（上海市閔行區(qū)顓興路，上海201108）

一種新型機械式全可變氣門正時機構

朱譞晟

（上海市閔行區(qū)顓興路，上海201108）

介紹了一種純機械式的連續(xù)可變氣門驅(qū)動機構。該機構通過對一對擺桿擺動的角度和初始位置的控制，構成一個變速擺系統(tǒng)，并實現(xiàn)氣門的持續(xù)開啟時間的連續(xù)可調(diào)，且同時保持氣門升程不變。此技術稱作機械式FVVT（全可變氣門正時）技術。

內(nèi)燃機 全可變氣門正時 變速擺

1 前言

寶馬汽車公司的Valvetronic可變氣門升程和正時技術使得汽油機第一次具有連續(xù)可變氣門正時的能力[1]，而后其他廠商例如日產(chǎn)也相繼推出自己的類似產(chǎn)品，其基本原理大致相同，但以寶馬的方法最為簡潔。國內(nèi)有學者詳細分析了其運動規(guī)律[2]。在此技術基礎上，當需要改變氣門持續(xù)開啟時間——作為主要目的而不是從屬效果——例如從180℃A連續(xù)變化到360℃A時，顯而易見的想法是能夠用此技術或類似機構通過放大凸輪角度完成么？此技術或類似機構有個特征，就是氣門升程與持續(xù)開啟時間并非線性正比例關系，氣門升程下降比氣門持續(xù)開啟時間縮短來得更快，單純放大凸輪角而不改變機構設計，將使氣門在180℃A持續(xù)開啟時間時所具有的升程不足最大升程的一半，內(nèi)燃機低轉(zhuǎn)速全油門時進氣不足，不利于內(nèi)燃機的低轉(zhuǎn)速功率和扭矩。

2 FVVT原理

本文分析一種可使氣門持續(xù)開啟時間連續(xù)可調(diào)同時保持氣門升程不變的純機械機構——機械式FVVT（Fully Variable Valve Timing）全可變氣門正時技術，對其運行原理進行數(shù)學分析，此技術全稱是包含變速擺機構的全可變氣門正時機構。

在介紹這個機構原理之前，先了解變速擺系統(tǒng)是如何能夠連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時同時不改變氣門升程的。參見圖1至圖3，一端固定的擺動桿，另外一端的滑動面接觸到滾輪搖臂的滾輪，滑動面的凸起會在擺動到一定角度時推擠滾輪，使?jié)L輪搖臂擺動，從而推動氣門的開啟。當擺動桿回擺時，釋放滾輪搖臂，使氣門關閉。正時的持續(xù)時間用下列公式近似表示：

其中，T表示如圖2所示的具有固定角度的高角度凸輪的角度，TW表示工作于某個轉(zhuǎn)速下的內(nèi)燃機氣門所需要的持續(xù)開啟時間所對應的凸輪角度，A0是能夠推動氣門的部分擺桿端面的角度值，AX是擺桿實際擺動的角度值，圖1中顯示了三個特定值A0、A1、A2，其中A2是擺桿最大擺動角度，也就是AX的上限。初始位置指擺桿端面與滾輪接觸的位置，不同位置表示擺桿的初始位置不同，因而擺桿擺動角度AX也不同。若我們連續(xù)調(diào)節(jié)AX，就可以得到連續(xù)可調(diào)的TW值，TW和AX成反比例關系，因為T和A0都是固定值。擺桿擺動終了位置的不變，因此氣門升程是不變的。在圖3的氣門正時曲線中對應三條正時曲線，具有相同的升程，不同的持續(xù)時間，最大持續(xù)時間就是凸輪的角度T。因為擺桿擺動角度AX與凸輪角度T之商為擺桿的擺動角速率，因此變化的AX與不變的T形成了變速運動，即擺桿的擺動速率是連續(xù)可調(diào)節(jié)的，這構成了全可變氣門正時機構的基礎原理。

