【德】 Flierl R Schmitt S Kleinert G Esch H-J Dismon H

1 動(dòng)機(jī)

鑒于目前全球車輛及內(nèi)燃機(jī)的保有量已高達(dá)10億，必須發(fā)展替代驅(qū)動(dòng)裝置理念，采取一切可能的手段優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)，實(shí)現(xiàn)二氧化碳（CO2）排放減少和車輛的經(jīng)濟(jì)利用。

完全可變氣門機(jī)構(gòu)不僅因具有優(yōu)化的換氣、殘余廢氣相容性和一次性驅(qū)動(dòng)摩擦而使燃油效率得到較大改善，而且還可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和性能，這思味著可以進(jìn)一步挖掘縮缸強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)理念的燃油耗潛力。此外，這也是采用新型及替代燃燒技術(shù)（例如均質(zhì)壓燃）的前提之一。

Kolbenschmidt Pierburg公司認(rèn)為，可變氣門機(jī)構(gòu)是未來(lái)具有市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力的技術(shù)領(lǐng)域。因此，為了拓展內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管路產(chǎn)品型譜，根據(jù)與Entec Consulting公司的合作協(xié)議，Kolbenschmidt Pierburg公司獲得了機(jī)械式全可變氣門升程控制系統(tǒng)（Univalve）的授權(quán)。

2 內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展?jié)摿?/h2>

在汽油機(jī)中，利用凸輪調(diào)相系統(tǒng)對(duì)進(jìn)、排氣持續(xù)期進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行點(diǎn)的優(yōu)化。自2005年以來(lái)，特別是在日本，機(jī)械全可變氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在歐洲的使用也正逐步增加。相關(guān)競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)包括液壓伺服全可變系統(tǒng)或兩級(jí)氣門升程切換系統(tǒng)。

因此，應(yīng)考慮在技術(shù)和商業(yè)上都可以接受的工作量和成本，以求獲得最大效用，并綜合采取降低CO2排放的其他技術(shù)措施，以保持燃油耗優(yōu)勢(shì)。

為了探討這一問(wèn)題，在量產(chǎn)的雙凸輪相位調(diào)節(jié)1.6 L自然吸氣缸內(nèi)直接噴射汽油機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)各種換氣系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。除了基本型發(fā)動(dòng)機(jī)外，還考慮采用小型化的同等功率渦輪增壓變型機(jī)。此外，考慮為各種變型機(jī)采用起動(dòng)-停車系統(tǒng)。

選擇新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）的CO2排放測(cè)定值作為1 300 kg級(jí)車輛的評(píng)估準(zhǔn)則（圖1）。

仿真結(jié)果表明，在進(jìn)氣側(cè)安裝全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可使CO2排放降低約8.5%。即使使用帶起動(dòng)-停車系統(tǒng)的縮缸強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，也可降低約5%的CO2排放。在進(jìn)氣側(cè)安裝分級(jí)氣門升程切換系統(tǒng)則無(wú)法降低CO2排放，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)需要一定的技術(shù)折中。

3 Univalve的結(jié)構(gòu)和功能

Univalve是一種機(jī)械式全可變氣門升程控制系統(tǒng)，可使氣門升程在全程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變化，同時(shí)改變氣門升程持續(xù)期。

與眾多專利申請(qǐng)和實(shí)際系統(tǒng)相比較，Univalve在生產(chǎn)成本、系統(tǒng)摩擦和總體功能方面具有諸多優(yōu)勢(shì)（圖2）。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，集成Univalve系統(tǒng)只需要稍微移動(dòng)一下凸輪軸的位置。該系統(tǒng)還具有成本低、安裝簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。在較小的氣門升程時(shí)，氣門升程持續(xù)期可縮短至70°CA。此外，由于切換桿的搖桿幾何形狀，切換系統(tǒng)存在1個(gè)轉(zhuǎn)速上限。

Univalve系統(tǒng)的基礎(chǔ)是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的滾子搖臂。中間桿位置由凸輪型線、導(dǎo)軌和偏心軸（用作推力軸承）確定。通過(guò)凸輪工作型線將由凸輪引起的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為所需的氣門動(dòng)作（圖3）。

