汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門技術(shù)及其發(fā)展

袁夢(mèng)穎

摘 要：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門技術(shù)作為現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)，無論是在低速運(yùn)行還是高速運(yùn)行的狀態(tài)之下，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力都能處于較高的水準(zhǔn)，例如對(duì)凸輪相位和氣門升程的有效調(diào)節(jié)可以讓整個(gè)配氣過程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。這樣一來，汽車的運(yùn)行會(huì)更加平穩(wěn)而有序，也是今后汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主流研究方向，對(duì)相關(guān)技術(shù)與未來發(fā)展的研究也具有明確的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 可變氣門 技術(shù)發(fā)展

Automobile Engine Variable Valve Technology and its Development

Yuan Mengying

Abstract：Automobile engine variable valve technology is the key equipment system of modern automobile engine. Whether it is running at low speed or high speed， the economy and power of the entire engine can be at a high level. For example， the cam phase and the effective adjustment of valve lift can optimize the entire gas distribution process. In this way， the operation of automobiles will be more stable and orderly， which is also the mainstream research direction of automobile engines in the future， and the research on related technologies and future development also has clear practical significance.

Key words：automobile engine， variable valve， technological development

1 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高和氣門數(shù)量處于增加狀態(tài)時(shí)，氣門升程無法同步出現(xiàn)改變，所以當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于轉(zhuǎn)速較低的情況時(shí)，燃油消耗問題難以進(jìn)行穩(wěn)定消耗，但是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用單氣門的前提之下，燃油供給和控制工作會(huì)面臨更高的技術(shù)難度，這時(shí)我們可以考慮換一種模式，借助可變性能的特點(diǎn)展開綜合處理，此類問題的解決難度就會(huì)顯著降低。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門技術(shù)分析

2.1 氣門正時(shí)技術(shù)

氣門正時(shí)指的是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的氣門打開時(shí)間，在活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并到達(dá)某個(gè)區(qū)域后，氣門的整個(gè)開啟和關(guān)閉可以得到穩(wěn)定調(diào)節(jié)。一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門，活塞運(yùn)動(dòng)保持規(guī)律性特點(diǎn)，按照從下到上的順序。活塞到達(dá)某個(gè)上止點(diǎn)之后運(yùn)動(dòng)空氣會(huì)存在一定的反映時(shí)間，進(jìn)行排氣的過程當(dāng)中，廢氣排出氣缸，目的在于讓更多的空氣可以進(jìn)入其中，此時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)位置時(shí)可以通過活塞運(yùn)動(dòng)等手段再進(jìn)行一次關(guān)閉。整個(gè)活塞活動(dòng)的環(huán)節(jié)當(dāng)中，進(jìn)氣門、排氣門可能會(huì)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)同步打開與控制，即我們熟知的“氣門疊加”。在此類現(xiàn)象出現(xiàn)之后曲軸本身會(huì)出現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生氣門疊加角。

發(fā)動(dòng)機(jī)處于不同的轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，氣門疊加角也將處于不同的要求之下。低轉(zhuǎn)速前提下氣門疊加角變小，反之當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，則氣門疊加角也會(huì)較大。通常來說采取氣門正時(shí)技術(shù)就可以同時(shí)滿足這兩個(gè)方面的要求。當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)屬于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)之下，氣門的進(jìn)氣速度會(huì)同步變得緩慢，這說明我們需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間用于凸輪轉(zhuǎn)速和氣門開度的控制工作。我們假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是3000rpm-4000rpm，將汽車的行駛速度設(shè)定為120km/h甚至更快的水平，那么汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門開啟速度、關(guān)閉速度顯然會(huì)保持非?？斓乃?。燃燒不充分對(duì)于汽車性能也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面干擾。為了解決此類問題，可以考慮到在發(fā)動(dòng)機(jī)上采取氣門正時(shí)技術(shù)，顯著地改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率。例如運(yùn)行過程中對(duì)凸輪進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，在收集相應(yīng)的傳感器屬于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。無論發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速還是低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，都可以通過正時(shí)技術(shù)對(duì)氣門開度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，或是讓發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速始終處于正常水平不出現(xiàn)異常情況。

