的簡(jiǎn)化圖

圖7 控制凸輪角度細(xì)節(jié)計(jì)算圖

β'是常數(shù)，由系統(tǒng)初始條件決定，β=β'時(shí)控制凸輪不對(duì)主動(dòng)擺桿7產(chǎn)生額外推動(dòng)。控制凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是β∈(β'，β'+β0)控制凸輪對(duì)于主動(dòng)擺桿的控制作用可用角度控制距離來(lái)理解，控制凸輪升程：

在(9)式中，控制凸輪的形狀簡(jiǎn)單采用正弦曲線的一段來(lái)模擬，其中k1=k2+1。

根據(jù)JK到G的距離等于控制凸輪推動(dòng)JK的效果，因此可以建立等式：

其中，x0、y0是G點(diǎn)的坐標(biāo)，x、y是圖4中JK所經(jīng)過(guò)K點(diǎn)的坐標(biāo)，k=tan(α2+α3+α4)=tan(α5)。方程(11)左邊是關(guān)于α1的函數(shù)，右邊是關(guān)于β1的函數(shù)，C點(diǎn)坐標(biāo)為(xc,yc)，另令∠FEK=α9，則有

α9是由主動(dòng)擺桿7的形狀決定的，因此設(shè)計(jì)完成后是一個(gè)常數(shù)。因此聯(lián)系所有以上的方程，可知關(guān)于控制凸輪旋轉(zhuǎn)角度β、凸輪對(duì)滾輪之間距離AF及從動(dòng)擺桿角度α1存在以下的關(guān)系：

顯然，從動(dòng)擺桿的角度是由凸輪和控制凸輪的旋轉(zhuǎn)角度唯一確定的，而根據(jù)從動(dòng)擺桿的角度可以方便地計(jì)算出此時(shí)氣門(mén)的升程。

關(guān)于(9)式，控制凸輪的具體形狀與氣門(mén)正時(shí)效果有直接關(guān)系，希望隨控制凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)的正時(shí)可以隨轉(zhuǎn)動(dòng)角β1而變化?？刂仆馆啿皇寝D(zhuǎn)動(dòng)360°而在一個(gè)很小的角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，即β∈(β'，β0+β')。控制凸輪的形狀根據(jù)內(nèi)燃機(jī)低速和高速氣門(mén)正時(shí)角度等效CA值之比來(lái)設(shè)計(jì)，即控制凸輪偏心部分所對(duì)應(yīng)的弧線角度恰好是FVVT機(jī)構(gòu)處于最高轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)狀態(tài)是主動(dòng)擺桿7的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍?？刂仆馆喌男螤钣上铝蟹匠檀_定：

其中，Φ是控制凸輪軸心至控制凸輪偏心曲面上一點(diǎn)的距離R與曲面切線的夾角。同（2）式，R與Φ具有確定的關(guān)系，因而（13）式?jīng)Q定了（14）式。k1的選擇，使得控制凸輪型線中與擺桿7接觸的偏心部分的工作曲面沒(méi)有平面存在。k1越大，控制凸輪型線的曲率半徑越大，越接近直線；k1越小，控制凸輪所提供的距離改變?cè)叫?，?duì)正時(shí)調(diào)節(jié)的范圍越小。經(jīng)試驗(yàn)選擇k1后，(13)式如下：

參考圖8，由于主動(dòng)擺桿FE的擺動(dòng)會(huì)使F對(duì)A產(chǎn)生角向移動(dòng)，因此準(zhǔn)確判定凸輪角度還要得確定∠BAF=α6。先令∠BCE=α5，∠CBE=α7，∠BEF=α8。顯然α5=α1+π/2，當(dāng)我們?cè)O(shè)置初始值時(shí)，應(yīng)使得α1不小于零，因此有

