發動機配氣機構(河北科技師范學院農機0411080109盧啟)【內容摘要】：本文論述了發動機配氣機構的發展進程，闡述了可變技術在配氣機構中的發展和應用，對迄今已有的發動機氣門驅動機構進行了分類介紹，總結了不同氣門驅動機構的結構、工作原理和優缺點。并指明了配氣機構今后的發展方向?！娟P鍵詞】：發動機 配氣機構 可變技術驅動機構DevelopmentOverviewofValve-trainofEngineZhangzheng-you(ChongqingInstituteofTechnology；Automobilecollege20024622)【Abstract】:Thistextdiscusseddevelopmentprogressofvalve-trainofengineandvariabletechniquebeusinginthefield.Inaddition,classificationsanddetailintroductionsweremadeforthevalveactuatorsofautomotiveengine.Thestructures,fundamentalsandadvantageofthedifferentactuatorsweresummedup.Intheend,furtherinvestigationsinthefuturewreputforwards.【Keyword】: engine； valvetrain； variabletechnique；valveactuators0前言伴隨著社會經濟的發展，人類生活水平的提高，我們對生活質量也提出了越來越高的要求。但是事實總是事與愿違，綜觀歷史，我們周圍的生活環境是越來越惡化一一全球氣溫變暖，酸雨不斷致使植被死亡等，都在一步一步的威脅著我們人類的生存。據統計，90%以上的污染來自汽車的廢氣排放。所以要改善我們的生活環境，其首要的任務就是降低、限制汽車的廢氣排放，低污染、低油耗、大功率、大扭矩的發動機也就是我們的追求目標。而配氣機構嚴重的影響著發動機的燃燒特性和排放特性。本文就配氣機構的改進發展情況加以論述和展開說明。發動機配氣機構的可變技術可變技術(VariableTechnology)是指隨著使用工況及要求的變化，或者為了解決矛盾及避免內燃機不正常工作現象的出現，使相關系統的結構或參數作相應的變化，從而使內燃機在各種工況下,綜合性能指標能大幅度地提高,而且避免不正常燃燒及超負荷現象的產生?？勺兗夹g涉及范圍較廣,如可變壓縮比、可變進氣系統、可變配氣定時、可變噴油系統、可變增壓系統等。在解決較大轉速范圍內動力性和經濟性的矛盾方面，可變技術顯示出獨特的優勢。近代電子技術的發展，促成了可變技術的迅速推廣，使可變技術在車用內燃機上的應用和影響日漸突出。1.1可變進氣系統傳統的進氣歧管長度不可變，只能在一定的轉速范圍內有較好的充氣效率，具有良好的性能；在運行過程中無法進行調節，其動力性在某些工況下必然要受到限制，使內燃機在兩種極端的工況下性能下降，影響發動機的經濟性和排放性。長期以來人們發現進氣管的長度變化影響內燃機的充氣效率v。進氣管較短時，在高速運行有較好的充氣效果；進氣管較長時，在低速運行有較好的充氣效果。如圖1［叮。使用可變長度的進氣管，可使內燃機在較寬的轉速范圍內都有叫好的充氣效果。圖2E所示的是一

個進氣管長度可變的進氣控制系統，在內燃機低速運轉時，進氣控制閥關圖2可變進氣管長度控制系統閉，管道變長，提高了進氣流速，加強了慣性進氣的作用，從而提高了充氣效率不。在內燃機高速運轉時，進氣控制閥打開，管道變短降低了進氣V阻力，從而提高了充氣效率不。圖3[1]所示的為進氣管長度無級變化的進V氣系統示意圖，這種系統可以利用動態效應充氣，在內燃機的所有轉速范

