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)
Key words (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)
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：This paper to crank rod system and the present situation of gas distribution institution and prospect for analysis, first to crank rod system with gas and the structure of the organization made certain knowledge, understanding their classification, and reviews the development course of. Then expounds the crank rod system and with gas institutions and the status of the optimization method, know the variable technology can make various properties of internal combustion engine in the whole operating conditions within the scope of change was optimized.. Then the paper modern engine with gas organizations to adopt the technology. Finally, lists the main current of the car factory crank rod system with gas and achievements in research institutions, the paper analyzes its structure and principle and working principle, to crank rod system and with gas organization in the research and development direction can be driving for reference.
Key Words:crank linkage valve，valve mechanism，dynamics，optimization design
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
η。进气管较短时，在高速运行有较好的充气效果；进的长度变化影响内燃机的充气效率
v
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
η。在内燃机高速运转时，进气控制阀打开，管了惯性进气的作用，从而提高了充气效率
v
η。图1.2所示的为进气管长度无级变化的道变短降低了进气阻力，从而提高了充气效率
v
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B
2.液压活塞A
3.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]2~1[：
（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]5~3[。
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]6[。
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%]6[。
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]9~7[。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（Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System）的意思“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”。VTEC全称是可变气门正时和升程电子控制系统，它能随发动机转速、负荷、水温等运行参数的变化，而适当地调整配气正时和气门升程，使发动机在高、低速下均能达到最高效率。当转速在不断提高时，发动机的各传感器将监测到的负荷、转速、车速以及水温等参数送到电脑中，电脑对这些信息进行分析处理。当达到需要变换为高速模式时，电脑就发出一个信号打开VTEC电磁阀，使压力机油进入摇臂轴内顶动活塞，使三只摇臂连接成一体，使两只气门都按高速模式工作。当发动机转速降低达到气门正时需要再次变换时，电脑再次发出信号，打开VTEC电磁阀压力开头，使压力机油泄出，气门再次回到低速工作模式。与普通发动机相比，VTEC 发动机所不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法，它有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的调节进行自动转换。通过VTEC系统装置，发动机可以根据行驶工况自动改变气门的开启时间和提升程度，即改变进气量和排气量，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。
2001年，HONDA再次向世界车坛推出了新一代的VTEC技术，名为i-VTEC
（intelligent-Variable Valve Timing and Lift Electronic Control 智能可变气门相位及升程电子控制系统）i-VTEC就是在VTEC引擎上加入VTC（Variable Timing Control 时机变量控制）的装备，从名字就可以看出来，它也利用到跟VANOS与VVT-i类似的方式来"连续式"地转动凸轮轴的开与关，所以就达到了所谓的"气门重叠角的控制"，这就是进、排气门的正时与开启的重叠时间的可变是由油压控制的VTC操控，使凸轮轴转动些角度(向右，向左)，进而提早或延迟去驱动到气门的开或关的时间，这跟VVT-i中的调节器有一样的功能，i-VTEC也跟VVTL-i一样的组合出"可连续性"变化的气门正时与气门重叠时间，"2-stage" 改变升程的可变气门机构於引擎的进气端与排气端。此系统最大可以将点火提前角提早50度，还加入了可变进气歧管技术，以改善低转扭力反应，例如大名鼎鼎的美版Acura RSX Type-S（DC5）上搭载的K20A2，升功率为110ps。现在，装有i-VTEC的引擎已经被充分运用在HONDA的各系列车型当中，消费者已能充分感受它带来的高燃油利用率和低油耗的成果]12[。
4.2丰田VVT-i
