配气机构的现状与前景分析.doc
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xxxxx学校
本科毕业论文
题目配气机构的现状与前景分析
学院理工学院_______
专业汽车服务工程___
年级2008级
学号
姓名
指导教师
成绩
2012年4月20日
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract 1
Keywords 1
1曲柄连杆机构与配气机构的构造与发展 1
1.1曲柄连杆机构与配气机构的构造 1
1.2配气机构的分类 2
1.3配气机构的发展 3
2配气机构的现状与优化 7
2.1现代汽车配气机构的研究现状 7
2.2配气凸轮优化设计方法 8
3现代发动机配气机构采用的技术 9
3.1顶置凸轮轴技术 10
3.2多气门技术 10
3.3可变配气定时及气门升程技术 11
4配气机构在各主要汽车厂商中的研发 12
4.1本田VTEC 12
4.2丰田VVT-i 13
4.3宝马Double-Vanos/Valvetronic 13
5结论 15
参考文献 16
致谢 17
西南大学育才学院2012届汽车服务工程专业毕业论文
汽车用连杆机构和配气机构的现状与前景分析
摘要:
本文对曲柄连杆机构和配气机构的现状与前景进行分析,首先对曲柄连杆机构与配气机构的构造做了一定的了解,认识了它们的分类,并回顾了其发展的历程。
其次阐述了曲柄连杆机构和配气机构的现状与优化的方法,知道了可变技术可使内燃机的各项性能在整个使用工况变化范围内得到优化。
接着简述了现代发动机配气机构采用的技术。
最后,列举了目前各主要汽车厂中曲柄连杆机构与配气机构的研发成果,剖析了其结构原理和工作原理,对于曲柄连杆机构与配气机构在行车中研发方向可作参考。
关键词:
曲柄连杆机构配气机构优化设计
Abstract:
Thispapertocrankrodsystemandthepresentsituationofgasdistributioninstitutionandprospectforanalysis,firsttocrankrodsystemwithgasandthestructureoftheorganizationmadecertainknowledge,understandingtheirclassification,andreviewsthedevelopmentcourseof.Thenexpoundsthecrankrodsystemandwithgasinstitutionsandthestatusoftheoptimizationmethod,knowthevariabletechnologycanmakevariouspropertiesofinternalcombustionengineinthewholeoperatingconditionswithinthescopeofchangewasoptimized..Thenthepapermodernenginewithgasorganizationstoadoptthetechnology.Finally,liststhemaincurrentofthecarfactorycrankrodsystemwithgasandachievementsinresearchinstitutions,thepaperanalyzesitsstructureandprincipleandworkingprinciple,tocrankrodsystemandwithgasorganizationintheresearchanddevelopmentdirectioncanbedrivingforreference.
KeyWords:
