Nu系列2.0L連續(xù)可變氣門升程發(fā)動機(jī)的開發(fā)

【韓】 K.P.Ha

2012年,Hyundai汽車集團(tuán)推出1款采用連續(xù)可變氣門升程(CVVL)機(jī)構(gòu)的發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)是專為中型轎車設(shè)計(jì)的直列4缸2.0L汽油機(jī)，具有燃油耗低、性能高及響應(yīng)快的特點(diǎn)。CVVL機(jī)構(gòu)是一種6連桿機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊和堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)機(jī)型，CVVL發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性提高7.7%，最大功率提升4.2%。生產(chǎn)CVVL發(fā)動機(jī)最具挑戰(zhàn)性的問題是發(fā)動機(jī)各氣缸氣門升程的偏差。為了調(diào)整氣門升程的偏差，設(shè)計(jì)了氣門頂墊片和調(diào)節(jié)螺釘。通過測量氣門頂部高度和凸輪支架總成的蹄形升程，選擇墊片厚度。調(diào)節(jié)螺釘是調(diào)整氣門升程偏差的輔助裝置。開發(fā)了適用于CVVL發(fā)動機(jī)工廠裝配線的氣門升程偏差診斷系統(tǒng)，并用測試裝置直接測量氣門升程。該診斷系統(tǒng)位于配氣機(jī)構(gòu)裝配臺后，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測氣門升程的變化，并給出裝配系統(tǒng)的快速反饋。

連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu) 汽油機(jī) 氣門升程偏差 氣門頂墊片

0 前言

可變氣門驅(qū)動(VVA)系統(tǒng)是現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。VVA系統(tǒng)具有多種形式，包括可變氣門正時(shí)(VVT)、可變氣門升程(VVL)、可變氣門持續(xù)期(VVD)和停缸(CDA)。與往復(fù)式發(fā)動機(jī)的其他組件不同，配氣機(jī)構(gòu)同時(shí)受曲軸轉(zhuǎn)角域和時(shí)間域的控制。氣門由曲軸控制，而進(jìn)氣量則與氣門的開啟時(shí)間成比例，并受振蕩氣流和反向氣流的影響。VVA系統(tǒng)可以優(yōu)化每種發(fā)動機(jī)工況(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷)下的氣門動作。

汽油機(jī)應(yīng)用可變氣門系統(tǒng)的首要動因是為了降低燃油耗。然而，VVA系統(tǒng)還有許多額外的優(yōu)點(diǎn)。因此，現(xiàn)在許多車輛都已普遍采用VVA技術(shù)[1-7]。Hyundai汽車集團(tuán)在2012年初向市場推出Nu系列2.0L連續(xù)可變氣門升程(CVVL)發(fā)動機(jī)。本文介紹這種CVVL機(jī)構(gòu)，并對Nu 2.0L CVVL發(fā)動機(jī)的氣門升程調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行討論。

1 減少泵氣損失

減少發(fā)動機(jī)能量損失是提高內(nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要途徑。圖1給出了不同運(yùn)行條件(即不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷)下發(fā)動機(jī)摩擦損失的例子。如圖1(a)所示，機(jī)械損失被分為5個(gè)部分，可用分解法測量各部件的摩擦損失。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，曲軸和活塞組件的摩擦呈增加趨勢，而凸輪軸的摩擦則隨轉(zhuǎn)速升高而減小。在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)占最大比率的摩擦損失來自活塞組，配氣機(jī)構(gòu)(凸輪軸和鏈傳動系統(tǒng))的摩擦損失在低轉(zhuǎn)速時(shí)占主導(dǎo)地位。

利用發(fā)動機(jī)著火運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)1個(gè)氣缸的壓力數(shù)據(jù)，評估泵氣損失。也可以對機(jī)械損失進(jìn)行評估，但它是所有機(jī)械損失的總和，不能進(jìn)一步分解。圖1(a)和圖1(b)中的“■”符號表示相同運(yùn)轉(zhuǎn)工況(2000 r/min)下的拖動運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦功。從圖1(b)中可以看到，“■”符號位于機(jī)械損失與發(fā)動機(jī)負(fù)荷關(guān)系曲線的延長線處,這意味著拖動摩擦是發(fā)動機(jī)摩擦的一部分。

