未來內燃機用機械式全可變氣門升程控制系統

【德】 Flierl R Schmitt S Kleinert G Esch H-J Dismon H

1 動機

鑒于目前全球車輛及內燃機的保有量已高達10億，必須發展替代驅動裝置理念，采取一切可能的手段優化內燃機，實現二氧化碳（CO2）排放減少和車輛的經濟利用。

完全可變氣門機構不僅因具有優化的換氣、殘余廢氣相容性和一次性驅動摩擦而使燃油效率得到較大改善，而且還可以提高發動機的扭矩和性能，這思味著可以進一步挖掘縮缸強化發動機理念的燃油耗潛力。此外，這也是采用新型及替代燃燒技術（例如均質壓燃）的前提之一。

Kolbenschmidt Pierburg公司認為，可變氣門機構是未來具有市場增長潛力的技術領域。因此，為了拓展內燃機進氣管路產品型譜，根據與Entec Consulting公司的合作協議，Kolbenschmidt Pierburg公司獲得了機械式全可變氣門升程控制系統（Univalve）的授權。

2 內燃機的發展潛力

在汽油機中，利用凸輪調相系統對進、排氣持續期進行調整，以實現運行點的優化。自2005年以來，特別是在日本，機械全可變氣門驅動技術已經得到廣泛應用，在歐洲的使用也正逐步增加。相關競爭技術包括液壓伺服全可變系統或兩級氣門升程切換系統。

因此，應考慮在技術和商業上都可以接受的工作量和成本，以求獲得最大效用，并綜合采取降低CO2排放的其他技術措施，以保持燃油耗優勢。

為了探討這一問題，在量產的雙凸輪相位調節1.6 L自然吸氣缸內直接噴射汽油機的基礎上，對各種換氣系統進行了仿真。除了基本型發動機外，還考慮采用小型化的同等功率渦輪增壓變型機。此外，考慮為各種變型機采用起動-停車系統。

選擇新歐洲行駛循環（NEDC）的CO2排放測定值作為1 300 kg級車輛的評估準則（圖1）。

仿真結果表明，在進氣側安裝全可變氣門驅動系統，可使CO2排放降低約8.5%。即使使用帶起動-停車系統的縮缸強化發動機，也可降低約5%的CO2排放。在進氣側安裝分級氣門升程切換系統則無法降低CO2排放，因為這種設計需要一定的技術折中。

3 Univalve的結構和功能

Univalve是一種機械式全可變氣門升程控制系統，可使氣門升程在全程范圍內實現無級變化，同時改變氣門升程持續期。

與眾多專利申請和實際系統相比較，Univalve在生產成本、系統摩擦和總體功能方面具有諸多優勢（圖2）。應當強調的是，集成Univalve系統只需要稍微移動一下凸輪軸的位置。該系統還具有成本低、安裝簡便的優點。在較小的氣門升程時，氣門升程持續期可縮短至70°CA。此外，由于切換桿的搖桿幾何形狀，切換系統存在1個轉速上限。

Univalve系統的基礎是1個標準的滾子搖臂。中間桿位置由凸輪型線、導軌和偏心軸（用作推力軸承）確定。通過凸輪工作型線將由凸輪引起的往復運動轉換為所需的氣門動作（圖3）。

由于所有零部件的接觸區域都安裝在滾子或滾針軸承上，最大升程時的摩擦力矩可維持在配備標準滾子搖臂的典型系統水平。在較小氣門升程和低負荷時，可以減少摩擦，減小節流，并降低在NEDC工況的燃油耗。即使在氣門升程較大的情況下，這一系統仍具有優異的摩擦性能，故同樣適合安裝在排氣側。

圖4給出由偏心軸旋轉所產生的各氣門升程曲線。根據熱力學分析，氣門升程持續期的變化起著決定性的作用。結合使用凸輪相位調節系統，通過進氣門早關策略，可以限制氣缸充氣，而無需消耗性的節流干預。升程曲線中與機械學和聲學相關的重要緩沖段保持不變。

偏心軸采用無電刷的電子換向電機驅動。電機的設計和功能原理使其可以獲得非常高的性能密度，并且在長期運轉中具有很好的耐磨性。

目前，類似的無刷電機已被用于商用車發動機等要求很高的領域，并實現低成本生產。無刷電機閉環控制的原理是通過非接觸式轉子位置傳感器檢測偏心軸的位置。在任何情況下，這對于無刷電機的工作都是必要的。同理，可以確定偏心軸的故障和安全位置。