cranklinkagevalve,valvemechanism,dynamics,optimizationdesign
1曲柄连杆机构与配气机构的构造与发展
1.1曲柄连杆机构与配气机构的构造
曲柄连杆机构包括活塞连杆组和曲轴飞轮组。
1.1.1活塞连杆组包括活塞组、连杆组
活塞组包括活塞、活塞环、活塞销和弹性卡环等。
连杆组主要包括连杆、连杆盖、连杆衬套、连杆轴瓦和连杆螺栓等。
1.1.2曲轴飞轮组包括曲轴、飞轮、扭转减振器等
飞轮是一个具有很大转动惯量的铸铁圆盘,其作用是将发动机作功行程中曲轴所获得的部分能量贮存起来,用来带动曲柄连杆机构越过上止点和克服非作功行程的阻力,保证曲轴旋转的均匀性,输出发动机功率,并能使发动机克服汽车起步、遇阻等情况下短时间的超负荷。
一般飞轮外缘装有齿圈,与起动机齿轮喻合以供启动发动机用。
目前汽车连杆机构发展趋于完善,在后文中不做过多阐述。
1.2配气机构的分类
配气机构可从不同角度来分类。
按气门的布置分为气门顶置和气门侧置式;按凸轮轴的布置位置分为下置式、中置式和上置式;按曲轴和凸轮轴的传动方式分为齿轮传动式、链条传动式和齿带传动式;按每气缸气门数目分,有二气门式和四气门式等。
各式配气机构中,按其功用都可分为气门组和气门传动组两大部分。
气门组包括气门及与之相关联的零件,其组成与配气机构的型式基本无关。
气门传动组、是从正时齿轮开始至推动气门动作的所有零件,其组成视配气机构的形式而有所不同,它的功用是定时驱动气门使其开闭。
进气门和排气门都倒挂在气缸盖上。
气门组包括气门、气门导管、气门座、弹簧座、气门弹簧、锁片等零件;气门传动组一般由摇臂、摇臂轴、推杆、挺柱、凸轮轴和正时齿轮组成。
气门顶置式配气机构的工作情况是:
当气缸的工作循环需要将气门打开进行换气时,由曲轴通过传动机构驱动凸轮轴旋转,使凸轮轴上的凸轮凸起部分通过挺柱、推杆、调整螺钉推动摇臂摆转,摇臂的另一端便向下推开气门,同时使弹簧进一步压缩。
当凸轮的凸起部分的顶点转过挺柱以后,便逐渐减小了对挺柱的推力,气门在弹簧张力的作用下开度逐渐减小,直至最后关闭。
压缩和做功行程中,气门在弹簧张力的作用下严密关闭。
气门顶置式配气机构根据凸轮轴的位置有以下三种型式:
(1)凸轮轴下置式配气机构:
凸轮轴装在曲轴箱内,直接由凸轮轴正时齿轮与曲轴正时齿轮相啮合,由曲轴带动。
气门传动组包括上述全部零件,其应用最为广泛。
(2)凸轮轴中置式配气机构:
凸轮轴位于气缸体的上部。
为了减小气门传动机构的往复运动的质量,对于高转速的发动机,可将凸轮轴的位置移到气缸体的上部,由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂而省去推杆。
该形式的配气机构因曲轴与凸轮轴的中心线距离较远,一般要在中间加入一个中间齿轮(惰轮)。
(3)凸轮轴上置式配气机构:
凸轮轴布置在气缸盖上。
凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门,没有挺柱和推杆,使往复运动的质量大为减小,对凸轮轴和气门弹簧的要求也最低,因此它适用于高速强化发动机。
桑塔纳轿车发动机上采用的气门顶置凸轮轴上置式配气机构,与同类上置凸轮轴式配气机构相比有较大不同。
它取消了凸轮支座和摇臂等零件,凸轮轴,直接装在由缸盖上平面和五个轴承孔合成的轴承孔内,气门顶置式配气机构由于进、排气通道拐弯少、气流阻力较小,气体进出较通畅,使得进气较充分,同时气门的布置与燃烧室配含绪树紧凑,有利于混合气的形成和燃烧,所以动力性和经济性较好。
目前国产汽车发动机都采用气门顶置式配气机构,如CAl091型、东风EQl090E型、上海桑塔纳轿车等。
四行程发动机每完成一个工作循环,曲轴旋转两圈,各缸的进、排气门各开启一次,即凸轮轴只转一圈,所以曲轴与凸轮轴的传动比为2:
1。
进气门和排气、门都装置在气缸体的一侧。
