徐 燕

（成都德奧嘉遠(yuǎn)汽車(chē)服務(wù)有限公司，四川 成都 610000）

1 可變配氣機(jī)構(gòu)發(fā)展的必要性

（1）汽車(chē)工業(yè)帶來(lái)的能源與環(huán)境問(wèn)題。當(dāng)前，因驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛的原動(dòng)機(jī)-內(nèi)燃機(jī)所依賴的能源主要是不可再生的化石能源，故其在給生活帶來(lái)舒適、便利與促進(jìn)經(jīng)濟(jì)繁榮的同時(shí)，也致使能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題突顯。據(jù)我國(guó)公安部交通管理局統(tǒng)計(jì)，截至2019年6月，全國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)到了2.5億輛，其中私家車(chē)總量超過(guò)1.98億輛。汽車(chē)保有量不斷持續(xù)的增長(zhǎng)，使世界各國(guó)能源的消費(fèi)量都處于快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

（2）油耗與排放法規(guī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更高的要求。目前各國(guó)已差異化的實(shí)施汽車(chē)燃料消耗量標(biāo)示制度，作為其控制油耗和碳排放的主要措施之一。我國(guó)所實(shí)施的第四階段油耗限值標(biāo)準(zhǔn)，要求到2020年所有車(chē)企生產(chǎn)的乘用車(chē)平均油耗必須降至5L/百公里。對(duì)未達(dá)到《乘用車(chē)燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》要求的企業(yè)，其新產(chǎn)品將無(wú)法進(jìn)入《道路機(jī)動(dòng)車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》，對(duì)企業(yè)公開(kāi)通報(bào)外且停止新車(chē)型的申報(bào)。在2018年4月1日起施行的《乘用車(chē)企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車(chē)積分并行管理辦法》，也在引導(dǎo)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)節(jié)能低油耗汽車(chē)。同時(shí)為治理汽車(chē)尾氣污染排放，國(guó)家出臺(tái)了“大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃”、“車(chē)用汽油機(jī)排氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量方法”等一系列的法規(guī)和政策。嚴(yán)格的油耗法規(guī)和排放法規(guī)相繼出臺(tái)，將迫使企業(yè)不斷地在降低燃油消耗與排放污染方面加大投入，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。

（3）節(jié)能與新能源汽車(chē)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)提出了更高的要求。在全球各個(gè)國(guó)家通過(guò)發(fā)布禁售燃油汽車(chē)的時(shí)間表，以求大力發(fā)展及推廣應(yīng)用汽車(chē)節(jié)能技術(shù)與新能源汽車(chē)，而我國(guó)也不例外。但當(dāng)下，我國(guó)新能源汽車(chē)的發(fā)展還需要突破諸多社會(huì)因素和技術(shù)屏障（如配套制度體系不完善，汽車(chē)節(jié)能關(guān)鍵核心技術(shù)尚未完全掌握等）。因此，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)依然占有支配地位，加快車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)向信息化、電氣化、智能化方向發(fā)展，采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)、多可變控制技術(shù)等提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低燃油消耗和有害物質(zhì)的排放，促進(jìn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 可變配氣機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，要求配氣機(jī)構(gòu)能根據(jù)其不同轉(zhuǎn)速及時(shí)的向氣缸內(nèi)提供可燃混合氣（或新鮮空氣）以滿足燃燒需求，同時(shí)在燃燒結(jié)束后將廢氣排出。由于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)一個(gè)工作行程僅持續(xù)千分之幾秒，對(duì)于配氣相位不可調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)很難滿足不同轉(zhuǎn)速下的換氣需求，氣門(mén)工作性能的好壞將直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放特性。

歐美、日本等國(guó)早在上世紀(jì)八十年代就已經(jīng)開(kāi)始在批量生產(chǎn)的汽油機(jī)上采用可變配氣相位或升程技術(shù)，其典型代表有豐田VVT-i技術(shù)、本田VTEC技術(shù)、寶馬Valvetronic技術(shù)、奧迪AVS技術(shù)、英菲尼迪VVEL技術(shù)等。我國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造和加工技術(shù)相對(duì)于歐美、日本等國(guó)家仍有很大差距。但近年來(lái)，國(guó)家加強(qiáng)鼓勵(lì)扶持擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)高校、科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)也一直在對(duì)可變配氣技術(shù)進(jìn)行研究，以奇瑞、吉利汽車(chē)公司為首的一些企業(yè)，取得了突破性的進(jìn)展。

