未来内燃机用机械式全可变气门升程控制系统

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

1 动机

鉴于目前全球车辆及内燃机的保有量已高达10亿，必须发展替代驱动装置理念，采取一切可能的手段优化内燃机，实现二氧化碳（CO2）排放减少和车辆的经济利用。

完全可变气门机构不仅因具有优化的换气、残余废气相容性和一次性驱动摩擦而使燃油效率得到较大改善，而且还可以提高发动机的扭矩和性能，这思味着可以进一步挖掘缩缸强化发动机理念的燃油耗潜力。此外，这也是采用新型及替代燃烧技术（例如均质压燃）的前提之一。

Kolbenschmidt Pierburg公司认为，可变气门机构是未来具有市场增长潜力的技术领域。因此，为了拓展内燃机进气管路产品型谱，根据与Entec Consulting公司的合作协议，Kolbenschmidt Pierburg公司获得了机械式全可变气门升程控制系统（Univalve）的授权。

2 内燃机的发展潜力

在汽油机中，利用凸轮调相系统对进、排气持续期进行调整，以实现运行点的优化。自2005年以来，特别是在日本，机械全可变气门驱动技术已经得到广泛应用，在欧洲的使用也正逐步增加。相关竞争技术包括液压伺服全可变系统或两级气门升程切换系统。

因此，应考虑在技术和商业上都可以接受的工作量和成本，以求获得最大效用，并综合采取降低CO2排放的其他技术措施，以保持燃油耗优势。

为了探讨这一问题，在量产的双凸轮相位调节1.6 L自然吸气缸内直接喷射汽油机的基础上，对各种换气系统进行了仿真。除了基本型发动机外，还考虑采用小型化的同等功率涡轮增压变型机。此外，考虑为各种变型机采用起动-停车系统。

选择新欧洲行驶循环（NEDC）的CO2排放测定值作为1 300 kg级车辆的评估准则（图1）。

仿真结果表明，在进气侧安装全可变气门驱动系统，可使CO2排放降低约8.5%。即使使用带起动-停车系统的缩缸强化发动机，也可降低约5%的CO2排放。在进气侧安装分级气门升程切换系统则无法降低CO2排放，因为这种设计需要一定的技术折中。

3 Univalve的结构和功能

Univalve是一种机械式全可变气门升程控制系统，可使气门升程在全程范围内实现无级变化，同时改变气门升程持续期。

与众多专利申请和实际系统相比较，Univalve在生产成本、系统摩擦和总体功能方面具有诸多优势（图2）。应当强调的是，集成Univalve系统只需要稍微移动一下凸轮轴的位置。该系统还具有成本低、安装简便的优点。在较小的气门升程时，气门升程持续期可缩短至70°CA。此外，由于切换杆的摇杆几何形状，切换系统存在1个转速上限。

Univalve系统的基础是1个标准的滚子摇臂。中间杆位置由凸轮型线、导轨和偏心轴（用作推力轴承）确定。通过凸轮工作型线将由凸轮引起的往复运动转换为所需的气门动作（图3）。

由于所有零部件的接触区域都安装在滚子或滚针轴承上，最大升程时的摩擦力矩可维持在配备标准滚子摇臂的典型系统水平。在较小气门升程和低负荷时，可以减少摩擦，减小节流，并降低在NEDC工况的燃油耗。即使在气门升程较大的情况下，这一系统仍具有优异的摩擦性能，故同样适合安装在排气侧。

图4给出由偏心轴旋转所产生的各气门升程曲线。根据热力学分析，气门升程持续期的变化起着决定性的作用。结合使用凸轮相位调节系统，通过进气门早关策略，可以限制气缸充气，而无需消耗性的节流干预。升程曲线中与机械学和声学相关的重要缓冲段保持不变。

偏心轴采用无电刷的电子换向电机驱动。电机的设计和功能原理使其可以获得非常高的性能密度，并且在长期运转中具有很好的耐磨性。

目前，类似的无刷电机已被用于商用车发动机等要求很高的领域，并实现低成本生产。无刷电机闭环控制的原理是通过非接触式转子位置传感器检测偏心轴的位置。在任何情况下，这对于无刷电机的工作都是必要的。同理，可以确定偏心轴的故障和安全位置。