VVT-i是丰田独有的领先发动机技术，VVT-i （Variable Valve Timing and Lift with intelligence）的意思是“智能可变配气正时系统”。该系统的最大特点是可根据发动机的状态控制进气凸轮轴，通过调整凸轮轴转角对配气时机进行优化，以获得最佳的配气正时，从而在所有速度范围内提高扭矩，并能大大改善燃油经济性，有效提高汽车的功率与性能，减少油耗和废气排放。
目前丰田皇冠、锐志、卡罗拉等车型采用的是双VVT-i技术，双VVT-i指的是分别控制发动机的进气系统和排气系统。在急加速时，控制进气的VVT-i会提前进气时间，并提高气门的升程，而控制排气的VVT-i会推迟排气时间，从而有效地提升发动机动力。同时，由于进气量的加大，也使得汽油的燃烧更加完全，实现低排放的目的。简单的说，就是在原有VVT-i对进气阀门进行控制的基础上，双VVT-i对排气阀门也进行控制。电脑根据发动机转速、节气门的开度，对开闭双方的阀门进行连续的调节，可以在全转速范围内提高进排气效率和提高扭矩。
4.3宝马Double-Vanos/Valvetronic
宝马的VANOS系统是一个由车辆发动机管理系统操纵的液压和机械相结合的凸轮轴控制设备。VANOS系统基于一个能够调整进气凸轮轴与曲轴相对位置的调整机构。双VANOS(Bi-vanos)则增加了对进排气凸轮轴的调整机构。
VANOS系统根据发动机转速和加速踏板位置来操作进气凸轮轴。在发动机转速达到最低时，进气门将随后开启以改善怠速质量及平稳度。发动机处于中等转速时，进气门提前开启以增大扭矩并允许废气在燃烧室中进行再循环从而减少耗油量和废气的排放。最后，当发动机转速很高时，进气门开启将再次延迟，从而发挥出最大功率。
怠速时，凸轮正时延迟。在非怠速状态下，DME为电磁线圈通电控制油压推动杯状齿轮，在中等转速下推动凸轮提前12.5度，然后在5000转/分时，允许其回到初始位置。中速运转时推力越大气缸充气越好，扭矩也就越大。我们听到的噪声是因公差而造成的杯状装置进出时链轮的轻微摆动声音]13[。
在油门踏板位置和发动机转速的作用下，进排气凸轮轴的气门正时根据发动机所需的功率进行了调整，双VANOS系统（双可变凸轮轴控制）以此使扭矩得到了显著提升。
双VANOS系统改善了低转速功率，使扭矩曲线趋于平缓并能为该组凸轮轴扩展功率带。双VANOS系统发动机的扭矩峰值比单VANOS低450转，功率峰值高200转/分，1500-3800转/分下的扭矩曲线也得到了改善。同时，扭矩下降的速度不会超过功率峰值]14[。
双VANOS系统的优点在于在各种工作状态下，系统能够单独控制热的废气流入进气歧管。这被称为“内部”废气再循环，使得废气中的可用成分得以进行再循环。
宝马的Valvetronic（连续可变气门正时及升程）少了节流阀的设计，如同我们鼻子或肺在作呼吸动作时一样地跟空气直接接触，而省略掉节流阀后，引擎在进新鲜空气时，将更顺畅，少掉因为空气流动的一些粘著力与摩擦力，而使引擎在运转时省去不必的损失。一般的车子，当我们用脚踏加油门时，是驱动着钢索而通到节流阀这开关的，而踏油门的深浅正控制著节流阀的开或关的程度，而引进的就是将进入引擎燃烧室燃烧的新鲜空气，所以，节流阀正控制著燃烧室的空气量与流动速率；然而，取代这"机械式"的进气节流阀机制后，取代的是"电子式"的可变电阻，依我们踏油门的深浅，经过这可变电阻而来决定"进气量"。
而Valvetronic比起VVTL-i与i-VTEC更进一步的地方是它除了可连续性变化气门的开关正时与相位外，Valvetronic连升程也是连续性微调。这比VVT-i与跟i-VTEC在升程上是"阶段式"地更进一步了。要作到气门的升程变化几乎都要透过摇臂的设计来完成这动作，而宝马更进一步的地方就是在此处比本田或丰田多下点功夫，Valvetronic的摇臂是"偏心轴"的转动，所以当摇臂作动时，非固定在圆心转动，而是稍微偏离中心点，虽然量不大，但是一经过摇臂的长度施力(如杠杆原理一样)，阀门开与关的"深度"就可以被改变
了]16[。(如图2.1所示，是正常的摇臂，它作动时即固定在圆心，而Valvetronic的"偏心轴"摇臂则巧妙地使它在作动时，会有不等量的伸长来驱动到气门的开关深度，所以升程就被微量的变化了凸轮轴借由摇臂去驱动气门的开与关。
图4 宝马Valvetronic系统中摇臂的工作状态
就这样，Valvetronic配合着double-VANOS(双凸轮轴)原本就有的连续性可变气门正时机构，而作到了"正时与重叠时间，还有升程都可以连续性的变化，这就是它优越的地方。]17[
5结论
（1）要对曲柄连杆机构和配气机构的现状及前景分析，首先需要对其结构有一定的认识和了解，然后分析它的不足，最后有针对性地进行优化。
（2）从曲柄连杆机构和配气机构的结构来看，为了适应人们对汽车更高更好的要求，在相当长的一段时间内其必然朝着内燃机配气机构的可变技术方向发展。
当今内燃机配气机构的发展趋向是在排量不变的前提下，提高内燃机性能指标。不论是多气门配气机构还是在此基础上演化而来的可变气门运动配气机构，其基本出发点都是，在更大范围内使内燃机动力指标、经济指标和生态指标等达到最优，这是传统配气机构无法完成的。
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[14] 苏炎玲，舒歌群，李志锐.内燃机无凸轮电液驱动配气机构控制技术[J].小型内燃机与摩托车，2004.
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致谢
时光飞逝，岁月如梭，转眼四年的大学的学习生活即将结束了，在这四年的学习生活中，塑造了我乐观的态度和坚毅的品格。
在这四年的学习生活中首先要感谢尊敬的李老师。您吃苦耐劳的敬业精神、严谨求实的治学风范、诲人不倦的态度、谦虚的品格、以及对他人的宽容和对自身的严格要求，都使我获益匪浅，受益终生。
在这里我也要感谢我的父母，感谢他们这么多年来养育我，教育我，给我指引人生的道路，让我不断的成长。我也想借此机会谢谢我的父母，就是因为有了你们我的生活才会更好！
再次感谢尊敬的李老师对我在学习时及在作论文中给予细心指导和无私帮助，您在许多具体问题上对我的指导和帮助，使我的论文得以顺利完成，令我受益匪浅。
感谢我的许多同学和室友在学习中以及在我做论文时给予无私帮助以及提出许多宝贵
意见，在此祝愿他们学习进步、工作顺利。
一、填空题 1．充气效率越高，进人气缸内的新鲜气体的量就__多_____，发动机研发出的功率就__高____。 2．气门式配气机构由__气门组___ 和___气门传动组______组成。 3．四冲程发动机每完成一个工作循环,曲轴旋转__2___周，各缸的进、排气门各开启___1____ 次,此时凸轮轴旋转___1___周。 4．气门弹簧座是通过安装在气门杆尾部的凹槽或圆孔中的___锁片____或___锁块____ 固定的。 5．由曲轴到凸轮轴的传动方式有下置式、上置式和中置式等三种。 6．气门由__头部___和 ___杆身____两部分组成。 7．凸轮轴上同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置与既定的___配气相位____相适应。 8．根据凸轮轴___旋向_____和同名凸轮的 ____夹角____可判定发动机的发火次序。 9．汽油机凸轮轴上的斜齿轮是用来驱动__机油泵___和__分电器____的。而柴油机凸轮轴上的斜齿轮只是用来驱动___机油泵____的。 10．在装配曲轴和凸轮轴时,必须将___正时标记____对准以保证正确的___配气相位__。 二、判断题 1．充气效率总是小于1的。 ( √ ) 2．曲轴正时齿轮是由凸轮轴正时齿轮驱动的。 ( X ) 3．凸轮轴的转速比曲轴的转速快1倍。 ( X ) 4．气门间隙过大，发动机在热态下可能发生漏气，导致发动机功率下降。( √ ) 5．气门间隙过大时，会使得发动机进气不足，排气不彻底。 ( √ ) 6．对于多缸发动机来说，各缸同名气门的结构和尺寸是完全相同的，所以可以互换使用。 ( X ) 7．为了安装方便，凸轮轴各主轴径的直径都做成一致的。 ( X ) 8．摇臂实际上是一个两臂不等长的双臂杠杆，其中短臂的一端是推动气门的。 ( X ) 9.非增压发动机在进气结束时，气缸内压力小于外界大气压。（ X ） 10.发动机在排气结束时，气缸内压力小于外界大气压。（ X ） 11.进气门迟闭角随着发动机转速上升应加大。（ X ） 12.气门重叠角越大越好。（ X ）
