配氣機構優(yōu)化技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

張紀龍

（四川信息職業(yè)技術學院 汽車工程系，四川 廣元 628017）

1 發(fā)動機可變配氣機構概述

隨著發(fā)動機高功率、高速化發(fā)展以及資源約束趨緊和環(huán)境保護的需要，人們對發(fā)動機的性能指標提出了更高的要求。配氣機構作為發(fā)動機的供給機構，對發(fā)動機性能的優(yōu)劣有著重要的影響。以前的配氣機構控制系統(tǒng)是固定不變的，其控制參數(shù)像配氣定時等是各種轉速下的一種折衷方案。目前可變配氣機構的發(fā)展已經(jīng)成為了主流，而且正在進一步向前發(fā)展。現(xiàn)在的可變配氣機構，可變技術主要集中在配氣相位、氣門升程和進氣管上，特別是可變正時和可變氣門升程技術得到了廣泛的運用。大多數(shù)配氣機構都是基于有凸輪軸的可變技術，但也有一些新技術沒有凸輪軸，像無凸輪軸電磁驅動技術和無凸輪軸全可變配氣機構等。

2 配氣機構優(yōu)化技術

目前的配氣優(yōu)化技術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動規(guī)律的曲線，它與凸輪曲線相對應，設計合理的氣門升程曲線能夠改善發(fā)動機的進、排氣，提高發(fā)動機的工作性能。氣門升程曲線優(yōu)化主要是對氣門最大升程、氣門開啟持續(xù)角、氣門正時、包角、最大升程對應位置、氣門重疊角以及氣門升程的豐滿系數(shù)進行優(yōu)化，使發(fā)動機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)動機高轉速時充量系數(shù)隨氣門升程的增大而增大，當氣門升程達到一定程度后，充量系數(shù)的增加就變得很小了；發(fā)動機低速運轉時，氣門升程的變化量對充量系數(shù)的影響較小；另外，進氣門升程比排氣門升程對充量系數(shù)的影響更明顯［1］；2）當進排氣門處于最大開啟位置且保持不變時，在一定范圍內(nèi)，氣門開啟重疊角較大有利于提高發(fā)動機高速充量系數(shù)，反之，則能夠提高低速時發(fā)動機的充量系數(shù)，并且進氣門持續(xù)角比排氣門持續(xù)角對充量系數(shù)的影響更明顯［1］；3）進氣門升程的大小決定著進氣量，在動力學和摩擦損失允許的情況下，應適當增加進氣門升程以增大進氣量［2］。

2.2 配氣相位

配氣相位是進、排氣門的實際開閉時刻，通常用相對于上、下止點曲軸轉角來表示。配氣相位對于換氣品質、泵氣損失、充氣系數(shù)、轉矩外特性、怠速穩(wěn)定性及尾氣排放等都有很大影響。其中進氣相位，尤其是進氣門關閉角對發(fā)動機性能影響最大。配氣相位的優(yōu)化主要是對氣門直徑、氣門正時、進氣管長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)動機中等轉速時，采用VVT系統(tǒng)并優(yōu)化配氣相位后，發(fā)動機轉矩提高，在低速工況效果更為明顯［3］；2）可變配氣正時系統(tǒng)可以改善發(fā)動機進氣過程，從而影響發(fā)動機的各種性能參數(shù)，提升發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性［3］；3）壓縮比越大，發(fā)動機功率就會越大，經(jīng)濟性越好。但壓縮比過大會出現(xiàn)爆震和回火現(xiàn)象，為了避免發(fā)動機爆震及回火，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，延長其使用壽命，應盡可能減小進排氣凸輪與挺柱的最大接觸應力［4］；3）優(yōu)化后的凸輪型線運動學性能較好，能夠達到動力學和運動學的要求。

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是一款功能強大的發(fā)動機模擬仿真軟件，現(xiàn)在被世界上大多數(shù)發(fā)動機和汽車制造廠家及供應商使用。它能夠對發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機構、配氣機構等多個系統(tǒng)進行仿真。

3.2 AVL BOOST

BOOST是一款通過建立發(fā)動機模型仿真和優(yōu)化發(fā)動機性能的軟件。配氣機構優(yōu)化由BOOST的性能分析模塊完成，通過建立配氣機構模型，設計凸輪型線以及其他匹配參數(shù)，然后進行仿真、對比，就可以得到理想的優(yōu)化方案。但它的缺點是輸入?yún)?shù)復雜、涉及的知識面廣和計算結果的確定性未知。

3.3 ModeFRontier

ModeFrontier是Airbus開發(fā)的多目標優(yōu)化設計軟件，優(yōu)化功能相當完善。它能夠解決多目標領域的優(yōu)化問題，具有卓越的操作性能、運行穩(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 配氣機構優(yōu)化的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

