1、 發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)可變氣門正時(shí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Osama H. M. Ghazal1, Mohamad S. H. Dado2安曼大學(xué)機(jī)械工程系摘要 連續(xù)可變氣門（CVVA）技術(shù)為實(shí)現(xiàn)了高性能、高電位，低油耗和污染物減排提供了依據(jù)。為了更好實(shí)現(xiàn)（CVVT），各種類型的機(jī)制已經(jīng)被提出并設(shè)計(jì)。這些機(jī)制在生產(chǎn)和提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能表現(xiàn)出顯著的好處。在本次調(diào)查中新設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從控制進(jìn)氣閥開啟（Ivo）和關(guān)閉（IVC）的角度進(jìn)行研究。該控制方案是建立在任何轉(zhuǎn)速下通過連續(xù)改變凸輪軸角度和曲軸轉(zhuǎn)角之間的相來最大限度地發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率（P）和燃油消耗（BSFC）的基礎(chǔ)上的。單缸發(fā)動(dòng)機(jī)是在一個(gè)給定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬上

2、由“蓮花”軟件來找出最大功率和最小油耗的最佳相位角。該機(jī)構(gòu)是一個(gè)傳動(dòng)設(shè)計(jì)精確和連續(xù)控制的行星齒輪。這種機(jī)制有一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和操作條件，可以改變相位角且沒有限制。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；行星齒輪；可變氣門正時(shí)；火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)；性能1. 引言 在內(nèi)燃機(jī)中，可變氣門正時(shí)（VVT），也被稱為可變氣門驅(qū)動(dòng)（VVA），是一個(gè)廣義的術(shù)語，用來描述在改變形狀或時(shí)間內(nèi)內(nèi)燃機(jī) 1 - 6 氣門升程事件的任何機(jī)制或方法。（VVT）系統(tǒng)允許解除持續(xù)時(shí)間或定時(shí)（各種組合）的進(jìn)氣或排氣閥在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的變化，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放有重要影響。裝備有可變氣門制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)從該CON-straint中解脫出來，使性能在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范

3、圍7-10得到改善。 某些類型的可變氣門控制系統(tǒng)，通過改變開閥時(shí)間和/或持續(xù)時(shí)間優(yōu)化功率和扭矩。這些閥門控制系統(tǒng)的優(yōu)化性能主要體現(xiàn)在低、中檔轉(zhuǎn)速。其他重點(diǎn)在提升高轉(zhuǎn)速功率。其它系統(tǒng)通過控制氣門正時(shí)和升程實(shí)現(xiàn)這兩種優(yōu)點(diǎn)。有許多方法可以實(shí)現(xiàn)，從機(jī)械裝置到液壓，氣動(dòng)和無凸輪系統(tǒng)11-14。液壓系統(tǒng)有許多問題，包括溫度變化引起的液壓介質(zhì)的粘度變化，液體傾向于像高速固體，液壓系統(tǒng)必須仔細(xì)控制，需要使用功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和非常精確的傳感器。氣動(dòng)系統(tǒng)因?yàn)槠鋸?fù)雜性和壓縮空氣所需巨大能量，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)閥在所有可能下都是不可行的。無凸輪系統(tǒng)（或免費(fèi)氣門發(fā)動(dòng)機(jī)）使用電磁，液壓，或氣動(dòng)制動(dòng)器以打開提升閥來代替。常

4、見的問題包括高功耗，精度高，速度快，溫度敏感性，重量和包裝問題，噪聲大，成本高，在有電的情況下操作不安全。Multiair系統(tǒng)（或UniAir）是一個(gè)在汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電液利用可變氣門技術(shù)控制進(jìn)氣（無節(jié)流閥）的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過允許最佳的進(jìn)氣門開啟時(shí)間，來達(dá)到完全控制氣門升程和正時(shí)。2. 連續(xù)可變氣門正時(shí)（CVVT） 首先，這個(gè)（CVVT）系統(tǒng)提供了獨(dú)特的能力，使得在內(nèi)燃機(jī)15-17中進(jìn)氣閥和排氣閥能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立控制。對(duì)于任何發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)氣和排氣的時(shí)機(jī)可以被獨(dú)立編程，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能可以在各種條件下優(yōu)化。然而，如果氣門正時(shí)可以獨(dú)立地控制曲柄軸的旋轉(zhuǎn)，然后在氣門正時(shí)的極限情況下將提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)