（一）发动机配气机构 一、实验目的 1 ．熟悉发动机配气机构零件的构造特点和配气机构整个系统的特点 2 ．熟练进行凸轮轴、气门组的拆装 3 ．熟练进行不同发动机配气机构气门间隙的检查、调整方法与步骤 二、实验原理 配气机构的功用是按照发动机的工作顺序和各缸工作循环的要求，定时开启和关闭进排气门，使可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）准时进入气缸，使燃烧后的废气及时从气缸内排出。 根据气门在发动机上布置型式，分顶置式配气机构和侧置式配气机构。其中顶置式配气机构应用最广泛。它由气门组和气门传动组两部分组成。 气门组主要机件有气门、气门座、气门弹簧、气门导管等。 气门传动组根据凸轮轴的布置型式由摇臂、摇臂轴、调整螺钉、推杆、挺杆、凸轮轴和正时齿轮（链轮）等。 凸轮轴布置型式可分下置、中置、上置三种。 凸轮轴下置式配气机构中的凸轮轴位于曲轴箱中部。 凸轮轴中置式配气机构中的凸轮轴位于气缸体上部，省去推杆。 凸轮轴上置式配气机构中的凸轮轴位于气缸盖上，这种结构中的凸轮轴可通过摇臂来驱动气门，也可通过凸轮轴直接驱动气门。 三、实验仪器 四、实验内容和步骤 （一）顶置气门式配气机构气门组的拆卸 1、首先从发动机上拆去燃料供给系、点火系等有关部件。 2、拆下气缸拆下气缸盖罩，拆下摇臂机构及凸轮轴（凸轮轴上置式），取出推杆（凸轮轴下置式）。 3、拆下气缸盖（方法步骤同曲柄连杆机构）。 4、用气门弹簧钳拆卸气门弹簧，依次取出锁块、弹簧座、弹簧和气门。锁块应用尖嘴钳取出。将拆下的气门做好相应标记，按缸号顺序放置。 5、从缸盖下面向上平面方向用压床将气门导管压出（或用尺寸合适的冲头以手锤轻轻击出）。 6、将摇臂机构解体。 （二）气门传动组的拆卸（凸轮轴下置或中置） 1、取下气门挺杆（应保持各气门挺杆正确的存放顺序，以利于将来安装）。 2、取下驱动皮带和水泵皮带轮，取下曲轴皮带轮。 3、拆下正时链盖，取下正时链张紧器。
第三章 配气机构 一、概述 1．功用： 配气机构是进、排气管道的控制机构，它按照气缸的工作顺序和工作过程的要求，准时地开闭进、排气门、向气缸供给可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）并及时排出废气。另外，当进、排气门关闭时，保证气缸密封。进饱排净，四行程发动机都采用气门式配气机构。 2．充气效率 新鲜空气或可燃混合气被吸入气缸愈多，则发动机可能发出的功率愈大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率v η表示。 o v m m =η 气质量充满气缸工作容积的新进气系统进口状态下量实际充入气缸的新气质进气过程中,,→→ v η越高，表明进入气缸的新气越多，可燃混合气燃烧时可能放出的热量也就越大，发动机的功率越大。 3．型式 ① ? ??气门侧置式配气机构气门顶置式配气机构分根据气门安装位置不同, （图3-1） 气门位于气缸盖上称为气门顶置式配气机构，由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门和气门弹簧等组成。其特点，进气阻力小，燃烧室结构紧凑，气流搅动大，能达到较高的压缩比，目前国产的汽车发动机都采用气门顶置式配气机构。 气门位于气缸体侧面称为气门侧置式配气机构，由凸轮、挺柱、气门和气门弹簧等组成。省去了推杆、摇臂等另件，简化了结构。因为它的进、排气门在气缸的一侧，压缩比受到限制，进排气门阻力较大，发动机的动力性和高速性均较差。逐渐被淘汰。 ② ?? ???凸轮轴上置式凸轮轴中置式凸轮轴下置式按凸轮轴布置位置 （图3-2） 凸轮轴下置式，主要缺点是气门和凸轮轴相距较远，因而气门传动另件较多，结构较复杂，发动机高度也有所增加。 凸轮轴中置,凸轮轴位于气缸体的中部由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，省去推杆，这种结构称为凸轮轴中置配气机构。 凸轮轴上置,凸轮轴布置在气缸盖上。凸轮轴上置有两种结构，一是凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，这样既无挺柱，又无推杆，往复运动质量大大减小，此结构适于高速发动机。另一种是凸轮轴直接驱动气门或带液力挺柱的气门，此
1．功用： 配气机构是进、排气管道的控制机构，它按照气缸的工作顺序和工作过程的要求，准时地开闭进、排气门、向气缸供给可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）并及时排出废气。另外，当进、排气门关闭时，保证气缸密封。进饱排净，四行程发动机都采用气门式配气机构。 2．充气效率 新鲜空气或可燃混合气被吸入气缸愈多，则发动机可能发出的功率愈大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率ηv表示。ηv越高，表明进入气缸的新气越多，可燃混合气燃烧时可能放出的热量也就越大，发动机的功率越大。 3．型式 气门位于气缸盖上称为气门顶置式配气机构，由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门和气门弹簧等组成。其特点，进气阻力小，燃烧室结构紧凑，气流搅动大，能达到较高的压缩比，目前国产的汽车发动机都采用气门顶置式配气机构。 气门位于气缸体侧面称为气门侧置式配气机构，由凸轮、挺柱、气门和气门弹簧等组成。省去了推杆、摇臂等另件，简化了结构。因为它的进、排气门在气缸的一侧，压缩比受到限制，进排气门阻力较大，发动机的动力性和高速性均较差，逐渐被淘汰。 凸轮轴下置式，主要缺点是气门和凸轮轴相距较远，因而气 门传动另件较多，结构较复杂，发动机高度也有所增加。