1"-可活動的圓筒（空氣分配器）；2—固定的殼體]3—進氣道,4一偏壁（用于圓筒的文承｝|5—圓筒中的空氣進口[6進氣道中的空氣進口Z一密封墊（如彈簧片）浴一進氣門圖3 長度無級可變進氣系統示意圖圍內都能達到最佳的效果。這種進氣管長度可變系統的結構簡單、費用不大、可靠性高，比較適用于汽車、拖拉機、摩托車等的發動機上。2可變配氣相位傳統內燃機配氣相位在內燃機運轉過程中是固定不變的，不能同時兼顧各種轉速的要求,也就很難達到真正的最佳配氣相位。而采用可變配氣相位則可以在內燃機整個工作范圍內，提供合適的氣門開啟、關閉時刻或升程,從而改善內燃機進、排氣性能，較好地滿足高轉速和低轉速,大負荷和小負荷時的動力性、經濟性以及廢氣排放的要求。綜上所述，可變配氣相位改善內燃機性能,主要體現在以下幾個方面⑵：1） 能兼顧高速及低速不同工況，提高內燃機的動力性和經濟性；2） 改善內冉機怠速及低速時的性能及穩定性；3） 降低內燃機的排放。目前有兩類可變配氣相位機構，一類為可變配氣相位，這類方法能提高中、低速轉矩，改善低速穩定性，但由于最大氣門升程保持不變，所以對燃油經濟性改善不大，在此不作詳細論述。另一類為在低速和高速時應用不同的凸輪來同時調節配氣正時和氣門升程，并對高速凸輪和低速凸輪及工況轉換點同時進行優化，使內燃機在整個轉速范圍內獲得良好的性能。由于可變配氣相位技術的優越性，在美國已有800多項專利產品?？勺兣錃庀辔唬╒VT）

典型代表為日本本田車用公司的VTEC系統。VTEC系統結構及工作原理如圖4。其配氣凸輪軸上布置了高、低速兩種凸輪,采用特殊設計的搖臂，能夠圖4日本本田公司可變配氣相位、升程（VETC）機構工作原理圖1.液壓活塞B2.液壓活塞A3.凸輪軸4.高速凸輪5.低速凸輪6.限制活塞7.第2搖臂8.中間搖臂9.第1搖臂根據內燃機轉速高低自動切換凸輪,使搖臂分別被高速或低速凸輪驅動，從而實現了配氣正時和氣門升程同時調節的目的。凸輪軸上中間為高速凸輪,與中間搖臂相對應，左右各有一個低速凸輪，分別位于第1和第2搖臂位置。3個搖臂內裝有液壓活塞A、B和限制活塞。其工作過程為：轉速低于6000r/min時，液壓活塞不移動，中間搖臂在高速凸輪驅動下，壓下空動彈簧，而第1和第2搖臂則在2個低速凸輪作用下驅動2個氣門;轉速高于6000r/min時，在壓力油作用下，液壓活塞A和B移動,中間搖臂與左右搖臂鎖在一起在高速凸輪的作用下驅動氣門，低速凸輪隨凸輪軸空轉。1.3可變進氣渦流強度傳統的柴油機進氣渦流強度取決于柴油機的轉速。對于一個恒定的柴油機進氣道而言，隨柴油機轉速的升高進氣渦流增強,反之渦流強度減弱。進氣道的設計一般只能保證在某一轉速范圍內的渦流強度使柴油機性能最佳,而轉速改變時，進氣渦流就會過強或過弱，不利于柴油機正常工作。圖5[2]為副氣道控制進氣渦流強度結構示意圖。副氣道以一定角度與主氣道圖5副氣道控制進氣渦流強度結構圖1.主氣道2.汽缸蓋4.控制閥5.控制閥行程傳感器6.電磁閥7.副氣道相連，形成與主氣道反向的進氣渦流，通過改變副氣道的進氣量可以很好地改變整個進氣渦流強度。該種控制方法結構簡單，渦流強度的改變不會惡化流量系數，因而得到了廣泛的應用?？傊?，可變技術的應用可使內燃機的各項性能在整個使用工況變化范圍內得到優化。如果說，活塞式內燃機經過百余年的研究與發展，在技術上已達到相當高的水平，那么，可變技術就是使其性能進一步取得重大突破的途徑之一。因而，可變技術的發展前景十分誘人?？勺兗夹g的廣泛應用需解決兩個關鍵問題:其一是研制出可改變參數的結構;其二是確保這種結構在工作過程中的可靠性。近代電子技術的發展，使改變結構參數的調控過程更易實施，有些可變技術已在轎車上使用并取得了較好的效果,我國應加大在此方面的投入，優化內燃機設計，使可變技術在內燃機上獲得普遍應用，進一步提高內燃機的綜合性能。