Nu系列2.0L连续可变气门升程发动机的开发

Nu系列2.0L连续可变气门升程发动机的开发

【韩】 K.P.Ha

2012年,Hyundai汽车集团推出1款采用连续可变气门升程(CVVL)机构的发动机。该发动机是专为中型轿车设计的直列4缸2.0L汽油机，具有燃油耗低、性能高及响应快的特点。CVVL机构是一种6连杆机构，具有结构紧凑和坚固耐用的优点。相比传统机型，CVVL发动机的燃油经济性提高7.7%，最大功率提升4.2%。生产CVVL发动机最具挑战性的问题是发动机各气缸气门升程的偏差。为了调整气门升程的偏差，设计了气门顶垫片和调节螺钉。通过测量气门顶部高度和凸轮支架总成的蹄形升程，选择垫片厚度。调节螺钉是调整气门升程偏差的辅助装置。开发了适用于CVVL发动机工厂装配线的气门升程偏差诊断系统，并用测试装置直接测量气门升程。该诊断系统位于配气机构装配台后，可以实时监测气门升程的变化，并给出装配系统的快速反馈。

连续可变气门升程机构 汽油机 气门升程偏差 气门顶垫片

0 前言

可变气门驱动(VVA)系统是现代内燃机的关键技术之一。VVA系统具有多种形式，包括可变气门正时(VVT)、可变气门升程(VVL)、可变气门持续期(VVD)和停缸(CDA)。与往复式发动机的其他组件不同，配气机构同时受曲轴转角域和时间域的控制。气门由曲轴控制，而进气量则与气门的开启时间成比例，并受振荡气流和反向气流的影响。VVA系统可以优化每种发动机工况(发动机转速和负荷)下的气门动作。

汽油机应用可变气门系统的首要动因是为了降低燃油耗。然而，VVA系统还有许多额外的优点。因此，现在许多车辆都已普遍采用VVA技术[1-7]。Hyundai汽车集团在2012年初向市场推出Nu系列2.0L连续可变气门升程(CVVL)发动机。本文介绍这种CVVL机构，并对Nu 2.0L CVVL发动机的气门升程调节装置进行讨论。

1 减少泵气损失

减少发动机能量损失是提高内燃机燃油经济性的重要途径。图1给出了不同运行条件(即不同转速和负荷)下发动机摩擦损失的例子。如图1(a)所示，机械损失被分为5个部分，可用分解法测量各部件的摩擦损失。随着发动机转速升高，曲轴和活塞组件的摩擦呈增加趋势，而凸轮轴的摩擦则随转速升高而减小。在整个转速范围内占最大比率的摩擦损失来自活塞组，配气机构(凸轮轴和链传动系统)的摩擦损失在低转速时占主导地位。

利用发动机着火运转时1个气缸的压力数据，评估泵气损失。也可以对机械损失进行评估，但它是所有机械损失的总和，不能进一步分解。图1(a)和图1(b)中的“■”符号表示相同运转工况(2000 r/min)下的拖动运转摩擦功。从图1(b)中可以看到，“■”符号位于机械损失与发动机负荷关系曲线的延长线处,这意味着拖动摩擦是发动机摩擦的一部分。

机械损失随发动机负荷增加而略有增加，如图1(b)所示，这是因为曲轴和活塞组摩擦增加的缘故。另一方面，随着负荷增加，泵气损失减小，总损失也随之减少。在低转速低负荷时，泵气损失是最主要的，所以作为一种降低泵气损失的方案，CVVL发动机备受关注。

图2示出了燃油耗随发动机负荷的变化趋势，以摩擦平均有效压力降低0.03MPa评估燃油耗的变化。可以从图2中看到，随着发动机平均有效压力的增加，燃油耗的降低量减少，而且在各种发动机转速下的曲线变化趋势是相似的。因此，对于绝大部分运行工况为低负荷的发动机来说，像CVVL机构那样的减摩技术是有效的。

图3为有节气门控制和无节气门控制时发动机压力-容积图的比较。无节气门控制时，发动机的泵气损失虽有减少，但仍然存在。这是因为进气门处流动阻力降低了，采用适当的气门型线设计能够减小这种流动阻力。

