可變氣門正時(shí)技術(shù)在汽油機(jī)上的應(yīng)用

郭佳林

內(nèi)燃機(jī)在經(jīng)過了將近一個(gè)半世紀(jì)的發(fā)展之后，其進(jìn)步程度已經(jīng)達(dá)到了令人嘆服的地步，尤其是近幾年來，低能耗、低污染、高性能、多樣化、新結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)不斷產(chǎn)生。伴隨著內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)步，汽車行業(yè)迅速崛起，隨著各國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和消費(fèi)群體的不斷擴(kuò)大，汽車保有量迅速增加，它在給人類帶來便利、為世界創(chuàng)造物質(zhì)文明的同時(shí)，也對人類生存的環(huán)境造成了巨大的危害。起初，汽車排污問題沒有被及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和引起足夠的重視，使人類付出了慘痛的代價(jià)。

排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格對內(nèi)燃機(jī)行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，也提供了新的機(jī)遇。控制內(nèi)燃機(jī)對環(huán)境的污染成為影響其設(shè)計(jì)和發(fā)展的重要因素之一，各國發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車制造商紛紛致力于改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的研究，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和內(nèi)燃機(jī)科技工作者的努力，許多新的排氣控制和凈化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物能夠不斷適應(yīng)新法規(guī)的要求。結(jié)構(gòu)方面，用項(xiàng)置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)代替下置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)，用多氣門發(fā)動(dòng)機(jī)代替兩氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，用汽油噴射代替化油器， 采用電控噴油、電控點(diǎn)火，另外在燃燒過程和凈化觸媒等方面也進(jìn)行了大量的研究工作，都取得了有效進(jìn)展。同時(shí)，由以前固定的機(jī)構(gòu)走向可變，如可變壓縮比、 可變尺寸進(jìn)氣系統(tǒng)（諧振進(jìn)氣系統(tǒng)）、可變排量和可變配氣相位等。這些改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的重要研究成果，成為支撐內(nèi)燃機(jī)和汽車行業(yè)生存、發(fā)展的關(guān)鍵。

發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)，做為一種性價(jià)比相當(dāng)高的技術(shù)方案不但能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，而且在其他傳統(tǒng)凈化措施的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)在許多工況下的排氣污染物，一直是各國內(nèi)燃機(jī)工作者重點(diǎn)研究的對象，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷完善和成熟，已經(jīng)成為開發(fā)新型發(fā)動(dòng)機(jī)過程中一項(xiàng)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，一款發(fā)動(dòng)機(jī)是否搭載了可變氣門正時(shí)技術(shù)，是評價(jià)其排放性能是否優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)之一。對于正在快速發(fā)展的國內(nèi)汽車行業(yè)來說，可變氣門正時(shí)技術(shù)有著很大的發(fā)展空間，能否將這一技術(shù)盡快應(yīng)用于自主產(chǎn)品的研發(fā)過程中，早日占有市場份額，達(dá)到追趕世界排放標(biāo)準(zhǔn)的要求， 既關(guān)系著自身的前途與命運(yùn)，更重要的是對世界環(huán)境和人類健康負(fù)責(zé)。

進(jìn)氣系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中扮演著舉足輕重的角色，雖然這些技術(shù)五花八門，應(yīng)用的位置都不相同。但其目的都是為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工況下保持進(jìn)氣順暢，從而提高燃燒效率。另外這些技術(shù)并不是獨(dú)立存在的，通常它們會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在一臺發(fā)動(dòng)機(jī)上結(jié)合使用以達(dá)到更好的效果。

氣門是由引擎的曲軸通過凸輪軸帶動(dòng)的，氣門的配氣正時(shí)取決于凸輪軸的轉(zhuǎn)角。在普通的引擎上，進(jìn)氣門和排氣門的開閉時(shí)間是固定不變的，這種固定不變的正時(shí)很難兼顧到引擎不同轉(zhuǎn)速的工作需，“VVT（可變氣門正時(shí)）”就是解決這一矛盾的技術(shù)，簡單地說，就是改變進(jìn)氣門或排氣門的打開與關(guān)閉的時(shí)間。

可變氣門正時(shí)又分為不連續(xù)可變氣門正時(shí)和連續(xù)可變氣門正時(shí)不連續(xù)可變氣門正時(shí)：簡單的可變氣門正時(shí)VVT只有兩段或三段固定的相位角可供選擇，通常是0度或30度中的一個(gè)。連續(xù)可變氣門正時(shí)是更高性能的可變氣門正時(shí)VVT系統(tǒng)，能夠連續(xù)可變相位角，根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，在0度-30度之間線性調(diào)教配氣相位。連續(xù)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)更適合匹配各種轉(zhuǎn)速，因而能有效提高引擎的輸出性能，特別是引擎的輸出平順性。進(jìn)氣可變氣門正時(shí)和排氣可變氣門正時(shí)進(jìn)氣可變氣門正時(shí)：進(jìn)氣門相位角（即開閉時(shí)間）可變，排氣門相對固定，像豐田凱美瑞的VVT-i，目前應(yīng)用較多。排氣可變氣門正時(shí)：進(jìn)氣門相對固定，排氣門相位角（即開閉時(shí)間）可變。

