配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

張紀(jì)龍

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，四川 廣元 628017）

1 發(fā)動(dòng)機(jī)可變配氣機(jī)構(gòu)概述

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)高功率、高速化發(fā)展以及資源約束趨緊和環(huán)境保護(hù)的需要，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)提出了更高的要求。配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的供給機(jī)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)劣有著重要的影響。以前的配氣機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)是固定不變的，其控制參數(shù)像配氣定時(shí)等是各種轉(zhuǎn)速下的一種折衷方案。目前可變配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展已經(jīng)成為了主流，而且正在進(jìn)一步向前發(fā)展。現(xiàn)在的可變配氣機(jī)構(gòu)，可變技術(shù)主要集中在配氣相位、氣門升程和進(jìn)氣管上，特別是可變正時(shí)和可變氣門升程技術(shù)得到了廣泛的運(yùn)用。大多數(shù)配氣機(jī)構(gòu)都是基于有凸輪軸的可變技術(shù)，但也有一些新技術(shù)沒有凸輪軸，像無凸輪軸電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)和無凸輪軸全可變配氣機(jī)構(gòu)等。

2 配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

目前的配氣優(yōu)化技術(shù)主要有氣門升程曲線、配氣相位以及凸輪型線等的優(yōu)化。

2.1 氣門升程曲線

氣門升程曲線是反映氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的曲線，它與凸輪曲線相對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)合理的氣門升程曲線能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。氣門升程曲線優(yōu)化主要是對(duì)氣門最大升程、氣門開啟持續(xù)角、氣門正時(shí)、包角、最大升程對(duì)應(yīng)位置、氣門重疊角以及氣門升程的豐滿系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)在給定的氣道下獲得最佳的充量系數(shù)。氣門升程曲線優(yōu)化具有以下規(guī)律：1）發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)充量系數(shù)隨氣門升程的增大而增大，當(dāng)氣門升程達(dá)到一定程度后，充量系數(shù)的增加就變得很小了；發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣門升程的變化量對(duì)充量系數(shù)的影響較小；另外，進(jìn)氣門升程比排氣門升程對(duì)充量系數(shù)的影響更明顯［1］；2）當(dāng)進(jìn)排氣門處于最大開啟位置且保持不變時(shí)，在一定范圍內(nèi)，氣門開啟重疊角較大有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)高速充量系數(shù)，反之，則能夠提高低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)，并且進(jìn)氣門持續(xù)角比排氣門持續(xù)角對(duì)充量系數(shù)的影響更明顯［1］；3）進(jìn)氣門升程的大小決定著進(jìn)氣量，在動(dòng)力學(xué)和摩擦損失允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)增加進(jìn)氣門升程以增大進(jìn)氣量［2］。

2.2 配氣相位

配氣相位是進(jìn)、排氣門的實(shí)際開閉時(shí)刻，通常用相對(duì)于上、下止點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)角來表示。配氣相位對(duì)于換氣品質(zhì)、泵氣損失、充氣系數(shù)、轉(zhuǎn)矩外特性、怠速穩(wěn)定性及尾氣排放等都有很大影響。其中進(jìn)氣相位，尤其是進(jìn)氣門關(guān)閉角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響最大。配氣相位的優(yōu)化主要是對(duì)氣門直徑、氣門正時(shí)、進(jìn)氣管長(zhǎng)度和氣門重疊角的優(yōu)化。通過優(yōu)化我們發(fā)現(xiàn)：1）在發(fā)動(dòng)機(jī)中等轉(zhuǎn)速時(shí)，采用VVT系統(tǒng)并優(yōu)化配氣相位后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩提高，在低速工況效果更為明顯［3］；2）可變配氣正時(shí)系統(tǒng)可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的各種性能參數(shù)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性［3］；3）壓縮比越大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率就會(huì)越大，經(jīng)濟(jì)性越好。但壓縮比過大會(huì)出現(xiàn)爆震和回火現(xiàn)象，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)爆震及回火，需要減小氣門重疊角［4］。

2.3 凸輪型線

凸輪型線的優(yōu)化主要是對(duì)凸輪升程、包角、緩沖段、曲率半徑、函數(shù)類型等優(yōu)化。優(yōu)化后的凸輪應(yīng)滿足：1）凸輪型線的升程光滑，豐滿度系數(shù)較大，速度、加速度曲線連續(xù)；2）為了減小凸輪桃尖的磨損，延長(zhǎng)其使用壽命，應(yīng)盡可能減小進(jìn)排氣凸輪與挺柱的最大接觸應(yīng)力［4］；3）優(yōu)化后的凸輪型線運(yùn)動(dòng)學(xué)性能較好，能夠達(dá)到動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求。

3 主要仿真軟件

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

3.1 GT-POWER

GT-POWER是一款功能強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬仿真軟件，現(xiàn)在被世界上大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車制造廠家及供應(yīng)商使用。它能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)等多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

3.2 AVL BOOST

BOOST是一款通過建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型仿真和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能的軟件。配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化由BOOST的性能分析模塊完成，通過建立配氣機(jī)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)凸輪型線以及其他匹配參數(shù)，然后進(jìn)行仿真、對(duì)比，就可以得到理想的優(yōu)化方案。但它的缺點(diǎn)是輸入?yún)?shù)復(fù)雜、涉及的知識(shí)面廣和計(jì)算結(jié)果的確定性未知。

