發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)凸輪軸式氣門(mén)可變技術(shù)總結(jié)與展望

涂宇 雷先華 王怡 吳志海 劉愛(ài)云

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門(mén)技術(shù)是根據(jù)汽車(chē)的不同工況及時(shí)調(diào)整控制氣門(mén)參數(shù)，以滿(mǎn)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(mén)可變技術(shù)的發(fā)展歷程，就當(dāng)下最具有潛力和研究?jī)r(jià)值的無(wú)凸輪軸式可變氣門(mén)技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);可變氣門(mén)技術(shù);無(wú)凸輪軸氣門(mén)驅(qū)動(dòng)

中圖分類(lèi)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(wèn)題是汽車(chē)行業(yè)所面臨的兩大主要問(wèn)題，汽車(chē)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(wú)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(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等各方面的性能，滿(mǎn)足越來(lái)越嚴(yán)格的國(guó)Ⅵ排放法規(guī)要求，達(dá)到節(jié)能減排的目的。研究者對(duì)配氣控制技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期探索，目前主流的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、氣門(mén)都由凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制。但凸輪的工作輪廓線(xiàn)固定不變，氣門(mén)正時(shí)、氣門(mén)升程和氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)的持續(xù)期無(wú)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(chē)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(lái)的缺陷，研究者投入了大量人力和物力致力于可變氣門(mén)技術(shù)的研究。

1 凸輪軸式可變氣門(mén)技術(shù)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)橥馆嗇喞蜌忾T(mén)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(wú)法兼顧高低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。可變氣門(mén)技術(shù)主要是通過(guò)控制氣門(mén)開(kāi)啟相位、氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間和氣門(mén)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(mén)技術(shù)可根據(jù)不同工況實(shí)時(shí)改變氣門(mén)升程和開(kāi)啟時(shí)間，以滿(mǎn)足汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下對(duì)配氣的需求，以提高汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及節(jié)能環(huán)保性。可變氣門(mén)技術(shù)的發(fā)展歷程為：從最簡(jiǎn)單的氣門(mén)升程型線(xiàn)優(yōu)化到可變型線(xiàn)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(wú)凸輪軸全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)技術(shù)。可變氣門(mén)技術(shù)發(fā)展至今，不同類(lèi)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(chē)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(mén)機(jī)構(gòu)分為凸輪軸式可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)和無(wú)凸輪軸式可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)兩大類(lèi)[2]。當(dāng)前的凸輪軸式可變氣門(mén)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(wú)凸輪軸式有電磁式技術(shù)、電液式技術(shù)、電氣式可變氣門(mén)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(mén)升程控制—連續(xù)性氣門(mén)全可變控制—無(wú)凸輪軸式控制。這意味著無(wú)凸輪軸可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是可變氣門(mén)技術(shù)的下個(gè)研究熱點(diǎn)。

2 無(wú)凸輪軸氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展

無(wú)凸輪軸氣門(mén)驅(qū)動(dòng)就是取消發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)氣門(mén)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(mén)。采用無(wú)凸輪軸氣門(mén)驅(qū)動(dòng)，不僅和其他可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)一樣滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(jiǎn)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(zhǎng)而笨重的凸輪軸，因此，有利于車(chē)輛輕量化[3]。氣門(mén)的位置可根據(jù)不同的燃燒室形式來(lái)布置，有利于設(shè)計(jì)出新型燃燒室。當(dāng)前主要研究的無(wú)凸輪軸氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)分別有電磁式、電液式和電氣式，這三種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)技術(shù)各有其特點(diǎn)。

2.1 電磁式氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電磁式氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是運(yùn)用系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)氣門(mén)。電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由電磁鐵、激磁線(xiàn)圈、復(fù)位彈簧及氣門(mén)組成。在發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的狀態(tài)下，控制系統(tǒng)使線(xiàn)圈不通電，機(jī)構(gòu)中無(wú)電磁力產(chǎn)生，氣門(mén)半開(kāi)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(mén)在該工況下應(yīng)有的開(kāi)或關(guān)的狀態(tài)，激磁線(xiàn)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(mén)的關(guān)閉或開(kāi)啟得到實(shí)時(shí)控制，控制線(xiàn)圈的通斷電及電流強(qiáng)度即可達(dá)到控制氣門(mén)開(kāi)度、氣門(mén)升程、氣門(mén)正時(shí)的效果。

