理想可變配氣相位技術(shù)分析

張 文

（山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東 德州 253034）

汽車(chē)新技術(shù)正朝著提高汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性和環(huán)保性方向快速發(fā)展。大量電子控制技術(shù)的應(yīng)用，使汽車(chē)對(duì)經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性和環(huán)保性等性能變化可以進(jìn)行精確的控制，使汽車(chē)的各種性能可隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化而更加合理的精確的進(jìn)行變化。例如，電控燃油噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火正時(shí)、怠速控制等技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可燃混合氣濃度的精確控制，使可燃混合氣可以完全燃燒，提高了經(jīng)濟(jì)性，減少環(huán)境污染?？勺兣錃庀辔患夹g(shù)雖在很大程度上提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。但都沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)理想的可變配氣相位變化。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能對(duì)配氣相位的理想要求

1.1 影響充氣系數(shù)的主要因素

（1）壓縮比

提高壓縮比，使氣缸余隙容積相對(duì)減少，氣缸內(nèi)殘余廢氣量相對(duì)減少，進(jìn)氣初期廢氣膨脹后所占空間減少，新鮮混合氣所占空間增大，從而增大了進(jìn)氣量，充氣系數(shù)提高。

（2）進(jìn)氣終了參數(shù)

1）進(jìn)氣終了壓力

進(jìn)氣終了壓力是指進(jìn)氣行程末期氣缸內(nèi)的可燃混合氣壓力，提高進(jìn)氣末期氣缸內(nèi)的壓力，相對(duì)增大了缸內(nèi)可燃混合氣的密度，增大了進(jìn)氣量，使充氣系數(shù)增加。

2）進(jìn)氣終了溫度

新鮮混合氣在進(jìn)入氣缸的過(guò)程中和在氣缸中，總要受高溫機(jī)件和殘余廢氣加熱的影響，混合氣受熱越多，溫度升高越多，氣體的密度越小，充氣系數(shù)就越小。降低進(jìn)氣終了溫度，可提高充氣系數(shù)。

（3）排氣終了壓力

由于排氣系統(tǒng)阻力的存在，排氣終了時(shí)缸內(nèi)殘余廢氣的壓力總要高于大氣壓力。排氣終了時(shí)缸內(nèi)壓力高、密度大，廢氣量多，殘余廢氣系數(shù)就大，充氣系數(shù)下降。殘余廢氣的壓力，主要取決于排氣系統(tǒng)的阻力，特別是排氣門(mén)處的阻力。降低排氣阻力，可提高充氣系數(shù)。

（4）負(fù)荷

汽油機(jī)的功率調(diào)節(jié)屬于量調(diào)節(jié)，是靠調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)荷的大小，負(fù)荷小，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度小，節(jié)氣門(mén)處節(jié)流損失增加，使進(jìn)氣阻力增大，進(jìn)氣終了壓力減小，充氣系數(shù)減小。

（5）轉(zhuǎn)速

氣體流動(dòng)阻力除了與進(jìn)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還取決于氣體的流速。氣體流動(dòng)阻力與流速的平方成正比，而流速與轉(zhuǎn)速成正比。所以氣體流動(dòng)阻力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速升高，氣體流速增高，流動(dòng)阻力增大，充氣系數(shù)減少。

1.2 各配氣相位角的變化對(duì)充氣系數(shù)的影響

氣門(mén)的形狀結(jié)構(gòu)尺寸及氣門(mén)升程對(duì)進(jìn)氣過(guò)程形成的進(jìn)氣阻力，相比與以上幾種因素形成的進(jìn)氣阻力都要大。在氣門(mén)的形狀結(jié)構(gòu)不變的情況下，氣門(mén)升程和相位角的變化對(duì)進(jìn)氣效率的影響就是最大的了。

（1）進(jìn)氣提前角

進(jìn)氣提前角主要影響了進(jìn)氣初期氣門(mén)開(kāi)啟程度。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，提前角減小，氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻遲后，氣門(mén)開(kāi)啟程度減小。提前角增大，則氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻提前，使進(jìn)氣初期進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟程度增大。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)充氣效率有直接的影響，氣門(mén)的開(kāi)啟程度對(duì)充氣效率也有直接的影響。要求進(jìn)氣提前角要隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，進(jìn)氣提前角增大，轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)氣提前角減小。

（2）進(jìn)氣遲后角

進(jìn)氣遲后角的大小直接影響到了進(jìn)氣行程末期利用慣性進(jìn)氣增壓的效果。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，如進(jìn)氣遲后角減小，氣門(mén)提早關(guān)閉，不能充分利用氣體運(yùn)動(dòng)慣性，達(dá)到增加進(jìn)氣量的目的。如果遲后角過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生進(jìn)氣倒流的現(xiàn)象。而活塞運(yùn)動(dòng)速度決定了氣體流動(dòng)的速度。為了更好的利用氣體流動(dòng)慣性。要求進(jìn)氣遲后角隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。轉(zhuǎn)速低時(shí)，遲后角要相應(yīng)的減小。轉(zhuǎn)速升高時(shí)，遲后角相應(yīng)的增大。

（3）排氣提前角

排氣提前角小，可使因排氣門(mén)提前打開(kāi)而引起的膨脹功損失小，但相對(duì)應(yīng)的將導(dǎo)致活塞上行推動(dòng)廢氣所消耗的壓縮功增大。反之，排氣提前角大，膨脹功損失大，壓縮功的損失減小。最有利的排氣提前角是使膨脹功和壓縮功損失之和最小。

