涂宇 雷先華 王怡 吳志海 劉愛云

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門技術(shù)是根據(jù)汽車的不同工況及時(shí)調(diào)整控制氣門參數(shù)，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的最佳配氣需求，是解決發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性二者矛盾的核心技術(shù)之一。本文主要分析了發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有凸輪軸式氣門可變技術(shù)的發(fā)展歷程，就當(dāng)下最具有潛力和研究價(jià)值的無凸輪軸式可變氣門技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);可變氣門技術(shù);無凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：U46.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）31-0053-03

Summary and Prospect of Variable Technology of Valve without Camshaft

TU Yu1 LEI Xianhua1 WANG Yi1 WU Zhihai2 LIU Aiyun1

（1.Hunan Institute of Traffic Engineering，Hengyang Hunan 410005;

2.Changsha Rail Transit Operation Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410000）

Abstract： The engine variable valve technology is one of the core technologies to solve the contradiction between engine fuel economy and engine emission，which is to adjust and control valve parameters in time according to different working conditions of the vehicle to meet the optimal gas distribution demand under different working conditions of the engine. This paper mainly analyzed the development process of the existing camshaft valve variable technology of the engine， and studied the non camshaft valve variable technology which has the most potential and research value at present.

Keywords： engine;variable valve technology;no camshaft valve drive

能源與環(huán)境問題是汽車行業(yè)所面臨的兩大主要問題，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)用的許多技術(shù)，如雙渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、無極自動(dòng)變器、混合動(dòng)力、小型輕量化等都是為了提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等各方面的性能，滿足越來越嚴(yán)格的國Ⅵ排放法規(guī)要求，達(dá)到節(jié)能減排的目的。研究者對配氣控制技術(shù)進(jìn)行了長期探索，目前主流的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、氣門都由凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制。但凸輪的工作輪廓線固定不變，氣門正時(shí)、氣門升程和氣門開啟時(shí)的持續(xù)期無法根據(jù)不同的工況而實(shí)時(shí)改變，導(dǎo)致燃燒效率低，嚴(yán)重影響汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，不僅損害發(fā)動(dòng)機(jī)，還嚴(yán)重污染環(huán)境。為降低配氣技術(shù)帶來的缺陷，研究者投入了大量人力和物力致力于可變氣門技術(shù)的研究。

1 凸輪軸式可變氣門技術(shù)簡介

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)橥馆嗇喞蜌忾T參數(shù)都是固定不變的，只能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在其中一工況下達(dá)到最佳性能，無法兼顧高低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能?？勺儦忾T技術(shù)主要是通過控制氣門開啟相位、氣門開啟持續(xù)時(shí)間和氣門升程這三個(gè)參數(shù)，進(jìn)而控制進(jìn)氣量[1]。現(xiàn)有的可變氣門技術(shù)可根據(jù)不同工況實(shí)時(shí)改變氣門升程和開啟時(shí)間，以滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下對配氣的需求，以提高汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及節(jié)能環(huán)保性?？勺儦忾T技術(shù)的發(fā)展歷程為：從最簡單的氣門升程型線優(yōu)化到可變型線技術(shù)、可變定時(shí)技術(shù)、可變定時(shí)和升程技術(shù)，再發(fā)展到現(xiàn)在的無凸輪軸全可變氣門機(jī)構(gòu)技術(shù)?？勺儦忾T技術(shù)發(fā)展至今，不同類型的技術(shù)都在一定程度上改良了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，降低了汽車排放。

根據(jù)配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)方式的不同，可將氣門機(jī)構(gòu)分為凸輪軸式可變氣門機(jī)構(gòu)和無凸輪軸式可變氣門機(jī)構(gòu)兩大類[2]。當(dāng)前的凸輪軸式可變氣門技術(shù)有較多種，如豐田的VVT-i控制技術(shù)、本田的i-VTEC控制技術(shù)和寶馬的Valvetronic控制技術(shù)。無凸輪軸式有電磁式技術(shù)、電液式技術(shù)、電氣式可變氣門技術(shù)。配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展歷程為單凸輪控制—多凸輪控制—階段性氣門升程控制—連續(xù)性氣門全可變控制—無凸輪軸式控制。這意味著無凸輪軸可變氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是可變氣門技術(shù)的下個(gè)研究熱點(diǎn)。