总之，在发动机低转速低负荷工况下，泵气损失占总损失的绝大部分，所以降低泵气损失是提高汽油机燃油经济性最有效的方法。在泵气损失降低量相同的前提下，低负荷时的燃油消耗率较高。此外，低负荷时的泵气损失要高得多，所以在低负荷工况下，CVVL发动机的燃油效率能改善更多。在城市工况和高速公路工况下，燃料效率分别可提高6.8%和10.0%以上[8]，这是发动机无节气门控制的效果，但在车辆实际行驶过程中，这一改善率可能会略低一些。

2 Nu系列2.0L CVVL发动机

Hyundai汽车集团于2012年初开始生产Nu系列2.0L CVVL发动机。该系列发动机配装中型轿车和小型车，有2种排量(1.8L和2.0L)，包括进气道喷射、缸内直喷，以及燃用液化丙烷气体燃料等多种变型。Nu系列2.0L进气道喷射发动机是本文所述CVVL发动机的原型机。

图4为Nu系列2.0L CVVL发动机外观，主要技术规格如表1所列。CVVL发动机在进排气凸轮轴上都设有液力调相器，真空泵由排气凸轮轴驱动。与原型机相比，CVVL发动机的最大功率和扭矩分别提高7PS和0.3kgf·m①①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。。

项目参数气缸布置及气缸数直列4缸排量/L1.999缸径/mm81行程/mm97压缩比10.5燃油喷射进气道喷射燃油种类常规汽油最大输出功率/PS172(6700r/min)最大扭矩/(kgf·m)20.5(4800r/min)气门传动机构Ⅱ型(滚子摇臂)调相器液力,进排气双侧真空泵由排气凸轮轴驱动

CVVL发动机的优点可以归纳为： 燃油耗更低、发动机全负荷性能和车辆加速性能更高，以及催化剂起燃更快。与原型机相比，Nu系列2.0L CVVL发动机的这些性能都得到改善。正如在上一节中提到的，通过降低泵气损失，改善了燃油耗，并且由于进气量的增加，最大扭矩和功率都有所增加。CVVL系统的最大气门升程为10.7mm，比原型机增加0.6mm。此外，发动机的额定转速有所提高，对进气歧管也相应进行改动。

本文重点关注CVVL发动机的硬件开发和相关的生产问题，主要涉及3个重要问题： CVVL机构、气门升程偏差和气门廓线。这些问题将在以下章节详细讨论。

3 CVVL机构

Nu系列2.0L发动机的CVVL机构如图5所示，由6个连接件组成： 输入摇臂、输入连杆、输出摇臂、输出连杆、偏心件和控制连杆。这些CVVL连接件组合成6连杆联动机构，由控制轴支承。输入摇臂和输出摇臂可绕控制轴自由旋转，偏心件用锁销固定在控制轴上。输入连杆、输出连杆和控制连杆与其他连接件连接后传递运动。输入摇臂上有滚轮与凸轮接触。输出摇臂推动指形滚子从动件提升气门。输出摇臂与指形滚子从动件接触的表面在本文中称为“蹄形部件”，其形状简单，但却是按照凸轮型线设计的。

图6为CVVL机构气门提升改变升程的工作原理。图6(a)是联动机构处于基准位置时的情况。基准位置指控制轴处于气门最大升程位置，以及凸轮的基圆与输入摇臂接触时的位置。在基准位置下，如果输入摇臂移动，蹄形部件正好推动滚子从动件。在图6(b)、图6(c)和图6(d)中，基准位置用虚线绘制。控制轴由位于发动机后侧的电机驱动。控制轴与电机之间的蜗轮传动比为60∶1。控制轴仅在改变气门升程时转动，这意味着不改变气门升程时，控制轴位置是固定的。在图6(a)和图6(b) 中，控制轴处于气门升程最大的位置。在图6(c) 和图6(d)中，控制轴处在气门升程最小的位置。当凸轮推动输入摇臂时，CVVL联动机构就会转动，但气门升程的变化取决于联动机构的形状。如图6(c)所示，在气门升程最小的位置，输出摇臂向后移动，就能得到较小的气门升程。

CVVL机构最重要的特点是结构紧凑。图7比较了CVVL发动机与原型机的缸盖布置。两者的控制轴和凸轮轴都在同一平面，即凸轮轴罩盖安装平面。CVVL机构能适配原型机的空间布置，无须改变原发动机气缸盖罩的高度。