5、性和排放水平。這些系統(tǒng)用于像豐田，日產(chǎn)，本田和其他汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上。2010，三菱開發(fā)并開始大規(guī)模生產(chǎn)具有可變氣門正時(shí)系統(tǒng)的4n13 1.8升DOHC I4世界第一的乘用車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。 一個(gè)用于控制可變氣門正時(shí)的高效機(jī)制的行星齒輪機(jī)構(gòu)被提出來。該行星齒輪箱結(jié)構(gòu)是一個(gè)可以提供很多優(yōu)勢(shì)的工程設(shè)計(jì)。一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其獨(dú)特的緊湊性和卓越的動(dòng)力傳輸效率的組合。在行星齒輪裝置的效率損失是每級(jí)只有3。這種類型的效率，保證高比例的能量輸入是通過變速箱傳遞，而不是浪費(fèi)在變速箱的機(jī)械損失上。行星齒輪箱的布置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載分布。因?yàn)閭鬏數(shù)呢?fù)荷多行星之間共享，扭矩能力大大提高。更多的行星系統(tǒng)中的更大的負(fù)載能力和更高的轉(zhuǎn)矩密

6、度。由于質(zhì)量均勻分布，增加轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，行星變速箱的布置也會(huì)創(chuàng)造出更大的穩(wěn)定性。因此，在這項(xiàng)工作中，我們將提出一個(gè)新的連續(xù)可變氣門正時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。3齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 文本編輯已完成之后，用一張紙準(zhǔn)備好模板。通過使用另存為命令復(fù)制的模板文件，并使用命名慣例預(yù)先通過刻劃你的日記，你的論文的名稱。在這個(gè)新創(chuàng)建的文件，突出顯示所有的內(nèi)容，并導(dǎo)入準(zhǔn)備好的文本文件。你現(xiàn)在準(zhǔn)備好你的論文風(fēng)格。3.1描述 該齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由機(jī)械工程系的Prof. M. Dado教授在約旦大學(xué)設(shè)計(jì)。這種機(jī)制保證了在內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣和排氣時(shí)精確和連續(xù)的凸輪軸相位。通過凸輪軸和曲軸間相位角的變化改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而

7、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放。如圖1所示的機(jī)制是一個(gè)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，由外部太陽齒輪（3），行星齒輪（2）由兩個(gè)行星臂（1）進(jìn)行組成，和一個(gè)內(nèi)齒圈（4）與外部蝸桿齒與蝸輪（5）嚙合連接到與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)連接的步進(jìn)機(jī)上。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)軸是靜止時(shí)，齒圈是固定的。這時(shí)曲軸與凸輪軸之間的速度比是恒定的。步進(jìn)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致環(huán)形齒輪旋轉(zhuǎn)，從而引起該行星齒輪的外太陽齒輪和凸輪軸額外的旋轉(zhuǎn)。這種額外的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致曲軸和凸輪軸之間產(chǎn)生相變。3.2機(jī)構(gòu)的安裝 該機(jī)構(gòu)由行星齒輪系操作以連續(xù)地和精確地改變凸輪軸和曲軸相位角。內(nèi)齒圈具有外部蝸桿的齒，因此它可以就像一個(gè)蝸輪。與蝸桿相連。該機(jī)構(gòu)由行星齒輪系操作以連續(xù)地和精確地改變凸輪