圖1 變速擺桿的變速擺動

圖2 FVVT技術使用的高角度凸輪

圖3 FVVT技術的氣門正時效果

3 FVVT機構設計和分析

根據(jù)所設想的FVVT機構原理，設計出如圖所示的氣門驅(qū)動機構，圖中省略了一些顯而易見的部分。次氣門驅(qū)動機構的核心部分是一對可變擺動角速度和初始位置連續(xù)變化的變速擺及控制這對變速擺的控制凸輪。

在圖4所示的機構簡圖中，凸輪1通過滾輪驅(qū)動變速擺桿7，變速擺桿7通過一根軸推動變速擺桿6圍繞固定軸5擺動，控制凸輪8是變速擺桿7的支點，扭力簧3固定在固定座4上，為擺動桿6提供一個回復力矩。滾輪13、滾輪的軸14、滾輪搖臂15、氣門19和液壓挺柱20構成了常用的含滾輪搖臂的氣門組件。下面將對這個機構進行分析和仿真計算。

圖4 FVVT全可變氣正時機構簡圖

參考圖5，RQ切凸輪1（軸心為A）和滾輪（軸心為F）于Q點，AR垂直于RQ，于是：

∠AQR與AQ決定了凸輪的形狀，因此具有確定的關系，從而可求得所有∠AQR的角度下凸輪和主動擺桿滾輪之間的距離。應當注意，根據(jù)FVVT的原理，凸輪所對應曲軸的角度應當是超過通常凸輪角度的，我們這里選擇了示例性的凸輪角度是360℃A，以下計算采用此數(shù)值。

圖5 控制凸輪角度細節(jié)計算圖

在圖6中，AD與水平線垂直，DE與水平線平行。E是主動擺桿FE和從動擺桿CE的鏈接點。以F為圓心的圓是主動擺桿滾輪，以A為圓心的圓是凸輪的升程。A和C是凸輪和從動擺桿的固定位置，G是控制凸輪的固定位置。AF是任意角度下凸輪和主動擺桿滾輪之間的距離，令∠ECL=α1，∠AEF=α2，F(xiàn)E與 JK的夾角是 α3，∠AED=α4，EC=l1，EF=l2，則：

圖7中虛線O是主動擺桿7在內(nèi)燃機最低轉(zhuǎn)速時的位置，GP垂直于虛線O于P點。GH是當前狀態(tài)下控制凸輪對應于直線GP的位置。GM是水平線，GN是當前與IH的垂線?！螲GP是控制凸輪的旋轉(zhuǎn)角度，因此：

令α5=α2+α3+α4，這是擺桿7和水平線的夾角，∠HGN=β1這是控制凸輪對于擺桿7的角度，∠HGP=β這是控制凸輪相對于水平線的轉(zhuǎn)動角度，∠MGP=β'這是控制凸輪在最低轉(zhuǎn)速的角度位置則：

圖6 機構中控制凸輪和擺桿部分的簡化圖

圖7 控制凸輪角度細節(jié)計算圖

β'是常數(shù)，由系統(tǒng)初始條件決定，β=β'時控制凸輪不對主動擺桿7產(chǎn)生額外推動?？刂仆馆嗈D(zhuǎn)動范圍是β∈(β'，β'+β0)控制凸輪對于主動擺桿的控制作用可用角度控制距離來理解，控制凸輪升程：

在(9)式中，控制凸輪的形狀簡單采用正弦曲線的一段來模擬，其中k1=k2+1。

根據(jù)JK到G的距離等于控制凸輪推動JK的效果，因此可以建立等式：

其中，x0、y0是G點的坐標，x、y是圖4中JK所經(jīng)過K點的坐標，k=tan(α2+α3+α4)=tan(α5)。方程(11)左邊是關于α1的函數(shù)，右邊是關于β1的函數(shù)，C點坐標為(xc,yc)，另令∠FEK=α9，則有

α9是由主動擺桿7的形狀決定的，因此設計完成后是一個常數(shù)。因此聯(lián)系所有以上的方程，可知關于控制凸輪旋轉(zhuǎn)角度β、凸輪對滾輪之間距離AF及從動擺桿角度α1存在以下的關系：

