发动机可变气门技术的研究进展

发动机可变气门技术的研究进展

作者王立彪 何邦全 谢辉 赵华 (天津大学内燃机燃烧科学国家重点实验室)

【摘要】介绍了国内外可变气门技术的发展状况。并根据气门控制参数的变化情况，对可变气门技术进行了详细的分类。结合目前典型的可变气门机构，对实现可变气门技术的途径进行了系统的阐述与评价。通过实例介绍了可变气门技术改善发动机性能及在实现汽油机均质充量压缩着火(HCCI)方面的应用。通过分析指出，叶片式可变凸轮轴相位机构是目前可行性较强的技术途径。

主题词：发动机配气机构气门正时

Study Progress of Engine Variable Valve Technology Wang Libiao，He Bangquan，Xie Hui，Zhao Hua

(State Key Lab of Combustion of Internal Combustion Engine，Tianjin University)

【Abstract】Devel0pment of variable valve technology in the world is introduced. According to variation of valve control parameters，variable valve technology is classified in detail. Combined with today’s typical variable valve mechanism, approaches to realize the variable valve technology are

systematically stated and evaluated. With an example, application of the variable valve technology to improve engine performance and the homogeneous charging compression ignition are introduced. It is pointed out through analysis that the blade type variable camshaft phase mechanism is a more feasible technology approach at present.

Key words：Engine，Valve mechanism，Valve timing

1 可变气门技术的国内外发展状况

能源与环境问题是目前汽车工业所面临的2个主要问题。为了在提高汽油机燃油经济性和动力性的同时，满足越来越严格的排放法规要求，从20世纪70年代开始，汽油机燃油电控技术逐步发展起来，至今已形成了以进气管多点顺序喷射为代表的较为成熟的汽油机燃油控制技术。与燃油控制技术相比，配气控制技术早期的研究进展比较缓慢，主要成果是在1985年以后取得的.，其发展历程如图1所示引。

20世纪90年代，国外对可变气门技术的研究成为热点，开发出了一系列基于凸轮轴的可变气门机构，并且应用于车用发动机，其中可变凸轮轴相位机构应用最广。2O世纪9O年代中后期，开始研究无凸轮气门机构。其中，FEV、Aura、BMW、Ford[3] 等分别展开了电磁驱动式气门机构的研究；Ford、Lotus、Bosch [2,6]等分别展开了电液驱动式气门机构的研究。但是目前无凸轮的气门机构还处于研究阶段，未见到其大量应用于车用发动机的研究报道。

我国从20世纪90年代逐步开始进行可变气门技术的研究。在90年代中期开发出了一种用谐波传动实现可变凸轮相位的机构，可实现小级差的多级调相[7]。2000年后，吉林大学、上海交通大学与长春汽车研究所等设计了一种液压张紧器式可变配气相位机构，可将气门在小范围内变化(进气门：提前15°(曲轴转角)，滞后13°(曲轴转角) [8]；清华大学开展了电磁驱动式气门机构的研究；浙江大学对电磁驱动式气门机构进行了模型仿真研究。。但与国外相比，可变气门技术只是局限于试验室研究，还没有形成具有自主知识产权、可以广泛应用于车用发动机的可变气门机构。

2 可变汽门机构的分类

按照控制参数的不同，可变气门技术分为以下2类。

2.1可变气门正时(Variable Valve Timing,VVT)

可变气门正时即气门开启与关闭时刻可变。根据气门开启持续期的变化情况又分为2类：

a.可变气门相位(Variable Phase,VP)，即在气门开启持续期和升程曲线不变的前提下，同时改变气门的开启时刻和关闭时刻，如图2所示。

b.可变气门相位与持续期(Variable Event Timing,VET)，即在改变气门正时的同时也改变了气门开启持续期，如图3[11]所示。

2.2可变气门升程(Variable Valve Lift，VVL)

此机构主要是改变了气门开启的最大升程，按照气门正时和持续期的变化情况又分为2类：

a.可变气门升程与正时VLT(Variable Lift and Timing)。即在改变升程的同时改变了正时与开启持续期，其气门升程曲线如图4[12]所示。

b.气门升程单独可变。即能在保持气门的正时和开启持续期不变的条件下，单独改变气门的最大升程，其气门升程曲线如图5所示。目前只有Lotus公司研制的电液驱动的气门机构能实现这种改变方式[2]。

