屈小貞

(遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

隨著能源和環(huán)境問題日益突出，燃油經(jīng)濟性和動力性能已成為評價汽車發(fā)動機的重要指標(biāo)。相對于傳統(tǒng)氣門機構(gòu)只能在某一特定較窄的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達到最佳配氣狀態(tài)，連續(xù)可變氣門驅(qū)動(Continuously Variable Valve Actuation，簡稱CVVA)機構(gòu)可控制其氣門升程和相位隨發(fā)動機實時工況變化始終處于理想狀態(tài)，以兼顧發(fā)動機低速時的燃油經(jīng)濟性和高速時的動力性[1-4]。目前，CVVA系統(tǒng)已成為提高汽車發(fā)動機性能的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前市場上有多種不同類型的CVVA系統(tǒng)，如機械式、液壓式、電液式、電磁式等[5-8]。但是在批量生產(chǎn)的發(fā)動機中，只有少數(shù)幾種機械式CVVA模型被成功采用，如日產(chǎn)汽車公司將VVEL模型進行了批量生產(chǎn)[9]，寶馬汽車公司將開發(fā)的Valvetronic模型用于實現(xiàn)連續(xù)可變氣門正時和升程，其最明顯的優(yōu)點是利用低摩擦特性減少10%的燃油消耗[10]。盡管市場上的CVVA系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，但其自身仍然存在著較為突出的問題，導(dǎo)致CVVA系統(tǒng)在現(xiàn)有發(fā)動機市場上無法廣泛應(yīng)用。

本研究提出了一種結(jié)構(gòu)相對簡單的機械式CVVA機構(gòu)，該機構(gòu)可以基于現(xiàn)有的發(fā)動機模型裝配，不需要增加發(fā)動機高度。同時由于其自身結(jié)構(gòu)緊湊，可提高系統(tǒng)剛度和動力傳輸效率，使發(fā)動機在高速運轉(zhuǎn)時仍具有良好的動態(tài)特性。

1 四連桿CVVA機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

CVVA機構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置見圖1。該機構(gòu)通過固定在凸輪軸上的第一凸輪驅(qū)動控制臂中的滾軸轉(zhuǎn)動，滾軸帶動支撐在控制軸(中心為F點)上的控制臂(中心為S點)、連桿和第二凸輪組成的四連桿機構(gòu)F·S·B·E繞控制軸擺動，進而由第二凸輪驅(qū)動擺臂結(jié)構(gòu)中的滾子轉(zhuǎn)動以推動氣門開啟。當(dāng)?shù)谝煌馆嗧旤c越過滾軸時，在支撐彈簧作用力下四連桿機構(gòu)F·S·B·E逐漸向初始位置恢復(fù)，氣門在氣門彈簧作用力下逐漸閉合。

圖1 CVVA機構(gòu)的三維和二維結(jié)構(gòu)布置

四連桿機構(gòu)F·S·B·E中的第二凸輪套在控制軸上并繞其擺動，控制臂套在偏心套筒上并繞其擺動。當(dāng)控制軸轉(zhuǎn)過一定角度時，由于偏心套筒固定在控制軸上(見圖2)，控制臂隨偏心套筒發(fā)生位置偏轉(zhuǎn)，使四連桿機構(gòu)F·S·B·E的位置也隨之發(fā)生改變(見圖3)。控制臂中的滾軸與第一凸輪、擺臂中的滾子與第二凸輪的接觸位置均會發(fā)生改變，隨控制軸轉(zhuǎn)角連續(xù)變化后的四連桿機構(gòu)F·S·B·E在第一凸輪的驅(qū)動下實現(xiàn)了連續(xù)可變的氣門升程(見圖4)。考慮實際控制軸的轉(zhuǎn)角范圍限制和四連桿機構(gòu)F·S·B·E的穩(wěn)定性，確定實際可調(diào)的控制軸轉(zhuǎn)角有效范圍為250°～330°。