機(jī)械損失隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加而略有增加，如圖1(b)所示，這是因?yàn)榍S和活塞組摩擦增加的緣故。另一方面，隨著負(fù)荷增加，泵氣損失減小，總損失也隨之減少。在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)，泵氣損失是最主要的，所以作為一種降低泵氣損失的方案，CVVL發(fā)動機(jī)備受關(guān)注。

圖2示出了燃油耗隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化趨勢，以摩擦平均有效壓力降低0.03MPa評估燃油耗的變化。可以從圖2中看到，隨著發(fā)動機(jī)平均有效壓力的增加，燃油耗的降低量減少，而且在各種發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的曲線變化趨勢是相似的。因此，對于絕大部分運(yùn)行工況為低負(fù)荷的發(fā)動機(jī)來說，像CVVL機(jī)構(gòu)那樣的減摩技術(shù)是有效的。

圖3為有節(jié)氣門控制和無節(jié)氣門控制時(shí)發(fā)動機(jī)壓力-容積圖的比較。無節(jié)氣門控制時(shí)，發(fā)動機(jī)的泵氣損失雖有減少，但仍然存在。這是因?yàn)檫M(jìn)氣門處流動阻力降低了，采用適當(dāng)?shù)臍忾T型線設(shè)計(jì)能夠減小這種流動阻力。

總之，在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況下，泵氣損失占總損失的絕大部分，所以降低泵氣損失是提高汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性最有效的方法。在泵氣損失降低量相同的前提下，低負(fù)荷時(shí)的燃油消耗率較高。此外，低負(fù)荷時(shí)的泵氣損失要高得多，所以在低負(fù)荷工況下，CVVL發(fā)動機(jī)的燃油效率能改善更多。在城市工況和高速公路工況下，燃料效率分別可提高6.8%和10.0%以上[8]，這是發(fā)動機(jī)無節(jié)氣門控制的效果，但在車輛實(shí)際行駛過程中，這一改善率可能會略低一些。

2 Nu系列2.0L CVVL發(fā)動機(jī)

Hyundai汽車集團(tuán)于2012年初開始生產(chǎn)Nu系列2.0L CVVL發(fā)動機(jī)。該系列發(fā)動機(jī)配裝中型轎車和小型車，有2種排量(1.8L和2.0L)，包括進(jìn)氣道噴射、缸內(nèi)直噴，以及燃用液化丙烷氣體燃料等多種變型。Nu系列2.0L進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)是本文所述CVVL發(fā)動機(jī)的原型機(jī)。

圖4為Nu系列2.0L CVVL發(fā)動機(jī)外觀，主要技術(shù)規(guī)格如表1所列。CVVL發(fā)動機(jī)在進(jìn)排氣凸輪軸上都設(shè)有液力調(diào)相器，真空泵由排氣凸輪軸驅(qū)動。與原型機(jī)相比，CVVL發(fā)動機(jī)的最大功率和扭矩分別提高7PS和0.3kgf·m①①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。。

項(xiàng)目參數(shù)氣缸布置及氣缸數(shù)直列4缸排量/L1.999缸徑/mm81行程/mm97壓縮比10.5燃油噴射進(jìn)氣道噴射燃油種類常規(guī)汽油最大輸出功率/PS172(6700r/min)最大扭矩/(kgf·m)20.5(4800r/min)氣門傳動機(jī)構(gòu)Ⅱ型(滾子搖臂)調(diào)相器液力,進(jìn)排氣雙側(cè)真空泵由排氣凸輪軸驅(qū)動

CVVL發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可以歸納為： 燃油耗更低、發(fā)動機(jī)全負(fù)荷性能和車輛加速性能更高，以及催化劑起燃更快。與原型機(jī)相比，Nu系列2.0L CVVL發(fā)動機(jī)的這些性能都得到改善。正如在上一節(jié)中提到的，通過降低泵氣損失，改善了燃油耗，并且由于進(jìn)氣量的增加，最大扭矩和功率都有所增加。CVVL系統(tǒng)的最大氣門升程為10.7mm，比原型機(jī)增加0.6mm。此外，發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速有所提高，對進(jìn)氣歧管也相應(yīng)進(jìn)行改動。

本文重點(diǎn)關(guān)注CVVL發(fā)動機(jī)的硬件開發(fā)和相關(guān)的生產(chǎn)問題，主要涉及3個(gè)重要問題： CVVL機(jī)構(gòu)、氣門升程偏差和氣門廓線。這些問題將在以下章節(jié)詳細(xì)討論。