我們以全可變氣門正時(shí)技術(shù)為例，無論發(fā)動(dòng)機(jī)處于怎樣的轉(zhuǎn)速條件之下，氣門的開啟和關(guān)閉都能得到有效控制，低轉(zhuǎn)速下的扭矩非常充沛，高轉(zhuǎn)速下的馬力也比較大。低轉(zhuǎn)速時(shí)采取的時(shí)比較小的氣門升程，所以氣缸內(nèi)的紊流不僅加速了燃燒速度，也提升了發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩，高轉(zhuǎn)速時(shí)的功率輸出情況良好。我們熟知的本田i-vtec技術(shù)就是有凸輪驅(qū)動(dòng)下的全可變氣門正時(shí)技術(shù)，它也是最早將這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的廠商。從工作原理和整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，復(fù)雜程度并不突出，發(fā)動(dòng)機(jī)在達(dá)到某個(gè)轉(zhuǎn)速的閾值后，系統(tǒng)就會(huì)控制連桿將搖臂進(jìn)行連接，不同的搖臂會(huì)隨著高角度的凸輪驅(qū)動(dòng)發(fā)生改變?cè)黾託忾T的升程，單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)氣量明顯提升，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力穩(wěn)定，讓汽車的行駛穩(wěn)定性得到有效提高、當(dāng)然這種技術(shù)的“缺陷”可能表現(xiàn)在動(dòng)力輸出的線性不夠突出。不過整體而言本田的發(fā)動(dòng)機(jī)在可變氣門正時(shí)方面的領(lǐng)先性比較好，低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，小活塞在原位置之上控制進(jìn)氣門的開閉，氣門升量也比較少，與普通發(fā)動(dòng)機(jī)看似沒有區(qū)別，但不會(huì)影響到氣門的開閉狀態(tài)。同步對(duì)低速運(yùn)轉(zhuǎn)和高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的氣門開閉時(shí)間、開閉度進(jìn)行控制，就能從經(jīng)濟(jì)、動(dòng)力兩個(gè)層面滿足汽車的使用性能。因此，本田也幾乎在所有檔次的車型當(dāng)中都利用了i-vtec技術(shù)。

2.2 氣門升程技術(shù)

在傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中，氣門升程本身是固定不發(fā)生改變的，凸輪軸的型線只有一種類型，因此升程無法讓發(fā)動(dòng)機(jī)在高速區(qū)與低速區(qū)都獲得良好的響應(yīng)。傳統(tǒng)汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門升程本身是在不同工況下的選擇，但是在無法獲得高速效率和低速扭矩的前提下就應(yīng)該作出調(diào)整。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下，如果氣門行程比較遠(yuǎn)，進(jìn)氣截面面積增加，進(jìn)氣過程中受到的阻礙相對(duì)較小，讓進(jìn)氣環(huán)節(jié)平穩(wěn)而合理，此狀態(tài)對(duì)于汽車而言非常合適，例如汽車在高速公路上行駛時(shí)。反之，如果汽車行駛速度緩慢，例如在城區(qū)出現(xiàn)堵車現(xiàn)象，那么進(jìn)氣在無法滿足負(fù)壓要求時(shí)的汽車平穩(wěn)程度會(huì)明顯下降，如氣門很小，會(huì)讓汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在慢速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下保障氧氣充足條件下的充分燃燒。汽車行駛速度加快同樣會(huì)促進(jìn)空氣流速的加快，氣阻增加，氣門在進(jìn)氣、排氣過程的通暢程度受到影響。如果采用可變氣門技術(shù)，就可以對(duì)此類問題進(jìn)行控制，進(jìn)一步保障燃油的燃耗效率并穩(wěn)定汽車的經(jīng)濟(jì)性能。

