發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)原理及其發(fā)展探析

李 穎

(山東交通技師學(xué)院，山東 臨沂 276004)

0 引言

近幾十年來(lái), 許多國(guó)家、發(fā)動(dòng)機(jī)廠商、科研機(jī)構(gòu)投入了大量的人力、物力和精力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)正時(shí)新技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，目的就是為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和降低排污。經(jīng)過(guò)研究人員的不懈努力，有些科研新成果已在內(nèi)燃機(jī)上廣泛應(yīng)用，有些還處于完善和發(fā)展階段，有些可能成為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)今后發(fā)展的新趨勢(shì)。本文主要是對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)展開(kāi)分析和研究。通過(guò)分析可知,葉片式可變凸輪相位機(jī)構(gòu)是目前可行性較強(qiáng)的技術(shù)途徑。

1 可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)(Variable Valve Timing，VVT)

采用可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)可以最大限度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，使進(jìn)氣更充分，排氣更徹底，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率。該技術(shù)近些年來(lái)被逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代轎車(chē)上。

1.1 正時(shí)理論

選擇合理的配氣正時(shí)，保證最佳的充氣效率ηv，是實(shí)現(xiàn)提高功率和降低油耗、減少排放的關(guān)鍵。據(jù)有關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)資料分析可知：在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)閉、排氣門(mén)開(kāi)閉的四個(gè)工作行程中，充氣效率ηv的最大影響因素是進(jìn)氣門(mén)遲閉角的改變。發(fā)動(dòng)機(jī)功率和充氣效率ηv受進(jìn)氣門(mén)遲閉角變化的影響關(guān)系如圖1所示。

圖1 功率、充氣效率、轉(zhuǎn)速與進(jìn)氣門(mén)遲閉角的關(guān)系

在一定的配氣正時(shí)下，充氣效率ηv隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系可通過(guò)圖1中的每條充氣效率ηv曲線加以說(shuō)明。一般充氣效率ηv曲線最大值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速隨遲閉角增大而增大，如遲閉角由40°變?yōu)?0°時(shí)，充氣效率ηv曲線最大值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速則由1 800 r·min-1增加為2 200 r·min-1，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)在這兩個(gè)轉(zhuǎn)速下工作進(jìn)氣最充分，燃油經(jīng)濟(jì)性最好。因在這兩個(gè)轉(zhuǎn)速下工作能最好地利用氣流的慣性充氣，使進(jìn)氣更充分。當(dāng)高于或低于此轉(zhuǎn)速時(shí)，充氣效率ηv都會(huì)隨之下降。也就是說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)遲閉角要隨轉(zhuǎn)速變化而改變，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效果最佳。即充氣效率ηv和與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速要隨進(jìn)氣門(mén)遲閉角的改變而改變，以滿足不同工況的使用要求。

改變進(jìn)氣遲閉角可以改變充氣效率ηv曲線隨轉(zhuǎn)速變化的趨向，以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線，滿足不同的使用要求。更確切地說(shuō)，加大進(jìn)氣門(mén)遲閉角，高轉(zhuǎn)速時(shí)充氣效率ηv增加有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，但對(duì)低速和中速性能則不利。減小進(jìn)氣遲閉角，能防止新鮮氣體被推回進(jìn)氣管，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。

因此，理想的氣門(mén)正時(shí)是發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化時(shí)氣門(mén)正時(shí)也要隨之變化，要有一定的靈活性。而傳統(tǒng)的凸輪軸氣門(mén)挺桿機(jī)構(gòu)，因在工作中氣門(mén)正時(shí)是不可變化的，也就是說(shuō)達(dá)不到上述要求，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步提高是非常不利的。

1.2 智能可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)(Variable Valve Timing-intelligent，VVT-i )

在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)上，由于凸輪軸與曲軸之間的位置關(guān)系是固定不變的，因此氣門(mén)正時(shí)也是固定的，VVT-i系統(tǒng)能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)氣門(mén)正時(shí)進(jìn)行調(diào)整，該系統(tǒng)最大特點(diǎn)是進(jìn)氣凸輪軸的轉(zhuǎn)角能按發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，即對(duì)配氣時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改變進(jìn)氣凸輪轉(zhuǎn)角的大小和方向，實(shí)現(xiàn)最佳配氣正時(shí)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，改善燃油消耗和減少?gòu)U氣排放。

