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連續(xù)可變氣門升程技術(shù)介紹

2019-09-10 14:07:46·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
連續(xù)可變氣門升程技術(shù)介紹01、CVVL介紹連續(xù)可變氣門升程（continuously variable valve lift, CVVL），傳統(tǒng)的汽油機(jī)的氣門升程是固定不變的，這是因?yàn)闅忾T是由凸
連續(xù)可變氣門升程技術(shù)介紹

01、CVVL介紹
    
連續(xù)可變氣門升程（continuously variable valve lift, CVVL），傳統(tǒng)的汽油機(jī)的氣門升程是固定不變的，這是因?yàn)闅忾T是由凸輪軸驅(qū)動的，凸輪軸的凸輪型線一般是固定的。這就使得該升程不可能使發(fā)動機(jī)在高速區(qū)和低速區(qū)都得到良好響應(yīng)。傳統(tǒng)汽油機(jī)發(fā)動機(jī)的氣門升程—凸輪型線設(shè)計(jì)是對發(fā)動機(jī)在全工況下的平衡性選擇。其結(jié)果是發(fā)動機(jī)既得不到最佳的高速效率，也得不到最佳的低速扭矩。但得到了全工況下最平衡的性能。連續(xù)可變氣門升程技術(shù)能夠使發(fā)動機(jī)在不同運(yùn)行工況下匹配不同的氣門升程，這樣可以實(shí)現(xiàn)不同工況下最佳性能，改善發(fā)動機(jī)的高速功率以及低速扭矩。

02、應(yīng)用CVVL的必要性
    
汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性改善可以通過降低傳熱損失、排氣損失、機(jī)械損失和泵氣損失實(shí)現(xiàn)。在相同轉(zhuǎn)速下，泵氣損失隨負(fù)荷下降而增加，低負(fù)荷時(shí)在平均指示壓力（indicated mean effective pressure, IMEP）中的比例可以達(dá)到30%以上。
    
傳統(tǒng)非連續(xù)可變氣門升程，汽油機(jī)負(fù)荷大小是由節(jié)氣門開度控制的，通過節(jié)流效應(yīng)在節(jié)氣門體后方產(chǎn)生一定的負(fù)壓，控制氣缸進(jìn)氣量。其進(jìn)排氣門升程大小是固定不變的，是發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)過程中綜合考慮發(fā)動機(jī)高低速性能、氣門運(yùn)動速度和機(jī)械損失確定的結(jié)果。這里存在的問題是：節(jié)氣門處存在著較高的節(jié)流損失，同時(shí)進(jìn)氣歧管中的負(fù)壓導(dǎo)致進(jìn)氣過程中有比較大的泵氣損失。圖１為不同發(fā)動機(jī)負(fù)荷控制方式泵氣功比較。圖１中IVO表示進(jìn)氣門開啟，IVC表示進(jìn)氣門關(guān)閉，EVO表示排氣門開啟，EVC表示排氣門，Patm為環(huán)境壓力，Vtdc和Vbdc分別為上止點(diǎn)和下止點(diǎn)氣缸容積。如圖1（a）陰影部分所示，負(fù)荷越小，歧管的壓力越低，泵氣損失越大。即對于節(jié)氣門控制方式，進(jìn)氣壓力隨負(fù)荷降低而降低，必然導(dǎo)致泵氣損失的增大。
    
隨著世界各國對油耗和排放限值要求日益嚴(yán)格，越來越多企業(yè)開始采用CVVL系統(tǒng)降低發(fā)動機(jī)油耗和排放。該機(jī)構(gòu)直接控制進(jìn)氣門升程和開啟持續(xù)期，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)負(fù)荷控制；同時(shí)可以增大節(jié)氣門開度甚至全開，讓進(jìn)氣歧管保持在接近環(huán)境壓力，這樣泵氣損失可以大大降低，如圖１（b）陰影部分所示。
 