顯然，從動擺桿的角度是由凸輪和控制凸輪的旋轉(zhuǎn)角度唯一確定的，而根據(jù)從動擺桿的角度可以方便地計算出此時氣門的升程。

關于(9)式，控制凸輪的具體形狀與氣門正時效果有直接關系，希望隨控制凸輪的轉(zhuǎn)動，可變氣門正時機構的正時可以隨轉(zhuǎn)動角β1而變化。控制凸輪不是轉(zhuǎn)動360°而在一個很小的角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，即β∈(β'，β0+β')?？刂仆馆喌男螤罡鶕?jù)內(nèi)燃機低速和高速氣門正時角度等效CA值之比來設計，即控制凸輪偏心部分所對應的弧線角度恰好是FVVT機構處于最高轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)狀態(tài)是主動擺桿7的轉(zhuǎn)動角度范圍?？刂仆馆喌男螤钣上铝蟹匠檀_定：

其中，Φ是控制凸輪軸心至控制凸輪偏心曲面上一點的距離R與曲面切線的夾角。同（2）式，R與Φ具有確定的關系，因而（13）式?jīng)Q定了（14）式。k1的選擇，使得控制凸輪型線中與擺桿7接觸的偏心部分的工作曲面沒有平面存在。k1越大，控制凸輪型線的曲率半徑越大，越接近直線；k1越小，控制凸輪所提供的距離改變越小，對正時調(diào)節(jié)的范圍越小。經(jīng)試驗選擇k1后，(13)式如下：

參考圖8，由于主動擺桿FE的擺動會使F對A產(chǎn)生角向移動，因此準確判定凸輪角度還要得確定∠BAF=α6。先令∠BCE=α5，∠CBE=α7，∠BEF=α8。顯然α5=α1+π/2，當我們設置初始值時，應使得α1不小于零，因此有

聯(lián)立方程(17)至(21)，可解算出AF與AB的角度α6，這個角度即滾輪中心對于凸輪1的方向，結合AF的距離的方程(2)、方程(13)和凸輪1的型線函數(shù)，可以得到凸輪角度φ與從動擺桿6的角度α1、控制凸輪角度的轉(zhuǎn)動角度β關系如下：

可將從動變速擺桿6看作擺動的凸輪，α1就是凸輪的旋轉(zhuǎn)角度，并依據(jù)函數(shù)(22)就可以合并計算得知氣門升程與凸輪角度φ和控制凸輪角度β直接的數(shù)值關系，即連續(xù)可調(diào)氣門正時的氣門升程曲線圖。相似計算也可參考文獻[2]。

圖8 對凸輪與滾輪角度的計算圖

在計算仿真氣門正時效果之前，假定：

（23）式是為簡化計算所作假設，K是AF最小值。（24）式是α1與氣門升程H的假設關系，0.507是A0角度的一個邊界角度值（參見圖1），氣門處于最大升程時從動擺桿6的位置為0.507-A0。（25）式是氣門相對于凸輪轉(zhuǎn)角的修正，其中φ是凸輪的轉(zhuǎn)角，φ(β,β1)是氣門的CA，α'6(β1)是控制凸輪處于β角時凸輪推動擺桿7的角度，α6(β)是控制凸輪處于β角時凸輪未推動擺桿7的角度。模擬計算得到如下氣門升程，參見圖9。

根據(jù)圖9，實驗模型仿真計算得知：當凸輪角為360℃A時，內(nèi)燃機在低轉(zhuǎn)速（例如900 r/min）獲得約216℃A的氣門開啟角度，在極高轉(zhuǎn)速（例如10 000 r/min以上）獲得360℃A的氣門開啟角度。低轉(zhuǎn)速氣門升程上升時間約112℃A，氣門升程下降時間約104℃A。

從圖9中可見高速正時曲線并非低速正時曲線簡單沿著曲軸角坐標放大得到而是具有一個小的非線性改變，這是因為簡單的控制凸輪和機構的雙擺桿結構所導致的結果。控制凸輪這種形式的好處是簡單，但會導致非線性結果。若采用稍復雜的移動滾輪機構替代控制凸輪來控制主動擺桿7的支點，則圖9中高速正時曲線會更加接近于低速正時曲線沿曲軸角坐標的線性放大的結果。

