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1、1st5内燃机气门正时的新内燃机气门正时的新内燃机气门正时的新内燃机气门正时的新发展发展发展发展机械式机械式机械式机械式 FVVTFVVTFVVTFVVT 技术技术技术技术朱譞晟 上海市闵行区颛兴路，201108 成稿日期：2011-09-05 概述概述概述概述: : : :本文介绍一种以纯粹机械的方式构建的一种连续可变气门驱动机构， 通过对 一对摆杆摆动的角度和初始位置的控制，构成一个变速摆系统，并实现气门的持 续开启时间的连续可调，且同时保持气门升程不变。此技术称作机械式 FVVT（全 可变气门正时）技术。 关键字关键字关键字关键字: : : :内燃机，全可变气门正时，变速摆内燃机，全可变
2、气门正时，变速摆内燃机，全可变气门正时，变速摆内燃机，全可变气门正时，变速摆T T T Thehehehe N N N Newewewew D D D Developmentevelopmentevelopmentevelopment ofofofof InternalInternalInternalInternal combustioncombustioncombustioncombustion EngineEngineEngineEngine V V V ValvealvealvealveT T T Timingimingimingiming - - - - MechanicalMecha
3、nicalMechanicalMechanical FVVTFVVTFVVTFVVT TechnologyTechnologyTechnologyTechnologyZhu XuanshengZhuanxing Road, Minhang District, Shanghai 201108AbstractAbstractAbstractAbstract : : : : This paper describes a purely mechanical way to build a continuous variablevalve drive mechanism, through a pair o
4、f swing of the pendulum angle and the initialposition of control to form a variable speed pendulum system, and to achieve continuousvalve open time continuously adjustable, while maintaining the same valve lift. Thistechnique is called Mechanical FVVT (Fully Variable Valve Timing) technology.Keyword
5、sKeywordsKeywordsKeywords : : : : Internal combustion engine, Fully Variable Valve Timing, variable speedpendulum1.1.1.1.前言前言前言前言内燃机气门正时的历史由来已久， 但目 前尚未达到极限的优化。 人们试图采用简单 的构思，例如电磁气门或者电磁-液压系统 驱动气门， 但用于实际内燃机制造的目前只 有意大利菲亚特集团的MultiAir电磁-液压 驱动系统。 其技术特点是以电磁阀门控制液 压系统来改变进气门的升程和正时， 但气门 开启的动力来源依然是同时也驱动排气门 的凸轮轴，