目前大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用機(jī)械式氣門系來操作進(jìn)排氣門，氣門運(yùn)動(dòng)由曲軸旋轉(zhuǎn)來定時(shí)。定時(shí)機(jī)構(gòu)由曲軸和凸輪軸之間以及凸輪軸和氣門之間的機(jī)械聯(lián)接組成。這種驅(qū)動(dòng)形式有效性、可靠性強(qiáng)，但是缺點(diǎn)也很明顯：不能改變正時(shí)、延續(xù)時(shí)間和進(jìn)氣門升程，這樣就顯著降低了火花點(diǎn)火（SI）發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。這是由于 為了滿足小于最大輸出扭矩時(shí)的需要而采取的進(jìn)氣節(jié)流措施，也使發(fā)動(dòng)機(jī)效率大大降低。

為了解決上述問題，研究人員提出了一種方案，其基本思路是：在各種速度比負(fù)荷情況下，風(fēng)門保持全開，利用電流控制無凸輪氣門系優(yōu)化進(jìn)氣門運(yùn)動(dòng)從而控制缸內(nèi)氣流。在硬件和實(shí)時(shí)計(jì)算方面的研究進(jìn)展使這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到實(shí)用水平。

無凸輪控制系統(tǒng)需要完成兩方面的任務(wù)：對輸出扭矩的快速變化能夠作出足夠快的反應(yīng)；確保靈活的操作。

研究人員的早期工作描述了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的感應(yīng)過程，并建立了一個(gè)基于空燃比控制的觀測器模型。Ashhab等人根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)的基本原理提出了無節(jié) 流無凸輪吸氣過程控制模型，它彌補(bǔ)了解析熱動(dòng)力學(xué)模型和穩(wěn)態(tài)或均值模型的缺點(diǎn)。基于新模型設(shè)計(jì)了間接適應(yīng)控制器，能夠調(diào)整進(jìn)氣門升程和延續(xù)時(shí)間以滿足缸內(nèi)充氣需要，同時(shí)帶有前饋算法的控制器可以保證各缸平衡并快速跟蹤泵吸損失的降低。除上述方法外，還有學(xué)者探討了電磁閥加液壓驅(qū)動(dòng)這種方式控制氣門升程和定時(shí)，它利用壓縮流體的彈性特性作為液體彈簧使氣門開啟和關(guān)閉時(shí)作加速和減速運(yùn)動(dòng)，加速運(yùn)動(dòng)時(shí)流體的勢能轉(zhuǎn)化成氣門的動(dòng)能，減速運(yùn)動(dòng)時(shí)反之，能量轉(zhuǎn)化率達(dá)80%。Anderson等人設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，通過控制兩個(gè)電磁閥高壓液體流入和流出發(fā)動(dòng)機(jī)頂端的控制室，同時(shí)控制室活塞的下部作用一個(gè)常力，在兩者的共同作用下實(shí)現(xiàn)氣門的開啟和關(guān)閉。通過控制電磁閥的開啟時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，可以精確調(diào)節(jié)控制室內(nèi)壓力，從而控制氣門升程的連續(xù)變化。兩個(gè)檢測閥門用來提高能量利用率。該系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是利用內(nèi)外兩個(gè)閉環(huán)控制來改變氣門升程和定時(shí)。

Podnar 等人開發(fā)了一種電磁氣門驅(qū)動(dòng)（EVA）系統(tǒng)，并應(yīng)用于Kohler Command 系列發(fā)動(dòng)機(jī)。它完全由計(jì)算機(jī)控制，響應(yīng)快，伺服控制系統(tǒng)效率高。EVA 系統(tǒng)由電磁鐵、彈簧、電樞、氣門等元件組成，氣門上作用有彈性力和電磁力。當(dāng)電磁鐵通電后，驅(qū)動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)，然后電磁鐵斷電由彈簧驅(qū)動(dòng)氣門接近所要求位置，此刻電磁鐵再次通電使氣門以適當(dāng)?shù)乃俣鹊竭_(dá)所指定位置。這種系統(tǒng)體積小，電力消耗也小，可以實(shí)現(xiàn)接近零速度落座，但伺服控制較復(fù)雜。