2 無凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展

無凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)就是取消發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)氣門機(jī)構(gòu)中的凸輪軸及其從動(dòng)件，而以電磁、電液、電氣或其他方式驅(qū)動(dòng)氣門。采用無凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)，不僅和其他可變氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)一樣滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求，還能使發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)更加簡單，同時(shí)也可降低發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本。由于取消了傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)中長而笨重的凸輪軸，因此，有利于車輛輕量化[3]。氣門的位置可根據(jù)不同的燃燒室形式來布置，有利于設(shè)計(jì)出新型燃燒室。當(dāng)前主要研究的無凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)分別有電磁式、電液式和電氣式，這三種類型的驅(qū)動(dòng)技術(shù)各有其特點(diǎn)。

2.1 電磁式氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電磁式氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)是運(yùn)用系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁力來驅(qū)動(dòng)氣門。電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由電磁鐵、激磁線圈、復(fù)位彈簧及氣門組成。在發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的狀態(tài)下，控制系統(tǒng)使線圈不通電，機(jī)構(gòu)中無電磁力產(chǎn)生，氣門半開半閉;發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)可曲軸位置傳感器傳達(dá)的信號(hào)判斷氣門在該工況下應(yīng)有的開或關(guān)的狀態(tài)，激磁線圈通電，在系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁力和彈簧力的共同作用下，氣門的關(guān)閉或開啟得到實(shí)時(shí)控制，控制線圈的通斷電及電流強(qiáng)度即可達(dá)到控制氣門開度、氣門升程、氣門正時(shí)的效果。

電磁氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。但是，待解決的問題也比較突出：氣門落座沖擊過大，機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度不夠快，電磁驅(qū)動(dòng)需要的能量大且系統(tǒng)尺寸過大。氣門落座沖擊是目前無凸輪軸可變氣門技術(shù)需要解決的主要問題。氣門落座沖擊太大會(huì)導(dǎo)致氣門易損壞，且產(chǎn)生的噪聲大。所以，應(yīng)該針對電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方式進(jìn)行深入研究，以限制氣門落座速度，減小氣門沖擊，實(shí)時(shí)控制線圈電流大小，減小沖擊，從而實(shí)現(xiàn)氣門落座軟著陸[4]。

2.2 電液氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電液氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)是將氣門的運(yùn)動(dòng)交給與之相連的液壓缸控制，控制系統(tǒng)接收傳感器的信號(hào)后，判斷氣門應(yīng)該有的狀態(tài)，然后由電磁閥控制液壓缸內(nèi)液體的流動(dòng)，從而控制液壓活塞帶動(dòng)氣門的運(yùn)動(dòng)[5]。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)氣門升程、氣門開關(guān)時(shí)刻和氣門開啟的持續(xù)時(shí)間相互獨(dú)立運(yùn)行。因此，運(yùn)用該技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，能使自身的配氣機(jī)構(gòu)在各個(gè)工況下以最佳參數(shù)匹配工作，從而實(shí)現(xiàn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、改善汽車動(dòng)力性和降低排放的目的。

近年來，學(xué)者對電液氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究投入很大。Richman等人[6]在單缸汽油機(jī)上對其研發(fā)的電液氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，氣門的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)總是滯后于程序設(shè)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不足1 000r/min時(shí)，滯后量較小;轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(shí)，滯后量也隨之增加，并且升程曲線誤差也越來越大。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在驅(qū)動(dòng)壓力為15MPa左右時(shí)，電液驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)控制的氣門升程在同樣的開啟持續(xù)時(shí)間內(nèi)要比普通氣門機(jī)構(gòu)的開啟角大，并且氣門響應(yīng)迅速。55%的節(jié)氣門開度下，且在轉(zhuǎn)速達(dá)到1 200r/min的工況下，CO排放平均降低了30%，HC排放降低了12%，但是NOx排放增加了11%，這主要是因?yàn)楦變?nèi)燃燒狀態(tài)改變導(dǎo)致缸內(nèi)溫度升高。堯命發(fā)[7]等人利用電液驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)控制排氣門二次開啟，研究了該裝置在低負(fù)荷下的GCI燃燒性能，實(shí)現(xiàn)NOx排放量低于0.4g/（kW·h）、炭煙排放量低于0.1FSN。