6、其核心思想是以软件替代机械， 近似于可变升程和角度的凸轮轴。 若希望使用相对传统的机械结构， 达到 或者近似达到电磁气门或电磁-液压气门的 效果， 我们可以首先尝试做到气门持续开启时间的连续可调，即 FVVT（Fully VariableValve Timing） 。2.2.2.2.FVVTFVVTFVVTFVVT 原理原理原理原理在 2001 年，宝马汽车公司率先发布了 Valvetronic 可变气门升程和正时技术1，其他厂商例如日产也推出自己的类似产品， 基本原理相同，但以宝马的方法最为简洁。 国内有学者详细分析了其运动规律2。此技术的核心是控制一根摆杆，改变其初始位 置，使其推动气门的
7、时间和行程发生变化， 从而改变了气门的正时角度和气门升程。 模 仿这个原理， 本文将讨论一种以纯粹机械的 方式构建的机械式 FVVT 技术。此技术全称 是包含变速摆机构的全可变气门正时机构，2nd5核心部分是一对可变摆动角速度和初始位 置连续变化的变速摆及控制这对变速摆的 控制凸轮。在介绍这个机构原理之前， 先了解变速 摆系统是如何能够连续调节气门正时同时 不改变气门升程的。图 1 变速摆杆的变速摆动图 2 FVVT 技术使用的高角度凸轮图 3 FVVT 技术原理具有的气门正时效果图 1 至图 3 显示：一端固定的摆动杆， 另外一端的滑动面接触到滚轮摇臂的滚轮， 滑动面的凸起会在摆动到一定角度
8、时压迫 滚轮，使滚轮摇臂摆动，从而推动气门的开 启。当摆动杆回摆时，自动释放滚轮摇臂， 使气门关闭。 正时的持续时间用下列公式近似表示：XWAATT0=（1）其中，T 表示如图 2 所示的具有固定角 度的高角度凸轮的角度，TW表示工作于某个 转速下的内燃机气门所需要的持续开启时 间所对应的凸轮角度，A0是能够推动气门的 部分摆动杆端面的角度值，AX是变速摆杆实 际摆动的角度值， 图 1 中显示了三个特定值 A0、A1、A2，其中 A2是摆动杆最大摆动角度， 也就是 AX的上限。若我们连续调节 AX，就可 以得到连续可调的 TW值， TW和 AX成反比例关 系，因为 T 和 A0都是固定值。摆动
9、杆摆动终 了位置的不变，因此气门升程是不变的。 在 图 3 的气门正时曲线中对应三条正时曲线， 具有相同的升程，不同的持续时间，最大持 续时间就是凸轮的角度 T。因为变速摆杆摆动角度 AX与凸轮角度 T 之商为变速摆杆的摆动角速率， 因此变化的 AX与不变的 T 形成了变速运动，即变速摆杆变速摆杆变速摆杆变速摆杆 的摆动速率是连续可调节的的摆动速率是连续可调节的的摆动速率是连续可调节的的摆动速率是连续可调节的， 这构成了全可 变气门正时机构的基础原理。3.FVVT3.FVVT3.FVVT3.FVVT 机构设计机构设计机构设计机构设计我们根据所设想的 FVVT 机构原理，设 计出如下气门驱动机构
10、， 图中省略了一些显 而易见的部分。3rd5图 4 应用了 FVVT 技术的包含变速摆机构的 全可变气正时机构简图在图 4 所示的机构简图中，凸轮 1 通 过滚轮驱动变速摆杆 7，变速摆杆 7 通过一 根轴推动变速摆杆 6 围绕固定轴 5 摆动， 控 制凸轮 8 是变速摆杆 7 的支点， 扭力簧 3 固 定在固定座 4 上， 为摆动杆 6 提供一个回复 力矩。滚轮 13、滚轮的轴 14、滚轮摇臂 15、 气门 19 和液压挺柱20构成了常用的含滚轮 摇臂的气门组件。图 5 机构调节正时的示意图这个机构是如何调节气门正时的？参 考图 5，随着控制凸轮 8 从实线的位置旋转 到虚线位置，由于控制凸
11、轮 8 与变速摆杆 7 接触的弧线的形状， 使得控制凸轮 8 与变速 摆杆 7 的接触点移动了， 变速摆杆 7 作为杠 杆的比例变小， 使变速摆杆 6 摆动的角度缩 小相应的倍数； 同时控制凸轮 8 对变速摆杆 7 有一个横向的推动作用，使变速摆杆 7 的 初始位置移动了一个角度。 因此当凸轮推变 速摆杆 7 产生推动作用时， 就会立即通过变 速摆杆 7 和 6 对气门施加推动作用， 使气门 打开，这就完成了对气门正时的调节作用。图 6 机构保持气门升程不变的原理这个机构是如何保持升程不变？参考 图 6，在于控制凸轮 8 的旋转角度是有限制 的， 不会超过变速摆杆 7 在控制凸轮 8 上的 接