VVT-i系統(tǒng)由凸輪軸位置傳感器、 發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECU)和凸輪軸液壓控制閥、相位控制器等部分組成。其原理是由節(jié)氣門(mén)位置傳感器、曲軸位置傳感器、進(jìn)氣歧管空氣壓力傳感器、凸輪軸位置傳感器和水溫傳感器等采集的信息匯集到ECU，并與ECU預(yù)先儲(chǔ)存的最佳氣門(mén)正時(shí)參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，將得出的修正參數(shù)值以信號(hào)方式發(fā)送到控制凸輪軸正時(shí)液壓控制閥(電磁閥)，控制閥根據(jù)收到的ECU信號(hào)控制滑閥的位置(打開(kāi)或關(guān)閉相關(guān)油道)，以此改變流入VVT-i系統(tǒng)中相位控制器不同油道上的液壓油的流動(dòng)方向及流量，實(shí)現(xiàn)氣門(mén)正時(shí)的提前、滯后、保持，即產(chǎn)生不同的配氣正時(shí)[1]。

VVT-i系統(tǒng)按相位控制器的結(jié)構(gòu)不同可分為葉片式VVT-i系統(tǒng)和螺旋槽式VVT-i系統(tǒng)兩種，分別安裝在排氣凸輪軸上和進(jìn)氣凸輪軸上，雖然二者在結(jié)構(gòu)上有所不同，但其作用是一樣的。而葉片式VVT-i系統(tǒng)可變凸輪相位機(jī)構(gòu)是目前可行性較強(qiáng)的技術(shù)途徑。由于發(fā)動(dòng)機(jī)性能受進(jìn)氣門(mén)配氣相位的影響比受排氣門(mén)相位的影響大，為降低成本和簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，VVT-i系統(tǒng)一般只對(duì)進(jìn)氣相位進(jìn)行控制。該技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的許多汽車(chē)上都得到廣泛應(yīng)用。

葉片式VVT-i系統(tǒng)中控制器由驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣凸輪軸的管殼和與排氣凸輪軸相偶合并帶有葉片的內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，葉片寬度比其槽稍窄，每個(gè)葉片將槽分成兩個(gè)密閉腔室，即提前室和延遲室。凸輪軸液壓控制閥通過(guò)ECM傳來(lái)的信號(hào)控制兩腔室的油壓，推動(dòng)葉片隨內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，此油壓傳遞到排氣凸輪軸上，使VVT-i系統(tǒng)中控制器管殼旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)改變進(jìn)氣正時(shí)。當(dāng)油壓施加在提前室轉(zhuǎn)動(dòng)殼體時(shí)，進(jìn)氣凸輪軸就沿提前方向轉(zhuǎn)動(dòng)；反之當(dāng)油壓施加在延遲室使殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則進(jìn)氣凸輪軸沿延遲方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)兩腔室油壓相等時(shí)，殼體及進(jìn)氣凸輪軸都不轉(zhuǎn)動(dòng)，相位保持不變；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，凸輪軸液壓控制閥則處于最大的滯后狀態(tài)，以確保啟動(dòng)性能[2]。

凸輪軸液壓控制閥，由滑閥、線圈、柱塞及回位彈簧等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。ECM通過(guò)占空比控制液壓控制閥。工作中，發(fā)動(dòng)機(jī)ECM接收各傳感器傳來(lái)的信號(hào)，經(jīng)分析、計(jì)算后發(fā)出指令，控制凸輪軸液壓控制閥，以此控制滑閥的位置，通過(guò)滑閥移動(dòng)，使液壓控制閥打開(kāi)或關(guān)閉相關(guān)油道，對(duì)相位控制器內(nèi)部轉(zhuǎn)子葉片兩側(cè)油腔的油壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使定子與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)氣門(mén)正時(shí)的目的。當(dāng)占空比大于1/2，柱塞推動(dòng)滑閥左移，使高壓油流入VVT-i系統(tǒng)中相位控制器的提前室，使進(jìn)氣凸輪軸沿提前方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)占空比小于1/2，其情況相反，柱塞帶動(dòng)滑閥右移，使進(jìn)氣凸輪軸沿延遲方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)占空比等于1/2，則提前室和延遲室油壓相等，進(jìn)氣凸輪軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，相位保持不變。