發動機氣門驅動機構的發展2.1凸輪軸氣門驅動機構絕大多數活塞式內燃機是采用傳統的機械驅動凸輪結構來驅動進排氣門的，其氣門的升程、配氣定時一般是基于某一狹小工況范圍發動機性能的局部優化而確定，在工作過程中是固定不變的，是一種折中選擇，氣門運動規律完全由凸輪的型線確定的。這種氣門驅動機構難于滿足發動機動力性、經濟性和環保性能不斷提高的要求，尤其是車用發動機，由于其工作范圍非常寬，要求配氣相位可變、氣門升程可調。但由于它簡單、可靠、相對來說不昂貴，至今仍廣泛的使用。2凸輪軸可變氣門驅動機構凸輪軸可變氣門驅動機構是在傳統氣門驅動機構的基礎上改進的，有兩種實現形式：一種是凸輪軸和凸輪可變系統；另一種是氣門-挺桿可變系統，工作時凸輪軸和凸輪不變動，氣門、挺桿、搖臂或拉桿靠機械力或液力作用而改變，從而改變配氣相位和氣門升程。凸輪軸調相機構是通過正時帶輪與凸輪軸內軸之間設置一環型柱塞，花節氣門的f0統寸氣系統帶＜前vrt.rcnir.pflRr變氣門系統圖6 傳統進氣機構與Valvetronic機構的比較柱塞和凸輪軸內軸以直鍵或花鍵傳動，電控單元通過液壓或電子控制柱塞，使柱塞帶動凸輪軸相對于曲軸轉動一個角度，從而改變配氣定時。如圖6[4]所示為帶有Valvetronic的可變氣門系統，它保留了傳統的凸輪軸，增加了一根偏心軸、滾軸和頂桿機構，電控單元根據油門信號控制步進電機，步進電機改變偏心凸輪的偏移量，經中間搖臂間接地改變進氣門動作。Valvetronic可任意控制進氣門升程，取代了節氣門的功能，從而將泵氣損失減至最低。Valvetronic有利于提高冷車時的運轉性能、降低排放，并使運轉更加平穩。2.3無凸輪軸驅動配氣機構無凸輪電液驅動配氣機構在所有工況下都能連續、獨立地控制氣門運動,使發動機獲得低排放、低能耗、高扭矩和高功率輸出等優點。無凸輪配氣機構就是取消發動機配氣機構中的凸輪軸以及從動件，而以電液、電磁、電氣或者其他方式驅動氣門。相對于傳統的機械式配氣機構來說，電液驅動配氣機構的優點可以概括為:降低了能耗、增加了扭矩、提高了輸出功率和怠速穩定性、減少了磨損和沖擊噪聲、可以簡化發動機結構，降低了發動機的加工成本和重量、實現了發動機的制動性能等等。2.3.1電液驅動配氣機構無凸輪電液驅動配氣機構就是取消凸輪軸和彈簧，利用一種壓縮流體的彈性特征對氣門的開啟和閉合起加速和減速的作用，為氣門定時、氣門升程和速度提供了連續的可變控制。加速時流體的勢能轉化為氣門的動能；減速時氣門的動能又轉化為流體的勢能，在整個過程中能量損失很少。Daimler-Benz公司研究員Letsche研制的電液氣門驅動機構如圖7[5]所示。該系統通過加速踏板位置、發動機轉速等數據，精確計算出氣門開啟時刻和持續時間。使用電磁閥控制液壓系統就可使發動機氣門動作。氣門在其起始（全閉）和終了（全開）位置之間振動，開啟力來自氣門開啟彈簧，關閉力來自氣門關閉彈簧。這項技術既可節省10%以上燃油,獲得更好的發動機工作特性，有效地降低排放，又可實現新的發動機制動技術。

圖7Benz的電液氣門驅動系統Ford公司的Schechter和Levin研究的電液氣門驅動工作原理如圖8[5]所示。液壓活塞與氣門相連活塞上端的液壓腔與高、低壓源連通下圖8 Ford的電液氣門機構驅動原理端的液壓腔則只能連通高壓源。通過兩個電磁閥的適時開、閉可實現氣門的開啟和關閉。他們在該系統上進行的單個氣門實驗得出:該電液氣門驅動系統可達到相當于發動機轉速在8000r/min下的響應速度。但是，內燃機無凸輪電液氣門驅動現仍然處于實驗室研究階段還有許多問題等待解決,例如響應速度不夠高、氣門落座沖擊、能耗過大和系統復雜等等，有待進一步探索。而且無凸輪電液氣門驅動的大部分試驗結論僅僅限制在四缸機上。