談可變配氣機構研究現狀和技術特點

徐 燕

（成都德奧嘉遠汽車服務有限公司，四川 成都 610000）

1 可變配氣機構發展的必要性

（1）汽車工業帶來的能源與環境問題。當前，因驅動汽車行駛的原動機-內燃機所依賴的能源主要是不可再生的化石能源，故其在給生活帶來舒適、便利與促進經濟繁榮的同時，也致使能源短缺、環境污染等問題突顯。據我國公安部交通管理局統計，截至2019年6月，全國汽車保有量達到了2.5億輛，其中私家車總量超過1.98億輛。汽車保有量不斷持續的增長，使世界各國能源的消費量都處于快速增長的趨勢。

（2）油耗與排放法規對發動機提出了更高的要求。目前各國已差異化的實施汽車燃料消耗量標示制度，作為其控制油耗和碳排放的主要措施之一。我國所實施的第四階段油耗限值標準，要求到2020年所有車企生產的乘用車平均油耗必須降至5L/百公里。對未達到《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》要求的企業，其新產品將無法進入《道路機動車輛生產企業及產品公告》，對企業公開通報外且停止新車型的申報。在2018年4月1日起施行的《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，也在引導消費者購買節能低油耗汽車。同時為治理汽車尾氣污染排放，國家出臺了“大氣污染防治行動計劃”、“車用汽油機排氣污染物排放標準、測量方法”等一系列的法規和政策。嚴格的油耗法規和排放法規相繼出臺，將迫使企業不斷地在降低燃油消耗與排放污染方面加大投入，推動發動機節能技術的發展。

（3）節能與新能源汽車對發動機企業提出了更高的要求。在全球各個國家通過發布禁售燃油汽車的時間表，以求大力發展及推廣應用汽車節能技術與新能源汽車，而我國也不例外。但當下，我國新能源汽車的發展還需要突破諸多社會因素和技術屏障（如配套制度體系不完善，汽車節能關鍵核心技術尚未完全掌握等）。因此，在未來相當長的時間內汽車發動機依然占有支配地位，加快車用發動機技術向信息化、電氣化、智能化方向發展，采用先進的燃燒技術、多可變控制技術等提高發動機熱效率，降低燃油消耗和有害物質的排放，促進汽車產業優化升級，推動汽車產業的可持續發展。

2 可變配氣機構的研究現狀

在發動機正常工作時，要求配氣機構能根據其不同轉速及時的向氣缸內提供可燃混合氣（或新鮮空氣）以滿足燃燒需求，同時在燃燒結束后將廢氣排出。由于發動機正常工作時一個工作行程僅持續千分之幾秒，對于配氣相位不可調的發動機很難滿足不同轉速下的換氣需求，氣門工作性能的好壞將直接影響著發動機的動力性、經濟性以及排放特性。

歐美、日本等國早在上世紀八十年代就已經開始在批量生產的汽油機上采用可變配氣相位或升程技術，其典型代表有豐田VVT-i技術、本田VTEC技術、寶馬Valvetronic技術、奧迪AVS技術、英菲尼迪VVEL技術等。我國的發動機制造和加工技術相對于歐美、日本等國家仍有很大差距。但近年來，國家加強鼓勵扶持擁有自主知識產權的高新技術發展，國內高校、科研機構和生產企業也一直在對可變配氣技術進行研究，以奇瑞、吉利汽車公司為首的一些企業，取得了突破性的進展。

3 可變氣門技術特點與應用情況

（1）可變氣門技術特點。可調式配氣機構可以在不同的工況下為發動機提供合適的進、排氣門開啟和關閉時刻或升程，改善發動機的進氣、排氣性能，兼顧發動機高、低轉速，大、小負荷時的經濟性、動力性和排放特性。氣門的工作性能則主要由氣門正時（進排氣門開啟或關閉的時間）和氣門升程（進排氣門打開的程度）兩個參數決定。在不同的運行工況下發動機對于氣門正時的要求也不同，低轉速運行時工作行程持續時間相對高轉速運行時長，故應采用較小的氣門升程和氣門重疊角，防止氣缸內新鮮空氣倒流，以便增加低速扭矩，提高燃油經濟性；而高速時卻希望有大的氣門升程和氣門重疊角，以便進入更多的混合氣以滿足高速時的動力性要求。

（2）可變氣門技術的發展應用。上世紀九十年代中期，Siemens/Hyundai成功開發了電控液壓式可變氣門系統 EVT（Electronic Valve Timing），并成功應用在Hyundai 2.0 DOHC汽油發動機上。如圖1所示，通過電磁閥的開啟和關閉來實現EVT的進油和泄油過程，電磁閥的開閉相位、電磁閥開啟持續期（脈寬）直接影響氣門的正時與升程。

圖1 EVT結構示意圖

繼Siemens/Hyundai的EVT系統后，Jacobs公司研發出了VVA系統（Variable Valve Actuation），并安裝在柴油機上，該系統在結構原理上與EVT類似，VVA增加了積聚器，這可以使得高壓油回收并且能使液壓活塞腔充油迅速，積聚器的增加就有助于VVA系統擴展到高轉速工況下運行。

在國內，天津大學在2008年通過對一臺柴油發動機的推桿進行改良，加裝了液壓活塞機構，如圖2所示。根據MAP控制電磁閥的開閉，實現液壓腔容積的變化，最終使得氣門正時和升程發生改變。

圖2 液壓推桿布置位置和液壓推桿結構

2009～2011年，山東大學設計開發并優化了全可變液壓氣門機構（簡稱SDFVVS系統），如圖3所示。當泄油控制機構關閉，液壓活塞腔內的機油封閉，若不考慮液體壓縮性，氣門的運動規律完全取決于凸輪型線；當泄油控制機構打開，液壓油隨著泄油管路流回油箱，此時氣門的運動規律不再完全受凸輪型線的影響，氣門的關閉角度和升程會發生改變，通過合理控制泄油機構的開閉，實現靈活調整氣門的正時與升程。

圖3 SDFVVS系統

西華大學在2014年基于DK4柴油發動機設計了一款電控液壓可變氣門機構。該機構通過對原機挺柱的重新加工，在凸輪軸與氣門之間設計了一個液壓活塞腔，通過電磁閥控制液壓活塞與活塞套的相對位移，最終實現進氣門晚關角度的調整。

4 結 語

目前，電控液壓式可變氣門系統研究日益受到廣大學者的青睞，但無論在車用汽油機還是柴油機上，由于電磁閥響應速度有限，導致難以滿足高轉速的要求。無凸輪機構雖然具有很大的可變靈活性，但因動力學性能、體積、成本與可靠性等原因，在中高速機領域長期處于實驗室研究階段。近年來，在中高速大功率發動機可變配氣機構領域，各大廠商已經推出可以不連續改變正時的可變配氣機構，例如Caterpillar公司的FCT、MAN公司的VVT與Wartsila公司的VIC。這幾種機構的控制較簡單，只需在工況變化時進行切換。

采用可變配氣相位（氣門正時）技術在很大程度上彌補傳統氣門式配氣機構的不足，能在發動機工況變化頻繁的條件下提供最佳的配氣相位，降低換氣損失，改善發動機的性能。