3 可變氣門(mén)技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用情況

（1）可變氣門(mén)技術(shù)特點(diǎn)?？烧{(diào)式配氣機(jī)構(gòu)可以在不同的工況下為發(fā)動(dòng)機(jī)提供合適的進(jìn)、排氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)刻或升程，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣、排氣性能，兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)高、低轉(zhuǎn)速，大、小負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放特性。氣門(mén)的工作性能則主要由氣門(mén)正時(shí)（進(jìn)排氣門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉的時(shí)間）和氣門(mén)升程（進(jìn)排氣門(mén)打開(kāi)的程度）兩個(gè)參數(shù)決定。在不同的運(yùn)行工況下發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于氣門(mén)正時(shí)的要求也不同，低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)工作行程持續(xù)時(shí)間相對(duì)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，故應(yīng)采用較小的氣門(mén)升程和氣門(mén)重疊角，防止氣缸內(nèi)新鮮空氣倒流，以便增加低速扭矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；而高速時(shí)卻希望有大的氣門(mén)升程和氣門(mén)重疊角，以便進(jìn)入更多的混合氣以滿足高速時(shí)的動(dòng)力性要求。

（2）可變氣門(mén)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。上世紀(jì)九十年代中期，Siemens/Hyundai成功開(kāi)發(fā)了電控液壓式可變氣門(mén)系統(tǒng) EVT（Electronic Valve Timing），并成功應(yīng)用在Hyundai 2.0 DOHC汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上。如圖1所示，通過(guò)電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)EVT的進(jìn)油和泄油過(guò)程，電磁閥的開(kāi)閉相位、電磁閥開(kāi)啟持續(xù)期（脈寬）直接影響氣門(mén)的正時(shí)與升程。

圖1 EVT結(jié)構(gòu)示意圖

繼Siemens/Hyundai的EVT系統(tǒng)后，Jacobs公司研發(fā)出了VVA系統(tǒng)（Variable Valve Actuation），并安裝在柴油機(jī)上，該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)原理上與EVT類(lèi)似，VVA增加了積聚器，這可以使得高壓油回收并且能使液壓活塞腔充油迅速，積聚器的增加就有助于VVA系統(tǒng)擴(kuò)展到高轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行。

在國(guó)內(nèi)，天津大學(xué)在2008年通過(guò)對(duì)一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的推桿進(jìn)行改良，加裝了液壓活塞機(jī)構(gòu)，如圖2所示。根據(jù)MAP控制電磁閥的開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)液壓腔容積的變化，最終使得氣門(mén)正時(shí)和升程發(fā)生改變。

圖2 液壓推桿布置位置和液壓推桿結(jié)構(gòu)

2009～2011年，山東大學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)并優(yōu)化了全可變液壓氣門(mén)機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱SDFVVS系統(tǒng)），如圖3所示。當(dāng)泄油控制機(jī)構(gòu)關(guān)閉，液壓活塞腔內(nèi)的機(jī)油封閉，若不考慮液體壓縮性，氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全取決于凸輪型線；當(dāng)泄油控制機(jī)構(gòu)打開(kāi)，液壓油隨著泄油管路流回油箱，此時(shí)氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不再完全受凸輪型線的影響，氣門(mén)的關(guān)閉角度和升程會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)合理控制泄油機(jī)構(gòu)的開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)整氣門(mén)的正時(shí)與升程。

圖3 SDFVVS系統(tǒng)

西華大學(xué)在2014年基于DK4柴油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了一款電控液壓可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)原機(jī)挺柱的重新加工，在凸輪軸與氣門(mén)之間設(shè)計(jì)了一個(gè)液壓活塞腔，通過(guò)電磁閥控制液壓活塞與活塞套的相對(duì)位移，最終實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)角度的調(diào)整。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，電控液壓式可變氣門(mén)系統(tǒng)研究日益受到廣大學(xué)者的青睞，但無(wú)論在車(chē)用汽油機(jī)還是柴油機(jī)上，由于電磁閥響應(yīng)速度有限，導(dǎo)致難以滿足高轉(zhuǎn)速的要求。無(wú)凸輪機(jī)構(gòu)雖然具有很大的可變靈活性，但因動(dòng)力學(xué)性能、體積、成本與可靠性等原因，在中高速機(jī)領(lǐng)域長(zhǎng)期處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。近年來(lái)，在中高速大功率發(fā)動(dòng)機(jī)可變配氣機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，各大廠商已經(jīng)推出可以不連續(xù)改變正時(shí)的可變配氣機(jī)構(gòu)，例如Caterpillar公司的FCT、MAN公司的VVT與Wartsila公司的VIC。這幾種機(jī)構(gòu)的控制較簡(jiǎn)單，只需在工況變化時(shí)進(jìn)行切換。

采用可變配氣相位（氣門(mén)正時(shí)）技術(shù)在很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)氣門(mén)式配氣機(jī)構(gòu)的不足，能在發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化頻繁的條件下提供最佳的配氣相位，降低換氣損失，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。