图5 单独可变气门升程

3 实现可变气门技术的途径

实现可变气门技术有多种途径，按照有无凸轮轴可分为基于凸轮轴的可变气门机构和无凸轮轴的可变气门机构2类。图6为实现气门可变技术的途径。

图6实现可变气门技术的途径

3.1基于凸轮轴的可变气门机构

3.1.1可变凸轮型线

此类可变气门机构同时改变气门的正时、持续期和升程，目前有阶段式改变与连续式改变两种方式。Honda公司的VTEC、Mitsubishi公司的MIVEC以及Porsche公司的Varlo-Cam等均属于阶段式改变。以VTEC为例，目前的VTEC在2个进气门上采用了3个凸轮及3个摇臂，如图7所示，其中3个摇臂可独立运动也可连成一体运动。转速较低时，通过液压机构使主、次摇臂分别由主凸轮和次凸轮驱动，中间摇臂随中间凸轮运动，但是对气门不起作用，这样主、次进气门的升程曲线不同，可以形成涡流。转速较高时，通过液压机构使3个摇臂连成一体，并受中间凸轮驱动，以满足发动机高速的要求。但这种改变仍只能优化某些工况，不能实现全工况性能的优化。

图7 Honda公司的VTEC机构

Fiat公司早期开发了凸轮型线在轴向可连续变化的3D凸轮机构。改变凸轮轴的轴向位置，即可实现气门的连续可变，其气门升程变化范围为2.97-9.3mm，开启持续期变化范围为42°-270°。但这种3D凸轮机构的缺点是，凸轮与从动件之间会产生点接触，磨损较严重，所以目前应用并不广泛。

3.1.2可变凸轮从动件

这类机构保持凸轮型线不变，通过改变凸轮轴与气门之间从动件(如推杆，摇臂等)的运动规律，实现气门运动的可变。按照从动件的类型分为液压式和机械式两类。

20世纪90年代中期，Siemens／Hyundai开发的EVT(Electronic Valve Timing)系统就属于液压式，其结构如图8所示。当电磁阀关闭时，润滑油被封闭在液压腔内，由于液体的不可压缩性，气门按照凸轮型线运动；当电磁阀打开时，凸轮虽然继续驱动从动件，但润滑油会通过电磁阀流出液压腔，从而改变了气门的运动。由ECU控制电磁阀开启与关闭的时刻，就能实现对气门正时和升程的控制，其升程曲线如图9所示[13]。图9中数字为电磁阀的脉冲对应相应的气门升程曲线，其中高电平表示电磁阀开启，控制气门的关闭；低电平表示电磁阀关闭，控制气门的开启。据报道，其对气门控制的灵活性和自由度较大，而且在发动机运行全部转速范围内：从最大到最小升程的调节可在一个循环内完成13]。

图8 Siemens／Hyundai公司EVT系统结构示意

该系统已应用于Hyundai2.0L DOHC发动机。在低速全负荷时提前关闭进气门，避免缸内气体在下止点由于活塞的上行而回流到进气管中，改善充气效率，使扭矩改善了7%-10%，燃油经济性改善了3%-4%。部分负荷时，由于提前关闭进气门，降低了泵吸损失，燃油经济性改善了4%-5%。同时，NOx排放降低了30%。怠速时，通过正时的改变来减小气门重叠角，降低缸内残余废气量，使燃烧更稳定，同时可以使怠速转速更低，使汽油机燃油经济性改善达到了30%[13]。

图9 EVT系统气门升程示意

2000年，Delphi、BMW[4,14]等公司开发出了控制自由度较大的机械式全可变气门机构。其中BMW公司的Valvetronic是较为典型的结构，已经广泛应用于发动机，其结构简图如图10所示。该机构在凸轮轴与气门之间增加了中间杆2，并且在缸盖上增加了偏心轴，在偏心轴上设计了偏心轴齿轮，回位弹簧8使得中间杆的小滚轮与偏心轴齿轮始终保持接触、大滚轮与进气凸轮始终保持接触，这样中间杆的运动由凸轮轴与偏心轴共同控制。凸轮轴通过中间杆上的弧线驱动摇臂4，进而控制气门运动。当偏心轴相位不变