1.3配气机构的发展
伴随着社会经济的发展,人类生活水平的提高,我们对生活质量也提出了越来越高的要求。
但是事实总是事与愿违,综观历史,我们周围的生活环境是越来越恶化——全球气温变暖,酸雨不断致使植被死亡等,都在一步一步的威胁着我们人类的生存。
据统计,90%以上的污染来自汽车的废气排放。
所以要改善我们的生活环境,其首要的任务就是降低、限制汽车的废气排放,低污染、低油耗、大功率、大扭矩的发动机也就是我们的追求目标。
而配气机构严重的影响着发动机的燃烧特性和排放特性。
下面就配气机构的改进发展情况加以论述和展开说明。
发动机配气机构的可变技术是指随着使用工况及要求的变化,或者为了解决矛盾及避免内燃机不正常工作现象的出现,使相关系统的结构或参数作相应的变化,从而使内燃机在各种工况下,综合性能指标能大幅度地提高,而且避免不正常燃烧及超负荷现象的产生。
可变技术涉及范围较广,如可变压缩比、可变进气系统、可变配气定时、可变喷油系统、可变增压系统等。
在解决较大转速范围内动力性和经济性的矛盾方面,可变技术显示出独特的优势。
近代电子技术的发展,促成了可变技术的迅速推广,使可变技术在车用内燃机上的应用和影响日渐突出。
1.3.1可变进气系统
传统的进气歧管长度不可变,只能在一定的转速范围内有较好的充气效率,具有良好的性能;在运行过程中无法进行调节,其动力性在某些工况下必然要受到限制,使内燃机在两种极端的工况下性能下降,影响发动机的经济性和排放性。
长期以来人们发现进气管的长度变化影响内燃机的充气效率。
进气管较短时,在高速运行有较好的充气效果;进气管较长时,在低速运行有较好的充气效果。
图1.1所示的是一个进气管长度可变的进气控制系统,在内燃机低速运转时,进气控制阀关闭,管道变长,提高了进气流速,加强
图1.1可变进气管长度控制系统
了惯性进气的作用,从而提高了充气效率。
在内燃机高速运转时,进气控制阀打开,管道变短降低了进气阻力,从而提高了充气效率。
图1.2所示的为进气管长度无级变化的进气系统示意图,这种系统可以利用动态效应充气,在内燃机的所有转速范围内都能
图1.2长度无级可变进气系统示意图
1、可活动的圆筒(空气分配器)2、固定的壳体3、进气道4、侧壁
5、圆筒中的空气进口6、进气道中的空气进口7、密封垫8、进气门
达到最佳的效果。
这种进气管长度可变系统的结构简单、费用不大、可靠性高,比较适用于汽车、拖拉机、摩托车等的发动机上。
1.3.2可变配气相位
传统内燃机配气相位在内燃机运转过程中是固定不变的,不能同时兼顾各种转速的要求,也就很难达到真正的最佳配气相位。
而采用可变配气相位则可以在内燃机整个工作范围内,提供合适的气门开启、关闭时刻或升程,从而改善内燃机进、排气性能,较好地满足高转速和低转速,大负荷和小负荷时的动力性、经济性以及废气排放的要求。
综上所述,可变配气相位改善内燃机性能,主要体现在以下几个方面:
(1)能兼顾高速及低速不同工况,提高内燃机的动力性和经济性;
(2)改善内燃机怠速及低速时的性能及稳定性;
(3)降低内燃机的排放。
目前有两类可变配气相位机构,一类为可变配气相位,这类方法能提高中、低速转矩,改善低速稳定性,但由于最大气门升程保持不变,所以对燃油经济性改善不大,在此不作详细论述。
另一类为在低速和高速时应用不同的凸轮来同时调节配气正时和气门升程,并对高速凸轮和低速凸轮及工况转换点同时进行优化,使内燃机在整个转速范围内获得良好的性能。
由于可变配气相位技术的优越性,在美国已有800多项专利产品。
可变配气相位(VVT)典型代表为日本本田车用公司的VTEC系统。
VTEC系统结构及工作原理如图1.3。
其配气凸轮轴上布置了高、低速两种凸轮,采用特殊设计的摇臂,能够根据内燃机转速高低自动切换凸轮,使摇臂分别被高速或低速凸轮驱动,从而实现了配气正时和气门升程同时调节的目的。