1.3 雙可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)(Dual Variable Valve Timing，DVVT )

DVVT系統(tǒng)是VVT系統(tǒng)的延續(xù)和發(fā)展，通過(guò)它解決了VVT發(fā)動(dòng)機(jī)不能同時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣相位的技術(shù)難題，是目前高性能發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)先采用的雙可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)。

DVVT系統(tǒng)特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU可根據(jù)其轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度及車(chē)速信號(hào)發(fā)出指令，控制進(jìn)、排氣凸輪軸的位置，使其通過(guò)油壓相對(duì)于正時(shí)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，以獲得最佳配氣正時(shí)，從而在全速范圍內(nèi)提高動(dòng)力、節(jié)能減排。DVVT系統(tǒng)在進(jìn)、排氣凸輪軸上都安裝了正時(shí)調(diào)整系統(tǒng)，分別調(diào)整進(jìn)、排氣門(mén)的正時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到進(jìn)一步提高[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)采用DVVT技術(shù)后，在高效、節(jié)能、環(huán)保方面具有更大優(yōu)勢(shì)。采用DVVT技術(shù)可降低油耗5%，同時(shí)動(dòng)力提高10%，廢氣排放達(dá)到國(guó)家Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；還能使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的混合氣體達(dá)到合適的空燃比，明顯改善怠速穩(wěn)定性，從而獲得較好的舒適性[4]。

圖2 葉片式VVT-i系統(tǒng)的液壓控制閥

2 汽車(chē)可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)對(duì)環(huán)保節(jié)能的認(rèn)識(shí)深入，高效、低能耗、低排放的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)成為未來(lái)發(fā)展方向。目前，可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用， 但為進(jìn)一步挖掘傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的潛力， 工程技術(shù)人員又在此基礎(chǔ)上研發(fā)出可變氣門(mén)升程技術(shù)，并把二者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，能使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下進(jìn)氣更充分，排氣更徹底?？勺儦忾T(mén)機(jī)構(gòu)大致可分為傳統(tǒng)凸輪軸可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)和無(wú)凸輪軸可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)。在前者中，因凸輪型線性制約了氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因而也就制約了發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的進(jìn)一步提高。而無(wú)凸輪軸可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)是迄今最有潛力、自由度最大的可變氣門(mén)配氣機(jī)構(gòu)，因氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)、升程、運(yùn)動(dòng)規(guī)律是完全柔性可調(diào)，其中有ECM控制的電磁、電控液力氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也更有發(fā)展前景，其有望成為今后發(fā)展的趨勢(shì)，控制技術(shù)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)是今后發(fā)展的重點(diǎn)。即高效低成本的氣門(mén)正時(shí)技術(shù)將成為未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。

采用可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，應(yīng)用不同的配氣策略可以在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)改善傳統(tǒng)汽油機(jī)的性能 。此技術(shù)雖在汽油機(jī)上的應(yīng)用效果比柴油機(jī)上好, 但用在柴油機(jī)上也能降低氮氧化物的排放、提高轉(zhuǎn)矩和冷啟動(dòng)性能。近些年，通過(guò)眾多內(nèi)燃機(jī)科研團(tuán)隊(duì)和從業(yè)人員不斷地努力, 經(jīng)過(guò)大量研究和實(shí)踐應(yīng)用，目前凸輪軸可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)已經(jīng)得到了充足的發(fā)展，但也遇到了凸輪型線的限制，很難再有大的突破性發(fā)展，而無(wú)凸輪式的柔性可調(diào)的可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)可以彌補(bǔ)其不足，未來(lái)有望得到長(zhǎng)足的發(fā)展[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)相比在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性及減排方面都有明顯優(yōu)勢(shì)，目前已普遍應(yīng)用于各種現(xiàn)代車(chē)型。隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展完善及成本降低，將會(huì)有更高性能可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)上，為發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高及節(jié)能減排發(fā)揮更大作用。

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