凸轮轴中置,凸轮轴位于气缸体的中部由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，省去推杆，这种结构称为凸轮轴中置配气机构。凸轮轴上置,凸轮轴布置在气缸盖上。 凸轮轴上置有两种结构，一是凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，这样既无挺柱，又无推杆，往复运动质量大大减小，此结构适于高速发动机。另一种是凸轮轴直接驱动气门或带液力挺柱的气门，此种配气机构的往复运动质量更小，特别适应于高速发动机. 凸轮轴下置，中置的配气机构大多采用圆柱形正时齿轮传动，一般 从曲轴到凸轮轴只需一对正时齿轮 传动，若齿轮直径过大，可增加一个中间齿轮。为了啮合平稳， 减小噪声，正时齿轮多用斜齿。 链条与链轮的传动适用于凸轮轴上置的配气机构，但其工作可 靠性和耐久性不如齿轮传动。近年来高速汽车发动机上广泛采 用齿形皮带来代替传动链，齿形带传动，噪声小、工作可靠、 成本低. 一般发动机都采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。为了改善换气，在可能的条件下，应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径。但是由于燃烧 室尺寸的限制，气门直径最大一般不能超过气缸直径的一半。当气 缸直径较大，活塞平均速度较高时，每 缸一进一排的气门结构就不能保证良 好的换气质量。因此，在很多新型汽车 发动机上多采用每缸四个气门结构。即 两个进气门和两个排气门。 4．组成
利用AVL EXCITE Timing Drive进行配气机构动力学分析 崔英杰刘波张璐 （奇瑞发动机工程研究二院试验与分析部，安徽芜湖， 241009）摘要：利用A VL Timing Drive建立某机型配气机构的单阀系模型，评价凸轮型线和配气机构各零件的动力学表现。首先分析凸轮型线运动学，然后判断该配气机构是否会出现气门飞脱、反跳、弹簧并圈、液力挺柱失效、凸轮磨损等现象，评价气门动力学特性及本组型线的可行性。 关键词：发动机；配气机构；运动学；动力学 主要软件：A VL EXCITE Timing Drive 1. 前言 本文通过A VL EXCITE Timing Drive建立配气机构的单阀系仿真模型，继而对一组凸轮型线进行动力学分析，考察是否会出现气门飞脱、反跳、弹簧并圈、液力挺柱失效、凸轮磨损等现象，评价气门动力学特性及本组型线的可行性。 2.模型搭建 2.1 配气机构布置图 该机型采用双顶置凸轮轴，配气机构主要由凸轮、液力挺柱、指型摇臂、气门及气门弹簧等零件组成，摇臂几何尺寸由机构布置如图1确定。 图1 配气机构布置图 2.2 零件质量、刚度、阻尼参数值确定 各零件质量、转动惯量均从Pro/E三维数模中分析所得。 指型摇臂、气门杆、气门阀面的刚度按照培训教材推荐采用有限元方法计算，弹簧的刚度则由弹簧测力曲线用曲线拟合方法得到变刚度值。
零件相互之间相对阻尼，都采用培训教材中所推荐的值。 2.3 其他参数 缸内压力曲线、排气道压力曲线由BOOST提供，如图2、3。 图2 缸内压力曲线图3 排气道压力曲线 2.3 EXCITE Timing Drive模型建立 采用以上数据，建立A VL EXCITE Timing Drive单阀系分析模型，如图4。 图4 TYCON分析模型 3.计算结果分析 3.1 型线运动学分析 以该发动机超速转速，分析这组凸轮型线。图5、6分别为进、排气气门的升程、速度、加速度曲线。 图5 进气运动学分析图6 排气运动学分析
第三章配气机构 配气机构（一） 教学目的 1、掌握配气机构的布置形式。 2、掌握配气相位与气门间隙的知识。 教学安排 组织教学 讲述新课 功用：按照气缸的工作顺序和工作过程的要求，准时地开闭进、排气门，向气缸供给可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）并及时排出废气。 充气效率：新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率表示。 §3.1 配气机构的布置形式 一、配气机构布置形式和工作情况 （一）布置形式 按气门的布置形式分：顶置气门式和侧置气门式。侧置气门式已趋于淘汰； 按凸轮轴安装位置分：上置凸轮轴式、中置凸轮轴式和下置凸轮轴式； 按曲轴和凸轮轴的传动方式分：齿轮传动式、链条传动式和齿形皮带传动式； 按每个气缸的气门数目分：2气门式、3气门式、4气门式和5气门式。 （二）工作过程 运动传递路线：曲轴→凸轮轴→挺柱→推杆→摇臂→气门 四冲程发动机曲轴与凸轮轴的传动比为2:1。 二、凸轮轴布置型式及特点 §3.2 配气相位与气门间隙 一、配气相位 配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间。 通常用环形图表示——配气相位图。 气门重叠： 两个气门同时开启时间相当的曲轴转角叫作气门重叠角。
二、气门间隙 作用：为气门热膨胀留有余地，以保证气门的密封。 间隙过小：发动机工作后，零件受热膨胀，将气门推开，使气门关闭不严，造成漏气，功率下降，并使气门的密封表面严重积碳或烧坏，甚至气门撞击活塞。 间隙过大：进、排气门开启迟后，缩短了进排气时间，降低了气门的开启高度，改变了正常的配气相位，使发动机因进气不足，排气不净而功率下降，此外，还使配气机构零件的撞击增加，磨损加快。 采用液压挺柱的配气机构不需要留气门间隙。 作业 1、配气机构有何功用？凸轮轴的布置形式有哪几种？各有什么特点？ 2、什么是配气相位？画出配气相位图，并注明气门重叠角。 3、气门为何要早开晚关？ 配气机构（二） 教学目的 掌握配气机构主要零件的功用及构造 教学安排 组织教学 复习旧课 1、配气机构的功用、凸轮轴的布置形式及特点； 2、配气相位、画出配气相位图、气门重叠角。 讲述新课 §3.3 配气机构的主要零件与组件 一、气门组 包括：气门、气门座、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座及锁片等。 1、气门 功用：控制进、排气管的开闭 构造：气门由头部和杆部组成。气门密封锥面与气门座配对研磨。 杆身装在气门导管内起导向作用，杆身与头部采用圆滑过渡连接。 尾部制有凹槽（锥形槽或环形槽）用来安装锁紧件。
第31卷第3期重庆大学学报 Vo.l 31 No .3 2008年3月 Jour nal of Chongqi n g U niversity M ar .2008 文章编号:1000-582X (2008)03-0294-05 内燃机配气机构系统动力学分析 张晓蓉1,2 ,朱才朝2 ,吴佳芸 2 (1.重庆科技学院机械学院,重庆400042;2.重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400030) 摘 要:内燃机配气机构直接影响着内燃机的性能和可靠性。论文对顶置四气门配气机构工作过程进行了分析,采用理论计算和实验方法确定了配气机构动力学模型的主要参数,利用AVL / TYCON 分析软件建立了顶置配气机构凸轮轴)摇臂)气门系统的一维动力学分析模型,并对其动态特性进行了数值仿真,验证了动力学模型及分析结果的正确性,为配气机构动态性能的评价和优化提出了理论依据。 