圖1 不同發(fā)動機(jī)負(fù)荷控制方式泵氣功比較

03、CVVL成熟技術(shù)介紹
    
BMW的Valvetronic系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：驅(qū)動機(jī)構(gòu)、回位機(jī)構(gòu)、頂推機(jī)構(gòu)組成。與傳統(tǒng)的配氣相位機(jī)構(gòu)相比，Valvetronic系統(tǒng)增加了一根偏心軸，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和中間推桿等部件，該系統(tǒng)借由步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，再在一系列機(jī)械傳動后很巧妙的改變了進(jìn)氣門升程的大小。當(dāng)凸輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪會驅(qū)動中間推桿和搖臂來完成氣門的開啟和關(guān)閉。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)會首先驅(qū)動偏心軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，然后中間推桿和搖臂會產(chǎn)生聯(lián)動，偏心軸旋轉(zhuǎn)的角度不同，最終凸輪軸通過中間推桿和搖臂頂動氣門產(chǎn)生的升程也會不同。在電機(jī)的驅(qū)動下，進(jìn)氣門的升程可以實(shí)現(xiàn)從0.18mm到9.9mm之間的無級變化。BMW的Valvetronic技術(shù)已經(jīng)覆蓋了旗下的多款發(fā)動機(jī)，包括目前陸續(xù)推出的渦輪增壓新動力。該技術(shù)能夠讓發(fā)動機(jī)對駕駛者的意圖做出更迅捷的反饋，同時(shí)通過發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)對氣門升程的精確控制，實(shí)現(xiàn)了車輛在各種工況和負(fù)荷下的最佳動力匹配。圖2為寶馬valvetronic電子氣門機(jī)構(gòu)示意圖，圖3為寶馬電子氣門機(jī)構(gòu)最小氣門升程和最大氣門升程圖。
圖2 寶馬valvetronic電子氣門機(jī)構(gòu)示意圖
圖3 寶馬電子氣門機(jī)構(gòu)最小氣門升程和最大氣門升程圖
圖4 長城CVVL結(jié)構(gòu)示意圖
    
應(yīng)用該技術(shù)的HAVAL 1.5GDIT發(fā)動機(jī)獲得了“中國心”2017年度十佳發(fā)動機(jī)，該CVVL技術(shù)是長城自主設(shè)計(jì)的CVVL技術(shù)，是長城汽車投入巨額的研發(fā)費(fèi)用，用五年時(shí)間研發(fā)成功，CVVL技術(shù)共申請專利39項(xiàng)，在自主品牌中率先應(yīng)用此技術(shù)。CVVL機(jī)構(gòu)通過偏心軸、調(diào)節(jié)臂、連接臂控制升程。首先CVVL控制器通過程序精準(zhǔn)控制CVVL電機(jī)，CVVL電機(jī)通過蝸輪、蝸桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動偏心軸轉(zhuǎn)動。偏心軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)臂推動中間擺臂向左運(yùn)動，升程變小，偏心軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)臂推動中間擺臂向右運(yùn)動，升程變大。以下視頻為其工作過程演示。
 
圖5為德爾福CVVL系統(tǒng)示意圖，從圖中可以看出該套CVVL系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的氣門機(jī)構(gòu)相比增加了中間傳動機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的核心在于控制軸，該控制軸能夠動態(tài)調(diào)整輸出搖桿與氣門搖臂之間的相對位置，該輸出軸依靠偏心盤與托盤相連。托盤上安裝了輸入搖桿與輸出搖桿，實(shí)現(xiàn)了將凸輪軸的力傳遞到氣門搖臂上。圖6為德爾福CVVL系統(tǒng)最大氣門升程和最小氣門升程圖，從圖中可以看出輸出搖桿與氣門搖臂之間的相對位置發(fā)生了變化，這就使得作用力臂發(fā)生了變化，最終實(shí)現(xiàn)氣門升程的連續(xù)變化。
圖5 德爾福CVVL系統(tǒng)示意圖
圖6 德爾福CVVL系統(tǒng)最大氣門升程和最小氣門升程圖
    
圖7為舍弗勒CVVL系統(tǒng)介紹，該系統(tǒng)在菲亞特集團(tuán)車輛上廣泛使用。該系統(tǒng)與上述系統(tǒng)不同之處在于驅(qū)動機(jī)構(gòu)，該系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動的方式，凸輪轉(zhuǎn)動時(shí)會帶動液壓泵工作，使閥桿上部的液壓腔壓力升高，從而推動氣門閥桿向下運(yùn)動。調(diào)整液壓系統(tǒng)的供油壓力，從而實(shí)現(xiàn)氣門升程的動態(tài)調(diào)節(jié)。
圖7 舍弗勒CVVL系統(tǒng)介紹

04、總結(jié)
    
CVVL系統(tǒng)在在小負(fù)荷時(shí)，使用升程控制代替了節(jié)氣門控制，節(jié)氣門處的節(jié)流損失降低，進(jìn)氣壓力增加，缸內(nèi)壓力較高，換氣過程消耗的功較少，泵氣損失降低了，使用CVVL技術(shù)的發(fā)動機(jī)機(jī)型，可實(shí)現(xiàn)最高降低油耗8-10%。
 
參考文獻(xiàn)
1.韓本忠,張力華,傅園松,李理光,鄧俊.連續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)對增壓直噴發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性影響的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2019,40(03):72-79.
2.Fernandez H, Kazour Y, Knauf M, et al. Development of Continuously Variable Valve Lift Mechanism for Improved Fuel Economy[R]. SAE Technical Paper, 2012.
3.http://www.haval.com.cn/drive/system/2017/12/05/100015154.shtml
4.Luttermann C, Schünemann E, Klauer N. Enhanced VALVETRonIC technology for meeting SULEV emission requirements[R]. SAE Technical Paper, 2006.
 
 
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