圖2 偏心套筒結(jié)構(gòu)

圖3 不同升程階段下的位置對比

圖4 四連桿機構(gòu)的氣門升程曲線

該CVVA機構(gòu)是基于擺臂式氣門機構(gòu)和四連桿機構(gòu)組合而成的，其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)心位置相對較低，以保障配套發(fā)動機工作時的轉(zhuǎn)速需求?？刂戚S由步進電機直接控制實現(xiàn)不同的控制軸轉(zhuǎn)角，進而帶動固定在控制軸上的偏心套筒轉(zhuǎn)動對應(yīng)的角度，以改變四連桿機構(gòu)的空間位置，最終實現(xiàn)不同的氣門升程曲線。

該CVVA機構(gòu)中的第一凸輪參考傳統(tǒng)凸輪型線設(shè)計方法，利用運動轉(zhuǎn)換對第一凸輪型線進行獨立設(shè)計，計算得出的凸輪型線見圖5。該CVVA機構(gòu)驅(qū)動產(chǎn)生的氣門位移曲線是由第一凸輪型線、控制軸轉(zhuǎn)角和第二凸輪型線共同決定的，而第二凸輪型線是由圖6所示在運動中產(chǎn)生的凸輪位移y來定義的，其中θ為第二凸輪轉(zhuǎn)角，G點為第二凸輪型線上基圓與升程段之間的臨界點。

圖5 第一凸輪型線

圖6 第二凸輪型線定義

根據(jù)凸輪型線設(shè)計要求，先定義第二凸輪的加速度曲線，然后參考基礎(chǔ)積分學(xué)通過積分公式(見式(1)和式(2))可依次計算得出其速度和位移[11]，及其對應(yīng)的速度和位移曲線(見圖7)。

圖7 第二凸輪型線

速度曲線：

(1)

位移曲線：

(2)

式中：V2ramp和Y2ramp分別為第二凸輪型線過渡段對應(yīng)的速度和位移。

參照設(shè)定的第一凸輪和第二凸輪型線以及結(jié)構(gòu)參數(shù)進行運動學(xué)計算分析，通過改變控制軸轉(zhuǎn)角實現(xiàn)有效范圍內(nèi)的不同氣門升程階段，得出不同控制軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的氣門升程曲線(見圖8)。氣門升程從控制軸轉(zhuǎn)角250°對應(yīng)的低升程(0.72 mm)到控制軸轉(zhuǎn)角330°對應(yīng)的高升程(9.91 mm)實現(xiàn)連續(xù)可變，可滿足發(fā)動機不同工況的運行需求，既能提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，又能滿足發(fā)動機的動力性輸出需求。

圖8 不同控制軸轉(zhuǎn)角下的氣門升程

2 CVVA機構(gòu)的試驗裝置設(shè)計

為驗證CVVA機構(gòu)的設(shè)計合理性和動態(tài)性能，需在試驗臺上進行試驗驗證分析。該CVVA機構(gòu)的試驗樣機臺架設(shè)計及控制系統(tǒng)組成見圖9，通過ECM單元控制直流電機驅(qū)動控制軸實現(xiàn)不同控制軸轉(zhuǎn)角，以此模擬不同氣門升程階段下的試驗工況。

圖9 CVVA機構(gòu)的臺架控制系統(tǒng)

該CVVA機構(gòu)的臺架試驗裝置見圖10。CVVA機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)編碼器與第一凸輪軸直接相連，用來測量第一凸輪的旋轉(zhuǎn)角度，壓電加速度計固定在氣門頭部用來測量實際氣門加速度，激光位移傳感器固定在氣門上下運動對應(yīng)的臺架底板上，用來測量實際氣門位移。試驗過程中還需保證油泵溫度和油壓控制在允許的范圍內(nèi)。

