可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)在汽油機(jī)上的應(yīng)用

郭佳林

內(nèi)燃機(jī)在經(jīng)過(guò)了將近一個(gè)半世紀(jì)的發(fā)展之后，其進(jìn)步程度已經(jīng)達(dá)到了令人嘆服的地步，尤其是近幾年來(lái)，低能耗、低污染、高性能、多樣化、新結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)不斷產(chǎn)生。伴隨著內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)步，汽車(chē)行業(yè)迅速崛起，隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和消費(fèi)群體的不斷擴(kuò)大，汽車(chē)保有量迅速增加，它在給人類(lèi)帶來(lái)便利、為世界創(chuàng)造物質(zhì)文明的同時(shí)，也對(duì)人類(lèi)生存的環(huán)境造成了巨大的危害。起初，汽車(chē)排污問(wèn)題沒(méi)有被及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和引起足夠的重視，使人類(lèi)付出了慘痛的代價(jià)。

排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格對(duì)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，也提供了新的機(jī)遇?？刂苾?nèi)燃機(jī)對(duì)環(huán)境的污染成為影響其設(shè)計(jì)和發(fā)展的重要因素之一，各國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)制造商紛紛致力于改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的研究，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和內(nèi)燃機(jī)科技工作者的努力，許多新的排氣控制和凈化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物能夠不斷適應(yīng)新法規(guī)的要求。結(jié)構(gòu)方面，用項(xiàng)置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)代替下置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)，用多氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)代替兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)，用汽油噴射代替化油器， 采用電控噴油、電控點(diǎn)火，另外在燃燒過(guò)程和凈化觸媒等方面也進(jìn)行了大量的研究工作，都取得了有效進(jìn)展。同時(shí)，由以前固定的機(jī)構(gòu)走向可變，如可變壓縮比、 可變尺寸進(jìn)氣系統(tǒng)（諧振進(jìn)氣系統(tǒng)）、可變排量和可變配氣相位等。這些改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的重要研究成果，成為支撐內(nèi)燃機(jī)和汽車(chē)行業(yè)生存、發(fā)展的關(guān)鍵。

發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，做為一種性?xún)r(jià)比相當(dāng)高的技術(shù)方案不但能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，而且在其他傳統(tǒng)凈化措施的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)在許多工況下的排氣污染物，一直是各國(guó)內(nèi)燃機(jī)工作者重點(diǎn)研究的對(duì)象，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷完善和成熟，已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)新型發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中一項(xiàng)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，一款發(fā)動(dòng)機(jī)是否搭載了可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，是評(píng)價(jià)其排放性能是否優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)之一。對(duì)于正在快速發(fā)展的國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)，可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)有著很大的發(fā)展空間，能否將這一技術(shù)盡快應(yīng)用于自主產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，早日占有市場(chǎng)份額，達(dá)到追趕世界排放標(biāo)準(zhǔn)的要求， 既關(guān)系著自身的前途與命運(yùn)，更重要的是對(duì)世界環(huán)境和人類(lèi)健康負(fù)責(zé)。

進(jìn)氣系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中扮演著舉足輕重的角色，雖然這些技術(shù)五花八門(mén)，應(yīng)用的位置都不相同。但其目的都是為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工況下保持進(jìn)氣順暢，從而提高燃燒效率。另外這些技術(shù)并不是獨(dú)立存在的，通常它們會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上結(jié)合使用以達(dá)到更好的效果。

氣門(mén)是由引擎的曲軸通過(guò)凸輪軸帶動(dòng)的，氣門(mén)的配氣正時(shí)取決于凸輪軸的轉(zhuǎn)角。在普通的引擎上，進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)的開(kāi)閉時(shí)間是固定不變的，這種固定不變的正時(shí)很難兼顧到引擎不同轉(zhuǎn)速的工作需，“VVT（可變氣門(mén)正時(shí)）”就是解決這一矛盾的技術(shù)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是改變進(jìn)氣門(mén)或排氣門(mén)的打開(kāi)與關(guān)閉的時(shí)間。

可變氣門(mén)正時(shí)又分為不連續(xù)可變氣門(mén)正時(shí)和連續(xù)可變氣門(mén)正時(shí)不連續(xù)可變氣門(mén)正時(shí)：簡(jiǎn)單的可變氣門(mén)正時(shí)VVT只有兩段或三段固定的相位角可供選擇，通常是0度或30度中的一個(gè)。連續(xù)可變氣門(mén)正時(shí)是更高性能的可變氣門(mén)正時(shí)VVT系統(tǒng)，能夠連續(xù)可變相位角，根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，在0度-30度之間線性調(diào)教配氣相位。連續(xù)可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)更適合匹配各種轉(zhuǎn)速，因而能有效提高引擎的輸出性能，特別是引擎的輸出平順性。進(jìn)氣可變氣門(mén)正時(shí)和排氣可變氣門(mén)正時(shí)進(jìn)氣可變氣門(mén)正時(shí)：進(jìn)氣門(mén)相位角（即開(kāi)閉時(shí)間）可變，排氣門(mén)相對(duì)固定，像豐田凱美瑞的VVT-i，目前應(yīng)用較多。排氣可變氣門(mén)正時(shí)：進(jìn)氣門(mén)相對(duì)固定，排氣門(mén)相位角（即開(kāi)閉時(shí)間）可變。

