先进发动机气门控制技术.docx

发动机前沿技术分析报告先进发动机气门控制技术文摘 为了降低发动机进气系统的泵气损失，提高燃油利用效率，国内外各大汽车企业和零部件供应商开发出了各种先进的发动机气门控制技术。本文对其中具有代表性的技术方案及其工作原理进行了简要介绍。关键词 发动机 气门控制Advanced engine technology analysis reportAdvanced engine valve control technologyAbstract In order to reduce the engine intake pumping losses and improve fuel efficiency, Domestic and international major auto companies and parts suppliers developed a number of advanced engine valve control technology. This article describes the typical technical solutions and its working principle.Key words Engine Valve control近年来，出于对环境保护和可持续发展的考虑，各个国家和地区对汽车油耗和二氧化碳排放量均加以严格的限制。例如欧洲议会环境委员会规定到2015年，在欧洲上市销售的新车型二氧化碳排放量必须降至平均每公里130克；并于2013年4月通过了2020年欧洲汽车二氧化碳排放每公里95克的目标，同时将对超标的车企课以重税。而日本将从2020年开始实行按JC08循环的油耗标准，在该标准下汽车油耗要比2009年规定的油耗水平提高24%，达到4.9升/百公里。在我国，根据国务院2012年6月份发布的节能与新能源汽车产业发展规划（20122020年）的要求，“到2015年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至6.9升/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至5.9升/百公里以下。到2020年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0升/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5升/百公里以下。”为了应对不断加严的排放和油耗法规，整车企业不得不利用各种技术手段提升发动机产品的经济性和排放性能。当前已被广泛采用的发动机节能技术主要有汽油缸内直喷（Gasoline Direct Injection）技术、可变气门正时（Variable Valve Timing）技术和涡轮增压（Turbo Charger）技术等。此外，为了降低发动机泵气损失，改善发动机燃烧效率，进而提升发动机经济性，最近几年来可变气门升程（Variable Valve Lift）技术和无凸轮轴式可变气门驱动（Variable Valve Actuation）技术等先进发动机气门控制技术也广泛受到各大汽车企业的重视。1、可变气门升程技术可变气门升程技术按升程调节范围可分为阶段式和连续式，按执行机构的驱动方式可分为机械式和液压式等。1.1 两阶段可变气门升程技术一般而言，发动机气门升程的定义，是以满足发动机全负荷时进气量的需求为设计输入。显然，当发动机工况处于怠速，或者中、低负荷时，从理论分析可知，此时发动机所需的空气量较少，也就可以选择较小的气门升程。较小的气门升程，不仅能减少发动机进气量，进而大幅度降低怠速和中、低负荷时的泵气损失，同时气门升程的较小，气门机构的机械功损失也会有所降低。传统的气门机构设计，无论是双凸轮还是单凸轮、顶置或者中置，发动机的气门升程均是固定不变的，也就不能兼顾大负荷时发动机的性能需求和中、低负荷时的油耗需求。为了解决这一矛盾，同时结合成本以及可靠性等方面的考虑，本田、丰田、通用、保时捷，以及国内的比亚迪等汽车企业均开发出了两阶段可变气门升程发动机。其中具有代表性的技术有本田的iVTEC技术、保时捷Variocam Plus系统采用的舍弗勒集团伊那（INA）公司的液压可变气门挺杆技术，以及通用汽车公司采用的伊顿（Eaton）公司的摇臂滚子类型的双升程（Dual Lift RRA）技术。