3.3 ModeFRontier

ModeFrontier是Airbus開發(fā)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，優(yōu)化功能相當(dāng)完善。它能夠解決多目標(biāo)領(lǐng)域的優(yōu)化問題，具有卓越的操作性能、運(yùn)行穩(wěn)定性以及通用性，還具有和各種CAE軟件集成優(yōu)化功能。

4 配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

4.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)的可變配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)起步比較晚。在20世紀(jì)90年代中期開發(fā)出了一種用諧波齒輪傳動(dòng)的可變凸輪相位機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)小級(jí)差的多級(jí)調(diào)相［5］。2000年后，一些大學(xué)的研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出不同類型可變配氣機(jī)構(gòu)，比較典型的有液壓張緊式可變配氣機(jī)構(gòu)。另外，部分高校還對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)式可變配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。雖然國(guó)內(nèi)已興起了可變配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)的研究，但由于國(guó)內(nèi)的可變技術(shù)起步比較晚，技術(shù)不成熟，能真正運(yùn)用到汽車上的產(chǎn)品少之又少。不過有部分公司已經(jīng)開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可變技術(shù)。2006年，吉利公司成功研發(fā)了一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可變正時(shí)配氣機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)，并且開始量產(chǎn)；2009年長(zhǎng)城公司也成功地研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VVT發(fā)動(dòng)機(jī)GW4G15，并且正式上市。長(zhǎng)城的這款VVT發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用了許多國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的許多性能指標(biāo)，像油耗、排放、最大功率和轉(zhuǎn)矩等。

4.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外的可變配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)起步比較早，在我國(guó)剛起步階段國(guó)外的可變配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。其可變技術(shù)主要體現(xiàn)在控制進(jìn)、排氣門的凸輪軸上。現(xiàn)在，國(guó)外的可變技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且普遍運(yùn)用到汽車產(chǎn)品上［6］。以下就國(guó)外主要汽車公司的配氣機(jī)構(gòu)可變技術(shù)作一簡(jiǎn)單的介紹。豐田的可變配氣機(jī)構(gòu)在進(jìn)氣凸輪與傳動(dòng)鏈之間裝有油壓離合器裝置，油壓離合器裝置通過控制進(jìn)氣凸輪與傳動(dòng)鏈之間轉(zhuǎn)動(dòng)的相位來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣正時(shí)可變，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性并降低了排放；通常，發(fā)動(dòng)機(jī)每缸氣門只有一組凸輪驅(qū)動(dòng)，而本田的VTEC系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)卻有中低速和高速兩組不同的氣門驅(qū)動(dòng)凸輪，這組驅(qū)動(dòng)凸輪可通過電控系統(tǒng)控制，進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換。VTEC保證了發(fā)動(dòng)機(jī)中低速和高速不同的配氣相位及進(jìn)氣質(zhì)量的要求，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下都能夠達(dá)到動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與低排放的要求；寶馬公司的可變配氣凸輪軸相位控制技術(shù)VANOS是進(jìn)氣正時(shí)和排氣正時(shí)都可變的配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)。這種改變是通過調(diào)整進(jìn)排氣凸輪軸和曲軸的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)的，并且該改變是持續(xù)進(jìn)行的，能根據(jù)節(jié)氣門踏板位置和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制；保時(shí)捷的VarioCam Plus結(jié)合了VTEC和VANOS的特點(diǎn)，在調(diào)節(jié)氣門正時(shí)方面，采用了與VANOS相似的做法，但VarioCam Plus沒有搖臂機(jī)構(gòu)，而是直接用凸輪軸推動(dòng)氣門，也采用高低行程兩組凸輪，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門升程兩段調(diào)節(jié)的功能。

4.3 發(fā)展趨勢(shì)

未來的配氣機(jī)構(gòu)可變技術(shù)將會(huì)朝著配氣相位、氣門升程、進(jìn)排氣管都可變的全可變技術(shù)和無凸輪軸的可變配氣機(jī)構(gòu)方向發(fā)展。全可變配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)能夠提高進(jìn)氣效率、改善空燃比，使混合氣的燃燒更加充分，還可使排氣更加徹底，降低廢氣殘余系數(shù)，另外還能夠減小汽油機(jī)的泵氣損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性得到提高；無凸輪軸的可變氣門機(jī)構(gòu)避免了凸輪型線的限制，使進(jìn)排氣門的控制能夠隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化及時(shí)做出調(diào)整，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文論述了配氣機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響、配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)及配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀?？v觀國(guó)內(nèi)外配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，全可變技術(shù)和無凸輪軸可變技術(shù)將會(huì)是未來可變技術(shù)發(fā)展的主流。

［1］ 張小燕，蒲運(yùn)平.應(yīng)用GT-POWER設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門升程［EB/OL］.（2009-06-25）［2015-05-01］.http：//www.idaj.cn/download/show/id/2617.

［2］ 王東榮，楊陳，沈源，等．應(yīng)用AVL-BOOST軟件優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)氣門型線參數(shù)［J］.內(nèi)燃機(jī)，2013（2）：29-30.

［3］ 朱振夏，孫柏剛，李剛，等.基于GT-POWER軟件的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位優(yōu)化設(shè)計(jì)［EB/OL］.（2011-07-12）［2015-05-01］.http：//www.idaj.cn/download/show/id/2965.

［4］ 安娜，斯海林，邵毅明，等.某增壓汽油機(jī)配氣相位優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，15（5）；107-110.

［5］ 趙雨?yáng)|，陸際清.實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門相位的新方法［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1994，34（2）：18-23.

［6］ 王立彪，何邦全，謝輝，等.發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.汽車技術(shù)，2005（12）：4-9.