3 CVVL機(jī)構(gòu)

Nu系列2.0L發(fā)動機(jī)的CVVL機(jī)構(gòu)如圖5所示，由6個(gè)連接件組成： 輸入搖臂、輸入連桿、輸出搖臂、輸出連桿、偏心件和控制連桿。這些CVVL連接件組合成6連桿聯(lián)動機(jī)構(gòu)，由控制軸支承。輸入搖臂和輸出搖臂可繞控制軸自由旋轉(zhuǎn)，偏心件用鎖銷固定在控制軸上。輸入連桿、輸出連桿和控制連桿與其他連接件連接后傳遞運(yùn)動。輸入搖臂上有滾輪與凸輪接觸。輸出搖臂推動指形滾子從動件提升氣門。輸出搖臂與指形滾子從動件接觸的表面在本文中稱為“蹄形部件”，其形狀簡單，但卻是按照凸輪型線設(shè)計(jì)的。

圖6為CVVL機(jī)構(gòu)氣門提升改變升程的工作原理。圖6(a)是聯(lián)動機(jī)構(gòu)處于基準(zhǔn)位置時(shí)的情況?；鶞?zhǔn)位置指控制軸處于氣門最大升程位置，以及凸輪的基圓與輸入搖臂接觸時(shí)的位置。在基準(zhǔn)位置下，如果輸入搖臂移動，蹄形部件正好推動滾子從動件。在圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)中，基準(zhǔn)位置用虛線繪制?？刂戚S由位于發(fā)動機(jī)后側(cè)的電機(jī)驅(qū)動?？刂戚S與電機(jī)之間的蝸輪傳動比為60∶1?？刂戚S僅在改變氣門升程時(shí)轉(zhuǎn)動，這意味著不改變氣門升程時(shí)，控制軸位置是固定的。在圖6(a)和圖6(b) 中，控制軸處于氣門升程最大的位置。在圖6(c) 和圖6(d)中，控制軸處在氣門升程最小的位置。當(dāng)凸輪推動輸入搖臂時(shí)，CVVL聯(lián)動機(jī)構(gòu)就會轉(zhuǎn)動，但氣門升程的變化取決于聯(lián)動機(jī)構(gòu)的形狀。如圖6(c)所示，在氣門升程最小的位置，輸出搖臂向后移動，就能得到較小的氣門升程。

CVVL機(jī)構(gòu)最重要的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊。圖7比較了CVVL發(fā)動機(jī)與原型機(jī)的缸蓋布置。兩者的控制軸和凸輪軸都在同一平面，即凸輪軸罩蓋安裝平面。CVVL機(jī)構(gòu)能適配原型機(jī)的空間布置，無須改變原發(fā)動機(jī)氣缸蓋罩的高度。

4 氣門升程偏差

Nu系列2.0L CVVL發(fā)動機(jī)的氣門升程可在1.0～10.7mm范圍內(nèi)變化。該數(shù)值是設(shè)計(jì)值，不是實(shí)際的氣門升程，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來說，最小升程是1.0mm，而實(shí)際氣門升程約為1.0mm。這是因?yàn)闄C(jī)加工和零件公差會影響升程的偏差。發(fā)動機(jī)廠家常規(guī)機(jī)加工公差和發(fā)動機(jī)零件可導(dǎo)致約0.3mm的氣門升程偏差。由于最小氣門升程的相對偏差很大，因此會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)噪聲和排放增加。這是因?yàn)楦鳉飧椎目諝饬髁坎煌?，而噴油量基本是一定的，所以會?dǎo)致各氣缸的空燃比和燃燒產(chǎn)生差異。

如前文圖5(a)所示，Nu系列2.0L CVVL發(fā)動機(jī)有2種升程調(diào)節(jié)裝置，即調(diào)節(jié)螺釘和氣門頂墊片。在Hyundai汽車集團(tuán)的工廠中，CVVL發(fā)動機(jī)與原型機(jī)系列在同一條裝配線上組裝，包括不同排量，以及不同燃油噴射方式和燃油的機(jī)型。因此，CVVL發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生上述氣門升程偏差。

氣門頂墊片裝在氣門頂部，與指形滾子從動件接觸。改變墊片厚度可調(diào)整由氣門長度偏差和氣門座機(jī)加工誤差導(dǎo)致的偏差。例如，如果氣門頂高度相對較小，那就可以用較厚的氣門頂墊片來補(bǔ)償高度。