1.1.1 本田公司VTEC系统本田公司于1989年推出的VTEC（Variable Valve Timing and Lift Electronic Control）技术，并在此技术基础上开发出了iVTEC技术。该技术在本田思域、雅阁、CR-V和飞度等主要车型上均有应用，其对发动机经济性、动力性和排放等性能的改善，以及技术可靠性均获得业内外的广泛认可。该系统的基本原理如图1.1所示：ECU通过对发动机转速信号和负荷信号进行分析，确定发动机运行工况，并通过一套液压系统来控制销轴的运动，实现三个摇臂的锁定和分离，来选择不同升程和型线的凸轮，进而输出不同的气门升程曲线。图1.1 本田 i-VTEC系统工作原理图1.1.2 伊那（INA）公司的CPS（Cam Profile Switching）技术INA的CPS技术有多种技术方案，技术的基本原理和本田的i-VTEC系统类似，均是通过液压系统驱动机械装置来实现不同型线凸轮的切换，进而实现气门升程的可变。根据实现技术的零部件和技术手段不同，可分为液压可变气门挺杆（Switchable tappet）和液压可变摇臂（Roller finger follower）等多种形式。液压可变气门挺杆（Switchable tappet）技术由于液压可变气门挺杆集成了气门间隙补偿的功能，并取消了气门摇臂机构，采用凸轮直接驱动气门的结构形式，从而使得发动机气门机构的设计非常简单，缸盖和油道的布置也大为简化，其在发动机上的布置形式见图1.2左。其主要缺点在于可变气门挺杆的重量较大，而且在发动机运转时，挺杆是沿着气门杆轴向方向做往复运动；同时，凸轮与内、外挺杆的接触副均为滑动摩擦，因而机械功损失比较大。液压可变气门挺杆结构如图1.2右所示，有内、外两个挺杆构成，由液压系统驱动一根三段式的中间销轴运动，来实现内、外挺杆的锁定或解锁，从而实现不同型线凸轮的切换。机构的工作原理见图1.3所示。图1.2 INA液压可变气门挺杆布置和结构图基圆阶段 解锁状态（零或短升程） 锁定状态（长升程）图1.3 INA液压可变气门挺杆工作原理图液压可变摇臂（Roller finger follower）技术液压可变摇臂的结构见图1.4所示，与液压可变气门挺杆相类似的是，液压可变摇臂机构也是由内、外两个摇臂所组成的，由一套液压系统来控制一根销轴的运动，使内、外锁定或解锁，从而实现不同型线凸轮的切换。机构的工作原理见图1.5所示。与液压可变气门挺杆相比，该机构的结构略为复杂，可靠性存在一定的问题，但目前已经基本解决了。同时，该系统需要在传统摇臂式的气门机构的基础上，增加一条控制升程切换的油路，这使得缸盖油路的设计较为复杂，缸盖和气门室罩盖的铸造和加工难度也相应增加。但其优点在于，发动机运转时摇臂是在一定角度内做摆动运动，转动惯量相对较小；同时内摇臂与凸轮的接触副设计为轴承滚动摩擦，也进一步降低了发动机的摩擦功损失。图1.4 INA液压可变摇臂结构图销轴销轴解锁状态（零或短升程） 锁定状态（长升程）图1.5 液压可变摇臂工作原理图1.1.3 伊顿（Eaton）公司摇臂滚子类型的双升程（Dual Lift RRA）技术伊顿公司的摇臂滚子双升程技术结构形式与INA液压可变摇臂技术较为类似，只是在一些技术细节上略有差异，其布置和结构见图1.6所示，在此不再赘述。图1.5 伊顿摇臂滚子类型的双升程系统结构图1.2 全可变气门升程技术与升程不可变的发动机相比，两阶段可变气门升程发动机在油耗方面有明显的改善，但事实上，两阶段可变气门升程技术也只能兼顾发动机全负荷工况和中等负荷工况的进气需求，对低负荷以及怠速工况的油耗贡献仍然较少，而这些工况在汽车的日常使用，或者NEDC循环工况中所占比重也比较大，大约在30%左右。根据美国国家研究委员会（National Research Council）发布的研究数据显示，两阶段可变气门升程技术的技术成本大约为1522美元，油耗收益为2.3%；而全可变气门升程技术的技术成本约为1911美元，油耗收益可达到4.8%，由此可以看出，全可变气门升程技术的效益要远远高于两阶段可变气门升程技术。为了进一步降低低负荷和怠速工况的油耗，实现在发动机运行全工况内，气门升程从满足怠速进气需求的0.2mm左右到最大气门升程之间连续可调，宝马、本田、丰田和日产等汽车企业开展了全可变气门升程技术的研究和开发工作。