由于所有零部件的接觸區(qū)域都安裝在滾子或滾針軸承上，最大升程時(shí)的摩擦力矩可維持在配備標(biāo)準(zhǔn)滾子搖臂的典型系統(tǒng)水平。在較小氣門升程和低負(fù)荷時(shí)，可以減少摩擦，減小節(jié)流，并降低在NEDC工況的燃油耗。即使在氣門升程較大的情況下，這一系統(tǒng)仍具有優(yōu)異的摩擦性能，故同樣適合安裝在排氣側(cè)。

圖4給出由偏心軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的各氣門升程曲線。根據(jù)熱力學(xué)分析，氣門升程持續(xù)期的變化起著決定性的作用。結(jié)合使用凸輪相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)進(jìn)氣門早關(guān)策略，可以限制氣缸充氣，而無(wú)需消耗性的節(jié)流干預(yù)。升程曲線中與機(jī)械學(xué)和聲學(xué)相關(guān)的重要緩沖段保持不變。

偏心軸采用無(wú)電刷的電子換向電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)的設(shè)計(jì)和功能原理使其可以獲得非常高的性能密度，并且在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)中具有很好的耐磨性。

目前，類似的無(wú)刷電機(jī)已被用于商用車發(fā)動(dòng)機(jī)等要求很高的領(lǐng)域，并實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)。無(wú)刷電機(jī)閉環(huán)控制的原理是通過(guò)非接觸式轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)偏心軸的位置。在任何情況下，這對(duì)于無(wú)刷電機(jī)的工作都是必要的。同理，可以確定偏心軸的故障和安全位置。

4 在渦輪增壓缸內(nèi)直接噴射汽油機(jī)上的應(yīng)用

在采用全可變氣門升程系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，扭矩或氣缸充氣是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣門升程持續(xù)期來(lái)控制的。這些參數(shù)影響換氣循環(huán)功，對(duì)燃油耗有直接影響。當(dāng)進(jìn)氣門早關(guān)時(shí)，燃油耗逐步下降（圖5）。為了使進(jìn)氣門早關(guān)，氣門升程持續(xù)期設(shè)置應(yīng)盡可能短，而采用機(jī)械可變氣門升程系統(tǒng)時(shí)，可以通過(guò)較小的氣門升程來(lái)實(shí)現(xiàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、平均有效壓力為0.2 MPa時(shí)，氣門升程約為1.2 mm，氣門升程持續(xù)期為120°CA。當(dāng)進(jìn)氣門升程偏角（IS）為50°CA、排氣門升程偏角（OS）為60°CA時(shí)，換氣功最低，因而燃油消耗率最低。OS也對(duì)換氣功和燃油耗，以及缸內(nèi)殘余廢氣比有很大的影響（圖5）。

既不能改變OS的可變氣門機(jī)構(gòu)，又不能減少燃油耗，這成為重要缺陷。已經(jīng)證實(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的運(yùn)行點(diǎn)，與采用節(jié)氣門的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，采用無(wú)節(jié)氣門負(fù)荷控制，可使2.0 L渦輪增壓缸內(nèi)直接噴射4缸汽油機(jī)的燃油耗減少9%，而與進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)相比，可減少12%以上[1]。

此外，通過(guò)進(jìn)氣門升程相位調(diào)整，成功地提高了殘余廢氣的相容性。應(yīng)該指出，在部分負(fù)荷時(shí)，增加殘余廢氣量有利于降低燃油耗；而在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于爆燃的風(fēng)險(xiǎn)增加和氣缸充氣減少，降低燃油耗的效果并不明顯。

對(duì)于采用單流道渦輪增壓器的4缸縮缸強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，換氣過(guò)程完全不同。其特點(diǎn)是排氣門升程持續(xù)期控制得很短，以避免在點(diǎn)火順序上相鄰的氣缸之間發(fā)生串?dāng)_。采用雙流道渦輪增壓器也同樣如此，但受到較高的成本和開(kāi)發(fā)集成式排氣歧管的限制[2，3]。