4.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國的可變配氣機構技術起步比較晚。在20世紀90年代中期開發(fā)出了一種用諧波齒輪傳動的可變凸輪相位機構，可實現(xiàn)小級差的多級調相［5］。2000年后，一些大學的研究機構設計出不同類型可變配氣機構，比較典型的有液壓張緊式可變配氣機構。另外，部分高校還對電磁驅動式可變配氣機構進行了研究。雖然國內(nèi)已興起了可變配氣機構技術的研究，但由于國內(nèi)的可變技術起步比較晚，技術不成熟，能真正運用到汽車上的產(chǎn)品少之又少。不過有部分公司已經(jīng)開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權的可變技術。2006年，吉利公司成功研發(fā)了一款具有自主知識產(chǎn)權的可變正時配氣機構發(fā)動機，并且開始量產(chǎn)；2009年長城公司也成功地研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的VVT發(fā)動機GW4G15，并且正式上市。長城的這款VVT發(fā)動機運用了許多國際先進技術，改善了發(fā)動機的許多性能指標，像油耗、排放、最大功率和轉矩等。

4.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外的可變配氣機構技術起步比較早，在我國剛起步階段國外的可變配氣機構技術已經(jīng)比較成熟。其可變技術主要體現(xiàn)在控制進、排氣門的凸輪軸上。現(xiàn)在，國外的可變技術已經(jīng)相當成熟，并且普遍運用到汽車產(chǎn)品上［6］。以下就國外主要汽車公司的配氣機構可變技術作一簡單的介紹。豐田的可變配氣機構在進氣凸輪與傳動鏈之間裝有油壓離合器裝置，油壓離合器裝置通過控制進氣凸輪與傳動鏈之間轉動的相位來實現(xiàn)進氣正時可變，提高了發(fā)動機在所有轉速范圍內(nèi)的動力性、燃油經(jīng)濟性并降低了排放；通常，發(fā)動機每缸氣門只有一組凸輪驅動，而本田的VTEC系統(tǒng)發(fā)動機卻有中低速和高速兩組不同的氣門驅動凸輪，這組驅動凸輪可通過電控系統(tǒng)控制，進行自動轉換。VTEC保證了發(fā)動機中低速和高速不同的配氣相位及進氣質量的要求，使發(fā)動機在不同工況下都能夠達到動力性、經(jīng)濟性與低排放的要求；寶馬公司的可變配氣凸輪軸相位控制技術VANOS是進氣正時和排氣正時都可變的配氣機構技術。這種改變是通過調整進排氣凸輪軸和曲軸的相對位置來實現(xiàn)的，并且該改變是持續(xù)進行的，能根據(jù)節(jié)氣門踏板位置和發(fā)動機轉速自動控制；保時捷的VarioCam Plus結合了VTEC和VANOS的特點，在調節(jié)氣門正時方面，采用了與VANOS相似的做法，但VarioCam Plus沒有搖臂機構，而是直接用凸輪軸推動氣門，也采用高低行程兩組凸輪，實現(xiàn)對氣門升程兩段調節(jié)的功能。

4.3 發(fā)展趨勢

未來的配氣機構可變技術將會朝著配氣相位、氣門升程、進排氣管都可變的全可變技術和無凸輪軸的可變配氣機構方向發(fā)展。全可變配氣機構技術能夠提高進氣效率、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的泵氣損失，使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性得到提高；無凸輪軸的可變氣門機構避免了凸輪型線的限制，使進排氣門的控制能夠隨發(fā)動機工況的變化及時做出調整，從而提高發(fā)動機的性能。

5 結語

本文論述了配氣機構對發(fā)動機性能的影響、配氣機構優(yōu)化技術及配氣機構技術的發(fā)展現(xiàn)狀。縱觀國內(nèi)外配氣機構的發(fā)展趨勢，全可變技術和無凸輪軸可變技術將會是未來可變技術發(fā)展的主流。

［1］ 張小燕，蒲運平.應用GT-POWER設計發(fā)動機氣門升程［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．應用AVL-BOOST軟件優(yōu)化發(fā)動機氣門型線參數(shù)［J］.內(nèi)燃機，2013（2）：29-30.

［3］ 朱振夏，孫柏剛，李剛，等.基于GT-POWER軟件的發(fā)動機配氣相位優(yōu)化設計［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.某增壓汽油機配氣相位優(yōu)化設計［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2013，15（5）；107-110.

［5］ 趙雨東，陸際清.實現(xiàn)汽車發(fā)動機可變氣門相位的新方法［J］.清華大學學報（自然科學版），1994，34（2）：18-23.

［6］ 王立彪，何邦全，謝輝，等.發(fā)動機可變氣門技術的研究進展［J］.汽車技術，2005（12）：4-9.