其中，宝马公司在2000年就完成第一代全可变气门升程发动机的开发工作，第一款使用 Valvetronic技术的4缸发动机实现量产和上市，随后逐步将Valvetronic技术推广应用于BMW公司所有的8缸和12缸V型发动机，以及直列式6缸发动机上。此后的十年时间里，宝马公司在对Valvetronic系统进一步优化的基础上，又陆续推出了第二代和第三代的全可变气门升程技术。而其他公司的全可变气门升程技术，如本田的A-VTEC技术、丰田的Valvematic技术、日产的VVEL技术和德尔福的CVVL（Continuously Variable Valve Lift）技术，虽然已经完成了技术方案设计或开发，并取得了知识产权，但是到目前为止还没有量产机型上市，所以本文将不再细述，重点介绍宝马的Valvetronic技术。1.2.1 宝马 Valvetronic 宝马第一代全可变气门升程技术Valvetronic 的系统结构见图1.6，主要由驱动电机和蜗杆，涡轮，带驱动凸轮的控制轴，回位弹簧，中间摇杆，凸轮轴组成。中间摇杆上部装有一个滚轮，滚轮和驱动凸轮相接触，同时中间摇杆上部为一弧面，和控制轴接触。凸轮轴和中间摇杆中部的辊子接触，摇臂辊子和中间摇杆下工作面接触。图1.7是Valvetronic 的工作原理图。在驱动电机的作用下，带驱动凸轮的控制轴进行转动，使中间摇杆的位置发生了变化，中间摇杆的下工作面和摇臂辊子的接触点也随之发生了变化，从而改变凸轮轴输出的气门升程。 图1.6 Valvetronic 系统结构图 图1.7 Valvetronic 工作原理图从目前宝马公布的数据来看，该机构可以使发动机在怠速工况下油耗降低18%，部分负荷工况油耗可降低10%左右。1.2.2 宝马 Valvetronic Valvetronic 系统的结构和工作原理见图1.8所示，主要由：驱动电机和蜗杆，涡轮，带驱动凸轮的控制轴，月牙板，中间摇杆，凸轮轴组成。Valvetronic 系统与Valvetronic 系统的基本原理是一样的，都是通过电机驱动的齿涡机构，改变控制轴和驱动凸轮的角度，进而改变中间摇杆上端的位置；同时，在杠杆原理的作用下，改变中间摇杆的下工作面和摇臂辊子的接触点，从而实现气门升程的连续可调。图1.8 Valvetronic 的系统结构和工作原理图与Valvetronic 系统相比，Valvetronic 系统优化主要体现在：中间推杆与控制轴上的驱动凸轮之间的滑动轴承被一个滚针轴承替代，在降低摩擦损失的同时，也使得中间推杆的导向更准确；气门机构的运动惯量减少了13%，进一步降低了配气机构的机械损失；扩大了气门行程的调节范围，最大行程增至 9.9 mm ，最小行程降至了 0.18 mm。此外，更重要的不同点在于，Valvetronic 系统增加了“定相技术”，既当发动机处于部分负荷工况时，定相技术最多可使两个进气门的行程差达到 1.8mm，从而使吸入的新鲜空气流非对称分布，如图1.9所示。该技术可以在气体压缩过程中进一步提高涡流比，从而优化混合气形成，在部分负荷下和催化转换器加热运行模式下有效的改善燃烧效率。图1.9 Valvetronic 的定相技术1.2.3 宝马 Valvetronic Valvetronic 系统的结构见图1.9所示，主要由：扭转弹簧，月牙板，进气凸轮轴，中间摇杆，带驱动凸轮的控制轴，驱动电机和蜗杆组成。其控制原理和Valvetronic 基本一致，在此不再赘述。主要的改进在于对驱动电机进行了优化：将电机重量降低了约600g；体积也进一步缩小，并布置在缸盖内部，从而缩小了整机外形尺寸；电机集成了控制轴位置传感器；功率消耗降低了50%。此外，还对中间摇杆等运动件进行了轻量化设计，在提高执行机构动态响应性的同时，也降低了机构的机械功损失。图1.10 Valvetronic 的系统结构宝马的Valvetronic系统是一款典型的机械式气门升程调节系统，也是目前唯一实现量产的全可变气门升程技术，该技术通过对气门升程的精确调节来控制发动机进气量，与可变气门正时（VANOS）相结合，可实现无节气门的负荷控制，在大幅度降低了发动机的油耗和排放的同时，提升了发动机输出功率。根据宝马的报告显示，在应用Valvetronic技术后，发动机燃油经济性提升12%，输出功率提升14%，HC和NOx的排放降低40%左右。