关键词:内燃机;配气机构;动力学 中图分类号:TH 132.47 文献标志码:A System Dynam ic Analysis of Engine Valve -train ZHANG X i a o-ro ng 1,2 ,ZHU C a i -cha o 2 ,W U J i a -yun 2 (1.C ollege o fM echan ical Eng i n eeri n g ,Chongqi n g U niversity o f Science and Techno l o gy ,Chongqing 400042,P .R .China ; 2.State K ey Laboratory o fM echan ica lTrans m issi o n ,Chongqing University ,Chongq i n g 400030,P .R.Ch i n a)Abst ract :Va l v e tra i n is the key factor for the perfor m ance and reliab ility of eng ine .W e analyze the w or k i n g m echanis m of over head va l v e train w ith four valves ,and obtained the m a i n para m eters o f dyna m ic m odeli n g w ith t h eore tica l and experi m ental m ethods .On the basis of the above stud i e s ,w e buil d the m odel o f ca m shaf-t rocke-t valve syste m w ith AVL /TYCON soft w are .Its dyna m ic characteristics is si m ulated and ver ified by experi m ents .Th is paper prov ides a theoretical approach for the evaluati o n and opti m izati o n of dyna m ic perfor m ance of valve tra i n .K ey w ords :eng i n e ;va lve -train ;dyna m ics 配气机构是内燃机的重要组成部分,其设计优良与否直接影响内燃机的性能指标。这些指标不仅包括动力性、经济性,也包括运转性能如内燃机的振动、噪声、排放指标和可靠性等,因而开展配气机构系统动力学研究具有重要意义。 配气凸轮机构一直是内燃机研究的重要组成部分,研究内容已从最初单纯的凸轮经验设计,拓展到整个配气机构的运动学与动力学的综合研究。国外自20世纪初就有许多学者开始进行这方面的深入 研究;相比而言,国内则起步较迟,20世纪70年代起才开始全面研究凸轮设计与动力学分析,研究的重点放在凸轮型线设计、多质量动力学研究方面 [1-3] 。目前,国际上已有各种配气凸轮设计软件, 国内也出现了一些类似的软件,这些软件在速度与计算精度上都有所提高。文中以顶置四气门配气机构为例,通过理论计算和利用实验方法确定了配气机构动力学模型的主要参数,利用TYCON 分析软件建立了该配气机构的凸轮轴)摇臂)气门系统动力
第三章配气机构 3.1 概述 (2) 3.2 配气相位 (5) 3.3 配气机构的零件和组件 (8) 3.4 可变进气系统 (21) 学习目 标： 1.掌握配气机构的组成及各零部件的结构特点； 2.掌握配气相位、气门间隙； 3.掌握凸轮轴的结构特点； 4.掌握可变进气系统的结构类型特点。 学习方 法： 介绍发动机配气机构的结构及组成，通过实物教学和多媒体课件动态演示相结合，并和汽车拆装与调整实践教学相辅相承，使学生掌握各零部件的结构特点和安装要 求。 学习内 容： §3.1 概述 §3.2 配气相位 §3.3 配气机构的零件和组件 §3.4 用配气相位图分析可调间隙的气门 §3.5 可变进气系统 学习重 点： 1.配气相位； 2.气门间隙；
3.凸轮轴的结构特点； 4.可变进气系统的结构类型。 作业习 题： 1.影响充气效率的因素主要有哪些？ 2.配气机构的功用是什么？ 3.如何从一根凸轮轴上找出各缸的进排气凸轮和该发动机的发火顺序？ 4.气门弹簧起什么作用，为什么在装配气门弹簧时要预先压缩？ 5.挺柱的类型主要有哪些，液压挺柱有哪些优点？ 6.可变进气系统主要有哪几种型式？ 3.1 概述 配气机构的功用就是根据每一气缸内所进行的工作循环和点火顺序的要求，定时打开和关闭各缸的进排气门，使新气及时进入气缸和废气及时排出气缸，使换气过程最佳。好的配气机构应使发动机在各种工况下工作时获得最佳的进气量，以保证发动机在各种工况下工作时发出最好的性能。 发动机在全负荷下工作时，需获得最大功率和扭矩，这就要求在此工况下，配气机构应保证获得最大进气充量。吸入的进气越多，发动机发出的功率和扭矩越大。进气充满气缸的程度，常用充气效率 ( 也称充气系数 ) η v 表示。即：ηv =M/Mo 式中M －进气过程中，实际充入气缸的进气量； Mo －在进气状态下充满气缸工作容积的进气量。 一般情况下发动机充气效率η v 总是小于 l 的。η v 的大致范围是：
发动机配气机构系统的动力学建模及仿真分析 罗卫平,陈曼华,姜小菁,王 (金陵科技学院机电工程学院,江苏南京211169) 摘要:针对发动机配气机构系统,在ADAM S/Engine软件中建立了其虚拟模型,在此基础上,对该机构进行了仿真分析,得到了气门的升程、速度、加速度和摇臂与挺柱的接触力等特性曲线,为配气机构动态性能的评价和优化提出了理论依据,从而为虚拟样机技术在新产品开发中的应用提供了有效方法。 关键词:配气机构;ADAM S/Engine;虚拟样机;多体动力学 中图分类号:U463.33;TP391.9文献标识码:A文章编号:1672-1616(2012)01-0051-04 配气机构的功用是根据发动机每一汽缸内进 行的工作循环顺序,定时地开启和关闭各汽缸的 进、排气门,以保证新鲜可燃混合气或空气得以及 时进入汽缸,并把燃烧后生成的废气及时排出汽 缸。配气机构的传统开发方法往往是多方案的比 较和试凑过程,这种基于物理样机的频繁的试验, 会延长研发周期和增加开发成本。虚拟样机技术 就是在这种情况下产生的一种数字化的研发模式, 即工程师在计算机上建立样机模型,对模型进行各 种动态性能的分析,然后改进样机设计方案,最后 投入生产。本文就是在这样的背景下,以多体动力 学为理论基础,采用美国MDI公司开发的 ADAM S软件。对发动机配气机构进行建模与仿 真,预测实际产品的特性,提供一个全面地研究产 品工作性能的方法。 1多体系统动力学研究的理论基础 随着多体动力学的发展,目前应用于多刚体系 统动力学的方法主要有以下几种:牛顿-欧拉法、 拉格朗日方法论、图论4法、凯恩法、变分法、旋量 法等。ADAMS用刚体i的质心迪卡儿坐标和反 映刚体方位的欧拉角作为广义坐标,即:q i=[x, y,z,W,H,<]T i,q=[q T1,,,q T n]T。采用拉格朗日 乘子法建立系统运动方程[1]: d d t 5T 5q# T - 5T 5q T +f T q Q+g T q#L=Q(1) 式中:T为系统动能;q为系统广义坐标列阵;Q 为广义力列阵;Q为对应于完整约束的拉氏乘子列阵,完整约束方程时,f(q,t)=0;L为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵,非完整约束方程时,g(q, q#,t)=0。 2配气机构的动力学建模 配气机构是由凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧、挺柱、气门座等多个构件组成的机械系统,它是由凸轮的旋转带动驱动气门按预定的运动规律开启和关闭来实现配气的过程。ADAM S/Engine提供了多种配气机构部件模型的模板,因此在建立配气机构的模型时只需在ADAMS/Engine软件中选取 正确的模板,然后根据实际部件的特征,修改部件几何参数。如果模型库中不包含要建立的几何部件类型,则可以根据需要建立新的模板,然后导入标准界面进行分析[2]。本文利用ADAM S/Eng ine 模板建立了某柴油发动机顶置凸轮轴式配气机构的多刚体虚拟样机模型,如图1所示。 1)凸轮轴;2)摇臂;3)挺柱;4)气门弹簧; 5)气门;6)气门座 图1配气机构的虚拟样机模型 收稿日期:2011-08-10 作者简介:罗卫平(1973-),女,江苏南京人,金陵科技学院讲师,硕士,主要研究方向为虚拟技术和动力学仿真。