4 气门升程偏差

Nu系列2.0L CVVL发动机的气门升程可在1.0～10.7mm范围内变化。该数值是设计值，不是实际的气门升程，从统计学角度来说，最小升程是1.0mm，而实际气门升程约为1.0mm。这是因为机加工和零件公差会影响升程的偏差。发动机厂家常规机加工公差和发动机零件可导致约0.3mm的气门升程偏差。由于最小气门升程的相对偏差很大，因此会导致发动机噪声和排放增加。这是因为各气缸的空气流量不同，而喷油量基本是一定的，所以会导致各气缸的空燃比和燃烧产生差异。

如前文图5(a)所示，Nu系列2.0L CVVL发动机有2种升程调节装置，即调节螺钉和气门顶垫片。在Hyundai汽车集团的工厂中，CVVL发动机与原型机系列在同一条装配线上组装，包括不同排量，以及不同燃油喷射方式和燃油的机型。因此，CVVL发动机会产生上述气门升程偏差。

气门顶垫片装在气门顶部，与指形滚子从动件接触。改变垫片厚度可调整由气门长度偏差和气门座机加工误差导致的偏差。例如，如果气门顶高度相对较小，那就可以用较厚的气门顶垫片来补偿高度。

气门顶垫片还可以调节由CVVL总成和凸轮轴造成的气门升程偏差。Nu系列2.0L CVVL发动机具有凸轮轴支架结构，进排气凸轮轴和CVVL联动机构都装在凸轮轴支架上。蹄形升程是CVVL凸轮轴支架的输出，其升程偏差将影响发动机的气门升程。与气门顶部高度的影响不同，蹄形升程对气门升程的影响较为复杂。图8示出了气门顶垫片厚度与气门升程之间的关系。

如图8(a)所示，改变气门顶垫片厚度可以调整气门升程。当气门顶垫片厚度增加时，气门升程减小。升程的相对变化示于图8(b)，0.5mm以上的气门升程变化可认为是线性的，图中的气门升程是气门顶垫片为2mm时计算所得的。气门顶垫片的敏感度示于图8(c)，敏感度随气门升程的增加而增加。

总之，气门升程偏差是通过气门顶垫片来调整的。通过测量气门顶部高度和凸轮轴支架总成上的蹄形升程来选择气门顶垫片厚度。基于图8(a)所示气门升程与气门顶垫片厚度的关系进行计算。

CVVL发动机中还有另一个气门升程调节机构，即调节螺钉。采用这一额外机构的原因如下。首先，在选择气门顶垫片的过程中，没有考虑指形滚子从动件和液压气门间隙调节器(HLA)这两个重要因素，而这对于控制气缸盖上HLA孔的机加工特别重要。因此，设计了调节螺钉，以便在装配发动机后调节气门升程的偏差。其次，对气门升程偏差调节机构进行充分验证后确认，调节螺钉可从发动机顶部进行调节(图9)。这样，只须拆卸气缸盖罩，就可以重新调整气门升程偏差。在装配工厂，将凸轮轴支架装到缸盖上后会再次测量气门升程，此时如气门升程偏差超标，就可以利用调节螺钉对气门升程进行重新调整。

调节螺钉转动升程调节杆的情况示于图9(a)。转动升程调节杆的作用与改变输入连杆长度的效果相似。与改变气门顶垫片厚度不同，调节螺钉可同时改变2个气门升程。升程调节杆有2个偏心圆，分别与输入连杆，以及输出连杆和控制连杆相连接。

5 结语

自2012年以来，Hyundai汽车集团一直在生产配装中型轿车的Nu系列2.0L CVVL发动机，该机型具有独特的CVVL机构。CVVL机构为6连杆联动机构，结构紧凑。CVVL发动机与原型机在整车上占用的安装空间相同。

在生产CVVL发动机的过程中，气门升程的偏差是非常重要的。Nu系列2.0L CVVL发动机中有2种升程调整装置，即气门顶垫片和调节螺钉。气门顶垫片装在气门顶部，与指形滚子从动件接触，可以通过测量气门顶部高度来选择垫片厚度。调节螺钉通过转动升程调节杆，可以改变输入连杆的长度。

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武 涛 译自 SAE Paper 2014-01-1635

朱炳全 校

虞 展 编辑

《国外内燃机》网址：

2014-10-20)