目前，電液氣門驅(qū)動(dòng)仍然在實(shí)驗(yàn)階段，其缺陷是機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度不夠快、氣門落座沖擊大、能耗大[8]。機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度和液壓油的壓力、黏度、密度和電磁閥泄漏等密切相關(guān)。液壓系統(tǒng)一般采用的液壓油基本參數(shù)一定，所以應(yīng)采取提高液壓系統(tǒng)工作壓力、閉環(huán)控制、減少控制電磁閥泄漏等方式來加快響應(yīng)速度。但過大的工作壓力又會(huì)帶來機(jī)構(gòu)能耗增加和液壓系統(tǒng)密封困難的問題，因此需要找到油壓力和黏度的最佳匹配[9]。

2.3 電氣氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電氣氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)與電液氣門驅(qū)動(dòng)類似，只是用氣體替換了電液氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液體。通過電磁閥控制氣壓的大小，從而控制氣門運(yùn)動(dòng)。電氣氣門驅(qū)動(dòng)的研究是最少的。從早期的Gould等人[10]的實(shí)驗(yàn)來看，電氣氣門驅(qū)動(dòng)裝置響應(yīng)速度能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)7 200r/min時(shí)的要求。但是，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率消耗非常較大。實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500r/min且動(dòng)力性能不變的情況下，燃油消耗率仍可降低4.4%以上，且NOx的排放只有原來的40%。但是，HC與CO的排放增多且燃燒穩(wěn)定性差。近年來，關(guān)于電氣驅(qū)動(dòng)氣門的研究仍然比較少[11]。

電氣氣門驅(qū)動(dòng)同樣存在落座沖擊、耗能大、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度不夠快的問題。但是，與電液氣門驅(qū)動(dòng)相比，電氣氣門驅(qū)動(dòng)采用空氣作為介質(zhì)，黏度低且黏度受溫度影響小，以上因素都使電氣氣門驅(qū)動(dòng)比電液氣門驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度更快，工作效率更高。針對電氣氣門能耗過大的問題，可以對發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)能量進(jìn)行回收，為電氣氣門提供能量。氣門落座沖擊過大的問題，也可通過加裝緩沖墊圈緩解[12]。

3 總結(jié)與展望

對于傳統(tǒng)的有凸輪軸的可變氣門系統(tǒng)，通常通過改變凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)搖臂等方式來實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)或者氣門升程的目的。這類技術(shù)的實(shí)現(xiàn)較為簡單，技術(shù)成熟，但是調(diào)節(jié)效果有很大的提升空間。無凸輪軸式的可變氣門系統(tǒng)，因?yàn)槿∠送馆嗇S，所以氣門開啟和關(guān)閉動(dòng)作迅速，調(diào)節(jié)范圍大，但是也存在不少待解決的問題，最突出的是氣門落座沖擊大、技術(shù)成本較高等。相信隨著對無凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門技術(shù)的研究越來越深入，該技術(shù)會(huì)越來越成熟，未來將有更多的發(fā)動(dòng)機(jī)采用無凸輪軸式可變氣門技術(shù)，以提高汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和環(huán)保性。在無凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，電磁氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)最有可能成為未來研究的重點(diǎn)方向。電磁氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)相對于其他幾種無凸輪軸可變氣門技術(shù)，在節(jié)能減排上的優(yōu)勢比較明顯。同時(shí)，該技術(shù)存在的如氣門落座沖擊過大等問題，可通過實(shí)時(shí)控制線圈電流得到解決。

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