2、无凸轮轴式可变气门驱动技术无凸轮轴式可变气门驱动技术按驱动形式可分为液压式（EHVVA）和电磁式（EMVVA）两种。液压式的代表技术是莲花（LOTUS）公司的AVT （Active Valve Train）技术和意大利菲亚特（FIAT）公司的Multi air技术，以及我国的江苏公大动力技术有限公司的LGD-VVA技术。而电磁式可变气门驱动技术目前研究较为广泛，其中开发进展较快的是法雷奥（Valeo）公司的e-Valve技术，其第一代产品已完成样车的匹配开发工作，并在车展上公开展示和试驾。此外，德国FEV、Benz 等公司、美国Ford 公司也在进行电磁式可变气门驱动技术的研究和开发。2.1 莲花AVT （Active Valve Train）技术莲花AVT 系统结构如图2.1所示，主要由：流量转换单元，液压集成块和执行器缸体，执行器活塞组件，电磁阀控制单元，发动机气门组成。图2.2是AVT系统可以实现的气门控制策略。可以看出，该系统能够灵活的调节排气门开启时间和进气门关闭时间，不仅可以提高发动机涡流比，改善进气，同时能通过控制发动机内部EGR量，来实现均质混合气压燃 (Homogeneous Charge Compression Ignition) 技术。此外，AVT系统在大排量的商用车发动机上应用时，还可以很方便的实现发动机制动（Engine Braking）技术，来降低刹车系统的负荷，提高安全性。图2.1 莲花AVT系统结构图排气门提前开启 进气门延迟关闭图2.2 AVT系统可实现的气门控制策略2.2 法雷奥e-Valve技术e-Valve系统的工作原理见图2.3所示。主要是通过电磁阀产生电磁力方向的切换，来控制气门的开启和关闭，通过双弹簧的设计不仅可以回收一部分运动能量，同时也能降低气门落座速度，起到良好的缓冲作用。气门关闭位置 气门开启位置图2.3 e-Valve系统的原理示意图 图2.4 e-Valve系统可实现的气门控制策略图2.4是e-Valve系统可实现的气门控制策略，从图中可以看出，该系统的气门开启速度和关闭速度非常快，气门升程曲线近似矩形。从理论分析上可知，在发动机进气量相等时，矩形气门升程曲线的泵气损失是最小的。同时，e-Valve系统的控制策略极为灵活，气门开始时刻和关闭时刻可以任意调节，仅仅需要避免气门和活塞相碰撞即可。并且可实现同一冲程气门多次开启和关闭、发动机不同缸的气门单独控制、同缸两气门单独控制，至于停缸（Cylinder deactivation）技术和发动机制动技术的实现就更为容易。根据法雷奥公司的报告显示，在PAS 407（发动机排量为2.2L）上应用该系统后，CO2排放量由214 g降为175 g每公里，百公里油耗由9L降为7,4 L，油耗收益达到18%，同时，HC排放降低10%，CO排放降低50%，NOX排放降低57%。2.3 公大LGD - VVA技术公大的创始人娄征博士在2007年完成了LGD- VVA技术的概念设计，并在SAE上发表了论文。文中提出了三种不同结构的系统形式，可分别实现固定升程、二阶升程和升程连续变化，同时三种方案均可实现气门开启和关闭时刻的连续可调。目前公大已经完成了第一代样件的开发，并进行了一些台架试验验证和分析，正着力于产品技术推广和产业化合作工作。图2.5是气门升程连续可调的公大LGD-VVA系统，从图中可以看出，LGD-VVA系统采用液压驱动气门开启和关闭，同时也借鉴了EMVVA技术的双弹簧设计，该系统通过一系列负责的油路设计来实现气门升程连续可变。图2.5连续可变气门升程的LGD-VVA系统结 论1、从技术成熟度来看，两阶段可变气门升程技术已经基本成熟，进入到产业化推广的阶段，未来几年这一技术将被广泛应用于各大汽车公司的产品上；2、全可变气门升程技术目前仅宝马的Valvetronic技术实现了批量生产，其他公司均在开发阶段，目前尚无量产的产品推出；3、无凸轮轴式可变气门驱动技术代表了发动机配气系统技术发展的终极目标，可实现最理想的气门升程型线，然而目前该技术还处于试验室研究阶段，实现产业化还需要较长的时间。参考文献:1 苏岩, 肖敏. 国外发动机可变配气相位研究进展 机构篇J. 汽车技术, 1999年(第6期):10-14.2 Arinaga T, Kobayashi M. A Study of Friction Characteristics o