时，中间杆在进气凸轮轴3的驱动下围绕某一个中心旋转，中间杆弧线发生作用的为弧线的某一段区域。当伺服电机9通过涡轮蜗杆机构驱动偏心轴旋转一定角度后，中间杆旋转中心的位置就会发生变化，从而改变了中间杆弧线发生作用的区域，进而改变了气门升程。

偏心轴可在0°-170°内连续调节，并且在偏心轴上安装了位置传感器，因此Valvetronic能准确地控制偏心轴的旋转角度，可在0-9.7mm[4]范围内连续调节气门的升程。同时，可以用升程的变化实现对负荷的控制，实现无节气门的负荷控制方式，降低泵吸损失。在N42发动机上的试验结果表明，燃油经济性改善了10%[4]。但是，如果不通过Vanos改变凸轮轴相位。升程的改变会使气门正时和持续期相应地发生变化。因此，机械式全可变是Valvetronc调节升程与Vanos调节相位相互配合的结果。

3.1.3可变凸轮轴相位

可变凸轮轴相位先后有螺旋齿式与叶片式两种结构，目前叶片式的结构已逐步取代了螺旋齿式的结构。图11为BMW 公司的Vanos，转子7通过螺栓与凸轮轴固定在一起，壳体1通过链条与曲轴连接。停机时，锁止销6以无压力的方式嵌入凹口锁止槽中，保证每次启动时凸轮轴随壳体1一起运动，使凸轮轴有确定的初始相位。调节相位时，润滑油首先进入凹口锁止槽中，将锁止销压回并释放转子。供油油路与液压腔11相通，向该腔中供油，回油油路与液压腔12相通，向外泄油，转子叶片9在压力差的作用下带动凸轮轴相对于壳体1转动，从而改变相位。反向调节时，供油及泄油与上述方向相反。由电磁阀控制供、泄油的方向，可在60°曲轴转角范围内调节凸轮轴相位。

图10 BMW 公司的Valvetronic结构

图11 BMW 公司Vanos机构

这种叶片式结构是目前国外车用发动机上应用最广泛的可变气门机构，例如Toyota的VVT-i、Honda的I-VTEC、Ford的VCT、Delphi的VCP等都采用了这种可变相位机构。并且2003年后Denso、Toyota等公司对这种结构做了大量的研究[15-18]，但只是叶片结构与数量的改变，这表明该系统在技术上已较为成熟，且具有较强的实用性。

3.2 无凸轮轴的可变气门机构

3.2.1 电磁驱动气门机构

图12为FEV公司的电磁驱动气门机构示意，该机构主要由电磁铁线圈1、2以及衔铁组成。线圈1、2均不通电时，气门在上、下弹簧的作用下保持半开半闭；如果线圈2通电而线圈1不通电，衔铁就会在线圈2电磁力的作用下带动气门克服弹簧的作用力向下运动，实现气门的开启；当线圈2断电后，气门在弹簧力的作用下向上运动，接近落座位置时，线圈1通电，以实现快速落座，此后线圈1继续通电，以保持气门的关闭。如此循环往复。该机构能实现气门正时、持续期和升程的独立控制，控制自由度较大，但其主要问题是气门落座时的冲击较大，发动机的可靠性和气门的寿命降低，且驱动气门机构的能耗较高。目前BMW、Visteon、Ford等正在开展电磁驱动气门的研究，尤其Ford公司做了大量的工作[5,19,20]，已成为其进行可变气门研究的一个主要方向。

图12 FEV公司电磁驱动式气门机构示意

3.2.2 电液驱动气门机构

图13 Ford公司电液驱动式气门机构示意

图13为Ford公司生产的电液驱动气门机构的原理图。该系统有高压源和低压源，在气门杆顶端设计了液压活塞，活塞带动气门在液压腔中可以上下往复运动。活塞上端面的控制室与高压源和低压源相连，下端面的液压腔始终与高压源相通，压力保持恒定。虽然活塞上、下端面液压腔的高压源相同，但是由于液压作用面积不同，即使都是高压流体作用时，上、下端面仍会产生压力差驱动气门向下加速运动。通过控制高、低压电磁阀的开启与关闭，改变控制室的压力，就可以实现气门运动的可变。与电磁式气门机构相比，电液式控制的自由度更大，能控制气门运行的速度，但是其动态响应速度却比电磁式要差。目前Lotus、Bosch、Visteon等也在开展这方面的研究[2,6,21]。