圖9 氣門升程圖

圖9中的中等轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速氣門升程曲線的小于零的過沖是由于計算點少造成的。

4 FVVT的作用機理和應用

方程(10)、(12)、(23)是超越方程，可用數(shù)值方法求近似解。首先令α1和β為已知數(shù)，而后計算出所有需要知曉的參數(shù)，這是反向求解法，即求解的方向與機構工作時的驅(qū)動方向相反。這樣做的意義在于：這是設計此機構的過程，即先制定從動變速擺桿的位置，而后再確定控制凸輪和凸輪的位置和形狀，形狀是根據(jù)從動擺桿和主動擺桿的長度和形狀確定的，而擺桿的參數(shù)確定的原則是盡量減少擺桿擺動角度和整個驅(qū)動機構的體積。

全可變氣門正時機構的幾何原理是控制凸輪控制主動擺桿的支點位置，簡單旋轉(zhuǎn)一個β角度，使得L(β1)和α1產(chǎn)生改變，從而契合FVVT的原理?？刂仆馆喌淖饔靡嗫梢员黄渌麖碗s機構替代，但控制凸輪這種形式的機構最為簡單，因而以此為例解釋機械式全可變氣門正時機構的原理。從杠桿控制的角度來看，控制凸輪的h(β1)代表杠桿的轉(zhuǎn)動，從而使杠桿的初始角度發(fā)生變化；而L(β1)代表著杠桿支點的變化，從而使杠桿阻力點行程改變；β1的角度限制則使得杠桿轉(zhuǎn)動最終位置保持不變，因此氣門最大升程不變。主動擺桿7的最大轉(zhuǎn)動角度β0是機構初始值的一部分，這些初始值的確定的原則是使β0盡量小，但又要使機構的體積盡量小。

根據(jù)需要也可實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速時提高氣門升程，低轉(zhuǎn)速降低氣門升程，類似于Valvetronic的作用但氣門升程相差比較小，做到這一點僅需略微改變控制凸輪8的形狀設計即可。公式(1)是近似公式，實際上需要根據(jù)FVVT機構的設計進行修正，使氣門獲得最佳的升程曲線。

本文僅是FVVT機構的最初的探索，一部分規(guī)律尚未掌握，更深入的研究真正進行。

5 結束語

本文闡明全可變氣門正時FVVT技術原理，并具體分析了一種機械式全可變氣門正時機構，表明此機構的氣門正時由控制凸輪來操控，且保證氣門升程不變。機械式FVVT技術有助于優(yōu)化內(nèi)燃機氣門正時，并且結構相對簡單。在本文FVVT技術基礎上可繼續(xù)探討可變氣門正時和升程各自獨立調(diào)節(jié)的全調(diào)節(jié)機構，或可以替代電磁氣門或電磁-液壓氣門驅(qū)動機構。

本文關于FVVT類似應用可參考美國專利[3]，包含變速擺機構的全可變氣正時機構的說明部分可參考中國實用新型專利[4]。

1屠衛(wèi)星主編.可變氣門正時系統(tǒng)機構原理與維修（第一版）[M].鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F/江蘇科學技術出版社，2008．

2吳敵，楊海青．全可變氣門機構運動學的仿真分析[J].柴油機設計與制造，2010（1）．

3美國專利US6，659，053 B1《FULLY VARIABLE VALVE TRAIN》；

4中國實用新型專利ZL2010 2 0182127.7，《包含變速擺機構的全可變氣正時機構》．

The Analysis of Mechanical Fully Variable Valve Timing Mechanism

Zhu Xuansheng
（Zhuanxing Road,Minhang District,Shanghai 201108,China）

This paper describes a purely mechanical way to build a continuous variable valve drive mechanism,through a pair of swinging the pendulum angle and the initial position of control to form a variable speed pendulum system,and to achieve continuous valve open time continuously adjustable,while maintaining the same valve lift.This technique is known as mechanical FVVT(fully variable valve timing) technology.

Internal combustion engine,Fully Variable Valve Timing,variable speed pendulum

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.004

來稿日期：2011-09-05

朱譞晟（1976-），男，現(xiàn)主要研究方向為活塞式內(nèi)燃機技術。