涂宇 雷先華 王怡 吳志海 劉愛云

摘 要：發(fā)動機可變氣門技術是根據(jù)汽車的不同工況及時調整控制氣門參數(shù)，以滿足發(fā)動機不同工況下的最佳配氣需求，是解決發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和排放性二者矛盾的核心技術之一。本文主要分析了發(fā)動機現(xiàn)有凸輪軸式氣門可變技術的發(fā)展歷程，就當下最具有潛力和研究價值的無凸輪軸式可變氣門技術進行了研究。

關鍵詞：發(fā)動機;可變氣門技術;無凸輪軸氣門驅動

中圖分類號：U46.11 文獻標識碼：A 文章編號：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)動機上運用的許多技術，如雙渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、無極自動變器、混合動力、小型輕量化等都是為了提高汽車燃油經(jīng)濟性、動力性等各方面的性能，滿足越來越嚴格的國Ⅵ排放法規(guī)要求，達到節(jié)能減排的目的。研究者對配氣控制技術進行了長期探索，目前主流的汽車發(fā)動機、氣門都由凸輪機構驅動控制。但凸輪的工作輪廓線固定不變，氣門正時、氣門升程和氣門開啟時的持續(xù)期無法根據(jù)不同的工況而實時改變，導致燃燒效率低，嚴重影響汽車的燃油經(jīng)濟性和動力性，不僅損害發(fā)動機，還嚴重污染環(huán)境。為降低配氣技術帶來的缺陷，研究者投入了大量人力和物力致力于可變氣門技術的研究。

1 凸輪軸式可變氣門技術簡介

傳統(tǒng)的發(fā)動機因為凸輪輪廓和氣門參數(shù)都是固定不變的，只能保證發(fā)動機在其中一工況下達到最佳性能，無法兼顧高低轉速時發(fā)動機的性能?？勺儦忾T技術主要是通過控制氣門開啟相位、氣門開啟持續(xù)時間和氣門升程這三個參數(shù)，進而控制進氣量[1]。現(xiàn)有的可變氣門技術可根據(jù)不同工況實時改變氣門升程和開啟時間，以滿足汽車發(fā)動機在各種工況下對配氣的需求，以提高汽車的經(jīng)濟性、動力性及節(jié)能環(huán)保性?？勺儦忾T技術的發(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、可變定時技術、可變定時和升程技術，再發(fā)展到現(xiàn)在的無凸輪軸全可變氣門機構技術?？勺儦忾T技術發(fā)展至今，不同類型的技術都在一定程度上改良了發(fā)動機的經(jīng)濟性和動力性，降低了汽車排放。

根據(jù)配氣機構的結構特點和驅動方式的不同，可將氣門機構分為凸輪軸式可變氣門機構和無凸輪軸式可變氣門機構兩大類[2]。當前的凸輪軸式可變氣門技術有較多種，如豐田的VVT-i控制技術、本田的i-VTEC控制技術和寶馬的Valvetronic控制技術。無凸輪軸式有電磁式技術、電液式技術、電氣式可變氣門技術。配氣機構的發(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動技術將是可變氣門技術的下個研究熱點。

2 無凸輪軸氣門驅動技術的發(fā)展

無凸輪軸氣門驅動就是取消發(fā)動機傳統(tǒng)氣門機構中的凸輪軸及其從動件，而以電磁、電液、電氣或其他方式驅動氣門。采用無凸輪軸氣門驅動，不僅和其他可變氣門驅動技術一樣滿足發(fā)動機對動力性和經(jīng)濟性的要求，還能使發(fā)動機的整體結構更加簡單，同時也可降低發(fā)動機的制造成本。由于取消了傳統(tǒng)配氣機構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，有利于設計出新型燃燒室。當前主要研究的無凸輪軸氣門驅動技術分別有電磁式、電液式和電氣式，這三種類型的驅動技術各有其特點。

2.1 電磁式氣門驅動技術

電磁式氣門驅動技術是運用系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁力來驅動氣門。電磁氣門驅動機構主要由電磁鐵、激磁線圈、復位彈簧及氣門組成。在發(fā)動機不工作的狀態(tài)下，控制系統(tǒng)使線圈不通電，機構中無電磁力產(chǎn)生，氣門半開半閉;發(fā)動機啟動時，控制系統(tǒng)根據(jù)可曲軸位置傳感器傳達的信號判斷氣門在該工況下應有的開或關的狀態(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，氣門的關閉或開啟得到實時控制，控制線圈的通斷電及電流強度即可達到控制氣門開度、氣門升程、氣門正時的效果。