以上要求對(duì)無(wú)節(jié)氣門部分負(fù)荷運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。采用較短的排氣門升程持續(xù)期，在排氣側(cè)調(diào)整凸輪相位會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)殘余廢氣量增加，而且還由于較高的泵氣損失導(dǎo)致?lián)Q氣功增加。因此在燃油耗方面，無(wú)節(jié)氣門負(fù)荷控制的優(yōu)勢(shì)受到限制（圖6）。

在進(jìn)、排氣側(cè)同時(shí)使用機(jī)械式全可變氣門機(jī)構(gòu)，為在部分負(fù)荷獲得更低的燃油耗和更佳的低端扭矩提供了一種可能的解決方案。此外，還可以設(shè)定排氣門開(kāi)啟正時(shí)，以實(shí)現(xiàn)最小的膨脹損失，同時(shí)獲得殘余廢氣和燃油耗最佳的排氣門關(guān)閉正時(shí)?？s缸強(qiáng)化的發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用排氣持續(xù)期很短的凸輪軸，與無(wú)節(jié)氣門的運(yùn)行工況相比，燃油耗優(yōu)勢(shì)可額外提高4%，具體取決于負(fù)荷點(diǎn)和殘余廢氣的相容性。

無(wú)論排氣門升程持續(xù)期如何變化，排氣側(cè)的全可變性對(duì)全負(fù)荷性能都具有正面影響。自由選擇進(jìn)氣門升程持續(xù)期能獲得理想充氣的進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)，這思味著與量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在非常低的轉(zhuǎn)速區(qū)域（無(wú)掃氣），渦輪增壓缸內(nèi)直接噴射汽油機(jī)的全負(fù)荷扭矩可以增加約10%[1]。

在可以實(shí)現(xiàn)規(guī)定掃氣的運(yùn)行點(diǎn)上，進(jìn)氣門升程持續(xù)期延長(zhǎng)伴隨著氣門開(kāi)啟重疊角增加，同時(shí)優(yōu)化進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)，具有明顯的積極作用（圖7）。采用全可變進(jìn)氣系統(tǒng)，可使低速扭矩顯著增大。

另外，全可變排氣門升程系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整排氣門升程持續(xù)期，因而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩具有重大影響。

排氣門升程持續(xù)期較長(zhǎng)，并對(duì)殘余廢氣優(yōu)化控制，能降低部分負(fù)荷時(shí)的燃油耗，但對(duì)渦輪增壓4缸汽油機(jī)的全負(fù)荷性能不利（圖7）。

與現(xiàn)有的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，大幅減小排氣門升程持續(xù)期對(duì)部分負(fù)荷燃油耗明顯不利，但可顯著提高全負(fù)荷性能。采用較短的排氣門升程持續(xù)期，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)的扭矩可增加約100%。即使在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 150 r/min時(shí)，平均有效壓力也能達(dá)到1.8 MPa。

因此，渦輪增壓4缸發(fā)動(dòng)機(jī)采用Univalve系統(tǒng)，可以為降低燃油耗、提高低端扭矩，以及改善全負(fù)荷性能這些相互制約的目標(biāo)提供一種最佳折中。

5 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)氣側(cè)安裝Univalve系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)節(jié)氣門負(fù)荷控制、摩擦優(yōu)化和有針對(duì)性的殘余廢氣控制，可使部分負(fù)荷時(shí)的燃油耗減少12%。此外，如適當(dāng)設(shè)計(jì)偏心凸輪型線，Univalve能夠?yàn)闅忾T升程提供相位調(diào)整（非對(duì)稱氣門升程），產(chǎn)生充量運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)優(yōu)化殘余廢氣相容性，進(jìn)一步降低燃油耗。

采用Univalve對(duì)氣門重疊角進(jìn)行仔細(xì)調(diào)整，按充氣優(yōu)化進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)，可使縮缸強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的全負(fù)荷性能大為改善。可以通過(guò)附加的調(diào)低檔位提高低端扭矩，從而進(jìn)一步節(jié)省燃油。

通過(guò)在排氣側(cè)安裝Univalve，可以充分挖掘發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷和部分負(fù)荷工況下的潛力。值得一提的是，鑒于4缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊性，將能夠順利地降低部分負(fù)荷燃油耗，并增加低端扭矩。

因此，Univalve是滿足未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)更高效率和更大扭矩性能要求的一種有效手段。