談可變配氣機構(gòu)研究現(xiàn)狀和技術(shù)特點

徐 燕

（成都德奧嘉遠汽車服務有限公司，四川 成都 610000）

1 可變配氣機構(gòu)發(fā)展的必要性

（1）汽車工業(yè)帶來的能源與環(huán)境問題。當前，因驅(qū)動汽車行駛的原動機-內(nèi)燃機所依賴的能源主要是不可再生的化石能源，故其在給生活帶來舒適、便利與促進經(jīng)濟繁榮的同時，也致使能源短缺、環(huán)境污染等問題突顯。據(jù)我國公安部交通管理局統(tǒng)計，截至2019年6月，全國汽車保有量達到了2.5億輛，其中私家車總量超過1.98億輛。汽車保有量不斷持續(xù)的增長，使世界各國能源的消費量都處于快速增長的趨勢。

（2）油耗與排放法規(guī)對發(fā)動機提出了更高的要求。目前各國已差異化的實施汽車燃料消耗量標示制度，作為其控制油耗和碳排放的主要措施之一。我國所實施的第四階段油耗限值標準，要求到2020年所有車企生產(chǎn)的乘用車平均油耗必須降至5L/百公里。對未達到《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》要求的企業(yè)，其新產(chǎn)品將無法進入《道路機動車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》，對企業(yè)公開通報外且停止新車型的申報。在2018年4月1日起施行的《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，也在引導消費者購買節(jié)能低油耗汽車。同時為治理汽車尾氣污染排放，國家出臺了“大氣污染防治行動計劃”、“車用汽油機排氣污染物排放標準、測量方法”等一系列的法規(guī)和政策。嚴格的油耗法規(guī)和排放法規(guī)相繼出臺，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，推動發(fā)動機節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。

（3）節(jié)能與新能源汽車對發(fā)動機企業(yè)提出了更高的要求。在全球各個國家通過發(fā)布禁售燃油汽車的時間表，以求大力發(fā)展及推廣應用汽車節(jié)能技術(shù)與新能源汽車，而我國也不例外。但當下，我國新能源汽車的發(fā)展還需要突破諸多社會因素和技術(shù)屏障（如配套制度體系不完善，汽車節(jié)能關鍵核心技術(shù)尚未完全掌握等）。因此，在未來相當長的時間內(nèi)汽車發(fā)動機依然占有支配地位，加快車用發(fā)動機技術(shù)向信息化、電氣化、智能化方向發(fā)展，采用先進的燃燒技術(shù)、多可變控制技術(shù)等提高發(fā)動機熱效率，降低燃油消耗和有害物質(zhì)的排放，促進汽車產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，推動汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 可變配氣機構(gòu)的研究現(xiàn)狀

在發(fā)動機正常工作時，要求配氣機構(gòu)能根據(jù)其不同轉(zhuǎn)速及時的向氣缸內(nèi)提供可燃混合氣（或新鮮空氣）以滿足燃燒需求，同時在燃燒結(jié)束后將廢氣排出。由于發(fā)動機正常工作時一個工作行程僅持續(xù)千分之幾秒，對于配氣相位不可調(diào)的發(fā)動機很難滿足不同轉(zhuǎn)速下的換氣需求，氣門工作性能的好壞將直接影響著發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性以及排放特性。

歐美、日本等國早在上世紀八十年代就已經(jīng)開始在批量生產(chǎn)的汽油機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。我國的發(fā)動機制造和加工技術(shù)相對于歐美、日本等國家仍有很大差距。但近年來，國家加強鼓勵扶持擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)高校、科研機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)也一直在對可變配氣技術(shù)進行研究，以奇瑞、吉利汽車公司為首的一些企業(yè)，取得了突破性的進展。