汽车摇臂、配气机构的功用及组成 气门式配气机构由气门组和气门传动组两部分组成，每组的零件组成则与气门的位置、凸轮轴的位置和气门驱动形式等有关。现代汽车发动机均采用顶置气门，即进、排气门置于气缸盖内，倒挂在气缸顶上。凸轮轴的位置有下置式、中置式和上置式3种。如果不了解，可以上https://www.doczj.com/doc/e212768011.html,看看。 一、凸轮轴下置式配气机构 凸轮轴置于曲轴箱内的配气机构为凸轮轴下置式配气机构。其中气门组零件包括气门、气门座圈、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座和气门锁夹等；气门传动组零件则包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴、摇臂轴座和气门间隙调整螺钉等。下置凸轮轴由曲轴定时齿轮驱动。发动机工作时，曲轴通过定时齿轮驱动凸轮轴旋转。当凸轮的上升段顶起挺柱时，经推杆和气门间隙调整螺钉推动摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门弹簧使气门开启。当凸轮的下降段与挺柱接触时，气门在气门弹簧力的作用下逐渐关闭。四冲程发动机每完成一个工作循环，每个气缸进、排气一次。这时曲轴转两周，而凸轮轴只旋转一周，所以曲轴与凸轮轴的转速比或传动比为2∶1。 二、凸轮轴中置式配气机构
凸轮轴置于机体上部的配气机构被称为凸轮轴中置式配气机构。与凸轮轴下置式配气机构的组成相比，减少了推杆，从而减轻了配气机构的往复运动质量，增大了机构的刚度，更适用于较高转速的发动机。 有些凸轮轴中置式配气机构的组成与凸轮轴下置式配气机构没有什么区别，只是推杆较短而已，如YC6105Q、6110A、依维柯8210.22S和福特2.5ID等发动机都是这种机构。 三、凸轮轴上置式配气机构 凸轮轴置于气缸盖上的配气机构为凸轮轴上置式配气机构(OHC)。其主要优点是运动件少，传动链短，整个机构的刚度大，适合于高速发动机。由于气门排列和气门驱动形式的不同，凸轮轴上置式配气机构有 多种多样的结构形式。气门驱动形式有摇臂驱动、摆臂驱动和直接驱动三种类型。 1.摇臂驱动、单凸轮轴上置式配气机构凸轮轴推动液力挺柱，液力挺柱推动摇臂，摇臂再驱动气门；或凸轮轴直接驱动摇臂，摇臂驱动气门。 2.摆臂驱动、凸轮轴上置式配气机构由于摆臂驱动气门的配气机构比摇臂驱动式刚度更好，更有利于高速发动机，因此在轿车发动机上的应用比较广泛。如CA4883、SH680Q、克莱斯勒A452、奔驰QM615、奔驰M115等发动机均为单上置凸轮轴(SOHC)摆臂驱动式配气机构；而本田B20A、尼桑VH45DE、三菱3G81、富士EJ20等发动机都是双上置凸轮轴(DOHC)摆臂驱动式配气机构。
第三章配气机构 一、填空题 1?充气效率越高，进人气缸内的新鲜气体的量就___ 多____，发动机研发出的功率就__高____。 2?气门式配气机构由__气门组____ 和___气门传动组______组成。 3?四冲程发动机每完成一个工作循环,曲轴旋转____2___周，各缸的进、排气门各开启____1___ 次,此时凸轮轴旋转_____1___周。 4?气门弹簧座是通过安装在气门杆尾部的凹槽或圆孔中的___锁片____或___锁块____ 固定的。 5?由曲轴到凸轮轴的传动方式有下置式、上置式和中置式等三种。 6?气门由__头部____和__杆身_____两部分组成。 7?凸轮轴上同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置与既定的__配气相位_____相适应。8?根据凸轮轴____旋向____和同名凸轮的___夹角______可判定发动机的发火次序。9?汽油机凸轮轴上的斜齿轮是用来驱动___机油泵____和__分电器____的。而柴油机凸轮轴上的斜齿轮只是用来驱动___机油泵____的。 10?在装配曲轴和凸轮轴时,必须将__正时标记_____对准以保证正确的_配气相位___ 二、判断改错题 1?充气效率总是小于1的。( √) 改正: 2?曲轴正时齿轮是由凸轮轴正时齿轮驱动的。( ×) 改正: 3?凸轮轴的转速比曲轴的转速快1倍。(×) 改正: 4?气门间隙过大，发动机在热态下可能发生漏气，导致发动机功率下降。( ×) 改正: 5?气门间隙过大时，会使得发动机进气不足，排气不彻底。( √) 改正: 6?对于多缸发动机来说，各缸同名气门的结构和尺寸是完全相同的，所以可以互换使用。( ×) 改正: 7?为了安装方便，凸轮轴各主轴径的直径都做成一致的。( ×) 改正: 8?摇臂实际上是一个两臂不等长的双臂杠杆，其中短臂的一端是推动气门的。( ×) 改正: 三、选择题(有一项或多项正确) 1?曲轴与凸轮轴之间的传动比为( A )。 A?2:1 B?l:2C?l:l D?4:1 2?设某发动机的进气提前角为，进气迟关角为，排气提前角为，排气迟关角为，则该发动机的进、排气门重叠角为( C )。 A? B? C? D? 3?曲轴正时齿轮一般是用( D )制造的。
Article ID:100420579(2000)0420375205 Multibody System Dynamics Analysis for V alve T rains Q IN Wen2jie, ZUO Zheng2xing (School of Vehicle and Trans portation Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing100081) Abstract:The theory of multibody system dynamics is used to simulate valve trains’kinematics and dynamics characteristics,and the methods of establishing and analyzing the multibody sys2 tem dynamics model for valve trains are discussed.Since most of the flexible bodies of a valve train are slender