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连续可变气门升程技术介绍

2019-09-10 14:07:46·  来源：内燃机学报  
　
连续可变气门升程技术介绍01、CVVL介绍连续可变气门升程（continuously variable valve lift, CVVL），传统的汽油机的气门升程是固定不变的，这是因为气门是由凸
连续可变气门升程技术介绍

01、CVVL介绍
    
连续可变气门升程（continuously variable valve lift, CVVL），传统的汽油机的气门升程是固定不变的，这是因为气门是由凸轮轴驱动的，凸轮轴的凸轮型线一般是固定的。这就使得该升程不可能使发动机在高速区和低速区都得到良好响应。传统汽油机发动机的气门升程—凸轮型线设计是对发动机在全工况下的平衡性选择。其结果是发动机既得不到最佳的高速效率，也得不到最佳的低速扭矩。但得到了全工况下最平衡的性能。连续可变气门升程技术能够使发动机在不同运行工况下匹配不同的气门升程，这样可以实现不同工况下最佳性能，改善发动机的高速功率以及低速扭矩。

02、应用CVVL的必要性
    
汽油机燃油经济性改善可以通过降低传热损失、排气损失、机械损失和泵气损失实现。在相同转速下，泵气损失随负荷下降而增加，低负荷时在平均指示压力（indicated mean effective pressure, IMEP）中的比例可以达到30%以上。
    
传统非连续可变气门升程，汽油机负荷大小是由节气门开度控制的，通过节流效应在节气门体后方产生一定的负压，控制气缸进气量。其进排气门升程大小是固定不变的，是发动机设计过程中综合考虑发动机高低速性能、气门运动速度和机械损失确定的结果。这里存在的问题是：节气门处存在着较高的节流损失，同时进气歧管中的负压导致进气过程中有比较大的泵气损失。图１为不同发动机负荷控制方式泵气功比较。图１中IVO表示进气门开启，IVC表示进气门关闭，EVO表示排气门开启，EVC表示排气门，Patm为环境压力，Vtdc和Vbdc分别为上止点和下止点气缸容积。如图1（a）阴影部分所示，负荷越小，歧管的压力越低，泵气损失越大。即对于节气门控制方式，进气压力随负荷降低而降低，必然导致泵气损失的增大。
    
随着世界各国对油耗和排放限值要求日益严格，越来越多企业开始采用CVVL系统降低发动机油耗和排放。该机构直接控制进气门升程和开启持续期，实现发动机负荷控制；同时可以增大节气门开度甚至全开，让进气歧管保持在接近环境压力，这样泵气损失可以大大降低，如图１（b）阴影部分所示。
 

图1 不同发动机负荷控制方式泵气功比较

03、CVVL成熟技术介绍
    
BMW的Valvetronic系统主要由以下几个部分组成：驱动机构、回位机构、顶推机构组成。与传统的配气相位机构相比，Valvetronic系统增加了一根偏心轴，一个步进电机和中间推杆等部件，该系统借由步进电机的旋转，再在一系列机械传动后很巧妙的改变了进气门升程的大小。当凸轮轴运转时，凸轮会驱动中间推杆和摇臂来完成气门的开启和关闭。当电机工作时，蜗轮蜗杆机构会首先驱动偏心轴发生旋转，然后中间推杆和摇臂会产生联动，偏心轴旋转的角度不同，最终凸轮轴通过中间推杆和摇臂顶动气门产生的升程也会不同。在电机的驱动下，进气门的升程可以实现从0.18mm到9.9mm之间的无级变化。BMW的Valvetronic技术已经覆盖了旗下的多款发动机，包括目前陆续推出的涡轮增压新动力。该技术能够让发动机对驾驶者的意图做出更迅捷的反馈，同时通过发动机管理系统对气门升程的精确控制，实现了车辆在各种工况和负荷下的最佳动力匹配。图2为宝马valvetronic电子气门机构示意图，图3为宝马电子气门机构最小气门升程和最大气门升程图。
图2 宝马valvetronic电子气门机构示意图
图3 宝马电子气门机构最小气门升程和最大气门升程图
图4 长城CVVL结构示意图
    
应用该技术的HAVAL 1.5GDIT发动机获得了“中国心”2017年度十佳发动机，该CVVL技术是长城自主设计的CVVL技术，是长城汽车投入巨额的研发费用，用五年时间研发成功，CVVL技术共申请专利39项，在自主品牌中率先应用此技术。CVVL机构通过偏心轴、调节臂、连接臂控制升程。首先CVVL控制器通过程序精准控制CVVL电机，CVVL电机通过蜗轮、蜗杆机构驱动偏心轴转动。偏心轴顺时针旋转时，调节臂推动中间摆臂向左运动，升程变小，偏心轴逆时针旋转时，调节臂推动中间摆臂向右运动，升程变大。以下视频为其工作过程演示。
 
图5为德尔福CVVL系统示意图，从图中可以看出该套CVVL系统相比于传统的气门机构相比增加了中间传动机构，该机构的核心在于控制轴，该控制轴能够动态调整输出摇杆与气门摇臂之间的相对位置，该输出轴依靠偏心盘与托盘相连。托盘上安装了输入摇杆与输出摇杆，实现了将凸轮轴的力传递到气门摇臂上。图6为德尔福CVVL系统最大气门升程和最小气门升程图，从图中可以看出输出摇杆与气门摇臂之间的相对位置发生了变化，这就使得作用力臂发生了变化，最终实现气门升程的连续变化。
图5 德尔福CVVL系统示意图
图6 德尔福CVVL系统最大气门升程和最小气门升程图
    
图7为舍弗勒CVVL系统介绍，该系统在菲亚特集团车辆上广泛使用。该系统与上述系统不同之处在于驱动机构，该系统采用液压驱动的方式，凸轮转动时会带动液压泵工作，使阀杆上部的液压腔压力升高，从而推动气门阀杆向下运动。调整液压系统的供油压力，从而实现气门升程的动态调节。
图7 舍弗勒CVVL系统介绍

04、总结
    
CVVL系统在在小负荷时，使用升程控制代替了节气门控制，节气门处的节流损失降低，进气压力增加，缸内压力较高，换气过程消耗的功较少，泵气损失降低了，使用CVVL技术的发动机机型，可实现最高降低油耗8-10%。
 
参考文献
1.韩本忠,张力华,傅园松,李理光,邓俊.连续可变气门升程系统对增压直喷发动机燃油经济性影响的研究[J].内燃机工程,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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