無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)氣門

1、無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)氣門改變內(nèi)燃機(jī)氣門開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間、氣門升程和氣門正時(shí)等，使其隨著內(nèi)燃機(jī)工況變化而變化，可以改善怠速的穩(wěn)定性、增加低速下外特性轉(zhuǎn)矩、改善內(nèi)燃機(jī)部分負(fù)荷時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性和減少有害排放。傳統(tǒng)氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常只能保證在某一工況優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的性能，其凸輪形線是固定的，這些固定的氣門運(yùn)行參數(shù)只是內(nèi)燃機(jī)在各種工況下運(yùn)行對(duì)氣門工作要求各種綜合矛盾的一種折衷。這種折衷能滿足內(nèi)燃機(jī)大部分工況的基本要求，所以被認(rèn)為是可行的。但是，隨著對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和降低有害排放物的要求不斷提高，迫使廣大內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)人員尋求更多新式的配氣機(jī)構(gòu)。無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的內(nèi)燃機(jī)，就是用電液驅(qū)動(dòng)裝置取代傳統(tǒng)的機(jī)械式凸輪軸來(lái)控制氣

2、門的運(yùn)行， 其最顯著的優(yōu)點(diǎn)是氣門開(kāi)啟時(shí)刻、氣門升程、開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間和氣門在內(nèi)燃機(jī)各個(gè)循環(huán)中的開(kāi)啟位置等可以相互獨(dú)立。因此，在內(nèi)燃機(jī)的工作過(guò)程中，氣門的運(yùn)行參數(shù)是可變的，能實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)在各個(gè)工況下均能以最佳參數(shù)運(yùn)行，從而能優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、改善動(dòng)力性和降低排放。另外， 與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，采用無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的內(nèi)燃機(jī)還具有以下一些特別的優(yōu)點(diǎn)：1）由于取消了凸輪軸及其相關(guān)零部件，從而簡(jiǎn)化了內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)， 減小了內(nèi)燃機(jī)的重量和高度，使得內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊，同時(shí)，增大了氣門布置的靈活性，使氣門不是必須布置在與凸輪軸中心線相垂直的平面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了氣門設(shè)計(jì)的柔性化，因而能使換氣過(guò)程與燃燒室匹配

3、得更好。2）能靈活、單獨(dú)、精確地控制氣門的運(yùn)行。氣門運(yùn)行參數(shù)包括氣門定時(shí)、氣門開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間、氣門升程和氣門運(yùn)行速度以及工作頻率?？刂茪忾T的定時(shí)、開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間、升程除了能使換氣過(guò)程更加完善， 優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的工作性能外，還有助于實(shí)現(xiàn)新概念的燃燒方式。例如， 目前實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒方式的一個(gè)重要途徑就是利用適當(dāng)?shù)膬?nèi)部EGR 率，這就可以通過(guò)控制排氣門的定時(shí)來(lái)提供所需的內(nèi)部EGR率?？刂茪忾T運(yùn)行速度，既可以減少磨損和沖擊噪聲，又有助于缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)形式的實(shí)現(xiàn)。在多缸機(jī)上，在無(wú)需內(nèi)燃機(jī)滿負(fù)荷工作的情況下， 可以有選擇地關(guān)閉部分氣門以及變換氣門的關(guān)閉頻率，從而依次關(guān)閉一部分氣缸或者使其怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，而又不讓這些氣缸

4、冷卻下來(lái)，從而改善怠速穩(wěn)定性。3) 可以通過(guò)改變氣門定時(shí)來(lái)改變多燃料內(nèi)燃機(jī)的有效壓縮比，以適應(yīng)不同燃料的要求?；驹?無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)就是取消凸輪軸及其從動(dòng)件，利用一種壓縮性較小流體的彈性特征對(duì)氣門的開(kāi)啟和閉合起加速和減速的作用，對(duì)內(nèi)燃機(jī)氣門定時(shí)、氣門升程和氣門運(yùn)動(dòng)速度提供了連續(xù)的可變控制。氣門加速時(shí)流體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為氣門的動(dòng)能，氣門減速時(shí)的動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為流體的勢(shì)能，在整個(gè)過(guò)程中能量損失很少。近20多年，多家機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)或正在進(jìn)行研究。由于這種新型驅(qū)動(dòng)模式涉及到液壓、電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，目前只見(jiàn)用于大型卡車和船用內(nèi)燃機(jī)。例如，國(guó)際載貨車與內(nèi)燃機(jī)公司開(kāi)發(fā)