4 在渦輪增壓缸內直接噴射汽油機上的應用

在采用全可變氣門升程系統的發動機中，扭矩或氣缸充氣是通過調節進氣門升程持續期來控制的。這些參數影響換氣循環功，對燃油耗有直接影響。當進氣門早關時，燃油耗逐步下降（圖5）。為了使進氣門早關，氣門升程持續期設置應盡可能短，而采用機械可變氣門升程系統時，可以通過較小的氣門升程來實現。在發動機轉速為2 000 r/min、平均有效壓力為0.2 MPa時，氣門升程約為1.2 mm，氣門升程持續期為120°CA。當進氣門升程偏角（IS）為50°CA、排氣門升程偏角（OS）為60°CA時，換氣功最低，因而燃油消耗率最低。OS也對換氣功和燃油耗，以及缸內殘余廢氣比有很大的影響（圖5）。

既不能改變OS的可變氣門機構，又不能減少燃油耗，這成為重要缺陷。已經證實，在發動機轉速為2 000 r/min的運行點，與采用節氣門的發動機相比，采用無節氣門負荷控制，可使2.0 L渦輪增壓缸內直接噴射4缸汽油機的燃油耗減少9%，而與進氣道噴射汽油機相比，可減少12%以上[1]。

此外，通過進氣門升程相位調整，成功地提高了殘余廢氣的相容性。應該指出，在部分負荷時，增加殘余廢氣量有利于降低燃油耗；而在全負荷運行時，由于爆燃的風險增加和氣缸充氣減少，降低燃油耗的效果并不明顯。

對于采用單流道渦輪增壓器的4缸縮缸強化發動機來說，換氣過程完全不同。其特點是排氣門升程持續期控制得很短，以避免在點火順序上相鄰的氣缸之間發生串擾。采用雙流道渦輪增壓器也同樣如此，但受到較高的成本和開發集成式排氣歧管的限制[2，3]。

以上要求對無節氣門部分負荷運行提出了挑戰。采用較短的排氣門升程持續期，在排氣側調整凸輪相位會導致缸內殘余廢氣量增加，而且還由于較高的泵氣損失導致換氣功增加。因此在燃油耗方面，無節氣門負荷控制的優勢受到限制（圖6）。

在進、排氣側同時使用機械式全可變氣門機構，為在部分負荷獲得更低的燃油耗和更佳的低端扭矩提供了一種可能的解決方案。此外，還可以設定排氣門開啟正時，以實現最小的膨脹損失，同時獲得殘余廢氣和燃油耗最佳的排氣門關閉正時。縮缸強化的發動機通常采用排氣持續期很短的凸輪軸，與無節氣門的運行工況相比，燃油耗優勢可額外提高4%，具體取決于負荷點和殘余廢氣的相容性。

無論排氣門升程持續期如何變化，排氣側的全可變性對全負荷性能都具有正面影響。自由選擇進氣門升程持續期能獲得理想充氣的進氣門關閉正時，這思味著與量產發動機相比，在非常低的轉速區域（無掃氣），渦輪增壓缸內直接噴射汽油機的全負荷扭矩可以增加約10%[1]。

在可以實現規定掃氣的運行點上，進氣門升程持續期延長伴隨著氣門開啟重疊角增加，同時優化進氣門關閉正時，具有明顯的積極作用（圖7）。采用全可變進氣系統，可使低速扭矩顯著增大。

另外，全可變排氣門升程系統可以根據運行狀態調整排氣門升程持續期，因而對發動機扭矩具有重大影響。

排氣門升程持續期較長，并對殘余廢氣優化控制，能降低部分負荷時的燃油耗，但對渦輪增壓4缸汽油機的全負荷性能不利（圖7）。

與現有的量產發動機相比，大幅減小排氣門升程持續期對部分負荷燃油耗明顯不利，但可顯著提高全負荷性能。采用較短的排氣門升程持續期，發動機轉速1 000 r/min時的扭矩可增加約100%。即使在發動機轉速1 150 r/min時，平均有效壓力也能達到1.8 MPa。

因此，渦輪增壓4缸發動機采用Univalve系統，可以為降低燃油耗、提高低端扭矩，以及改善全負荷性能這些相互制約的目標提供一種最佳折中。

5 結語

在進氣側安裝Univalve系統，通過無節氣門負荷控制、摩擦優化和有針對性的殘余廢氣控制，可使部分負荷時的燃油耗減少12%。此外，如適當設計偏心凸輪型線，Univalve能夠為氣門升程提供相位調整（非對稱氣門升程），產生充量運動，并通過優化殘余廢氣相容性，進一步降低燃油耗。

采用Univalve對氣門重疊角進行仔細調整，按充氣優化進氣門關閉正時，可使縮缸強化發動機的全負荷性能大為改善。可以通過附加的調低檔位提高低端扭矩，從而進一步節省燃油。

通過在排氣側安裝Univalve，可以充分挖掘發動機在全負荷和部分負荷工況下的潛力。值得一提的是，鑒于4缸渦輪增壓發動機的特殊性，將能夠順利地降低部分負荷燃油耗，并增加低端扭矩。

因此，Univalve是滿足未來發動機更高效率和更大扭矩性能要求的一種有效手段。