可變氣門正時技術在汽油機上的應用

（青島工學院 山東青島 266300）

內燃機在經過了將近一個半世紀的發展之后，其進步程度已經達到了令人嘆服的地步，尤其是近幾年來，低能耗、低污染、高性能、多樣化、新結構的發動機不斷產生。伴隨著內燃機的進步，汽車行業迅速崛起，隨著各國經濟的迅速發展和消費群體的不斷擴大，汽車保有量迅速增加，它在給人類帶來便利、為世界創造物質文明的同時，也對人類生存的環境造成了巨大的危害。起初，汽車排污問題沒有被及時地發現和引起足夠的重視，使人類付出了慘痛的代價。

排放法規的不斷嚴格對內燃機行業提出了新的挑戰，也提供了新的機遇。控制內燃機對環境的污染成為影響其設計和發展的重要因素之一，各國發動機和汽車制造商紛紛致力于改善發動機排放性能的研究，隨著科學技術的不斷進步和內燃機科技工作者的努力，許多新的排氣控制和凈化技術應運而生，使發動機排氣污染物能夠不斷適應新法規的要求。結構方面，用項置凸輪軸配氣機構代替下置凸輪軸式配氣機構，用多氣門發動機代替兩氣門發動機，用汽油噴射代替化油器，采用電控噴油、電控點火，另外在燃燒過程和凈化觸媒等方面也進行了大量的研究工作，都取得了有效進展。同時，由以前固定的機構走向可變，如可變壓縮比、 可變尺寸進氣系統（諧振進氣系統）、可變排量和可變配氣相位等。這些改善發動機排放性能的重要研究成果，成為支撐內燃機和汽車行業生存、發展的關鍵。

發動機可變氣門正時技術，做為一種性價比相當高的技術方案不但能夠提高發動機動力性和經濟性，而且在其他傳統凈化措施的基礎上，可以進一步降低內燃機在許多工況下的排氣污染物，一直是各國內燃機工作者重點研究的對象，隨著這項技術的不斷完善和成熟，已經成為開發新型發動機過程中一項不可或缺的關鍵技術，一款發動機是否搭載了可變氣門正時技術，是評價其排放性能是否優良的技術指標之一。對于正在快速發展的國內汽車行業來說，可變氣門正時技術有著很大的發展空間，能否將這一技術盡快應用于自主產品的研發過程中，早日占有市場份額，達到追趕世界排放標準的要求，既關系著自身的前途與命運，更重要的是對世界環境和人類健康負責。

進氣系統在發動機運轉中扮演著舉足輕重的角色，雖然這些技術五花八門，應用的位置都不相同。但其目的都是為了使發動機在不同的工況下保持進氣順暢，從而提高燃燒效率。另外這些技術并不是獨立存在的，通常它們會同時出現在一臺發動機上結合使用以達到更好的效果。

氣門是由引擎的曲軸通過凸輪軸帶動的，氣門的配氣正時取決于凸輪軸的轉角。在普通的引擎上，進氣門和排氣門的開閉時間是固定不變的，這種固定不變的正時很難兼顧到引擎不同轉速的工作需，“VVT（可變氣門正時）”就是解決這一矛盾的技術，簡單地說，就是改變進氣門或排氣門的打開與關閉的時間。

可變氣門正時又分為不連續可變氣門正時和連續可變氣門正時不連續可變氣門正時：簡單的可變氣門正時VVT只有兩段或三段固定的相位角可供選擇，通常是0度或30度中的一個。連續可變氣門正時是更高性能的可變氣門正時VVT系統，能夠連續可變相位角，根據轉速的不同，在0度-30度之間線性調教配氣相位。連續可變氣門正時系統更適合匹配各種轉速，因而能有效提高引擎的輸出性能，特別是引擎的輸出平順性。進氣可變氣門正時和排氣可變氣門正時進氣可變氣門正時：進氣門相位角（即開閉時間）可變，排氣門相對固定，像豐田凱美瑞的VVT-i，目前應用較多。排氣可變氣門正時：進氣門相對固定，排氣門相位角（即開閉時間）可變。

目前大多數發動機使用機械式氣門系來操作進排氣門，氣門運動由曲軸旋轉來定時。定時機構由曲軸和凸輪軸之間以及凸輪軸和氣門之間的機械聯接組成。這種驅動形式有效性、可靠性強，但是缺點也很明顯：不能改變正時、延續時間和進氣門升程，這樣就顯著降低了火花點火（SI）發動機的燃油效率。這是由于 為了滿足小于最大輸出扭矩時的需要而采取的進氣節流措施，也使發動機效率大大降低。

為了解決上述問題，研究人員提出了一種方案，其基本思路是：在各種速度比負荷情況下，風門保持全開，利用電流控制無凸輪氣門系優化進氣門運動從而控制缸內氣流。在硬件和實時計算方面的研究進展使這項技術達到實用水平。

無凸輪控制系統需要完成兩方面的任務：對輸出扭矩的快速變化能夠作出足夠快的反應；確保靈活的操作。

研究人員的早期工作描述了傳統發動機各缸的感應過程，并建立了一個基于空燃比控制的觀測器模型。Ashhab等人根據氣體動力學的基本原理提出了無節 流無凸輪吸氣過程控制模型，它彌補了解析熱動力學模型和穩態或均值模型的缺點?；谛履Ｐ驮O計了間接適應控制器，能夠調整進氣門升程和延續時間以滿足缸內充氣需要，同時帶有前饋算法的控制器可以保證各缸平衡并快速跟蹤泵吸損失的降低。除上述方法外，還有學者探討了電磁閥加液壓驅動這種方式控制氣門升程和定時，它利用壓縮流體的彈性特性作為液體彈簧使氣門開啟和關閉時作加速和減速運動，加速運動時流體的勢能轉化成氣門的動能，減速運動時反之，能量轉化率達80%。Anderson等人設計了一個系統，通過控制兩個電磁閥高壓液體流入和流出發動機頂端的控制室，同時控制室活塞的下部作用一個常力，在兩者的共同作用下實現氣門的開啟和關閉。通過控制電磁閥的開啟時間和持續時間，可以精確調節控制室內壓力，從而控制氣門升程的連續變化。兩個檢測閥門用來提高能量利用率。該系統的一個特點是利用內外兩個閉環控制來改變氣門升程和定時。

Podnar 等人開發了一種電磁氣門驅動（EVA）系統，并應用于Kohler Command 系列發動機。它完全由計算機控制，響應快，伺服控制系統效率高。EVA 系統由電磁鐵、彈簧、電樞、氣門等元件組成，氣門上作用有彈性力和電磁力。當電磁鐵通電后，驅動氣門運動，然后電磁鐵斷電由彈簧驅動氣門接近所要求位置，此刻電磁鐵再次通電使氣門以適當的速度到達所指定位置。這種系統體積小，電力消耗也小，可以實現接近零速度落座，但伺服控制較復雜。