聯(lián)立方程(17)至(21)，可解算出AF與AB的角度α6，這個(gè)角度即滾輪中心對(duì)于凸輪1的方向，結(jié)合AF的距離的方程(2)、方程(13)和凸輪1的型線函數(shù)，可以得到凸輪角度φ與從動(dòng)擺桿6的角度α1、控制凸輪角度的轉(zhuǎn)動(dòng)角度β關(guān)系如下：

可將從動(dòng)變速擺桿6看作擺動(dòng)的凸輪，α1就是凸輪的旋轉(zhuǎn)角度，并依據(jù)函數(shù)(22)就可以合并計(jì)算得知?dú)忾T(mén)升程與凸輪角度φ和控制凸輪角度β直接的數(shù)值關(guān)系，即連續(xù)可調(diào)氣門(mén)正時(shí)的氣門(mén)升程曲線圖。相似計(jì)算也可參考文獻(xiàn)[2]。

圖8 對(duì)凸輪與滾輪角度的計(jì)算圖

在計(jì)算仿真氣門(mén)正時(shí)效果之前，假定：

（23）式是為簡(jiǎn)化計(jì)算所作假設(shè)，K是AF最小值。（24）式是α1與氣門(mén)升程H的假設(shè)關(guān)系，0.507是A0角度的一個(gè)邊界角度值（參見(jiàn)圖1），氣門(mén)處于最大升程時(shí)從動(dòng)擺桿6的位置為0.507-A0。（25）式是氣門(mén)相對(duì)于凸輪轉(zhuǎn)角的修正，其中φ是凸輪的轉(zhuǎn)角，φ(β,β1)是氣門(mén)的CA，α'6(β1)是控制凸輪處于β角時(shí)凸輪推動(dòng)擺桿7的角度，α6(β)是控制凸輪處于β角時(shí)凸輪未推動(dòng)擺桿7的角度。模擬計(jì)算得到如下氣門(mén)升程，參見(jiàn)圖9。

根據(jù)圖9，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡嬗?jì)算得知：當(dāng)凸輪角為360℃A時(shí)，內(nèi)燃機(jī)在低轉(zhuǎn)速（例如900 r/min）獲得約216℃A的氣門(mén)開(kāi)啟角度，在極高轉(zhuǎn)速（例如10 000 r/min以上）獲得360℃A的氣門(mén)開(kāi)啟角度。低轉(zhuǎn)速氣門(mén)升程上升時(shí)間約112℃A，氣門(mén)升程下降時(shí)間約104℃A。

從圖9中可見(jiàn)高速正時(shí)曲線并非低速正時(shí)曲線簡(jiǎn)單沿著曲軸角坐標(biāo)放大得到而是具有一個(gè)小的非線性改變，這是因?yàn)楹?jiǎn)單的控制凸輪和機(jī)構(gòu)的雙擺桿結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的結(jié)果。控制凸輪這種形式的好處是簡(jiǎn)單，但會(huì)導(dǎo)致非線性結(jié)果。若采用稍復(fù)雜的移動(dòng)滾輪機(jī)構(gòu)替代控制凸輪來(lái)控制主動(dòng)擺桿7的支點(diǎn)，則圖9中高速正時(shí)曲線會(huì)更加接近于低速正時(shí)曲線沿曲軸角坐標(biāo)的線性放大的結(jié)果。

圖9 氣門(mén)升程圖

圖9中的中等轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速氣門(mén)升程曲線的小于零的過(guò)沖是由于計(jì)算點(diǎn)少造成的。

4 FVVT的作用機(jī)理和應(yīng)用

方程(10)、(12)、(23)是超越方程，可用數(shù)值方法求近似解。首先令α1和β為已知數(shù)，而后計(jì)算出所有需要知曉的參數(shù)，這是反向求解法，即求解的方向與機(jī)構(gòu)工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)方向相反。這樣做的意義在于：這是設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)的過(guò)程，即先制定從動(dòng)變速擺桿的位置，而后再確定控制凸輪和凸輪的位置和形狀，形狀是根據(jù)從動(dòng)擺桿和主動(dòng)擺桿的長(zhǎng)度和形狀確定的，而擺桿的參數(shù)確定的原則是盡量減少擺桿擺動(dòng)角度和整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積。