氣門頂墊片還可以調(diào)節(jié)由CVVL總成和凸輪軸造成的氣門升程偏差。Nu系列2.0L CVVL發(fā)動機(jī)具有凸輪軸支架結(jié)構(gòu)，進(jìn)排氣凸輪軸和CVVL聯(lián)動機(jī)構(gòu)都裝在凸輪軸支架上。蹄形升程是CVVL凸輪軸支架的輸出，其升程偏差將影響發(fā)動機(jī)的氣門升程。與氣門頂部高度的影響不同，蹄形升程對氣門升程的影響較為復(fù)雜。圖8示出了氣門頂墊片厚度與氣門升程之間的關(guān)系。

如圖8(a)所示，改變氣門頂墊片厚度可以調(diào)整氣門升程。當(dāng)氣門頂墊片厚度增加時(shí)，氣門升程減小。升程的相對變化示于圖8(b)，0.5mm以上的氣門升程變化可認(rèn)為是線性的，圖中的氣門升程是氣門頂墊片為2mm時(shí)計(jì)算所得的。氣門頂墊片的敏感度示于圖8(c)，敏感度隨氣門升程的增加而增加。

總之，氣門升程偏差是通過氣門頂墊片來調(diào)整的。通過測量氣門頂部高度和凸輪軸支架總成上的蹄形升程來選擇氣門頂墊片厚度?；趫D8(a)所示氣門升程與氣門頂墊片厚度的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

CVVL發(fā)動機(jī)中還有另一個(gè)氣門升程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，即調(diào)節(jié)螺釘。采用這一額外機(jī)構(gòu)的原因如下。首先，在選擇氣門頂墊片的過程中，沒有考慮指形滾子從動件和液壓氣門間隙調(diào)節(jié)器(HLA)這兩個(gè)重要因素，而這對于控制氣缸蓋上HLA孔的機(jī)加工特別重要。因此，設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)螺釘，以便在裝配發(fā)動機(jī)后調(diào)節(jié)氣門升程的偏差。其次，對氣門升程偏差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行充分驗(yàn)證后確認(rèn)，調(diào)節(jié)螺釘可從發(fā)動機(jī)頂部進(jìn)行調(diào)節(jié)(圖9)。這樣，只須拆卸氣缸蓋罩，就可以重新調(diào)整氣門升程偏差。在裝配工廠，將凸輪軸支架裝到缸蓋上后會再次測量氣門升程，此時(shí)如氣門升程偏差超標(biāo)，就可以利用調(diào)節(jié)螺釘對氣門升程進(jìn)行重新調(diào)整。

調(diào)節(jié)螺釘轉(zhuǎn)動升程調(diào)節(jié)桿的情況示于圖9(a)。轉(zhuǎn)動升程調(diào)節(jié)桿的作用與改變輸入連桿長度的效果相似。與改變氣門頂墊片厚度不同，調(diào)節(jié)螺釘可同時(shí)改變2個(gè)氣門升程。升程調(diào)節(jié)桿有2個(gè)偏心圓，分別與輸入連桿，以及輸出連桿和控制連桿相連接。

5 結(jié)語

自2012年以來，Hyundai汽車集團(tuán)一直在生產(chǎn)配裝中型轎車的Nu系列2.0L CVVL發(fā)動機(jī)，該機(jī)型具有獨(dú)特的CVVL機(jī)構(gòu)。CVVL機(jī)構(gòu)為6連桿聯(lián)動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊。CVVL發(fā)動機(jī)與原型機(jī)在整車上占用的安裝空間相同。

在生產(chǎn)CVVL發(fā)動機(jī)的過程中，氣門升程的偏差是非常重要的。Nu系列2.0L CVVL發(fā)動機(jī)中有2種升程調(diào)整裝置，即氣門頂墊片和調(diào)節(jié)螺釘。氣門頂墊片裝在氣門頂部，與指形滾子從動件接觸，可以通過測量氣門頂部高度來選擇墊片厚度。調(diào)節(jié)螺釘通過轉(zhuǎn)動升程調(diào)節(jié)桿，可以改變輸入連桿的長度。

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武 濤 譯自 SAE Paper 2014-01-1635

朱炳全 校

虞 展 編輯

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2014-10-20)