凸轮轴上中间为高速凸轮,与中间摇臂相对应,左右各有一个低速凸轮,分别位于第1和第2摇臂位置。
3个摇臂内装有液压活塞A、B和限制活塞。
其工作过程为:
转速低于6000r/min时,液压活塞不移动,中间摇臂在高速凸轮驱动下,压下空动弹簧,而第1和第2摇臂则在2个低速凸轮作用下驱动2个气门;转速高于6000r/min时,在压力油作用下,液压活塞A和B移动,中间摇臂与左右摇臂锁在一起在高速凸轮的作用下驱动气门,低速凸轮随凸轮轴空转。
图1.3日本本田公司可变配气相位、升程(VETC)机构工作原理图
1.液压活塞B2.液压活塞A3.凸轮轴4.高速凸轮5.低速凸轮
6.限制活塞7.第2摇臂8.中间摇臂9.第1摇臂
1.3.3可变进气涡流强度
传统的柴油机进气涡流强度取决于柴油机的转速。
对于一个恒定的柴油机进气道而言,随柴油机转速的升高进气涡流增强,反之涡流强度减弱。
进气道的设计一般只能保证在某一转速范围内的涡流强度使柴油机性能最佳,而转速改变时,进气涡流就会过强或过弱,不利于柴油机正常工作。
图1.4为副气道控制进气涡流强度结构示意图。
副气道以一定角度与主气道相连,形成与主气道反向的进气涡流,通过改变副气道的进气量可以很好地改变
图1.4副气道控制进气涡流强度结构图
1.主气道2.汽缸盖4.控制阀5.控制阀行程传感器6.电磁阀7.副气道
整个进气涡流强度。
该种控制方法结构简单,涡流强度的改变不会恶化流量系数,因而得到了广泛的应用。
2配气机构的现状与优化
配气机构作为内燃机的重要组成部分,其性能好坏对内燃机的性能指标有着很重要的影响。
配气机构的作用是按照内燃机的工作循环与工作顺序的要求,控制新鲜气体及时地进入气缸,同时排除燃烧后的废气。
一台内燃机的经济性能是否优越,工作是否可靠,噪音与振动能否控制在较低的限度,常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。
设计合理的配气机构应具有良好的换气性能,进气充分,排气彻底,即具有较大的时面值,泵气损失小,配气正时恰当。
与此同时,配气机构还应具有良好的动力性能,工作时运动平稳,振动和噪音较小,不发生强烈的冲击磨损等现象,这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律,以及合适的正、负加速度值。
随着汽车及发动机技术的发展,对配气机构也提出了更高的要求,其相关新技术也得到了发展。
2.1现代汽车配气机构的研究现状
随着内燃机高功率、高速化发展,人们对其性能指标的要求更高,这给配气机构的设计以及制造工艺增加了难度。
目前广泛采用的是气门-凸轮式配气机构,它具有保证气缸密封性的优点。
配气机构系统研究内容归纳起来主要有两个方面,一方面是零部件的设计,包括凸轮型线,气门摇臂机构的设计,气门弹簧及气门等零部件的设计,其中又以凸轮型线的设计尤为关键,这是因为凸轮作为整个机构的原动件,它直接控制整个机构的运动。
另一方面是机构的动力学问题,而对于机构动力性能的研究,又主要集中在气门的运动规律上。
国外对配气机构的振动模型、摩擦及配气相位和可变气门正时等的研究有一些报道。
国内也在致力于研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等问题,主要表现在以下几个方面:
(1)设计了许多性能优良的凸轮型线;
(2)配气机构由刚性设计发展为弹性设计;
(3)由孤立研究凸轮设计发展到配气机构系统设计。
内燃机配气凸轮的研究已经涉及到配气机构性能的各个方面,包括型线、挺柱的运动规律、气门振动模型、挺柱与凸轮的接触应力、摩擦应力等。
在研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等方面上,国内外都有很大的发展。
2.2配气凸轮优化设计方法