8、軸和齒輪之間的相位角。四個(gè)相同的行星齒輪被齒圈和太陽齒輪嚙合在一起，并且他們由兩個(gè)臂承載。機(jī)制（圖2）在內(nèi)燃機(jī)的安裝如下：其機(jī)制是通過以這樣的方式進(jìn)行，該凸輪（6）和太陽齒輪軸同軸，軸連接在花鍵聯(lián)軸器（7）上。一行星臂（1）的與所述曲柄軸（9）由鏈或正時(shí)帶（8）連接。蝸桿軸與步進(jìn)電機(jī)機(jī)械連接。步進(jìn)電機(jī)配備有傳感器和電源，其被連接到CPU，以控制蝸輪的運(yùn)動(dòng)。圖1.該機(jī)構(gòu)的組成圖2.該機(jī)構(gòu)的安裝3.3.操作方法 該機(jī)制的操作的方法是容易和簡(jiǎn)單的，它的描述如下：1）當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸是靜止的，這是普遍的情況下，環(huán)形齒輪也是固定的。根據(jù)等式臂由曲軸的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致環(huán)的旋轉(zhuǎn)：=+ (1)其中：-太陽齒輪（3），這

9、也是所述凸輪軸的轉(zhuǎn)速的速度;-搖臂的速度（1）。T1和T 4的是分別是太陽齒輪的齒數(shù)數(shù)目和內(nèi)齒的環(huán)形齒輪的數(shù)量。太陽齒輪，行星齒輪，以及內(nèi)部環(huán)形齒輪的齒數(shù)之間的關(guān)系是： (2)其中: T2-的齒為行星齒輪數(shù)（2） 2）當(dāng)步進(jìn)電機(jī)從CPU得到將旋轉(zhuǎn)按需要移動(dòng)角導(dǎo)致蝸輪旋轉(zhuǎn)的信號(hào)時(shí)（5），將導(dǎo)致齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，最終行星齒輪獲得一個(gè)額定的旋轉(zhuǎn)。3） 這種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的太陽齒輪與凸輪軸相連的附加旋轉(zhuǎn)，根據(jù)以下等式 (3)其中：-凸輪軸位移角; -蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度;T5，T6-分別為蝸輪和外齒環(huán)形齒輪的數(shù)目。 4）臂將不會(huì)受到該旋轉(zhuǎn)，因?yàn)樗贿B接到曲軸上。5）連接到凸輪軸的太陽齒輪額外的旋轉(zhuǎn)將引起凸輪軸和曲軸之間 1

10、相位角的改變。3.4.該機(jī)制的優(yōu)勢(shì)上述機(jī)制在其他機(jī)制上主要優(yōu)點(diǎn)如下：1）相位角的變化限制了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，控制精度可達(dá)到每一步1.8度。此值將對(duì)凸輪軸齒輪齒數(shù)的依賴較小。2）蝸輪，連接到步進(jìn)電機(jī)與齒圈嚙合，提供齒輪自鎖機(jī)構(gòu)。將確保凸輪軸和曲軸之間具體的相位角的恒定的速度比，這是發(fā)動(dòng)機(jī)很好的運(yùn)行運(yùn)行所必需的。3)在這個(gè)機(jī)制中除了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能限制的信封,相位角變化值沒有限制。4.凸輪相位優(yōu)化的最大功率輸出在這項(xiàng)工作中，對(duì)進(jìn)氣和排氣氣門正時(shí)的最大制動(dòng)功率最佳值進(jìn)行了計(jì)算。這些值被用來計(jì)算和康博MISE制動(dòng)功率和燃料消耗的發(fā)動(dòng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)速和壓縮比。蓮花工程軟件的目的為了分析的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的特性。蓮花引擎