2.3.2電磁氣門驅動機構隨著電控技術在汽車上的廣泛應用，電磁氣門驅動系統已成為頗受重視的前沿課題之一。電磁氣門驅動發動機相對于傳統的凸輪軸驅動發動機在結構、性能、燃油經濟性和排放方面都具有潛在的優勢。如圖9[6]所示是采用雙彈簧、雙線圈的電磁氣門驅動機構。發動機不工作時，兩線圈均不通電。銜鐵4及氣門1在彈簧7的作用下,處于半開半閉的中間狀態。發動機在起動的初始時刻對該裝置進行初始化?？刂葡到y根1.氣門 2.開門線圈 3.開門鐵芯 4.銜鐵5.關門線圈 6.關門鐵芯 7.彈簧 8.氣門導管圖9電磁氣門驅動機構原理圖據曲軸轉角判定各氣門應打開或關閉，使關門線圈5或開門線圈2通電，電磁力克服彈簧力將氣門1關閉或開啟。若系統判定氣門應開啟，則開門線圈2通電，銜鐵4與開門鐵芯3間的電磁力克服彈簧力,使氣門1向下運動直至最大開啟位置。為保持氣門的開啟狀態，開門線圈2必須繼續維持較小的電流使電磁力等于或大于彈簧力.需要關閉氣門時，開門線圈2斷電，銜鐵4和氣門1在彈簧7的作用下向上運動.在無阻尼的理想情況下,氣門可達到完全關閉的位置（即落座），在氣門落座的一瞬間，關門線圈5開始通電，銜鐵4與關門鐵芯6間的電磁力與彈簧力平衡或大于彈簧力,使氣門1保持在關閉狀態.需要開啟時，關門線圈5斷電，銜鐵4和氣門1在彈簧7作用下向下運動.如此循環往復.因該系統存在空氣阻力和摩擦力的阻尼作用.氣門1在彈簧7作用下從最大開啟位置向上運動時不可能到達關閉位置.因此在氣門1接近關閉位置時，關門線圈5就需提前開始通電，使電磁力幫助氣門1快速運動至關閉位置。氣門1從關閉位置向開啟位置運動時情況相同。2.3.3電氣氣門驅動機構電氣氣門驅動和電液氣門驅動的工作原理相似，只不過所用的介質為空氣。與電液相比，空氣的粘度低、運動慣性小，有利于提高電氣氣門的響應速度；但空氣的可壓縮性更高，更難精確控制，會削弱采用它作為介質帶來的好處。同電液氣門驅動一樣，電氣氣門驅動也有氣門落座沖擊大、能耗大、響應速度不夠及結構復雜等問題。因此，空氣作為傳動介質的優越性并不明顯。所以尋找合適的傳動介質是提高此類氣門驅動機構性能的關鍵。2.3.4其他的氣門驅動機構近年來研究無凸輪軸氣門驅動機構還包括電機一凸輪驅動、旋轉驅動器一搖臂驅動和電機驅動等等。如圖所示是P.Fitsos等人提出了用旋轉驅動器一搖臂驅動氣門的方法,旋轉驅動器工作原理類似于計算機中驅動讀寫磁頭的驅動裝置能夠快速運動，準確定位。但目前只對此驅動方式進行了仿真計算。R.P.Henry等人提出了電機一凸輪驅動氣門的方案如圖1。⑺所示。電機軸、凸輪、凸輪從動件總成及氣門在同一軸線上。電機及凸輪轉動時，

圖10電機-凸輪氣門驅動機構示意圖凸輪從動件及氣門作往復運動;控制電機的瞬時轉速和旋轉方向，即可改變氣門正時和升程。樣機試驗表明,在相當于發動機轉速2500r/min以上時能量消耗很大，并且氣門落座速度隨轉速增加而增大，在2500r/min時達0.30m/s。電機直接控制凸輪的可變氣門驅動機構中，每一氣門都由一套永磁無刷直流電機通過凸輪驅動，并通過增加或減少電機的角速度、改變電機的旋轉方向來改變氣門的開啟和關閉相位和升程。該系統的轉速靈活性范圍很大。這些驅動氣門的方式都有氣門落座沖擊、響應速度、能量消耗和機構復雜等問題。對旋轉電氣氣門驅動和旋轉驅動器一搖臂氣門驅動的研究遠不如對電磁、電液氣門驅動的研究那樣深入。還有人進行了以旋轉氣門代替往復運動的菌形氣門的嘗試，但可靠密封和潤滑的老問題依然沒有解決。結論可變配氣機構可解決難以滿足全速運行的問題，而今的發動機運行轉速范圍越來越寬，可變配氣機構也就越來越顯地重要了。目前可變配氣機構已經在過國內外成了發動機研究的熱門課題之一。將可變配氣定時和可變進氣管長度等結合使用是發動機配氣機構發展的趨勢。影響配氣相位和氣門升程的主要因素是氣門的驅動機構，傳統的