配气凸轮是影响配气机构工作状况的关键零件,如何设计和加工出具有合理外形的凸轮轴是整个配气机构设计中最关键的问题。
对内燃机气门通过能力的要求,实际上是对由凸轮外形所决定的气门位移规律的要求,气门开闭迅速就能增大时面值,但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大,冲击、振动加剧,机构动力特性变差。
因此,对气门通过能力的要求与机构动力特性的要求间存在一定矛盾,应视所设计发动机的特点,如发动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等,主要在凸轮外形设计中兼顾解决。
配气凸轮型线优化设计的任务就是在确保配气机构能可靠工作的前提下寻求最佳的凸轮设计参数。
凸轮型线的设计己从静态设计、动态设计发展到系统动力学优化设计,图1、图2分别为双质量运动学模型与多质量动力学模型。
系统动力学设计考虑配气机构的弹性变形,可更精确地描述配气机构的运动和受力情况,并统一考虑机构动态参数与凸轮型线,从而实现凸轮型线优化设计。
2.2.1静态优化设计
静态优化设计,将配气机构看作绝对刚体,不考虑它在运动时的弹性变形。
用静态方法设计的圆弧凸轮,容易引起较大的振动和噪音。
转速增高时,有时会产生飞脱和反跳,不仅加剧了内燃机的振动、噪音和零件间的磨损,还会使充气性能有所下降。
2.2.2动态优化设计
动态优化设计,考虑弹性变形,把配气机构看作是弹性系统。
用动态优化设计方法的凸轮有多项动力凸轮、正弦抛物线凸轮、n次谐波凸轮等。
多项动力凸轮从弹性变形角度出发设计凸轮外形,未考虑配气机构的弹性振动,没有从根本上解决配气系统的振动等问题。
动态优化设计虽然考虑了配气机构的弹性变形和振动问题,但仅仅只是单纯地设计凸轮,没有从整个配气机构运动状况出发,未明确指出配气机构动态参数和凸轮型线之间有系统优化问题,有一定的局限性。
现在己出现针对系统优化的模型,将凸轮型线与配气系统的动态行为统一考虑。
这种模型较为全面地评价了对配气系统的各种要求,达到了较好的效果。
图2.1简化阀系双质量运动学模型
图2.2配气机构多自由度动力学模型
2.2.3系统动力学优化设计
系统动力学优化设计将配气凸轮型线与配气机构动态参数(刚度和质量)统一考虑在内,进行凸轮型线的优化设计。
配气凸轮型线、凸轮转速和配气机构参数之间有一个最优化匹配关系,即系统优化问题。
而实际上配气机构刚度、质量和凸轮型线的试验成本太高,进行多方案研究成本更高,就出现了用单质量模型及其它各种动力学模型进行了计算。
为了使动力学模型与实际相符,先用试验结果考核动力学模型,待两者得到的结果相近后,才做匹配和优化计算。
3现代发动机配气机构采用的技术
现代发动机配气机构采用的技术主要有以下三方面。
3.1顶置凸轮轴技术
气门-凸轮式配气机构具有保证气缸密封性的优点,尤其是进排气门能够持久地保证燃烧室的密封性,四冲程内燃机大多采用气门—凸轮式配气机构。
气门—凸轮式配气机构按气门布置分为侧置气门和顶置气门机构。
顶置气门配气机构,内燃机的充气系数较高,燃烧室比较紧凑,内燃机有较好的性能指标,是侧置气门机构所不能达到的,故侧置气门机构己被淘汰。
顶置气门配气机构又由凸轮轴的放置位置分成凸轮轴下置型和顶置凸轮轴型。
绝大部分柴油机采用凸轮轴下置型,但这种机构高速运转时产生较大的惯性力和振动及噪声,消耗较大的动力。
目前的趋向是把凸轮轴放在气门上方,省去了推杆、挺柱,称顶置凸轮轴型(OHC);还有些机构将顶置凸轮轴放在气门室罩里,凸轮直接作用于气门上,这种机构省去了摇臂,高速时气门工作良好,零件惯性力极小,工作平稳。
顶置凸轮轴型(OHC)又可分成SOHC型和DOHC型。
前者只用一根凸轮轴来驱动进、排气门;而后者采用两根凸轮轴来分别驱动进、排气门。
这种结构适用于进、排气门呈v形排列的内燃机。
