可变气门正时技术在汽油机上的应用

郭佳林

内燃机在经过了将近一个半世纪的发展之后，其进步程度已经达到了令人叹服的地步，尤其是近几年来，低能耗、低污染、高性能、多样化、新结构的发动机不断产生。伴随着内燃机的进步，汽车行业迅速崛起，随着各国经济的迅速发展和消费群体的不断扩大，汽车保有量迅速增加，它在给人类带来便利、为世界创造物质文明的同时，也对人类生存的环境造成了巨大的危害。起初，汽车排污问题没有被及时地发现和引起足够的重视，使人类付出了惨痛的代价。

排放法规的不断严格对内燃机行业提出了新的挑战，也提供了新的机遇。控制内燃机对环境的污染成为影响其设计和发展的重要因素之一，各国发动机和汽车制造商纷纷致力于改善发动机排放性能的研究，随着科学技术的不断进步和内燃机科技工作者的努力，许多新的排气控制和净化技术应运而生，使发动机排气污染物能够不断适应新法规的要求。结构方面，用项置凸轮轴配气机构代替下置凸轮轴式配气机构，用多气门发动机代替两气门发动机，用汽油喷射代替化油器， 采用电控喷油、电控点火，另外在燃烧过程和净化触媒等方面也进行了大量的研究工作，都取得了有效进展。同时，由以前固定的机构走向可变，如可变压缩比、 可变尺寸进气系统（谐振进气系统）、可变排量和可变配气相位等。这些改善发动机排放性能的重要研究成果，成为支撑内燃机和汽车行业生存、发展的关键。

发动机可变气门正时技术，做为一种性价比相当高的技术方案不但能够提高发动机动力性和经济性，而且在其他传统净化措施的基础上，可以进一步降低内燃机在许多工况下的排气污染物，一直是各国内燃机工作者重点研究的对象，随着这项技术的不断完善和成熟，已经成为开发新型发动机过程中一项不可或缺的关键技术，一款发动机是否搭载了可变气门正时技术，是评价其排放性能是否优良的技术指标之一。对于正在快速发展的国内汽车行业来说，可变气门正时技术有着很大的发展空间，能否将这一技术尽快应用于自主产品的研发过程中，早日占有市场份额，达到追赶世界排放标准的要求， 既关系着自身的前途与命运，更重要的是对世界环境和人类健康负责。

进气系统在发动机运转中扮演着举足轻重的角色，虽然这些技术五花八门，应用的位置都不相同。但其目的都是为了使发动机在不同的工况下保持进气顺畅，从而提高燃烧效率。另外这些技术并不是独立存在的，通常它们会同时出现在一台发动机上结合使用以達到更好的效果。

气门是由引擎的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。在普通的引擎上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的，这种固定不变的正时很难兼顾到引擎不同转速的工作需，“VVT（可变气门正时）”就是解决这一矛盾的技术，简单地说，就是改变进气门或排气门的打开与关闭的时间。

可变气门正时又分为不连续可变气门正时和连续可变气门正时不连续可变气门正时：简单的可变气门正时VVT只有两段或三段固定的相位角可供选择，通常是0度或30度中的一个。连续可变气门正时是更高性能的可变气门正时VVT系统，能够连续可变相位角，根据转速的不同，在0度-30度之间线性调教配气相位。连续可变气门正时系统更适合匹配各种转速，因而能有效提高引擎的输出性能，特别是引擎的输出平顺性。进气可变气门正时和排气可变气门正时进气可变气门正时：进气门相位角（即开闭时间）可变，排气门相对固定，像丰田凯美瑞的VVT-i，目前应用较多。排气可变气门正时：进气门相对固定，排气门相位角（即开闭时间）可变。

目前大多数发动机使用机械式气门系来操作进排气门，气门运动由曲轴旋转来定时。定时机构由曲轴和凸轮轴之间以及凸轮轴和气门之间的机械联接组成。这种驱动形式有效性、可靠性强，但是缺点也很明显：不能改变正时、延续时间和进气门升程，这样就显著降低了火花点火（SI）发动机的燃油效率。这是由于 为了满足小于最大输出扭矩时的需要而采取的进气节流措施，也使发动机效率大大降低。

为了解决上述问题，研究人员提出了一种方案，其基本思路是：在各种速度比负荷情况下，风门保持全开，利用电流控制无凸轮气门系优化进气门运动从而控制缸内气流。在硬件和实时计算方面的研究进展使这项技术达到实用水平。

无凸轮控制系统需要完成两方面的任务：对输出扭矩的快速变化能够作出足够快的反应；确保灵活的操作。

研究人员的早期工作描述了传统发动机各缸的感应过程，并建立了一个基于空燃比控制的观测器模型。Ashhab等人根据气体动力学的基本原理提出了无节 流无凸轮吸气过程控制模型，它弥补了解析热动力学模型和稳态或均值模型的缺点。基于新模型设计了间接适应控制器，能够调整进气门升程和延续时间以满足缸内充气需要，同时带有前馈算法的控制器可以保证各缸平衡并快速跟踪泵吸损失的降低。除上述方法外，还有学者探讨了电磁阀加液压驱动这种方式控制气门升程和定时，它利用压缩流体的弹性特性作为液体弹簧使气门开启和关闭时作加速和减速运动，加速运动时流体的势能转化成气门的动能，减速运动时反之，能量转化率达80%。Anderson等人设计了一个系统，通过控制两个电磁阀高压液体流入和流出发动机顶端的控制室，同时控制室活塞的下部作用一个常力，在两者的共同作用下实现气门的开启和关闭。通过控制电磁阀的开启时间和持续时间，可以精确调节控制室内压力，从而控制气门升程的连续变化。两个检测阀门用来提高能量利用率。该系统的一个特点是利用内外两个闭环控制来改变气门升程和定时。

Podnar 等人开发了一种电磁气门驱动（EVA）系统，并应用于Kohler Command 系列发动机。它完全由计算机控制，响应快，伺服控制系统效率高。EVA 系统由电磁铁、弹簧、电枢、气门等元件组成，气门上作用有弹性力和电磁力。当电磁铁通电后，驱动气门运动，然后电磁铁断电由弹簧驱动气门接近所要求位置，此刻电磁铁再次通电使气门以适当的速度到达所指定位置。这种系统体积小，电力消耗也小，可以实现接近零速度落座，但伺服控制较复杂。