電磁氣門驅動技術具有控制方便、結構簡單的優(yōu)點。但是，待解決的問題也比較突出：氣門落座沖擊過大，機構響應速度不夠快，電磁驅動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需要解決的主要問題。氣門落座沖擊太大會導致氣門易損壞，且產(chǎn)生的噪聲大。所以，應該針對電磁氣門驅動機構的結構設計和控制方式進行深入研究，以限制氣門落座速度，減小氣門沖擊，實時控制線圈電流大小，減小沖擊，從而實現(xiàn)氣門落座軟著陸[4]。

2.2 電液氣門驅動技術

電液氣門驅動技術是將氣門的運動交給與之相連的液壓缸控制，控制系統(tǒng)接收傳感器的信號后，判斷氣門應該有的狀態(tài)，然后由電磁閥控制液壓缸內(nèi)液體的流動，從而控制液壓活塞帶動氣門的運動[5]。其最突出的優(yōu)點是可以實現(xiàn)氣門升程、氣門開關時刻和氣門開啟的持續(xù)時間相互獨立運行。因此，運用該技術的發(fā)動機在工作過程中，能使自身的配氣機構在各個工況下以最佳參數(shù)匹配工作，從而實現(xiàn)提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性、改善汽車動力性和降低排放的目的。

近年來，學者對電液氣門驅動技術的研究投入很大。Richman等人[6]在單缸汽油機上對其研發(fā)的電液氣門驅動機構進行實驗，實驗表明，氣門的實際運動狀態(tài)總是滯后于程序設定的運動狀態(tài)。當發(fā)動機的轉速不足1 000r/min時，滯后量較小;轉速繼續(xù)增大時，滯后量也隨之增加，并且升程曲線誤差也越來越大。但實驗結果顯示，在驅動壓力為15MPa左右時，電液驅動氣門機構控制的氣門升程在同樣的開啟持續(xù)時間內(nèi)要比普通氣門機構的開啟角大，并且氣門響應迅速。55%的節(jié)氣門開度下，且在轉速達到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%，這主要是因為缸內(nèi)燃燒狀態(tài)改變導致缸內(nèi)溫度升高。堯命發(fā)[7]等人利用電液驅動氣門機構控制排氣門二次開啟，研究了該裝置在低負荷下的GCI燃燒性能，實現(xiàn)NOx排放量低于0.4g/（kW·h）、炭煙排放量低于0.1FSN。

目前，電液氣門驅動仍然在實驗階段，其缺陷是機構的響應速度不夠快、氣門落座沖擊大、能耗大[8]。機構的響應速度和液壓油的壓力、黏度、密度和電磁閥泄漏等密切相關。液壓系統(tǒng)一般采用的液壓油基本參數(shù)一定，所以應采取提高液壓系統(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速度。但過大的工作壓力又會帶來機構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 電氣氣門驅動技術

電氣氣門驅動技術與電液氣門驅動類似，只是用氣體替換了電液氣門驅動機構的液體。通過電磁閥控制氣壓的大小，從而控制氣門運動。電氣氣門驅動的研究是最少的。從早期的Gould等人[10]的實驗來看，電氣氣門驅動裝置響應速度能滿足發(fā)動機7 200r/min時的要求。但是，其驅動系統(tǒng)功率消耗非常較大。實驗表明，發(fā)動機轉速達到1 500r/min且動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，關于電氣驅動氣門的研究仍然比較少[11]。

電氣氣門驅動同樣存在落座沖擊、耗能大、結構比較復雜和機構響應速度不夠快的問題。但是，與電液氣門驅動相比，電氣氣門驅動采用空氣作為介質，黏度低且黏度受溫度影響小，以上因素都使電氣氣門驅動比電液氣門驅動響應速度更快，工作效率更高。針對電氣氣門能耗過大的問題，可以對發(fā)動機振動能量進行回收，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動，調節(jié)搖臂等方式來實現(xiàn)氣門正時或者氣門升程的目的。這類技術的實現(xiàn)較為簡單，技術成熟，但是調節(jié)效果有很大的提升空間。無凸輪軸式的可變氣門系統(tǒng)，因為取消了凸輪軸，所以氣門開啟和關閉動作迅速，調節(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、技術成本較高等。相信隨著對無凸輪軸發(fā)動機可變氣門技術的研究越來越深入，該技術會越來越成熟，未來將有更多的發(fā)動機采用無凸輪軸式可變氣門技術，以提高汽車的經(jīng)濟性、動力性和環(huán)保性。在無凸輪軸氣門驅動技術中，電磁氣門驅動技術最有可能成為未來研究的重點方向。電磁氣門驅動技術相對于其他幾種無凸輪軸可變氣門技術，在節(jié)能減排上的優(yōu)勢比較明顯。同時，該技術存在的如氣門落座沖擊過大等問題，可通過實時控制線圈電流得到解決。

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