可变动态气门装置：降低燃料消耗率的新概念

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：为了降低燃料消耗率，在柴油机上也逐步增加采用可变装置。图5-54所示为可变动态气门装置的概念图。第三代无节气门系统，即删减进气系统的节气门，能降低泵气损失，并通过可变气门系统调节进气量，从而降低燃料消耗率的新概念可变气门装置，在欧洲等地区正在研究当中。

为了降低燃料消耗率，在柴油机上也逐步增加采用可变装置。可变装置方面包括可变气门装置、可变压缩比、可变涡轮装置和可变排气量装置（可变气缸装置）等系统。

1.可变气门装置

可变气门装置在从怠速到高速、高负荷的全运行范围内，为了满足发动机的需求，多种动态气门系统可变装置正逐步实用化。可变气门系统不仅在进气凸轮上应用，在排气凸轮上也有配备，有多种类型。图5-54所示为可变动态气门装置的概念图。

可变气门装置可以分成第一代的可变相位、可变角度-升程装置、连续可变相位装置等，第二代的连续可变相位和可变角度-升程两者合一的合成装置，第三代的无节气门系统，第四代的多自由度可变装置。

图5-54 可变动态气门装置的概念图

可变相位装置又称为可变气门正时系统（VVT）。此系统是为了最佳化随发动机转速的进气门和排气门的打开/关闭时期，对气门打开和关闭时间根据凸轮形状和相位角调整气门重叠区间的系统。可变气门升程装置（VVL）是调整气门升程高度，以调节进气量的系统。可变角度-升程装置是把凸轮角度和气门升程高度同时连续可变控制的装置。

连续可变相位系统通过扩大进气门和排气门的重叠区间，增大内部废气再循环（EGR）量并降低泵气损失，因而能改善5%～10%的燃料消耗率。

连续可变相位装置+可变角度/升程装置有本田汽车开发的电控可变气门正时和升程（V-TEC）系统。由宝马（BMW）汽车公司开发的电控无级可变气门系统，也是通过电动机和蜗轮机构可变控制摇臂的位置，以此在全运行领域可变控制气门升程和正时的复合系统。此系统的气门升程可以在0～9.7mm范围内进行调整，并通过蜗轮机构可以把操作时间延长到300ms，大幅度降低了在低负荷-中负荷领域的燃料消耗率。

第三代无节气门系统，即删减进气系统的节气门，能降低泵气损失，并通过可变气门系统调节进气量，从而降低燃料消耗率的新概念可变气门装置，在欧洲等地区正在研究当中。此外，预计配备42V电源系统的混合动力汽车，利用电力驱动气门的电动-机械气门（EMV）系统等研究也正开始。此类型因气门运动与曲轴旋转之间不存在几何学关系，完全单独控制气门的运动，可以实现最佳的气门打开和关闭时间，也可以做到多样化的气门运动变化，因此正受到世界的关注。

上述这些技术不但能提高发动机输出功率，而且通过气门打开和关闭时刻的控制，并利用气缸内残留的废气[内部废气再循环（EGR）]降低氮氧化物（NO_x）的生成，以及通过缓和进气系统的负压来降低泵气损失，可以进一步降低燃料消耗率。

2.可变压缩比技术

汽油机的热效率通过提高压缩比可以得到改善，但因发生火花爆燃而受到限制。可变压缩比（VCR）技术是根据运行条件改变燃烧室的容积、可以控制到适当压缩比的系统。在低负荷状态下，以高压缩比获得高效率；在高负荷状态下，降低压缩比防止爆燃的发生，以及使内部热传递顺畅进行，以此提高热效率的装置。这是以小排气量获得与大排气量发动机相同输出功率特性的技术。具有代表性的可变压缩比发动机有，由瑞典萨博（SAAB）汽车公司开发的萨博可变压缩比（SVC）发动机和德国发动机设计公司开发的Gomecsys的高效发动机（GoEngine）。

萨博可变压缩比（SVC）发动机能减少30%左右的单位输出功率的燃料消耗率，应用此技术的1.6L萨博可变压缩比（SVC）与传统1.6L发动机相比较，以几乎相同的燃料消耗率能获得与3.0L发动机相等的动力输出特性。另外，在一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO_x）等废气排放量方面，也达到能满足未来废气排放限值规定的水平。

可变压缩比发动机的另一个特性为具备使用替代燃料的可能性。这是因为可以把压缩比调整到符合燃料特性的最佳值。因可变压缩对发动机性能的影响仅为3%～4%，因此为了能充分发挥可变压缩比的优点，必须良好结合减小排气量与高燃烧室压力特性。

3.可变排气量发动机

可变排气量发动机又称为可变气缸发动机，是在实际行驶时多使用低速-低负荷运行领域，切断部分气缸的燃料，使其无燃烧过程运行的类型。如，6缸发动机在低负荷条件下，为了获得最小限度输出功率，仅控制3个气缸正常运行，并切断剩余3个气缸的燃料，以此获得节约燃料的效果。即，在高负荷领域控制所有的气缸参与运行，获得高输出功率；在稳定速度运行和低负荷领域仅控制部分气缸参与运行，以减少燃料消耗率。利用此项技术能减少约10%的燃料消耗率。

可变排气量发动机的控制方式有，利用与V-TEC技术（连续可变相位装置+可变角度/升程装置）相同的气门驱动装置停止气门工作的方式，以及气门继续工作，停止燃料喷射和点火的方式这两种。其中，停止燃料喷射和点火的方式因在进气和排气过程中存在泵气损失和气门驱动摩擦损失，并因氧气供给过多会降低催化转化器的净化效率，所以此种技术在应用上存在诸多问题。与此相反，停止气门驱动的方式因停止工作的气缸内没有空气的流动，可以消除上述缺点，虽然相对所需的费用较高，但还是以此种技术为主发展方向。气门驱动方式方面，主要采用电控精密控制油压执行器控制进气门和排气门的类型。

本田汽车公司把可变气缸技术（VCM：可变气缸管理）应用在称为I-VTEC的V型6缸发动机上。此发动机在不需要输出功率和转矩的状态下，停止3个气缸的工作，以减少不必要的燃料消耗。另外，每气缸配置4个气门并附加进气、排气门用摇臂，以此形成本田独有的发动机调节机构。此发动机利用节气门位置传感器、档位传感器、油压传感器、冷却液温度传感器等各种传感器输入的信号控制气缸，这样的技术不仅提高燃料消耗性能，还在低速领域通过减少发动机的排气量，提高排放性能。

如此通过强制停止气缸实现可变控制排气量的独特技术，实际上在很早就开始应用过，本田公司最近在汽油混合动力汽车上采用这种技术，获得了明显的节能的效果。

可变动态气门装置：降低燃料消耗率的新概念

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