圖10 CVVA機構(gòu)的試驗裝置

試驗過程中基于不同的控制軸轉(zhuǎn)角來實現(xiàn)發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的氣門升程，通過ECM單元控制直流電機適時調(diào)整控制軸上的偏心套筒位置來實現(xiàn)不同的控制軸轉(zhuǎn)角，進而改變四連桿機構(gòu)的不同位置，以實現(xiàn)不同氣門升程階段下的氣門升程變化來滿足不同工況下的發(fā)動機運行需求。

3 CVVA機構(gòu)的試驗驗證對比分析

試驗驗證分析選取與圖8相對應(yīng)的4種典型升程階段，控制軸轉(zhuǎn)角分別為250°，280°，310°和330°。通過驗證不同升程階段下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1 200 r/min到7 200 r/min的區(qū)間轉(zhuǎn)速變化，以測量分析不同工況下的氣門位移和加速度等數(shù)據(jù)變化。不同升程階段下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速都選擇與實際行車相匹配的極限轉(zhuǎn)速進行驗證分析，每個升程階段下的氣門升程變化曲線見圖11至圖14。

圖11 控制軸轉(zhuǎn)角250°下的氣門升程對比

由圖11可見，在控制軸轉(zhuǎn)角250°的低升程階段，發(fā)動機1 200 r/min低速狀態(tài)下的氣門升程曲線與設(shè)計的氣門升程曲線基本吻合。說明在低速運行時可以忽略不計其動態(tài)影響，且由于低升程階段適用在發(fā)動機空轉(zhuǎn)速度附近，符合CVVA系統(tǒng)在發(fā)動機低速工況下的實用性。

控制軸轉(zhuǎn)角為280°的中低升程階段氣門升程見圖12。該CVVA機構(gòu)可以成功地運行到3 600 r/min，且與設(shè)計的氣門升程曲線基本吻合。說明該升程階段下的CVVA機構(gòu)運行穩(wěn)定，可滿足發(fā)動機中低速行車需求。

圖12 控制軸轉(zhuǎn)角280°下的氣門升程對比

控制軸轉(zhuǎn)角為310°的中高階段升程見圖13。該CVVA機構(gòu)可以成功地運行到4 800 r/min。但在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速的情況下，氣門升程損失較大，這主要是由于CVVA機構(gòu)的壓縮載荷增大和慣性效應(yīng)，使其對應(yīng)的升程損失隨轉(zhuǎn)速升高而增大，同時還使升程曲線發(fā)生偏移，但均處在合理范圍內(nèi)，不會影響該CVVA機構(gòu)的正常性能。且圖中所示的氣門升程曲線與設(shè)計曲線相比存在較大偏差是因控制軸轉(zhuǎn)角手動調(diào)控誤差造成的。

圖13 控制軸轉(zhuǎn)角310°下的氣門升程對比

圖14示出控制軸轉(zhuǎn)角處于330°高升程階段的氣門升程對比。雖然氣門位移曲線沒有明顯的氣門升程損失和氣門跳動現(xiàn)象，但圖中0.25 mm的氣門跳動也表明7 200 r/min已接近該CVVA機構(gòu)的極限轉(zhuǎn)速，這也是多數(shù)汽車發(fā)動機的極限轉(zhuǎn)速。同樣隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高和慣性效應(yīng)的增強，該高升程階段在高轉(zhuǎn)速下的氣門升程曲線也向右偏移。由于氣門開啟時間是向右偏移，如果作為進氣門升程曲線會延遲發(fā)動機的進氣門開啟，但這正與可變氣門機構(gòu)高負荷工況下延遲進氣門開啟策略相吻合，更有利于改善發(fā)動機的進氣效果。

圖14 控制軸轉(zhuǎn)角330°下的氣門升程對比

不同控制軸轉(zhuǎn)角下的氣門升程在氣門開啟和關(guān)閉區(qū)域均有減小的趨勢，且隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，氣門升程曲線偏移逐漸增大，這是由該四連桿CVVA機構(gòu)在高速工況下的慣性效應(yīng)引起的[12]，但其偏差均在合理范圍內(nèi)。而330°高升程階段的氣門升程損失減小是由于該CVVA機構(gòu)在極限轉(zhuǎn)速下的動態(tài)響應(yīng)及氣門跳動相應(yīng)地增大了氣門開閉區(qū)域的氣門機構(gòu)力，減小了氣門升程峰值處的氣門機構(gòu)力。