11、模擬和分析程序是一個(gè)自80年代起由蓮花工程公司開發(fā)的內(nèi)部的代碼。對(duì)動(dòng)力性能參數(shù)，容積效率，油耗的驗(yàn)證已經(jīng)廣泛的在目前生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行。四缸發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型（圖3）已建成，找出最大功率的最佳相位角。發(fā)動(dòng)機(jī)氣門正時(shí)的幾何數(shù)據(jù)，如表1所示。如進(jìn)口壓力，溫度輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)量比也被介紹對(duì)于所有運(yùn)行。還需要的出口數(shù)據(jù)，例如背部壓力。，在表2中給出計(jì)算氣門正時(shí)的最佳值。優(yōu)化引擎變量以找到最大制動(dòng)輸出功率。速度范圍在1000 - 6000轉(zhuǎn)變化。優(yōu)化配氣定時(shí)值和默認(rèn)值的制動(dòng)功率和不同的壓縮比（CR）的影響的說明在表3和圖4到6。5. 該機(jī)制的應(yīng)用（舉例）在表2中給出了計(jì)算蝸輪位移值所需的數(shù)據(jù)。為了說明上述機(jī)制的

12、工作原理，我們有作出以下假設(shè)：T3 =20, T=20, T5 =2, T6 =45 (4)從方程（1）和（2）得到：=20+(2*20)=60以及 （5）=2這意味著該臂結(jié)果4轉(zhuǎn)的凸輪軸（與太陽齒輪）的一轉(zhuǎn)。這需要保持曲軸之間的速度比和臂等于二，得到凸輪軸之間的速度比和曲軸等于2，這是必要的四沖程內(nèi)燃機(jī)的操作。另一方面，步進(jìn)電機(jī)角和凸輪軸角度之間的關(guān)系是由公式獲得（3）=-=- （6)這意味著當(dāng)步進(jìn)電機(jī)（蝸輪）旋轉(zhuǎn)7.5度時(shí)，凸輪軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)額外的程度。為了確定該機(jī)構(gòu)的尺寸，可以做出下述操作：我們假定行星齒輪，太陽齒輪和環(huán)形齒輪是螺旋齒輪與螺旋角= 30°和模數(shù)m= 1 毫米和齒寬F

13、 =20 毫米。此外，蝸桿齒具有導(dǎo)程角= 10°和軸向間距p= 2毫米。從這些假設(shè)我們發(fā)現(xiàn)，該機(jī)制的直徑不超過150×150×50毫米，因此它可以容易地安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)。六，結(jié)論該行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的四沖程單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。該機(jī)制精確地和連續(xù)地改變凸輪軸和曲軸角之間的相位角。優(yōu)化相位角上的制動(dòng)功率的給定速度的效果是明顯的。制動(dòng)功率的增加范圍之間21，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和壓縮比為35，如表3所示的這種增加是大在低發(fā)動(dòng)機(jī)速度和下降隨著發(fā)動(dòng)機(jī)速度的增加。可以得出結(jié)論，在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)所提出的機(jī)制的實(shí)施提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。圖3.內(nèi)燃機(jī)仿真模型。.表1發(fā)動(dòng)機(jī)

14、的基本參數(shù)，燃料是汽油(C8H18). 表2.最大功率和不同轉(zhuǎn)速下氣門正時(shí)的最佳值表3.（a）制動(dòng)功率的不同速度氣門正時(shí)的最佳和默認(rèn)值;（b）制動(dòng)功率為用于不同速度的閥定時(shí)最佳值和默認(rèn)值。 圖4最優(yōu)值和默認(rèn)值制動(dòng)功率的影響（CR 8） 圖5（a）對(duì)上的制動(dòng)功率最佳閥值和默認(rèn)值（CR 10）的作用; （b）優(yōu)化制動(dòng)功率閥值和默認(rèn)值（CR12）的影響。 圖6.制動(dòng)功率最佳閥值和默認(rèn)值（CR14）的影響。參考文獻(xiàn)1 S. Bohac and D. Assanis, “Effects of Exhaust Valve Tim-ing on Gasoline Engine Performance and

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