氣門升程技術(shù)的發(fā)展將以可調(diào)節(jié)氣門大小為主要方向，在不同轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行氣門大小的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出與進(jìn)氣量的匹配，也能夠在一定程度上提高燃油利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的可變氣門結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的可變氣門結(jié)構(gòu)技術(shù)研究當(dāng)中，我們需要將不同類型的技術(shù)缺陷進(jìn)行針對(duì)性處理，以此為基礎(chǔ)探究一種更加穩(wěn)定的控制方案，讓控制器可以按照傳感器信號(hào)的差異，對(duì)凸輪軸的方向進(jìn)行控制。這里我們以全可變氣門結(jié)構(gòu)MVVA（Moter Variable Valve Action）為例，該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于解決了電液和電磁控制全可變氣門響應(yīng)性、落座噪聲方面存在的問題，同時(shí)也可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷情況下對(duì)混合氣濃度的現(xiàn)實(shí)要求，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.4 可變升程控制發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

這里我們以豐田的VVT-i系統(tǒng)作為案例，它作為一種發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門系統(tǒng)，是豐田汽車品牌的技術(shù)亮點(diǎn)，具體來看系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能運(yùn)動(dòng)可進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，發(fā)揮良好的輔助功能，但對(duì)于氣門開度大小卻無法進(jìn)行控制?？傮w而言該技術(shù)的工作原理是通過汽車運(yùn)行速度的參考來實(shí)現(xiàn)渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)。例如汽車運(yùn)行速度從慢變快時(shí)，小渦輪的運(yùn)轉(zhuǎn)角度是相對(duì)于凸輪的60°范圍，且在這一角度內(nèi)進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)。氣門的開啟時(shí)間、閉合時(shí)間都得到了合理控制。

如果我們要對(duì)凸輪軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，那么需要調(diào)整配氣時(shí)間和燃油配氣狀態(tài)，且只有當(dāng)燃油處于最佳燃燒狀態(tài)時(shí)，汽車的扭矩才能提升，維持汽車在不同方面的使用要求。

2.5 發(fā)展趨勢(shì)分析

汽車保有量的不斷增加使得環(huán)境污染問題變得更加嚴(yán)峻，能源緊張問題也更加突出，高效化、環(huán)?；钠嚰夹g(shù)方案應(yīng)用也變得勢(shì)在必行。在未來的研究當(dāng)中，也會(huì)通過相應(yīng)的技術(shù)手段進(jìn)行協(xié)調(diào)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘡V泛應(yīng)用，將這一部分的內(nèi)容作為發(fā)動(dòng)機(jī)的基本配置內(nèi)容。

例如停缸技術(shù)就是可變氣門升程技術(shù)在低負(fù)荷狀態(tài)下的氣缸、氣門部分關(guān)閉，尤其是小負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)可以起到節(jié)能效果，降低燃油消耗。另外，為了最大限度地保障發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，滿足低油耗和低污染的發(fā)展目標(biāo)，可變氣門升程技術(shù)并不會(huì)維持單一化工作，而是與其它技術(shù)手段進(jìn)行配合，例如渦輪增壓技術(shù)、缸內(nèi)直噴技術(shù)等，目的在于改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。例如渦輪增加發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣門在使用可變氣門技術(shù)時(shí)就會(huì)有效地改進(jìn)低速狀態(tài)下的渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)配合問題。

3 結(jié)語

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門技術(shù)當(dāng)中升程技術(shù)對(duì)于氣門的開合度起到了穩(wěn)定的控制效果，而正時(shí)系統(tǒng)也可以對(duì)氣門開閉時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃，這兩個(gè)方面的內(nèi)容共同配合決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量變化，也是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。當(dāng)前該技術(shù)發(fā)展速度較快，且可變氣門結(jié)構(gòu)有多種形式，發(fā)動(dòng)機(jī)如何在不同工況下都具備最佳氣門升程也成為了后續(xù)研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫鳳霞.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門技術(shù)淺析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件.2018（16）：37-38.

[2]熊力.淺析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門技術(shù)[J].時(shí)代汽車.2018（07）：127-128.

[3]王建軍.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門技術(shù)研究[J].中國高新區(qū).2018（08）：1.

[4]樂吉祥.試析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件.2018（03）：71-72.

[5]周恒.關(guān)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門技術(shù)的探討[J].汽車實(shí)用技術(shù).2017（13）：102-103.

[6]張靖雯.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門技術(shù)研究[J].時(shí)代農(nóng)機(jī).2017（02）：29-30.