5、出一種無(wú)凸輪軸柴油機(jī)，利用電子控制裝置替代傳統(tǒng)的凸輪軸和推桿來(lái)控制氣門的開(kāi)關(guān)。利用電子和液壓裝置驅(qū)動(dòng)氣門，可使柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩提高40%，轉(zhuǎn)矩曲線更加平坦，因而使汽車加速更加平穩(wěn)。電液驅(qū)動(dòng)活塞無(wú)彈簧系統(tǒng)這種系統(tǒng)取消了凸輪軸和回位彈簧，典型代表是福特公司的電液氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這種電液驅(qū)動(dòng)活塞無(wú)彈簧系統(tǒng)，原理如圖1。該系統(tǒng)有高壓和低壓油源各一個(gè)，氣門頂部裝有一個(gè)雙作用的液壓活塞，活塞上部的油腔分別與高低壓源相通；活塞下部油腔則一直與高壓油源連通。液壓活塞上部的面積明顯大于下腔的面積。高壓電磁閥在氣門開(kāi)啟的加速過(guò)程中開(kāi)啟，減速過(guò)程中關(guān)閉。低壓電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉則控制氣門的關(guān)閉過(guò)程。系統(tǒng)還包括一個(gè)高壓?jiǎn)蜗蜷y和

6、一個(gè)低壓?jiǎn)蜗蜷y，以保證氣門在開(kāi)啟到最大行程時(shí)活塞上部油腔壓力不會(huì)太低，氣門在落座之前活塞上部油腔壓力不至于過(guò)高。 圖1 福特公司無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的基本原理圖電液驅(qū)動(dòng)活塞單彈簧系統(tǒng)這種系統(tǒng)取消了凸輪軸，但是回位彈簧作為氣門復(fù)位裝置被保留下來(lái)。圖2就是Lucas公司的電液驅(qū)動(dòng)活塞單彈簧系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由一個(gè)常閉型和一個(gè)常開(kāi)型兩位兩通電磁閥共同作用控制氣門的開(kāi)啟和關(guān)閉，通過(guò)復(fù)位彈簧回位，液壓系統(tǒng)的壓力1035MPa。這種系統(tǒng)中，氣門的開(kāi)啟與關(guān)閉點(diǎn)以及氣門的開(kāi)啟速度和氣門升程由電控單元（ECU）控制。ECU能根據(jù)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等信息優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)性能。圖2 Lucas公司電液驅(qū)動(dòng)單彈簧單系統(tǒng)示意圖圖

7、3是南卡萊羅納大學(xué)開(kāi)發(fā)的電液驅(qū)動(dòng)無(wú)凸輪內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)。該內(nèi)燃機(jī)氣門動(dòng)作是通過(guò)如下過(guò)程完成：從控制硬件發(fā)出一個(gè)電脈沖引起壓電管的擴(kuò)張；這個(gè)線性擴(kuò)張將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤核欧y的運(yùn)動(dòng)；伺服閥的輕微運(yùn)動(dòng)將會(huì)激勵(lì)壓力液體流動(dòng)和壓力變化，同時(shí)會(huì)通過(guò)作用到與氣門相連接的液壓活塞的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運(yùn)動(dòng)；當(dāng)線性軸向上或向下運(yùn)動(dòng)時(shí)候，壓力液體通過(guò)孔流動(dòng)使氣缸體內(nèi)活塞上下的壓力不斷變化，從而使液壓活塞帶動(dòng)氣門上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖3南卡萊羅納大學(xué)電液驅(qū)動(dòng)無(wú)凸輪系統(tǒng)裝配示意圖電液驅(qū)動(dòng)活塞雙彈簧系統(tǒng) Daimler-Benz公司研究員Letsche研制的電液氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4。該系統(tǒng)通過(guò)加速踏板位置、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，精確計(jì)算出氣門開(kāi)啟

8、時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。該系統(tǒng)工作時(shí)不必提供什么能量，只要簡(jiǎn)單地依靠電磁閥控制液壓系統(tǒng)就可使內(nèi)燃機(jī)氣門動(dòng)作。氣門在其起始（全閉）和終了（全開(kāi)）位置之間振動(dòng)。開(kāi)啟力來(lái)自氣門開(kāi)啟彈簧，關(guān)閉力來(lái)自氣門關(guān)閉彈簧。計(jì)算機(jī)由傳感器控制可精確實(shí)現(xiàn)氣門定時(shí)。氣門與柱塞固定相連，柱塞在液壓下由液壓缸一端自由移向另一端。油壓將柱塞頂靠在液壓缸一端使氣門開(kāi)啟，并持續(xù)一段精確的時(shí)間。在適當(dāng)時(shí)刻電磁閥又開(kāi)啟，使液壓油回流。柱塞再一次移動(dòng)，氣門又在其彈簧力的作用下迅速關(guān)閉。這種新的氣門定時(shí)機(jī)構(gòu)能耗很低，各個(gè)氣缸的氣門能獨(dú)立地開(kāi)啟和關(guān)閉。在不需要內(nèi)燃機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)，可以依次關(guān)閉一部分氣缸或使其怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，而又不讓這些氣缸冷卻下來(lái)，從

