发动机无凸轮轴式气门可变技术总结与展望

涂宇 雷先华 王怡 吴志海 刘爱云

摘 要：发动机可变气门技术是根据汽车的不同工况及时调整控制气门参数，以满足发动机不同工况下的最佳配气需求，是解决发动机燃油经济性和排放性二者矛盾的核心技术之一。本文主要分析了发动机现有凸轮轴式气门可变技术的发展历程，就当下最具有潜力和研究价值的无凸轮轴式可变气门技术进行了研究。

关键词：发动机;可变气门技术;无凸轮轴气门驱动

中图分类号：U46.11 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）31-0053-03

Summary and Prospect of Variable Technology of Valve without Camshaft

TU Yu1 LEI Xianhua1 WANG Yi1 WU Zhihai2 LIU Aiyun1

（1.Hunan Institute of Traffic Engineering，Hengyang Hunan 410005;

2.Changsha Rail Transit Operation Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410000）

Abstract： The engine variable valve technology is one of the core technologies to solve the contradiction between engine fuel economy and engine emission，which is to adjust and control valve parameters in time according to different working conditions of the vehicle to meet the optimal gas distribution demand under different working conditions of the engine. This paper mainly analyzed the development process of the existing camshaft valve variable technology of the engine， and studied the non camshaft valve variable technology which has the most potential and research value at present.

Keywords： engine;variable valve technology;no camshaft valve drive

能源与环境问题是汽车行业所面临的两大主要问题，汽车发动机上运用的许多技术，如双涡轮增压、缸内直喷、无极自动变器、混合动力、小型轻量化等都是为了提高汽车燃油经济性、动力性等各方面的性能，满足越来越严格的国Ⅵ排放法规要求，达到节能减排的目的。研究者对配气控制技术进行了长期探索，目前主流的汽车发动机、气门都由凸轮机构驱动控制。但凸轮的工作轮廓线固定不变，气门正时、气门升程和气门开启时的持续期无法根据不同的工况而实时改变，导致燃烧效率低，严重影响汽车的燃油经济性和动力性，不仅损害发动机，还严重污染环境。为降低配气技术带来的缺陷，研究者投入了大量人力和物力致力于可变气门技术的研究。

1 凸轮轴式可变气门技术简介

传统的发动机因为凸轮轮廓和气门参数都是固定不变的，只能保证发动机在其中一工况下达到最佳性能，无法兼顾高低转速时发动机的性能。可变气门技术主要是通过控制气门开启相位、气门开启持续时间和气门升程这三个参数，进而控制进气量[1]。现有的可变气门技术可根据不同工况实时改变气门升程和开启时间，以满足汽车发动机在各种工况下对配气的需求，以提高汽车的经济性、动力性及节能环保性。可变气门技术的发展历程为：从最简单的气门升程型线优化到可变型线技术、可变定时技术、可变定时和升程技术，再发展到现在的无凸轮轴全可变气门机构技术。可变气门技术发展至今，不同类型的技术都在一定程度上改良了发动机的经济性和动力性，降低了汽车排放。

根据配气机构的结构特点和驱动方式的不同，可将气门机构分为凸轮轴式可变气门机构和无凸轮轴式可变气门机构两大类[2]。当前的凸轮轴式可变气门技术有较多种，如丰田的VVT-i控制技术、本田的i-VTEC控制技术和宝马的Valvetronic控制技术。无凸轮轴式有电磁式技术、电液式技术、电气式可变气门技术。配气机构的发展历程为单凸轮控制—多凸轮控制—阶段性气门升程控制—连续性气门全可变控制—无凸轮轴式控制。这意味着无凸轮轴可变气门驱动技术将是可变气门技术的下个研究热点。