12、触点移动的角度范围， 控制凸轮的旋转运 动并不影响变速摆杆 6 最终的旋转位置， 因 此也不会影响气门的最大升程。图 7 控制凸轮的形状说明 参考图 7，直线 D 是变速摆杆 7 摆动终 了位置，直线 E 是变速摆杆 7 的初始位置。 在控制凸轮调整至最高转速正时调节， 可见 控制凸轮 8 的形状是由二段弧线构成， 分别 是弧线 AB 和弧线 BC， 直线 D 切二弧线于 B， 直线 C 切弧线 BC 于 C， 直线 C 和直线 D 之间 的夹角也是弧线 BC 的角度。 弧线 AB 就是变 速摆杆7与控制凸轮 8在最低转速下接触点 的滑动弧线且对应低速接触角，而弧线 BC 就是在最高转速下接触
13、的滑动弧线且对应 高速接触角。 变速摆杆 7 摆动位置不会超过 直线 D 的范围，因此气门升程不会改变。 在 最低转速正时调节状态时， 位置 A 出于当前 位置 B 的位置， 此时直线 D 依然保持不变且 切弧线 AB 于 A； 直线 E 会向左移动， 并切弧 线 AB 于 B 点。综合起来看，控制凸轮 8 的 可控转动同时改变了变速摆杆7的支点位置 和方向， 因而改变了变速摆杆 7 的摆动角度 范围和初始位置，这是机构应用 FVVT 技术 的关键所在。单个气门的开启持续时间的变化，会 影响到气门交叠角度的变化， 若进气门和排 气门同时使用这样一种机构， 可实现下面这4th5种气门控制效果。图
14、 8 省略弹簧后的机构低速调节示意图图 9 省略弹簧后的机构高速调节示意图从图 8和图9的左边的机构调节示意图 和右上方的气门正时图可以看到， 进排气门 的正时改变也改变了进排气门交叠角。4.FVVT4.FVVT4.FVVT4.FVVT 应用应用应用应用讨论讨论讨论讨论应用 FVVT 技术的全可变气门正时机构 可以连续改变气门的持续开启时间， 这样的 机构具有如下具体优势： （1）凸轮的角度可以设计达到 360 度 曲轴角度甚至更高，气门正时角度可在 180 到 360 度连续调整， 实现比以往的正时机构 更加理想的连续的气门正时， 符合内燃机设 计转速范围内任何一个转速下对气门正时 的要求，
15、 内燃机在更加宽泛的转速范围内都 处于较好的效率， 泵气损失小， 充气系数高， 在内燃机的低转速状态下较已知的正时系 统可以提高扭矩； 在高转速状态下可提高输出功率和扭矩； 尤其适合于那些转速变化范 围很大的内燃机，例如高级跑车的内燃机， 可以提供更加近似理论极限的性能； （2）在单个气门正时和进排气门交叠 角的连续调节过程中， 凸轮轴的旋转相对于 内燃机曲轴并不发生变化， 在正时精度要求 不甚高的内燃机上可以取消以往的凸轮轴 可变正时机构，简化相应的结构。 （3）因为控制凸轮的转动角度只有很 少， 不论是采用液压驱动还是电动机驱动都 很方便，布置不存在困难。 （4）此机构以较少的部件数量达成
16、了 FVVT 的目的， 是兼顾性能、 复杂性与成本的 机构。 （5）因为第（1）条优势，内燃机的动 力系统可以不必使用无级变速器来改善效 率。 又或者在保持内燃机最大输出功率不变 时可以减小内燃机排量， 从而在低转速时更 加省油。 （6）完全机械式结构，不含有液压系 统和电磁驱动系统，可靠性相对较高，对于 电子技术的要求不高。 （7）因为气门持续开启时间连续可变 的范围非常大， 因此可应用于米勒循环内燃 机，是混合动力内燃机的更佳之选，进一步 减少油耗； 甚至可以通过凸轮角度和控制软 件的设计， 将普通内燃机改进成为奥托循环 和米勒循环双模活塞式内燃机。图 10 机构驱动双气门的改进机构但即便拥有如此多的优势，但机构也 比常用的简单凸轮轴机构复杂更多， 可以通 过合并一些部件来简化机构。 机构在设计的 时候就考虑到将来实际应用时的简化工作5th5的简便性。因变速摆杆 6 是轴固定，因此可 以将旋转轴延长，例如图 10 中的摆杆 6 的 轴 5， 并将其与另一个相同的摆杆 206 相连， 这样可以以一个凸轮和控制凸轮来控制两 个气门。在每缸二气门发动机上，当
