在能源危机和环境污染的压力下,政府制定的油耗和排放法规日趋严格,这给车用汽油机带来了巨大的挑战,其节能减排势在必行。为了改善发动机的尾气排放和燃油消耗,研究人员提出了各种各样的技术方案,而连续可变气门升程(ContinuouslyVariableValveLift,CVVL)技术是其中最有前景的技术之一。该技术主要可以分为电磁式、电液式、气动式和机械式等。机械式由于具有较高的可靠性、控制精度和较低的成本,目前是各大汽车厂商的首要选择。但是,现有的机械式CVVL需要液压可变气门正时机构的配合才能实现进气门早关的控制策略,而这就给该技术的普及带来了较大的困难,例如结构复杂、成本高、系统控制不协调和发动机标定难度大等。为此,本文设计了一种新型的机械式连续可变气门升程及正时系统(ContinuouslyVariableValveLiftAndTimingsystem,CVVLT)。该系统能够通过一个控制电机同时控制气门的升程、正时以及开启持续期,相比于现有的机械式CVVL,其结构更简单、研发成本更低、动态响应速度也更快。基于此系统,本文对机械式CVVL系统中的一些关键技术开展了一系列的研究。首先在一台量产发动机(称为原型机)上设计并开发了CVVLT系统。在此过程中,建立了原型机的一维性能仿真(GT-power)模型并计算出了满足发动机性能和机构可行性的气门运动参数;然后利用这些参数设计了CVVLT系统的中间摇臂型线和凸轮型线;接着推导了系统的运动学模型并搭建了冷机性能综合测试台架;最后利用试验台架对CVVLT系统进行了气门运动等方面的测试。结果表明:(1)本文提出的中间摇臂型线和凸轮型线的设计方法在理论上和实际应用上都是切实可行的;(2)除了气门开启持续期外,其余气门运动参数的试验测量结果均与设计结果一致,而气门开启持续期的误差来自于系统驱动部分中齿轮的齿侧间隙,其平均误差约为10.45%。由此可见,CVVLT系统的气门开启持续期受齿轮精度的影响较大。根据研究需要,采用多体动力学仿真技术对原型机和CVVLT系统中的配气机构进行了动力学分析,然后利用其结果对CVVLT系统的中间摇臂进行了结构强度校核和模态分析。结果表明:(1)系统最大的落座速度和冲击力出现在中等气门升程附近,而凸轮与中间摇臂滚轮以及中间摇臂与气门摇臂滚轮之间的最大法向接触应力则在控制角度等于43°时达到最大;(2)系统的润滑状况良好、液压挺柱的受载合理、零件之间也不会产生飞脱现象,但是凸轮轴与中间摇臂滚轮之间的法向接触应力超出了设计的极限值,因此需要对凸轮的材料和表面处理方式做进一步地强化;(3)中间摇臂的安全系数达到了3.01,强度满足设计的要求,并且其一阶固有频率已经远远超出了正常工作时的摆动频率,因此不会发生共振。将CVVLT系统安装在原型机上,然后通过发动机台架测试系统分别对原型机和CVVLT发动机进行了性能试验。根据试验数据,利用一维仿真软件(GTpower)和三维仿真软件(Converge)建立了两台发动机的数值仿真模型,并使用试验数据和仿真模型从多个方面分析了CVVLT系统对发动机性能(在小负荷工况)的影响。结果表明:(1)CVVLT系统能够显著地降低发动机在小负荷下的泵气损失和摩擦损失,从而提高其总体机械效率;(2)虽然系统能够减小发动机在小负荷下的残余废气系数,但是也会降低发动机在点火时刻的缸内气体温度和湍动能,使得其燃烧持续期有所增长,这相应地减小了发动机高压循环的指示热效率,并抵消了机械效率提高所带来的一部分收益,最终发动机在转速为2000r/min且制动平均有效压力为1bar时的有效热效率相比于原型机提高了9.8%。为了解决CVVLT发动机中燃烧过慢的问题,进一步利用Converge软件研究了在气阀座圈且靠近气缸壁面的附近(方案1)或者靠近火花塞的附近(方案2)增加屏蔽对CVVLT发动机进气量、缸内流动和燃烧过程的影响。结果发现:(1)在这两种位置增加屏蔽都能够有效地改善发动机在部分负荷下的缸内流动,从而加快燃烧区域中的火焰传播速度;(2)在部分负荷,方案2能够以增加较少的进气阻力为代价来增强发动机的缸内流动和燃烧过程,因此要优于方案1;在大负荷,方案2则会降低发动机的滚流比和湍动能,而方案1却对火焰传播速度略有改善,所以此时方案1要优于方案2。本文的研究扩展了CVVL技术的实现方式,明确了该技术的优缺点,同时还探究了CVVLT发动机潜在的优化方案。这对于加快CVVL技术的产业化进程具有重要的意义。