目前大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用機(jī)械式氣門(mén)系來(lái)操作進(jìn)排氣門(mén)，氣門(mén)運(yùn)動(dòng)由曲軸旋轉(zhuǎn)來(lái)定時(shí)。定時(shí)機(jī)構(gòu)由曲軸和凸輪軸之間以及凸輪軸和氣門(mén)之間的機(jī)械聯(lián)接組成。這種驅(qū)動(dòng)形式有效性、可靠性強(qiáng)，但是缺點(diǎn)也很明顯：不能改變正時(shí)、延續(xù)時(shí)間和進(jìn)氣門(mén)升程，這樣就顯著降低了火花點(diǎn)火（SI）發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。這是由于 為了滿(mǎn)足小于最大輸出扭矩時(shí)的需要而采取的進(jìn)氣節(jié)流措施，也使發(fā)動(dòng)機(jī)效率大大降低。

為了解決上述問(wèn)題，研究人員提出了一種方案，其基本思路是：在各種速度比負(fù)荷情況下，風(fēng)門(mén)保持全開(kāi)，利用電流控制無(wú)凸輪氣門(mén)系優(yōu)化進(jìn)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)從而控制缸內(nèi)氣流。在硬件和實(shí)時(shí)計(jì)算方面的研究進(jìn)展使這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到實(shí)用水平。

無(wú)凸輪控制系統(tǒng)需要完成兩方面的任務(wù)：對(duì)輸出扭矩的快速變化能夠作出足夠快的反應(yīng)；確保靈活的操作。

研究人員的早期工作描述了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的感應(yīng)過(guò)程，并建立了一個(gè)基于空燃比控制的觀測(cè)器模型。Ashhab等人根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)的基本原理提出了無(wú)節(jié) 流無(wú)凸輪吸氣過(guò)程控制模型，它彌補(bǔ)了解析熱動(dòng)力學(xué)模型和穩(wěn)態(tài)或均值模型的缺點(diǎn)?；谛履Ｐ驮O(shè)計(jì)了間接適應(yīng)控制器，能夠調(diào)整進(jìn)氣門(mén)升程和延續(xù)時(shí)間以滿(mǎn)足缸內(nèi)充氣需要，同時(shí)帶有前饋算法的控制器可以保證各缸平衡并快速跟蹤泵吸損失的降低。除上述方法外，還有學(xué)者探討了電磁閥加液壓驅(qū)動(dòng)這種方式控制氣門(mén)升程和定時(shí)，它利用壓縮流體的彈性特性作為液體彈簧使氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)作加速和減速運(yùn)動(dòng)，加速運(yùn)動(dòng)時(shí)流體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化成氣門(mén)的動(dòng)能，減速運(yùn)動(dòng)時(shí)反之，能量轉(zhuǎn)化率達(dá)80%。Anderson等人設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)控制兩個(gè)電磁閥高壓液體流入和流出發(fā)動(dòng)機(jī)頂端的控制室，同時(shí)控制室活塞的下部作用一個(gè)常力，在兩者的共同作用下實(shí)現(xiàn)氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，可以精確調(diào)節(jié)控制室內(nèi)壓力，從而控制氣門(mén)升程的連續(xù)變化。兩個(gè)檢測(cè)閥門(mén)用來(lái)提高能量利用率。該系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是利用內(nèi)外兩個(gè)閉環(huán)控制來(lái)改變氣門(mén)升程和定時(shí)。

Podnar 等人開(kāi)發(fā)了一種電磁氣門(mén)驅(qū)動(dòng)（EVA）系統(tǒng)，并應(yīng)用于Kohler Command 系列發(fā)動(dòng)機(jī)。它完全由計(jì)算機(jī)控制，響應(yīng)快，伺服控制系統(tǒng)效率高。EVA 系統(tǒng)由電磁鐵、彈簧、電樞、氣門(mén)等元件組成，氣門(mén)上作用有彈性力和電磁力。當(dāng)電磁鐵通電后，驅(qū)動(dòng)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)，然后電磁鐵斷電由彈簧驅(qū)動(dòng)氣門(mén)接近所要求位置，此刻電磁鐵再次通電使氣門(mén)以適當(dāng)?shù)乃俣鹊竭_(dá)所指定位置。這種系統(tǒng)體積小，電力消耗也小，可以實(shí)現(xiàn)接近零速度落座，但伺服控制較復(fù)雜。