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工程,2013,5,245 - 250
DOI：10.4236/eng.2013.53035在線發(fā)布2013年3月(http://www.scirp. org/journal/eng)
內(nèi)燃機連續(xù)可變氣門正時齒輪傳動機構(gòu)
奧薩馬·本·M.河1 ， 穆罕默德·H.墻裙2
機械工程系，應(yīng)用科學(xué)大學(xué)，安曼，喬丹
機械工程系，約旦大學(xué)，約旦，安曼
電子郵件：hamzy211@yahoo.com，dado@ju.edu.jo
2012年12月18日收到；2013年1月15日修訂；2013年1月23日被接受
摘要
連續(xù)可變氣門驅(qū)動（CVVA）技術(shù)提供了高的潛力，實現(xiàn)高性能，低燃料消耗和污染物減排 。從中得到充分的好處（CVVT）各種類型的機制已經(jīng)提出并設(shè)計。這些機制的一部分機制進行生產(chǎn)，對改善發(fā)動機的性能表現(xiàn)出顯著的好處。本研究設(shè)計一個新的齒輪傳動機構(gòu)，從控制LS的進氣閥打開（Ivo）和關(guān)閉（IVC）的角度進行了研究。 該控制方案的基礎(chǔ)上最大限度地發(fā)揮發(fā)動機制動功率（P）和燃油消耗（BSFC）在任何轉(zhuǎn)速連續(xù)變化的凸輪軸角度和曲軸轉(zhuǎn)角之間的相。 單缸發(fā)動機是由“蓮花”軟件模擬，找出最佳在給定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的最大功率和最小燃料消耗的相位角。該機構(gòu)是一個平面的齒輪傳動設(shè)計的精確和連續(xù)控制。 這種機制在一個簡單的設(shè)計和操作條件下，它可以沒有限制的改變相位角。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計；行星齒輪；可變氣門定時；火花點火發(fā)動機；性能
1. 介紹
在內(nèi)燃機中，可變氣門正時（VVT），也被稱為變閥致動器（VVA），是一個廣義的術(shù)語，是一個用來描述任何機構(gòu)或廣義方法，可以改變在一個內(nèi)燃機[1-6]氣門升程的形狀或定時事件的。（VVT）系統(tǒng)允許提升，持續(xù)時間或時間（在各種的組合）的攝入和/或排氣閥應(yīng)轉(zhuǎn)變而發(fā)動機在運轉(zhuǎn)，這對發(fā)動機性能和排放有重要影響。在一個標準的發(fā)動機，氣門的事件是固定的，所以每次在不同的負載和速度性能一直是一個COM的承諾之間的駕駛性能（功率和扭矩），燃油經(jīng)濟性和排放。發(fā)動機配備可變氣門驅(qū)動系統(tǒng)是從這個條件約束中解放出來，使性能得到了發(fā)動機的工作范圍[7-10]改進。
某些類型的可變氣門控制系統(tǒng)優(yōu)化功率和扭矩，通過改變閥門開度的時間和/或持續(xù)時間。這些閥門控制系統(tǒng)優(yōu)化性能，在低中檔的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。其他重點加強高轉(zhuǎn)速功率。還有的系統(tǒng)同時提供這些好處，通過控制氣門正時。這可以實現(xiàn)的方法有很多，范圍從機械設(shè)備的液壓，氣動和無凸輪系統(tǒng)[11-14]。液壓系統(tǒng)遭受許多問題，包括由于溫度變化，液體趨向于像一個堅實的高速行駛時，液壓系統(tǒng)的液壓介質(zhì)的粘度變化，必須仔細地控制，需要使用功能強大的計算機和非常精確的傳感器。利用氣動驅(qū)動發(fā)動機閥將在所有的可能性中不可行，因為它們的復(fù)雜性和壓縮的空氣所需的能量的量非常大。無凸輪系統(tǒng)（或免費使用的電磁閥發(fā)動機），液壓或氣動執(zhí)行器，打開錐閥代替。常見的問題包括高功耗，高速的準確性，溫度敏感性，重量和包裝的問題，噪音高，成本高，不安全的情況下操作的電氣問題。Multiair系統(tǒng)（或UniAir）是一個電液可變氣門技術(shù)進氣控制（無節(jié)流閥）在汽油或柴油發(fā)動機。該系統(tǒng)允許最佳進氣閥開啟的時間表，它可以完全控制氣門升程和時間。
2.連續(xù)可變氣門正時(CVVT)