不同控制軸轉(zhuǎn)角下的氣門升程對比見表1?？刂戚S轉(zhuǎn)角為310°和330°時的氣門升程曲線模擬了發(fā)動機在試驗工況下的極限轉(zhuǎn)速，驗證了該CVVA系統(tǒng)在發(fā)動機極限轉(zhuǎn)速工況下的穩(wěn)定性和可靠性。該CVVA機構(gòu)在發(fā)動機試驗轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)表現(xiàn)了良好的氣門正時和氣門升程可控特性。

表1 不同控制軸轉(zhuǎn)角下的氣門升程對比

該CVVA機構(gòu)可減小發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時進氣門的升程開度及時間，以獲取最佳的進氣量，提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性；而在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時提高進氣門的升程開度及時間，保障氣門重疊范圍更加合理，以達到最佳的進排氣門重疊時間來獲取最大的進氣量，提高發(fā)動機功率輸出。

氣門加速度曲線通常會反映出更多關(guān)于氣門運動的信息，但試驗中加速度計的附加質(zhì)量會使高轉(zhuǎn)速下的氣門運動信號失真，因此該試驗選用低速下的氣門加速度曲線來分析。圖15和圖16分別示出為控制軸轉(zhuǎn)角250°和330°對應(yīng)低速下的氣門加速度曲線，試驗測量數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)近似。圖15中的試驗加速度曲線在氣門開啟和閉合時出現(xiàn)低頻加速度峰值現(xiàn)象，這是因為氣門運動在氣門開啟和閉合瞬間給加速度計增加了高頻沖量。圖16中的試驗加速度曲線與設(shè)計曲線除氣門閉合處基本吻合，氣門閉合側(cè)的角速度峰值現(xiàn)象是氣門機構(gòu)動態(tài)性能的一個重要指標(biāo)，因為它能準(zhǔn)確反映氣門彈跳、氣門落座速度以及液壓挺桿的泵升等問題。

圖15 控制軸轉(zhuǎn)角250°下的氣門加速度對比

圖16 控制軸轉(zhuǎn)角330°下的氣門加速度對比

通過試驗測得的加速度曲線可以估算出該CVVA系統(tǒng)的固有頻率約為720 Hz，遠低于傳統(tǒng)的同類氣門機構(gòu)。由于該CVVA機構(gòu)中增加了四連桿機構(gòu)，促使系統(tǒng)運動質(zhì)量增加和系統(tǒng)剛度降低，從而降低了該CVVA系統(tǒng)的固有頻率。

4 結(jié)束語

通過分析四連桿CVVA機構(gòu)在不同升程階段下的氣門運動和在整個發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)可變的氣門升程，說明該CVVA機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好等特點，且匹配該CVVA機構(gòu)的發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊、重心位置相對較低?；诳刂戚S帶動偏心套筒調(diào)控四連桿CVVA機構(gòu)空間位置，實現(xiàn)不同的氣門升程曲線，相對市場上現(xiàn)有可變氣門機構(gòu)更容易實現(xiàn)且穩(wěn)定性好。

該CVVA機構(gòu)在模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速的試驗臺上成功地運轉(zhuǎn)到7 200 r/min，通過對比分析其氣門升程和加速度曲線，驗證了該CVVA機構(gòu)具有良好的氣門升程連續(xù)可調(diào)范圍和動態(tài)穩(wěn)定特性。試驗結(jié)果表明該CVVA機構(gòu)能達到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，且能保障該型發(fā)動機裝置在低速工況下具有良好的燃油經(jīng)濟性，在高速工況下具有良好的動力輸出性能。