（4）排氣遲后角

排氣遲后角小，導(dǎo)致排氣終了氣缸壓力增高，降低充氣系數(shù)。過(guò)小可導(dǎo)致廢氣倒流入進(jìn)氣歧管，引起回火現(xiàn)象。排氣遲后角大，可充分利用廢氣流動(dòng)慣性，將廢氣排除的更徹底，增大充氣系數(shù)。但過(guò)大將導(dǎo)致排氣管內(nèi)的廢氣倒流入氣缸內(nèi)。

因此，選擇適當(dāng)?shù)呐錃庀辔?，可獲得較高的充氣系數(shù)。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)配氣相位的理想要求

發(fā)動(dòng)機(jī)功況是不斷變化的，為使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能時(shí)刻保持在最佳狀態(tài)，達(dá)到即能實(shí)現(xiàn)高速、大功率，又不犧牲低速轉(zhuǎn)矩特性，同時(shí)還可燃油消耗率保持在最低水平，在更大程度上減少排氣污染。這就要求充氣系數(shù)需隨發(fā)動(dòng)機(jī)功況的變化而實(shí)時(shí)變化。因此，配氣相位也應(yīng)能隨發(fā)動(dòng)機(jī)的變化而實(shí)時(shí)變化。理想的配氣相位和氣門(mén)升程的變化規(guī)律是：隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，進(jìn)排氣提前角、遲后角要同時(shí)增大。即同時(shí)增大進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)啟持繼角及增大氣門(mén)升程。反之，轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)排氣的提前角和遲后角均應(yīng)減小，即同時(shí)減小進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)啟持繼角及減小氣門(mén)升程。且各種變化過(guò)程均應(yīng)是連續(xù)的變化過(guò)程。采用凸輪驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)，要滿(mǎn)足這一變化規(guī)律的要求，則凸輪的輪廓線(xiàn)必須隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化而變化。

目前，采用鋼性凸輪配氣相位技術(shù)是無(wú)法滿(mǎn)足這一要求的，鋼性凸輪的輪廓線(xiàn)是無(wú)法改變的。它只能保證在一種狀態(tài)下使發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。如設(shè)定在高速狀態(tài)時(shí)，在低速時(shí)充氣效率必將下降。反之，在低速狀態(tài)設(shè)定為最佳值時(shí)，則高速時(shí)的充氣效率必將下降。而現(xiàn)階段采用的可變配氣相位技術(shù)也只能是部分滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化的要求。

2 現(xiàn)行可變配氣相位技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 MIVEC 方式

為高、低速2段式配氣相位和氣門(mén)升程可變的控制機(jī)構(gòu)。高、低速凸輪的輪廓線(xiàn)不同，使各相位角和氣門(mén)升程也不同。只能在兩種工況下滿(mǎn)足理想變化規(guī)律的要求。但在兩級(jí)外的工況中，還不能滿(mǎn)足要求，必然存在一定的功率損失。

2.2 VVT 方式

此種技術(shù)的特點(diǎn)是進(jìn)、排氣門(mén)提前和遲后角及氣門(mén)的升程在一定范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化，即氣門(mén)重疊角是實(shí)時(shí)連續(xù)變化。而進(jìn)、排氣氣門(mén)的開(kāi)啟持續(xù)角還是無(wú)法改變的，不能實(shí)現(xiàn)理想的可變配氣變化要求。

2.3 MultiAir系統(tǒng)

此種技術(shù)的特點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)角和升程多級(jí)變化。以上幾種技術(shù)，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了相位和升程的可變性，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。由于采用凸輪驅(qū)動(dòng)氣門(mén)的控制方式，均未能實(shí)現(xiàn)持續(xù)角和升程實(shí)時(shí)連續(xù)的變化。要想實(shí)現(xiàn)理想的可變配氣技術(shù)，必須打破凸輪輪廓線(xiàn)的約束，即采用無(wú)凸輪驅(qū)動(dòng)方式。

3 無(wú)凸輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析

3.1 電磁閥控制氣門(mén)方式

這種驅(qū)動(dòng)方式的基本結(jié)構(gòu)是由上、下電磁閥和上、下氣門(mén)彈簧及氣門(mén)和銜鐵組成。上電磁閥控制氣門(mén)配氣相位，下電磁閥控制氣門(mén)升程，電磁線(xiàn)圈通電狀況不同，持續(xù)角和升程可連續(xù)變化。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活。但氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能精確控制，會(huì)受到氣門(mén)落座的沖擊；電磁機(jī)構(gòu)效率低，消耗功率大；尺寸大，成本高；電磁鐵有升溫現(xiàn)象，會(huì)影響驅(qū)動(dòng)力的控制。如解決了以上技術(shù)難點(diǎn)，則為最理想的可變相位技術(shù)。

3.2 電液控制氣門(mén)

液壓活塞與氣門(mén)相連，通過(guò)電磁法控制液壓缸內(nèi)高低壓液體的運(yùn)動(dòng)控制活塞，活塞帶動(dòng)氣門(mén)在液壓腔中做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊隙嗣娴目刂剖遗c高壓源和低壓源相連，下端面的液壓腔始終與高壓源相通，壓力保持恒定。由于液壓作用面積不同，使上、下端面產(chǎn)生壓力差驅(qū)動(dòng)氣門(mén)向下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制高、低壓電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，改變控制室的壓力，就可以實(shí)現(xiàn)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)的可變。電液式控制的自由度更大，能控制氣門(mén)運(yùn)行的速度，但是其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度卻比電磁式要差。

4 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化，對(duì)配氣相位的要求是：不但相位角要隨之變化，且持續(xù)角和升程也要隨之變化。而采用凸輪控制氣門(mén)技術(shù)，無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足這些要求，只有采用無(wú)凸輪控制氣門(mén)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)理想的工況要求。