可变气门技术也是目前在汽油机上实现均质充量压缩着火(HCCI)的一个最为实际有效的途径。HCCI作为一种高效低排放的新概念燃烧方式目前备受内燃机界的高度关注。Jeff Allen等利用Lotus公司电液驱动

气门机构，通过控制进排气门的正时，实现负的气门重叠角，在缸内形成适当的残余废气，利用残余废气的热量加热进气，使混合气的温度在压缩上止点附近达到汽油的着火点以上，从而实现自燃。其气门升程曲线如图14所示[22](SI表示火花点燃，CAI表示均质压燃，数值表示气门最大升程)。但是HCCI目前运行工况较窄，还不能在车用发动机整个工况范围内运行，这就需要在HCCI与SI燃烧方式之间进行切换。这种通过可变气门技术实现HCCI燃烧方式的途径，也是未来在车用发动机上实现HCCI燃烧方式与SI燃烧方式过渡切换的一个最为实际有效的途径。

图14 Lotus公司电液驱动式气门升程曲线

4 结束语

a. 可变气门技术有多种实现途径，各种途径均可不同程度地改变气门的运行参数，从而不同程度地改善汽油机燃油经济性和动力性，降低排放。

b. 国外已有一系列比较实用的可变气门机构，目前应用最广泛的是叶片式可变凸轮相位机构。与基于凸轮轴的可变气门机构相比，无凸轮轴的可变气门机构能更加灵活地控制每个气门的运动规律，控制的自由度较大，是理想的控制途径，但其控制较复杂，目前还处于研究阶段，也是国外在可变气门技术领域研究的一种趋势。

c. 与国外相比，国内的可变气门技术还不够成熟且应用也不广泛，因此有必要加强开展这方面的研究工作。首先，开发能在车用发动机上简单实用的可变气门机构(如叶片式可变凸轮轴相位机构)，完善控制技术，优化控制策略，缩小与国外先进发动机技术的差距；然后，进一步提高气门控制的自由度和灵活性，实现发动机全工况的最优控制

气门机构，通过控制进排气门的正时，实现负的气门重叠角，在缸内形成适当的残余废气，利用残余废气的热量加热进气，使混合气的温度在压缩上止点附近达到汽油的着火点以上，从而实现自燃。其气门升程曲线如图14所示[22](SI表示火花点燃，CAI表示均质压燃，数值表示气门最大升程)。但是HCCI目前运行工况较窄，还不能在车用发动机整个工况范围内运行，这就需要在HCCI与SI燃烧方式之间进行切换。这种通过可变气门技术实现HCCI燃烧方式的途径，也是未来在车用发动机上实现HCCI燃烧方式与SI燃烧方式过渡切换的一个最为实际有效的途径。

图14 Lotus公司电液驱动式气门升程曲线

4 结束语

a. 可变气门技术有多种实现途径，各种途径均可不同程度地改变气门的运行参数，从而不同程度地改善汽油机燃油经济性和动力性，降低排放。

b. 国外已有一系列比较实用的可变气门机构，目前应用最广泛的是叶片式可变凸轮相位机构。与基于凸轮轴的可变气门机构相比，无凸轮轴的可变气门机构能更加灵活地控制每个气门的运动规律，控制的自由度较大，是理想的控制途径，但其控制较复杂，目前还处于研究阶段，也是国外在可变气门技术领域研究的一种趋势。

c. 与国外相比，国内的可变气门技术还不够成熟且应用也不广泛，因此有必要加强开展这方面的研究工作。首先，开发能在车用发动机上简单实用的可变气门机构(如叶片式可变凸轮轴相位机构)，完善控制技术，优化控制策略，缩小与国外先进发动机技术的差距；然后，进一步提高气门控制的自由度和灵活性，实现发动机全工况的最优控制

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