2 无凸轮轴气门驱动技术的发展

无凸轮轴气门驱动就是取消发动机传统气门机构中的凸轮轴及其从动件，而以电磁、电液、电气或其他方式驱动气门。采用无凸轮轴气门驱动，不仅和其他可变气门驱动技术一样满足发动机对动力性和经济性的要求，还能使发动机的整体结构更加简单，同时也可降低发动机的制造成本。由于取消了传统配气机构中长而笨重的凸轮轴，因此，有利于车辆轻量化[3]。气门的位置可根据不同的燃烧室形式来布置，有利于设计出新型燃烧室。当前主要研究的无凸轮轴气门驱动技术分别有电磁式、电液式和电气式，这三种类型的驱动技术各有其特点。

2.1 电磁式气门驱动技术

电磁式气门驱动技术是运用系统中产生的电磁力来驱动气门。电磁气门驱动机构主要由电磁铁、激磁线圈、复位弹簧及气门组成。在发动机不工作的状态下，控制系统使线圈不通电，机构中无电磁力产生，气门半开半闭;发动机启動时，控制系统根据可曲轴位置传感器传达的信号判断气门在该工况下应有的开或关的状态，激磁线圈通电，在系统中产生的电磁力和弹簧力的共同作用下，气门的关闭或开启得到实时控制，控制线圈的通断电及电流强度即可达到控制气门开度、气门升程、气门正时的效果。

电磁气门驱动技术具有控制方便、结构简单的优点。但是，待解决的问题也比较突出：气门落座冲击过大，机构响应速度不够快，电磁驱动需要的能量大且系统尺寸过大。气门落座冲击是目前无凸轮轴可变气门技术需要解决的主要问题。气门落座冲击太大会导致气门易损坏，且产生的噪声大。所以，应该针对电磁气门驱动机构的结构设计和控制方式进行深入研究，以限制气门落座速度，减小气门冲击，实时控制线圈电流大小，减小冲击，从而实现气门落座软着陆[4]。

2.2 电液气门驱动技术

电液气门驱动技术是将气门的运动交给与之相连的液压缸控制，控制系统接收传感器的信号后，判断气门应该有的状态，然后由电磁阀控制液压缸内液体的流动，从而控制液压活塞带动气门的运动[5]。其最突出的优点是可以实现气门升程、气门开关时刻和气门开启的持续时间相互独立运行。因此，运用该技术的发动机在工作过程中，能使自身的配气机构在各个工况下以最佳参数匹配工作，从而实现提高发动机燃油经济性、改善汽车动力性和降低排放的目的。

近年来，学者对电液气门驱动技术的研究投入很大。Richman等人[6]在单缸汽油机上对其研发的电液气门驱动机构进行实验，实验表明，气门的实际运动状态总是滞后于程序设定的运动状态。当发动机的转速不足1 000r/min时，滞后量较小;转速继续增大时，滞后量也随之增加，并且升程曲线误差也越来越大。但实验结果显示，在驱动压力为15MPa左右时，电液驱动气门机构控制的气门升程在同样的开启持续时间内要比普通气门机构的开启角大，并且气门响应迅速。55%的节气门开度下，且在转速达到1 200r/min的工况下，CO排放平均降低了30%，HC排放降低了12%，但是NOx排放增加了11%，这主要是因为缸内燃烧状态改变导致缸内温度升高。尧命发[7]等人利用电液驱动气门机构控制排气门二次开启，研究了该装置在低负荷下的GCI燃烧性能，实现NOx排放量低于0.4g/（kW·h）、炭烟排放量低于0.1FSN。

目前，电液气门驱动仍然在实验阶段，其缺陷是机构的响应速度不够快、气门落座冲击大、能耗大[8]。机构的响应速度和液压油的压力、黏度、密度和电磁阀泄漏等密切相关。液压系统一般采用的液压油基本参数一定，所以应采取提高液压系统工作压力、闭环控制、减少控制电磁阀泄漏等方式来加快响应速度。但过大的工作压力又会带来机构能耗增加和液压系统密封困难的问题，因此需要找到油压力和黏度的最佳匹配[9]。