9、而既降低了燃油耗又降低了排放。圖4 Daimler-Benz公司電液驅(qū)動(dòng)活塞雙彈簧系統(tǒng)主要問(wèn)題電液氣門驅(qū)動(dòng)的這三種主要方式仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段。電液驅(qū)動(dòng)無(wú)凸輪機(jī)構(gòu)主要的問(wèn)題就是響應(yīng)速度不高、氣門落座沖擊大、能耗過(guò)大和系統(tǒng)比較復(fù)雜等。對(duì)于電液驅(qū)動(dòng)活塞無(wú)彈簧系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在開(kāi)發(fā)無(wú)凸輪內(nèi)燃機(jī)的幾種模式中，最醒目的是福特公司的。它的系統(tǒng)中既沒(méi)有凸輪也沒(méi)有彈簧，完全依賴液體勢(shì)能和氣門動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化。但是電磁線圈是這種系統(tǒng)的阻礙，使用電磁線圈來(lái)控制壓力液體流動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)氣門開(kāi)啟關(guān)閉，這就暴露了它的局限性。電磁線圈消耗了很多能量，它是二位控制設(shè)備或是關(guān)閉或是打開(kāi)。所以電磁線圈所控制的流體或是流動(dòng)的或是閉塞的。這個(gè)設(shè)

10、計(jì)允許一些氣門定時(shí)的不一致，但是基于電磁線圈的響應(yīng)能力仍然是很有限的。進(jìn)一步說(shuō)，它不能直接改變氣門開(kāi)關(guān)速度或是氣門升程變化。對(duì)于電液驅(qū)動(dòng)活塞單彈簧系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，擁有回復(fù)彈簧使得氣門在關(guān)閉過(guò)程中比較迅速，閉合比較嚴(yán)。不過(guò)這也產(chǎn)生了落座沖擊比較大的問(wèn)題，當(dāng)然這可以從液力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上設(shè)置氣門落座阻尼。雙彈簧系統(tǒng)在一定程度上解決了能量回收的問(wèn)題，所以它的能耗相對(duì)比較小。不過(guò)，無(wú)論是單彈簧還是雙彈簧系統(tǒng)，彈簧的作用是輔助的，為了更容易地關(guān)閉和開(kāi)啟氣門而保留的，它們可以在一定程度上簡(jiǎn)化整個(gè)裝置的復(fù)雜度，容易操縱。不過(guò)使用彈簧，彈簧力也可能在一定程度上是要克服的阻力。不過(guò)隨著無(wú)凸輪技術(shù)的不斷發(fā)展最終回復(fù)彈簧將會(huì)取

11、消的，完全由液力回復(fù)代替彈簧回復(fù)。比較這三種驅(qū)動(dòng)模式，其基本原理是相同的，只不過(guò)是在具體實(shí)現(xiàn)形式上有差別。所以，他們具有相同的缺點(diǎn)：首先，提高響應(yīng)速度就要提高液體壓力、閉環(huán)控制、減少系統(tǒng)泄漏，不過(guò)這樣就能耗過(guò)大、密封難以解決；其次，系統(tǒng)工作時(shí)，壓力液體的壓力波動(dòng)、可壓縮性、電磁閥或是壓電閥的響應(yīng)速度以及氣缸內(nèi)氣體壓力波動(dòng)時(shí)的氣門運(yùn)動(dòng)難以精確實(shí)現(xiàn)；最后，在液體工作過(guò)程中，頻繁的進(jìn)行動(dòng)能、勢(shì)能轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生很多熱量，不能很好回收能量，使得系統(tǒng)效率很低，功率消耗很大。應(yīng)用前景和研究設(shè)想1）電液驅(qū)動(dòng)無(wú)凸輪氣門機(jī)構(gòu)可以相互獨(dú)立控制氣門開(kāi)啟時(shí)刻、氣門升程、開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間和氣門在內(nèi)燃機(jī)各個(gè)循環(huán)中的開(kāi)啟位置等，具有柔性調(diào)節(jié)的特性?？梢蕴岣呷加徒?jīng)濟(jì)性、獲得高的轉(zhuǎn)矩和功率輸出、改善怠速穩(wěn)定性、降低廢氣排放等。2）目前電液驅(qū)動(dòng)無(wú)凸輪氣門機(jī)構(gòu)已經(jīng)