電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但是，待解決的問(wèn)題也比較突出：氣門(mén)落座沖擊過(guò)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(guò)大。氣門(mén)落座沖擊是目前無(wú)凸輪軸可變氣門(mén)技術(shù)需要解決的主要問(wèn)題。氣門(mén)落座沖擊太大會(huì)導(dǎo)致氣門(mén)易損壞，且產(chǎn)生的噪聲大。所以，應(yīng)該針對(duì)電磁氣門(mén)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(mén)落座速度，減小氣門(mén)沖擊，實(shí)時(shí)控制線(xiàn)圈電流大小，減小沖擊，從而實(shí)現(xiàn)氣門(mén)落座軟著陸[4]。

2.2 電液氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電液氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是將氣門(mén)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(mén)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(mén)的運(yùn)動(dòng)[5]。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)氣門(mén)升程、氣門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)刻和氣門(mén)開(kāi)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(guò)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(chē)動(dòng)力性和降低排放的目的。

近年來(lái)，學(xué)者對(duì)電液氣門(mén)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(duì)其研發(fā)的電液氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，氣門(mén)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(xiàn)誤差也越來(lái)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(mén)機(jī)構(gòu)控制的氣門(mén)升程在同樣的開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間內(nèi)要比普通氣門(mén)機(jī)構(gòu)的開(kāi)啟角大，并且氣門(mén)響應(yīng)迅速。55%的節(jié)氣門(mén)開(kāi)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(mén)機(jī)構(gòu)控制排氣門(mén)二次開(kāi)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(mén)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(mén)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(lái)加快響應(yīng)速度。但過(guò)大的工作壓力又會(huì)帶來(lái)機(jī)構(gòu)能耗增加和液壓系統(tǒng)密封困難的問(wèn)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(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電氣氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與電液氣門(mén)驅(qū)動(dòng)類(lèi)似，只是用氣體替換了電液氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液體。通過(guò)電磁閥控制氣壓的大小，從而控制氣門(mén)運(yùn)動(dòng)。電氣氣門(mén)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(lái)看，電氣氣門(mén)驅(qū)動(dòng)裝置響應(yīng)速度能滿(mǎn)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(lái)的40%。但是，HC與CO的排放增多且燃燒穩(wěn)定性差。近年來(lái)，關(guān)于電氣驅(qū)動(dòng)氣門(mén)的研究仍然比較少[11]。

電氣氣門(mén)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(wèn)題。但是，與電液氣門(mén)驅(qū)動(dòng)相比，電氣氣門(mén)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(mén)驅(qū)動(dòng)比電液氣門(mén)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度更快，工作效率更高。針對(duì)電氣氣門(mén)能耗過(guò)大的問(wèn)題，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)能量進(jìn)行回收，為電氣氣門(mén)提供能量。氣門(mén)落座沖擊過(guò)大的問(wèn)題，也可通過(guò)加裝緩沖墊圈緩解[12]。

3 總結(jié)與展望

對(duì)于傳統(tǒng)的有凸輪軸的可變氣門(mén)系統(tǒng)，通常通過(guò)改變凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)搖臂等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)氣門(mén)正時(shí)或者氣門(mén)升程的目的。這類(lèi)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但是調(diào)節(jié)效果有很大的提升空間。無(wú)凸輪軸式的可變氣門(mén)系統(tǒng)，因?yàn)槿∠送馆嗇S，所以氣門(mén)開(kāi)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(wèn)題，最突出的是氣門(mén)落座沖擊大、技術(shù)成本較高等。相信隨著對(duì)無(wú)凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門(mén)技術(shù)的研究越來(lái)越深入，該技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，未來(lái)將有更多的發(fā)動(dòng)機(jī)采用無(wú)凸輪軸式可變氣門(mén)技術(shù)，以提高汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和環(huán)保性。在無(wú)凸輪軸氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)最有可能成為未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相對(duì)于其他幾種無(wú)凸輪軸可變氣門(mén)技術(shù)，在節(jié)能減排上的優(yōu)勢(shì)比較明顯。同時(shí)，該技術(shù)存在的如氣門(mén)落座沖擊過(guò)大等問(wèn)題，可通過(guò)實(shí)時(shí)控制線(xiàn)圈電流得到解決。

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