发动机气门驱动技术浅析

【摘要】 本文首先介绍了传统发动机气门技术，紧接着对发动机可变气门技术进行分类介绍，并以相关汽车公司产品为例介绍其基本结构、工作原理及技术特点，最后指出电液驱动气门全可变技术的将是可变气门技术的发展方向。

【关键词】 发动机、气门驱动技术、技术特点、电液驱动

作者单位：1.福州大学 机械工程及自动化学院 福建 福州 350108；2. 厦门金龙联合汽车工业有限公司 福建 厦门 360002

前言

内燃机作为目前热效率最高的原动机，世界保有量已经超过十几亿台[1]。内燃机的主要燃料是石油，而石油燃烧之后产生大量的废气不仅污染环境，而且对人类的健康也产生这危害。随着石油资源的枯竭和环境的日益恶化，内燃机的节能减排已经成为制约发动机发展的主要问题，改变传统固定的机械式气门驱动形式，发展新型的配气相位可变的气门形式已经成为发动机节能减排的重要途径。

一、传统凸轮轴式气门驱动机构

在传统内燃机中采取凸轮轴驱动气门开启或者关闭，由于凸轮轴运动轨迹线在制造时已经确定，所以采取凸轮轴形式驱动发动机气门开启或者关闭的时间和气门升起的升程也是固定不变的，导致无法满足发动机在各种转速下的进气要求，因此在近年来，各大汽车厂家和研究单位都在致力于可变气门技术的研究。

二、可变气门技术

可变气门技术就是随着发动机使用工况（转速、负荷）不同，气门结构参数随之可变的技术。车用发动机要同时满足高功率化和中、低转速及中、小负荷下的经济性和稳定性，从而达到在很大转速范围内的获取优越的动力性和经济性，避免出现扭矩低谷，提高车辆乘坐的舒适性。可变技术为解决此问题而产生，并在高速轿车发动机上广泛应用且类型繁多，按照气门驱动形式的不同，可以分为机械式、机电式和电液式等驱动形式。

（一）机械式驱动

通过形状连续的机械装置改变配气相位是非常苦难的，目前仅有很少形式的机械驱动可以在汽车上面正常工作，比如摆动式凸轮驱动。BMW公司的电子气门、日产公司的VVEL和丰田公司的Valvematic都属于摆动式凸轮驱动。摆动式驱动由传统凸角的凸轮或偏心轮和连杆组成，产生摆动。凸轮角部分是由基圆截面和凸角侧面组成。凸角的位置可以调整，因而其随动件可以改变运动规律。在凸轮基圆这一侧，气门升程和气门开启持续时期为零，在另一侧则为最大值。气门的升程和开启时期是一个连续的动作过程，但这两者运动的时间总是成比例的。宝马的电子气门由于气门开启持续时间和气门升程有很大的关系，因此电子气门仅仅在进气门使用。日产的VVEL和丰田的Valvematic在采用原始的摆动凸轮，相对于电子气门，体积更小，空间利用率更高，但实际的特性仍存在一定的局限性。本田公司的VTEC技术则是改变气门升程，气门开启持续期保持不变。

（二）机电式驱动

在有些无凸轮发动机中采用了机电式气门驱动形式，这种驱动形式气门的开启、关闭及其保持开启和关闭的动作都是通过电磁机构完成的。 机电驱动形式所面临的问题有：a、气门在启动后难以减速，该问题是由于电磁体在气门运动到一端时产生的电磁拉力急剧增大引起的，气门速度过大会导致气门落座冲击过大，从而引起气门座及其他零件的寿命降低。如果采用弹簧缓冲气门落座速度，又会使发动机所有工况难以达到最佳。b、在机电机构中使用弹簧需要弹簧与气门运动达到平衡状态，从而保证气门在发动机所有转速下气门的平稳落座。当弹簧出现磨损或者弹力衰减及发动机转速改变时，这种弹簧和气门之间的将会被打破。

三、电液式驱动

电液驱动气门（Electro-Hydraulic Valve Action）是将气门与液压缸活塞连接起来，用电磁阀来控制液压缸内液压油流入或流出控制活塞动作，从而达到对气门运动的控制。具有代表性的有ford公司所设计的电控液压活塞可变气门驱动系统和Lucas公司设计的电控有弹簧单作用液压活塞可变气门驱动系统。

Ford公司设计的电液气门驱动系统有高、低压两个油源，气门的顶部装配置一个具有双作用的液压活塞，活塞顶部油腔分别与高、低压油源相通，活塞底部油腔仅与高压油源相通，活塞顶部面积大于底部面积。气门的关闭动作是由低压电磁阀的开启和关闭进行控制的，在气门开启加速时开启高压电磁阀，减速时关闭。该系统还具备高压单向阀和低压单向阀保证气门在最大行程或者气门落座时活塞顶部油压稳定在一定范围之内。

Lucas公司设计的电液气门驱动系统[3]是由一个常闭型和一个常开型两位两通电磁阀共同控制气门的开启与关闭，通过回位弹簧作用回位。其中，气门的开闭时刻及气门开启速度与升程是通过电控单元直接控制。电控单元能根据发动机转速和负荷等参数，调整相应执行器的动作参数，对发动机进行实时控制。该系统可以实现对气门正时、气门升程以及气门开启速度的灵活调节。

四、结论

电液驱动气门系统能够精确控制气门开闭时刻、开启持续时间及气门升程[4]。因此电液驱动能够保证发动机在各种转速下的配气要求，从而提高发动机经济性、动力性，降低排放。电液气门驱动还具有一些突出的优点：取消凸轮轴等原配气机构零件，降低了发动机的高度和重量，提高了发动机的强化指数；能够通过改变气门相位来改变发动机的有效压缩比。虽然电液气门在实际中尚未投入使用，但是在能源短缺与环境日益恶化的今天，通过电液驱动无疑实现发动机高效燃烧最佳途径。

参考文献

[1] 苏万华，赵华，王建昕 等.均质压燃低温燃烧发动机理论与技术[M].北京：科学技术出版社，2010.

[2] 周能辉，谢辉，王立彪，等.全可变气门机构闭环控制试验研究[J].机械工程学报.2006.10.132-137.

[3] 黄金记，发动机可变气门驱动机构及控制系统设计与研究[D].重庆：重庆交通大学硕士学位论文，2011.

[4] 陈勤学，崔可润，朱国伟.可变气门系统的研究与发展[J].车用发动机.2002.

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