parts,the finite segment method is used to build their models.Other parts such as cams,valve heads etc.,are built as rigid bodies.After applying the constraints,forces and motions,the establishing of the whole system is accomplished,and the Lagrange’s multiplier method can be used to obtain its dynamics constitutive equations.As an example,a valve trainπs multibody system model of4100QB engine made by the Yunnan Internal Combustion Engine Limited2Liability Company is established,and the analysis results obtained show that its work2 ing performance is generally good except that the air2pass ability and the lubrication effect of the cam and the tappet have to be improved. K ey w ords:valve train;multibody system;dynamics C LC number:T K4 Document code:A Valve trains are broadly used to control the induction and exhaust of four2stroke engines. They are usually designed as rigid systems,in which valves’movements are completely controlled by the cam’s profiles.In fact,a valve train is an elastic system and the valve’s motion will devi2 ate from the theoretical result derived from the kinematics analysis due to the effect of the inertia and the elastic vibration.Thus the separation in the mechanism will occur and this will make its working conditions worse[1].With the improvement of engine’s speed,these dynamics problems become more and more significant.Therefore,the valve train’s dynamics characteristics must be checked. Usually a valve train is considered as a single2mass or multi2mass vibration system in the dy2 namic analysis[2].But this method cannot reflect the parts’movement and deformation directly, and the model’s parameters must be derived from experiments or other analysis.This will in2 crease the difficulties of model establishment and influence the calculation’s explicitness.Multi2 body system dynamics is a new science which studies the mechanics properties of the system com2 posed of flexible bodies and rigid bodies during the large span spatial movements.According to such a structure2mechanism system as a valve train,using it can not only simulate the motions and R eceived d ate:2000206212 Biography:QIN Wen2jie(1968-),female,lecturer,master.
单元三配气机构 一、填空题 1．充气效率越高，进人气缸内的新鲜气体的量就__多_____，发动机研发出的功率就__高____。 2．气门式配气机构由__气门组___ 和___气门传动组______组成。 3．四冲程发动机每完成一个工作循环,曲轴旋转__2___周，各缸的进、排气门各开启 ___1____ 次,此时凸轮轴旋转___1___周。 4．气门弹簧座是通过安装在气门杆尾部的凹槽或圆孔中的___锁片____或___锁块____ 固定的。 5．由曲轴到凸轮轴的传动方式有下置式、上置式和中置式等三种。 6．气门由__头部___和___杆身____两部分组成。 7．凸轮轴上同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置与既定的___配气相位____相适应。 8．根据凸轮轴___旋向_____和同名凸轮的____夹角____可判定发动机的发火次序。 9．汽油机凸轮轴上的斜齿轮是用来驱动__机油泵___和__分电器____的。而柴油机凸轮轴上的斜齿轮只是用来驱动___机油泵____的。 10．在装配曲轴和凸轮轴时,必须将___正时标记____对准以保证正确的___配气相位__。 二、判断题 1．充气效率总是小于1的。( √) 2．曲轴正时齿轮是由凸轮轴正时齿轮驱动的。( X) 3．凸轮轴的转速比曲轴的转速快1倍。( X) 4．气门间隙过大，发动机在热态下可能发生漏气，导致发动机功率下降。( √) 5．气门间隙过大时，会使得发动机进气不足，排气不彻底。( √) 6．对于多缸发动机来说，各缸同名气门的结构和尺寸是完全相同的，所以可以互换使用。( X) 7．为了安装方便，凸轮轴各主轴径的直径都做成一致的。( X) 8．摇臂实际上是一个两臂不等长的双臂杠杆，其中短臂的一端是推动气门的。 ( X) 9.非增压发动机在进气结束时，气缸内压力小于外界大气压。（X） 10.发动机在排气结束时，气缸内压力小于外界大气压。（X）