首先，（CVVT）系統(tǒng)提供了一個獨特的能力，有獨立的進氣和排氣閥門控制內(nèi)燃機[15-17]。對于任何發(fā)動機負荷標準，進氣和排氣的時機可以獨立地編程，并在所有情況下，可以優(yōu)化發(fā)動機的性能。然而，如果氣門正時可以獨立控制的曲柄軸的旋轉(zhuǎn)，然后接近無限的閥定時的情況下，可容納這將大大提高汽車的燃油經(jīng)濟性和排放水平。這些系統(tǒng)用于汽油發(fā)動機，如豐田，日產(chǎn)，本田，和其他幾個汽車比爾斯。在2010年，三菱開發(fā)，并開始批量生產(chǎn)4N13的1.8 L DOHC I4世界第一乘用車柴油發(fā)動機，采用了可變氣門正時系統(tǒng)。
一個高效的機制，提出了控制可變氣門正時是行星齒輪機構(gòu)。行星變速箱裝置的工程設(shè)計，提供了許多優(yōu)點。一個優(yōu)勢是其獨特的緊湊性和卓越的動力傳輸效率的組合。一個典型的行星齒輪箱安排的效率損失是每級只有3％。這種類型的效率，保證了能量輸入的高比例是通過變速器傳輸，而不是浪費在機械損失在變速箱。行星齒輪箱的布置的另一個優(yōu)點是負載分布。因為傳輸?shù)呢撦d之間的多個行星的共享，扭矩能力大大提高。更多的行星系統(tǒng)有更大的負載能力和更高的轉(zhuǎn)矩密度。行星變速箱的布置也會創(chuàng)造出更大的穩(wěn)定性，由于均勻分布的質(zhì)量和增加的轉(zhuǎn)動剛度。因此，在這項工作中我們將提出一個新的連續(xù)可變氣門正時的內(nèi)燃機的行星齒輪傳動機構(gòu)的設(shè)計。
3. 齒輪傳動機構(gòu)的設(shè)計
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3.1.說明
該齒輪傳動機構(gòu)是由教授M.墻裙機械工程系在喬丹大學(xué)設(shè)計。該機制保證了精確的和連續(xù)的凸輪軸相位在內(nèi)燃機的進氣和排氣閥。相位角之間的凸輪軸和曲軸在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速關(guān)系的變化，從而提高發(fā)動機的性能和排放。
在圖1中所示的機構(gòu)是一個行星齒輪系由從外部的太陽齒輪（3）的系統(tǒng)中，行星齒輪（2）進行了行星臂（1），和一個內(nèi)部的環(huán)形齒輪（4）嚙合的蝸桿齒與外部的蝸輪（5），其連接到一個步進電機連接到發(fā)動機的計算機控制系統(tǒng)。當(dāng)步進電機軸是固定的，在很普遍的情況下，環(huán)形齒輪也是靜止的。這將在曲柄軸和凸輪軸之間產(chǎn)生一個恒定的的速度比。一個旋轉(zhuǎn)的步進電機軸使行星齒輪與太陽齒輪和凸輪軸的外部產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)動齒圈旋轉(zhuǎn)。這種額外的旋轉(zhuǎn)的結(jié)果，在曲柄軸和凸輪軸之間的相位變化。
圖1.該機構(gòu)的組成。
3.2.機構(gòu)安裝
該機制的操作是由行星齒輪系連續(xù)和精確地改變凸輪軸和曲軸之間的相位角來實現(xiàn)的。內(nèi)齒圈的外齒可以像蝸輪。該機制通過行星輪系的操作，連續(xù)精確的改變凸輪軸和齒輪之間的相位角。四個相同的行星齒輪與環(huán)形齒輪和太陽齒輪嚙合，它們被兩個行星臂帶動。機構(gòu)（圖2）被安裝到所述內(nèi)燃機上，如下所示：在這種方式，凸輪軸（6）和所述太陽齒輪軸是同軸的，然后軸連接的花鍵結(jié)合（7）。一個的行星臂（1）是由鏈條或正時皮帶（8）與曲柄軸（9）連接。蝸輪軸與步進電機是機械連接的。步進電機配有傳感器和電源，這是連接到CPU控制蝸桿齒輪的運動。
圖2.該機構(gòu)的安裝
3.3.操作方法
該機構(gòu)的操作方法簡單，它的描述如下：
1） 當(dāng)步進電機的軸是固定的，在通常情況下，環(huán)形齒輪也是靜止的。通過曲軸臂的轉(zhuǎn)動使旋轉(zhuǎn)一圈，根據(jù)公式：
其中：
ω3的速度，在太陽齒輪（3），這也是所述凸輪軸的轉(zhuǎn)速;
ω1-臂（1）的速度。
T1和T4的分別是太陽齒輪齒數(shù)和齒圈的內(nèi)齒數(shù)。
太陽齒輪，行星齒輪，內(nèi)齒圈的齒的數(shù)目之間的關(guān)系是：
其中：
T2-行星齒輪（2）的齒的數(shù)目。
2） 當(dāng)步進電機的有來自CPU的信號，它會導(dǎo)致蝸桿齒輪的旋轉(zhuǎn)所需要的位移角（5），這將導(dǎo)致環(huán)形齒輪的旋轉(zhuǎn)，因此需額外的旋轉(zhuǎn)的行星旋轉(zhuǎn)齒輪。
3） 旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的太陽齒輪附加轉(zhuǎn)動，這與凸輪軸連接，根據(jù)以下公式
其中：
Δθ3位移角的凸輪軸;
Δθ5蝸桿齒輪的旋轉(zhuǎn)角度;