凸轮轴的传动类型有三种:
正时齿轮传动、正时链轮传动和驱动带传动。
其中,正时齿轮传动主要用于要求长寿命和大载荷的内燃机,如船用、商用车和赛车内燃机;正时链轮传动,广泛应用于轿车内燃机,一般来说,它比正时齿轮传动机构噪音小:
驱动带传动或齿形带传动是最新出现的传动方式,主要用于顶置凸轮轴内燃机上。
3.2多气门技术
配气机构的最新发展是改善燃料经济性,其关键在于如何提供更多的新鲜空气,多气门内燃机很早就已经出现了,但仅用于赛车,目的是减轻排气门的热负荷和机械负荷,但并未能在内燃机制造业得到推广。
意大利布加奇公司首先创出具有四个排气门和一个进气门的内燃机。
促进多气门内燃机产量迅速提高的原因在于自动控制技术的快速发展和生产的工艺水平越来越高,可以充分发挥多气门配气方案的优越性,保证内燃机在整个负荷和速度范围内形成最佳混合气,并适时适度送入气缸。
多气门内燃机优点很明显,如图3用2个进气门取代1个进气门,流通截面加大30%~35%以上,可大大改进充气系数。
因此,多气门内燃机可以提高功率。
4气门内燃机曲轴在中低转速范围内,扭矩一般比2气门内燃机大10%~15%,高转速范围内大10%~20%。
多气门内燃机不仅可以提高内燃机功率,还可以降低燃油消耗,减少排污。
据分析,4气门内燃机燃油消耗比2气门内燃机燃油消耗低6%~8%。
图3.1顶置凸轮多气门技术
图3.2可变气门正时配气机构
3.3可变配气定时及气门升程技术
常规内燃机配气相位都是按内燃机性能要求,通过试验确定某一转速和负荷条件下较为适合的配气相位,自然只达到一种转速最为有利。
然而为了在更大的曲轴转速范围内提高功率指标,降低燃料消耗,现代多气门内燃机气门开启相位可以改变、升程也可以改变,称作可变气门运动配气机构(VVT),见图4。
通过这套机构对配气过程的调节和控制,低、中转速时,活塞运动速度低,气流动力学特性差,因而要求“缩小”相位重叠角,以减少工作混合气倒流,保证低、中转速时扭矩曲线形状较好,可显著地降低燃油消耗率。
在中高转速时,活塞运动速度快,气流动力学特性好,因而要求“放大”相位重叠角,废气排放彻底,进气量充分,可相应增加内燃机扭矩。
显然,采用这一机构,可提高内燃机性能、降低污染、改善怠速性能。
可变配气技术,从大类上分,包括可变气门正时和可变气门行程两大类,有些发动机只匹配可变气门正时,如丰田的VVT-i发动机;有些发动机只匹配了可变气门行程,如本田的VTEC;有些发动机既匹配的可变气门正时又匹配的可变气门行程,如丰田的VVTL-i,本田的i-VTEC,通过这套系统的控制,发动机能够根据自身的运转状态进行适当的进气调整。
实现可变气门技术有多种途径,按照有无凸轮轴可分为基于凸轮轴的可变气门机构和无凸轮轴的可变气门机构2类。
传统气门控制技术都是由凸轮轴机械推动的,电磁气门控制技术采用由电磁驱动的组件推动气门,根据ECU需要进行动作,这也正是VTEC等气门控制技术追求的最高境界。
4配气机构在各主要汽车厂商中的研发
当前人们关心的问题是全球变暖,减少CO2排放是汽车厂商要面对的问题,而其问题的关键所在就是发动机技术。
发动机是汽车的动力源泉,如何提高其动力、降低油耗和减少废气排放,则其两大核心:
曲柄连杆机构和配气机构,是所有汽车制造商花费巨大精力研究的课题。
下面我介绍一下各大汽车厂商在这方面的研究成果:
4.1本田VTEC
VTEC是本田开发的先进发动机技术,也是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程两种不同情况的气门控制系统。
最早出现在1989年,是本田的专有技术,国产雅阁就采用该发动机。
VTEC(VariableValveTimingandValveLifeEl
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