1.配气机构的作用及组成 一、功用： 是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环或发火次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气或空气得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。 二、组成： 气门组：气门及与之关联的零件； 气门传动组：从正时齿轮到推动气门动作的所有零件。 2.为什么要预留气门间隙？什么是气门间隙?为什么要留气门相位? 在气门杆尾端与摇臂端（侧置式气门机构为挺杆端）之间留有气门间隙，是为补偿气门受热后的膨胀之需的. 发动机发动时，气门将因气温升高而膨胀。如果气门以其传动件之间在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和作功行程中的漏气，从而使功率下降，严重时甚至不易启动。为了消除这种现象，通常在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中预留一定的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。这一间隙被称为气门间隙。 但是，如果气门间隙留得太大，冷态下传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击，而且加速磨损，同时使得气门开启的持续时间减少，汽缸的充气情况变坏。 所以高级轿车上都采用液压挺柱，挺柱长度能自动变化，随时补偿气门的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。 3.为什么有的配气机构中采用两个套装的气门弹簧 你所指两套装置的气门弹簧我可否理解成控制气门开闭的弹簧。 所有的气门弹簧都是大簧套小簧；并且是是旋向相反。 采取这种结构的原因是防止因为气门弹簧旋向的原因产生谐振，造成气门关闭不严，所以设置成旋向相反的两个气门弹簧，让它们的谐振频率相反进行抵消，消除谐振引起的气门关闭不严的现象 4.什么是点火提前角,其过大或过小有什么危害 点火提前角：从点火时刻起到活塞到达压缩上止点，这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角。 点火过早，会造成爆震，活塞上行受阻，效率降低，磨损加剧。点火过迟，气体做功效率低，排气声大。不论点火过早或过迟，都会影响转速的提升。 若点火提前角过大，则活塞还在向上止点运动时，气体压力已达很大的数值，活塞受到迎面而来的反向压力的作用，压缩行程的负功增加使发动机功率下降，甚至有时造成曲轴反转使发动机不能工作。而且点火提前角过大也易于发生不正常燃烧--爆燃。 若点火提前角过小，混合气的燃烧将在逐渐增大的容积内进行，因而燃烧最高压力降低，而且补燃增加，热损失增大，于是发动机功率下降，油耗增加，并使发动机过热 5.膜片弹簧式离合器特点？ 6.从动盘摩擦片上的铆钉为什么要沉入摩擦片平面以下? 如果不沉头，摩擦的就不是摩擦片，而是铆钉了。 五、问答题 1.汽油机燃料供给系的作用是什么？ 2.化油器的作用是什么？ 3.主供油装置的作用是什么？它在哪些工况下参加供油？ 4.为什么把加浓装置称为省油器？ 5.在加速泵活塞与连接板之间为什么利用弹簧传力？
配气机构的零件和组件 四冲程气门式配气机构一般都由气门组和气门传动组两部分组成。不同型式的配气机构，气门组结构差异不大，但气门传动组结构差别很大。 3.3.1 气门组 气门组包括气门、气门座、气门导管及气门弹簧等零件，如图3-3-1 所示，有的进气门还设有气门旋转机构。 3.3.1.1 气门的工作条件与材料 承受热负荷、机械负荷、冲击且冷却润滑困难。 为了保证气门的正常工作，除了在结构上采取措施外，还应当选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。根据进、排气门工作条件的不同，进气门采用一般合金钢 ( 如 40Cr 、 35CrMo 等 ) 即可，而排气门则要求用高铬耐热钢 ( 如 4Crl0Si2Mo 和 4Cr9Si2 等 ) 制造。 3.3.1.2气门 气门是保证发动机工作性能良好和可靠性、耐久性的重要零件之一。对气门的主要要求是在任何情况下都必须保证燃烧室的气密性。 气门由头部和杆部组成，如图3-3-2 所示。 气门头部 (1) 气门顶形状（如图3-3-3 所示） 球面顶：这种气门顶面具有最大的强度，但吸热面大，质量也大。球面对排气阻力有利，适于作排气门。 喇叭形顶：这种气门顶与杆部过渡具有一定的流线形，可减少进气阻力。但受热面大，一般用在高功率和赛车发动机上作进气门。 平顶：这种气门顶吸热量少，制造简单，若用较大一点圆弧连接则流动阻力也小，故是所有发动机中最常用的形式。 改良形内凹顶：它是介于喇叭形顶与平顶之间的一种形式。它制造比喇叭形顶有改进，故也有应用。 (2) 气门锥角 气门与气门座之间的配合面做成锥面，如图3-3-4 所示，以便落座时自行对正中心，接触良好。气门密封锥面并不是以全宽参加工作，从降低热负荷出发，希望接触带宽些，但接触带过大时，工作面比压下降，杂物和硬粒卡在气门锥面与气门座面之间不能很好碾碎，
第三章配气机构习题四 一、填空题 1.常用的气门间隙的调整方法有逐缸调整法和两次调整法。 2. 气门叠开角是进气提前角和排气延迟角之和。 3. 造成气门关闭不严的原因是凸轮轴与气门顶杆之间间隙过大、气门弹簧无力、气门导管间隙过大、和气门与气门坐圈之间变形或损坏。 4. 气门间隙两次调整法的实质是把发动机的曲轴摇转两次，就能把多缸发动机的所有气门全部检查调整好。 5．在装配曲轴和凸轮轴时，必须将正时标记对准以保证正确的配气正时和点火正时。 二、解释术语 1.配气相位: 进、排气门的实际开闭，用相对于上、下止点的曲轴转角来表示。 2.气门重叠: 在一段时间内进、排气门同时开启的现象。 3.进气迟关角：从排气门开启一直到活塞到达下止点所对应的曲轴转角。 三、判断题（正确打√、错误打×） 1.正时齿轮装配时，必须使正时标记对准。（√） 2.气门间隙的检查与调整是在气门完全打开，气门挺杆落至最低位置时进行的。( ) 3.在任何时候，发动机同一缸的进排气门都不可能同时开启。 ( × ) 4.曲轴正时齿轮是由凸轮轴正时齿轮驱动的。（×）凸轮轴正时齿轮是由曲轴正时齿轮驱动的 5.对于多缸发动机来说，各缸同名气门的结构和尺寸是完全相同的，所以可以互换使用。（×） 6.为了安装方便，凸轮轴各主轴径的直径都做成一致的。（×） 四、选择题 1. 常用的气门间隙调整方法有“逐缸调整法”和“两遍调整法”，其中，逐缸调整法就是依次将每个汽缸的活塞调整到( A )，并对该缸的进、排气门间隙进行调整的方法。 A、压缩行程上止点 B、排气行程上止点 C、压缩行程下止点 D、排气行程下止点 2. 调整顶置式气门间隙时，松开锁紧螺母，旋松调整螺钉，将厚薄规插入( C )之间，用平口起子调整间隙恰当后，固定并锁紧调整螺钉即可。 A、调整螺钉与推杆 B、推杆与挺柱 C、摇臂与气门杆 D、气门与气门杆 3．曲轴正时齿轮一般是用（ D ）制造的。 A．夹布胶木 B．铸铁 C．铝合金 D．钢 4．凸轮轴上凸轮的轮廓的形状决定于（ B ）。 A．气门的升程 B．气门的运动规律 C．气门的密封状况 D．气门的磨损规律 5．四冲程四缸发动机配气机构的凸轮轴上同名凸轮中线间的夹角是（ C ）。 A．180° B．60° C．90° D．120°