全可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)的幾何原理是控制凸輪控制主動(dòng)擺桿的支點(diǎn)位置，簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)一個(gè)β角度，使得L(β1)和α1產(chǎn)生改變，從而契合FVVT的原理?？刂仆馆喌淖饔靡嗫梢员黄渌麖?fù)雜機(jī)構(gòu)替代，但控制凸輪這種形式的機(jī)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，因而以此為例解釋機(jī)械式全可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)的原理。從杠桿控制的角度來(lái)看，控制凸輪的h(β1)代表杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使杠桿的初始角度發(fā)生變化；而L(β1)代表著杠桿支點(diǎn)的變化，從而使杠桿阻力點(diǎn)行程改變；β1的角度限制則使得杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)最終位置保持不變，因此氣門(mén)最大升程不變。主動(dòng)擺桿7的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度β0是機(jī)構(gòu)初始值的一部分，這些初始值的確定的原則是使β0盡量小，但又要使機(jī)構(gòu)的體積盡量小。

根據(jù)需要也可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速時(shí)提高氣門(mén)升程，低轉(zhuǎn)速降低氣門(mén)升程，類似于Valvetronic的作用但氣門(mén)升程相差比較小，做到這一點(diǎn)僅需略微改變控制凸輪8的形狀設(shè)計(jì)即可。公式(1)是近似公式，實(shí)際上需要根據(jù)FVVT機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，使氣門(mén)獲得最佳的升程曲線。

本文僅是FVVT機(jī)構(gòu)的最初的探索，一部分規(guī)律尚未掌握，更深入的研究真正進(jìn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡明全可變氣門(mén)正時(shí)FVVT技術(shù)原理，并具體分析了一種機(jī)械式全可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)，表明此機(jī)構(gòu)的氣門(mén)正時(shí)由控制凸輪來(lái)操控，且保證氣門(mén)升程不變。機(jī)械式FVVT技術(shù)有助于優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)氣門(mén)正時(shí)，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。在本文FVVT技術(shù)基礎(chǔ)上可繼續(xù)探討可變氣門(mén)正時(shí)和升程各自獨(dú)立調(diào)節(jié)的全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，或可以替代電磁氣門(mén)或電磁-液壓氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

本文關(guān)于FVVT類似應(yīng)用可參考美國(guó)專利[3]，包含變速擺機(jī)構(gòu)的全可變氣正時(shí)機(jī)構(gòu)的說(shuō)明部分可參考中國(guó)實(shí)用新型專利[4]。

1屠衛(wèi)星主編.可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)原理與維修（第一版）[M].鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)/江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2008．

2吳敵，楊海青．全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真分析[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2010（1）．

3美國(guó)專利US6，659，053 B1《FULLY VARIABLE VALVE TRAIN》；

4中國(guó)實(shí)用新型專利ZL2010 2 0182127.7，《包含變速擺機(jī)構(gòu)的全可變氣正時(shí)機(jī)構(gòu)》．

The Analysis of Mechanical Fully Variable Valve Timing Mechanism

Zhu Xuansheng
（Zhuanxing Road,Minhang District,Shanghai 201108,China）

This paper describes a purely mechanical way to build a continuous variable valve drive mechanism,through a pair of swinging the pendulum angle and the initial position of control to form a variable speed pendulum system,and to achieve continuous valve open time continuously adjustable,while maintaining the same valve lift.This technique is known as mechanical FVVT(fully variable valve timing) technology.

Internal combustion engine,Fully Variable Valve Timing,variable speed pendulum

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.004

來(lái)稿日期：2011-09-05

朱譞晟（1976-），男，現(xiàn)主要研究方向?yàn)榛钊絻?nèi)燃機(jī)技術(shù)。