4 在涡轮增压缸内直接喷射汽油机上的应用

在采用全可变气门升程系统的发动机中，扭矩或气缸充气是通过调节进气门升程持续期来控制的。这些参数影响换气循环功，对燃油耗有直接影响。当进气门早关时，燃油耗逐步下降（图5）。为了使进气门早关，气门升程持续期设置应尽可能短，而采用机械可变气门升程系统时，可以通过较小的气门升程来实现。在发动机转速为2 000 r/min、平均有效压力为0.2 MPa时，气门升程约为1.2 mm，气门升程持续期为120°CA。当进气门升程偏角（IS）为50°CA、排气门升程偏角（OS）为60°CA时，换气功最低，因而燃油消耗率最低。OS也对换气功和燃油耗，以及缸内残余废气比有很大的影响（图5）。

既不能改变OS的可变气门机构，又不能减少燃油耗，这成为重要缺陷。已经证实，在发动机转速为2 000 r/min的运行点，与采用节气门的发动机相比，采用无节气门负荷控制，可使2.0 L涡轮增压缸内直接喷射4缸汽油机的燃油耗减少9%，而与进气道喷射汽油机相比，可减少12%以上[1]。

此外，通过进气门升程相位调整，成功地提高了残余废气的相容性。应该指出，在部分负荷时，增加残余废气量有利于降低燃油耗；而在全负荷运行时，由于爆燃的风险增加和气缸充气减少，降低燃油耗的效果并不明显。

对于采用单流道涡轮增压器的4缸缩缸强化发动机来说，换气过程完全不同。其特点是排气门升程持续期控制得很短，以避免在点火顺序上相邻的气缸之间发生串扰。采用双流道涡轮增压器也同样如此，但受到较高的成本和开发集成式排气歧管的限制[2，3]。

以上要求对无节气门部分负荷运行提出了挑战。采用较短的排气门升程持续期，在排气侧调整凸轮相位会导致缸内残余废气量增加，而且还由于较高的泵气损失导致换气功增加。因此在燃油耗方面，无节气门负荷控制的优势受到限制（图6）。

在进、排气侧同时使用机械式全可变气门机构，为在部分负荷获得更低的燃油耗和更佳的低端扭矩提供了一种可能的解决方案。此外，还可以设定排气门开启正时，以实现最小的膨胀损失，同时获得残余废气和燃油耗最佳的排气门关闭正时。缩缸强化的发动机通常采用排气持续期很短的凸轮轴，与无节气门的运行工况相比，燃油耗优势可额外提高4%，具体取决于负荷点和残余废气的相容性。

无论排气门升程持续期如何变化，排气侧的全可变性对全负荷性能都具有正面影响。自由选择进气门升程持续期能获得理想充气的进气门关闭正时，这思味着与量产发动机相比，在非常低的转速区域（无扫气），涡轮增压缸内直接喷射汽油机的全负荷扭矩可以增加约10%[1]。

在可以实现规定扫气的运行点上，进气门升程持续期延长伴随着气门开启重叠角增加，同时优化进气门关闭正时，具有明显的积极作用（图7）。采用全可变进气系统，可使低速扭矩显著增大。

另外，全可变排气门升程系统可以根据运行状态调整排气门升程持续期，因而对发动机扭矩具有重大影响。

排气门升程持续期较长，并对残余废气优化控制，能降低部分负荷时的燃油耗，但对涡轮增压4缸汽油机的全负荷性能不利（图7）。

与现有的量产发动机相比，大幅减小排气门升程持续期对部分负荷燃油耗明显不利，但可显著提高全负荷性能。采用较短的排气门升程持续期，发动机转速1 000 r/min时的扭矩可增加约100%。即使在发动机转速1 150 r/min时，平均有效压力也能达到1.8 MPa。

因此，涡轮增压4缸发动机采用Univalve系统，可以为降低燃油耗、提高低端扭矩，以及改善全负荷性能这些相互制约的目标提供一种最佳折中。

5 结语

在进气侧安装Univalve系统，通过无节气门负荷控制、摩擦优化和有针对性的残余废气控制，可使部分负荷时的燃油耗减少12%。此外，如适当设计偏心凸轮型线，Univalve能够为气门升程提供相位调整（非对称气门升程），产生充量运动，并通过优化残余废气相容性，进一步降低燃油耗。

采用Univalve对气门重叠角进行仔细调整，按充气优化进气门关闭正时，可使缩缸强化发动机的全负荷性能大为改善。可以通过附加的调低档位提高低端扭矩，从而进一步节省燃油。

通过在排气侧安装Univalve，可以充分挖掘发动机在全负荷和部分负荷工况下的潜力。值得一提的是，鉴于4缸涡轮增压发动机的特殊性，将能够顺利地降低部分负荷燃油耗，并增加低端扭矩。

因此，Univalve是满足未来发动机更高效率和更大扭矩性能要求的一种有效手段。