2.3 电气气门驱动技术

电气气门驱动技术与电液气门驱动类似，只是用气体替换了电液气门驱动机构的液体。通过电磁阀控制气压的大小，从而控制气门运动。电气气门驱动的研究是最少的。从早期的Gould等人[10]的实验来看，电气气门驱动装置响应速度能满足发动机7 200r/min时的要求。但是，其驱动系统功率消耗非常较大。实验表明，发动机转速达到1 500r/min且动力性能不变的情况下，燃油消耗率仍可降低4.4%以上，且NOx的排放只有原来的40%。但是，HC与CO的排放增多且燃烧稳定性差。近年来，关于电气驱动气门的研究仍然比较少[11]。

电气气门驱动同样存在落座冲击、耗能大、结构比较复杂和机构响应速度不够快的问题。但是，与电液气门驱动相比，电气气门驱动采用空气作为介质，黏度低且黏度受温度影响小，以上因素都使电气气门驱动比电液气门驱动响应速度更快，工作效率更高。针对电气气门能耗过大的问题，可以对发动机振动能量进行回收，为电气气门提供能量。气门落座冲击过大的问题，也可通过加装缓冲垫圈缓解[12]。

3 总结与展望

对于传统的有凸轮轴的可变气门系统，通常通过改变凸轮轴转动，调节摇臂等方式来实现气门正时或者气门升程的目的。这类技术的实现较为简单，技术成熟，但是调节效果有很大的提升空间。无凸轮轴式的可变气门系统，因为取消了凸轮轴，所以气门开启和关闭动作迅速，调节范围大，但是也存在不少待解决的问题，最突出的是气门落座冲击大、技术成本较高等。相信随着对无凸轮轴发动机可变气门技术的研究越来越深入，该技术会越来越成熟，未来将有更多的发动机采用无凸轮轴式可变气门技术，以提高汽车的经济性、动力性和环保性。在无凸轮轴气门驱动技术中，电磁气门驱动技术最有可能成为未来研究的重点方向。电磁气门驱动技术相对于其他几种无凸轮轴可变气门技术，在节能减排上的优势比较明显。同时，该技术存在的如气门落座冲击过大等问题，可通过实时控制线圈电流得到解决。

参考文献：

[1]姚强强.连续可变配气凸轮机构的研究[D].石河子：石河子大学，2018.

[2]詹圣蓝.汽车发动机配气机构原理及发展[J].科技创新与应用，2016（29）：142.

[3]张纪龙.配气机构优化技术的发展现状和趋势[J].机械工程师，2015（11）：83-84.

[4]鲁春山.汽车发动机的可变气门技术初探[J].黑龙江科学，2017（4）：122-123.

[5]贾锡臣.发动机全可变液压气门机构的研究[D].大连：大连理工大学，2018.

[6] Richman R M ， Reynolds W C.A Computer-Controlled PoppetValve Actuation System for Application to Turbocharged Diesel Engine[C] .SAE Paper 880340，1988.

[7] Zhang Xiangyu，Wang Hu，Zheng Zunqing，et al.Experimental investigations of gasoline partially premixed combustion with an exhaust rebreathing valve strategy at low loads[J].Applied Thermal Engineering，2016（103）：832-841.

[8]叶年业，杨晓，蓝志宝.电液驱动可变气门机构性能试验及应用[J].车用发动机，2018（1）：26-31.

[9]李志德.电液式可变气门驱动机构及控制系统研究[D].大连：大连理工大学，2014.

[10] Bokulich F.BMW Returns to Formula One with V10[J].Automotive Engineering International，2000（3）：42.

[11]杜丹豐，李伟.发动机无凸轮轴气门驱动技术现状研究.现代科学仪器，2014（1）：12-15.

[12]傅瑜杭，彭樟林，陆军，等.气门落座座圈接触动力学研究[J].内燃机与动力装置，2017（3）：10-12.