3 可變氣門技術(shù)特點與應用情況

（1）可變氣門技術(shù)特點?？烧{(diào)式配氣機構(gòu)可以在不同的工況下為發(fā)動機提供合適的進、排氣門開啟和關閉時刻或升程，改善發(fā)動機的進氣、排氣性能，兼顧發(fā)動機高、低轉(zhuǎn)速，大、小負荷時的經(jīng)濟性、動力性和排放特性。氣門的工作性能則主要由氣門正時（進排氣門開啟或關閉的時間）和氣門升程（進排氣門打開的程度）兩個參數(shù)決定。在不同的運行工況下發(fā)動機對于氣門正時的要求也不同，低轉(zhuǎn)速運行時工作行程持續(xù)時間相對高轉(zhuǎn)速運行時長，故應采用較小的氣門升程和氣門重疊角，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)濟性；而高速時卻希望有大的氣門升程和氣門重疊角，以便進入更多的混合氣以滿足高速時的動力性要求。

（2）可變氣門技術(shù)的發(fā)展應用。上世紀九十年代中期，Siemens/Hyundai成功開發(fā)了電控液壓式可變氣門系統(tǒng) EVT（Electronic Valve Timing），并成功應用在Hyundai 2.0 DOHC汽油發(fā)動機上。如圖1所示，通過電磁閥的開啟和關閉來實現(xiàn)EVT的進油和泄油過程，電磁閥的開閉相位、電磁閥開啟持續(xù)期（脈寬）直接影響氣門的正時與升程。

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），并安裝在柴油機上，該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)原理上與EVT類似，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)擴展到高轉(zhuǎn)速工況下運行。

在國內(nèi)，天津大學在2008年通過對一臺柴油發(fā)動機的推桿進行改良，加裝了液壓活塞機構(gòu)，如圖2所示。根據(jù)MAP控制電磁閥的開閉，實現(xiàn)液壓腔容積的變化，最終使得氣門正時和升程發(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，山東大學設計開發(fā)并優(yōu)化了全可變液壓氣門機構(gòu)（簡稱SDFVVS系統(tǒng)），如圖3所示。當泄油控制機構(gòu)關閉，液壓活塞腔內(nèi)的機油封閉，若不考慮液體壓縮性，氣門的運動規(guī)律完全取決于凸輪型線；當泄油控制機構(gòu)打開，液壓油隨著泄油管路流回油箱，此時氣門的運動規(guī)律不再完全受凸輪型線的影響，氣門的關閉角度和升程會發(fā)生改變，通過合理控制泄油機構(gòu)的開閉，實現(xiàn)靈活調(diào)整氣門的正時與升程。

圖3 SDFVVS系統(tǒng)

西華大學在2014年基于DK4柴油發(fā)動機設計了一款電控液壓可變氣門機構(gòu)。該機構(gòu)通過對原機挺柱的重新加工，在凸輪軸與氣門之間設計了一個液壓活塞腔，通過電磁閥控制液壓活塞與活塞套的相對位移，最終實現(xiàn)進氣門晚關角度的調(diào)整。

4 結(jié) 語

目前，電控液壓式可變氣門系統(tǒng)研究日益受到廣大學者的青睞，但無論在車用汽油機還是柴油機上，由于電磁閥響應速度有限，導致難以滿足高轉(zhuǎn)速的要求。無凸輪機構(gòu)雖然具有很大的可變靈活性，但因動力學性能、體積、成本與可靠性等原因，在中高速機領域長期處于實驗室研究階段。近年來，在中高速大功率發(fā)動機可變配氣機構(gòu)領域，各大廠商已經(jīng)推出可以不連續(xù)改變正時的可變配氣機構(gòu)，例如Caterpillar公司的FCT、MAN公司的VVT與Wartsila公司的VIC。這幾種機構(gòu)的控制較簡單，只需在工況變化時進行切換。

采用可變配氣相位（氣門正時）技術(shù)在很大程度上彌補傳統(tǒng)氣門式配氣機構(gòu)的不足，能在發(fā)動機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)動機的性能。