T5，T6分別表示齒蝸桿齒輪和環(huán)形齒輪的外齒的數(shù)量。
4） 行星臂不會被這旋轉(zhuǎn)影響，因為它是連接到曲軸的。
5） 連接到凸輪軸的太陽輪的附加轉(zhuǎn)動，引起了凸輪軸和曲柄軸之間 Δθ1的 相位變化。
3.4.該機構(gòu)的優(yōu)點
與其他機構(gòu)相比，上述機構(gòu)的主要優(yōu)點可以概括如下：
1） 步進電機的運動限制了相位角的變化，它可以精確到1.8度，控制每一步的零超調(diào)。此值將取決于齒輪的齒數(shù)較小的凸輪軸。
2） 蝸輪，這是連接到步進電機與齒圈嚙合，提供齒輪自鎖機構(gòu)。保證特定相位角的凸輪軸和曲軸之間的恒定速度比，這對于發(fā)動機的良好運行是非常必要的。
3） 在該機構(gòu)中，相位角改變值沒有限制，除了由發(fā)動機的性能包絡(luò)線所施加的限制。
4.凸輪相位優(yōu)化輸出功率最大化
在這項工作中，進氣和排氣氣門正時的最佳值被計算出來，以最大限度地提高制動功率。這些值被用于計算并折衷為不同的發(fā)動機的速度和壓縮比的制動功率和燃料消耗。分析發(fā)動機特性的尺寸的目的用的是蓮花工程軟件。蓮花工程軟件里包括的蓮花引擎模擬和分析程序是由蓮花工程公司開發(fā)的20世紀80年代后期以來的一個內(nèi)部代碼。其中全球性能參數(shù)的功率，容積效率和燃料消耗的驗證，目前已進行了廣泛的電流產(chǎn)引擎。
研發(fā)4缸發(fā)動機（圖3）的仿真模型用來找出最佳的相位角，最大功率。如表1，展示的是發(fā)動機的幾何數(shù)據(jù)和閥定時。輸入例如進氣壓力、溫度、當(dāng)量比的數(shù)據(jù)也已經(jīng)引入到發(fā)動機的各種運行當(dāng)中。除此之外，還有定的出口數(shù)據(jù)，如背壓。在表2中對氣門正時的默認最佳值進行了計算。優(yōu)化引擎變量是為了找到最大制動功率輸出。發(fā)動機的速度是1000-6000r/min。最佳的閥門定時值和默認值的制動功率和不同的壓縮率（ CR ）的影響在表3和圖4至6中呈現(xiàn)出來。
5.該機制的應(yīng)用（例）
表2中給出的數(shù)據(jù)被用來計算蝸輪減速機的位移角。為了說明上述機制的工作，我們作出如下設(shè)想：
=20，=20，=2，=45 （4）
由方程（1）和（2） ，我們得到：
=20×（2+20）=60
（5）
圖3 內(nèi)燃機的仿真模型
表1基本幾何引擎，燃料是汽油（C8H18） 表2氣門正時的最大功率和不同的速度的最佳值
圖6 制動功率（CR14）效果最佳的閥門值和默認值
表3（a）制動功率的最佳氣門正時不同的速度和默認值;
（b）制動功率運算的最佳氣門正時不同的速度和默認值。
表示一個轉(zhuǎn)動臂旋轉(zhuǎn)一周，將導(dǎo)致凸輪軸(和太陽齒輪)轉(zhuǎn)四周。此時需要重新保持曲柄軸和臂之間的速度比與凸輪軸和曲軸之間的速度比相等且等于2，即四沖程內(nèi)燃機此時的操作。
另一方面，步進電機的角度和凸輪軸角度之間的關(guān)系獲得的公式（3 ）
這意味著當(dāng)步進電機（蝸輪）旋轉(zhuǎn)7.5度，凸輪軸旋轉(zhuǎn)一個額外的程度。
尺寸的機制中，可以發(fā)現(xiàn)，作以下述操作：我們假定，行星齒輪，太陽齒輪和環(huán)形齒輪都是螺旋齒輪而且螺旋角ψ = 30 °，模數(shù)m = 1 [毫米]和表面寬度F = 20 [毫米] 。此外，蝸桿齒的導(dǎo)程角χ = 10 °和軸向間距p = 2 [毫米]。從這些假設(shè)，我們發(fā)現(xiàn)，該機制的直徑不超過150 × 150 × 50毫米，因此它可以被較輕松安裝在發(fā)動機室之間。
6、結(jié)論
行星齒輪驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)了對四沖程單缸發(fā)動機性能的優(yōu)化。該機制連續(xù)精確地改變了凸輪軸和曲軸角之間的相位角。優(yōu)化的相位角在給定的速度下制動功率的效果是明顯的。制動功率范圍是在21％和35％ 之間，如表3中所示是根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和壓縮比增加的。這種增長是在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速大的情況下，并且隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而下降。從而可以得出結(jié)論，建議在四沖程發(fā)動機實施該機制來證明發(fā)動機的性能和效率。