无凸轮电液驱动气门.doc

毛毳 学号：110010156
无凸轮电液驱动气门
改变内燃机气门开启持续时间、气门升程和气门正时等，使其随着内燃机工况变化而变化，可以改善怠速的稳定性、增加低速下外特性转矩、改善内燃机部分负荷时的燃油经济性和减少有害排放。传统气门驱动系统通常只能保证在某一工况优化内燃机的性能，其凸轮形线是固定的，这些固定的气门运行参数只是内燃机在各种工况下运行对气门工作要求各种综合矛盾的一种折衷。这种折衷能满足内燃机大部分工况的基本要求，所以被认为是可行的。但是，随着对内燃机燃油经济性和降低有害排放物的要求不断提高，迫使广大内燃机设计人员寻求更多新式的配气机构。
无凸轮电液驱动配气机构的内燃机，就是用电液驱动装置取代传统的机械式凸轮轴来控制气门的运行， 其最显著的优点是气门开启时刻、气门升程、开启持续时间和气门在内燃机各个循环中的开启位
置等可以相互独立。因此，在内燃机的工作过程中，气门的运行参数是可变的，能实现内燃机配气机构在各个工况下均能以最佳参数运行，从而能优化内燃机燃油经济性、改善动力性和降低排放。另外， 与传统的内燃机相比，采用无凸轮电液驱动配气机构的内燃机还具有以下一些特别的优点：
1）由于取消了凸轮轴及其相关零部件，从而简化了内燃机的结构， 减小了内燃机的重量和高度，使得内燃机结构更为紧凑，同时，增大了气门布置的灵活性，使气门不是必须布置在与凸轮轴中心线相垂直的平面内，实现了气门设计的柔性化，因而能使换气过程与燃烧室匹配得更好。
2）能灵活、单独、精确地控制气门的运行。气门运行参数包括气门定时、气门开启持续时间、气门升程和气门运行速度以及工作频率。控制气门的定时、开启持续时间、升程除了能使换气过程更加完善， 优化内燃机的工作性能外，还有助于实现新概念的燃烧方式。例如， 目前实现HCCI燃烧方式的一个重要途径就是利用适当的内部EGR 率，这就可以通过控制排气门的定时来提供所需的内部EGR率。控制气门运行速度，既可以减少磨损和冲击噪声，又有助于缸内气流运动形式的实现。在多缸机上，在无需内燃机满负荷工作的情况下， 可以有选择地关闭部分气门以及变换气门的关闭频率，从而依次关闭一部分气缸或者使其怠速运转，而又不让这些气缸冷却下来，从而改善怠速稳定性。
3) 可以通过改变气门定时来改变多燃料内燃机的有效压缩比，以适应不同燃料的要求。
基本原理
无凸轮电液驱动配气机构就是取消凸轮轴及其从动件，利用一种压缩性较小流体的弹性特征对气门的开启和闭合起加速和减速的作用，对内燃机气门定时、气门升程和气门运动速度提供了连续的可
变控制。气门加速时流体的势能转化为气门的动能，气门减速时的动能又转化为流体的势能，在整个过程中能量损失很少。
近20多年，多家机构对无凸轮电液驱动配气机构进行过或正在进行研究。由于这种新型驱动模式涉及到液压、电子、自动控制等领域结构较为复杂，目前只见用于大型卡车和船用内燃机。例如，国际载货车与内燃机公司开发出一种无凸轮轴柴油机，利用电子控制装置替代传统的凸轮轴和推杆来控制气门的开关。利用电子和液压装置驱动气门，可使柴油机转矩提高40%，转矩曲线更加平坦，因而使汽车加速更加平稳。
电液驱动活塞无弹簧系统
这种系统取消了凸轮轴和回位弹簧，典型代表是福特公司的电液气门驱动系统。这种电液驱动活塞无弹簧系统，原理如图1。该系统有高压和低压油源各一个，气门顶部装有一个双作用的液压活塞，活塞上部的油腔分别与高低压源相通；活塞下部油腔则一直与高压油源连通。液压活塞上部的面积明显大于下腔的面积。高压电磁阀在气门开启的加速过程中开启，减速过程中关闭。低压电磁阀的开启和关闭则控制气门的关闭过程。系统还包括一个高压单向阀和一个低压单向阀，以保证气门在开启到最大行程时活塞上部油腔压力不会太低，气门在落座之前活塞上部油腔压力不至于过高。

图1 福特公司无凸轮电液驱动配气机构的基本原理图
电液驱动活塞单弹簧系统
这种系统取消了凸轮轴，但是回位弹簧作为气门复位装置被保留下来。图2就是Lucas公司的电液驱动活塞单弹簧系统。该系统是由一个常闭型和一个常开型两位两通电磁阀共同作用控制气门的开启和关闭，通过复位弹簧回位，液压系统的压力10~35MPa。这种系统中，气门的开启与关闭点以及气门的开启速度和气门升程由电控单元（ECU）控制。ECU能根据内燃机转速和负荷等信息优化内燃机性能。

图2 Lucas公司电液驱动单弹簧单系统示意图
图3是南卡莱罗纳大学开发的电液驱动无凸轮内燃机系统。该内燃机气门动作是通过如下过程完成：从控制硬件发出一个电脉冲引起压电管的扩张；这个线性扩张将会转变为液压伺服阀的运动；伺服阀的轻微运动将会激励压力液体流动和压力变化，同时会通过作用到与气门相连接的液压活塞的方式转变为线性运动；当线性轴向上或向下运动时候，压力液体通过孔流动使气缸体内活塞上下的压力不断变化，从而使液压活塞带动气门上下往复运动。

图3南卡莱罗纳大学电液驱动无凸轮系统装配示意图
电液驱动活塞双弹簧系统
Daimler-Benz公司研究员Letsche研制的电液气门驱动机构如图4。该系统通过加速踏板位置、内燃机转速等数据，精确计算出气门开启时刻和持续时间。该系统工作时不必提供什么能量，只要简单地依靠电磁阀控制液压系统就可使内燃机气门动作。气门在其起始（全闭）和终了（全开）位置之间振动。开启力来自气门开启弹簧，关闭力来自气门关闭弹簧。计算机由传感器控制可精确实现气门定时。气门与柱塞固定相连，柱塞在液压下由液压缸一端自由移向另一端。油压将柱塞顶靠在液压缸一端使气门开启，并持续一段精确的时间。在适当时刻电磁阀又开启，使液压油回流。柱塞再一次移动，气门又在其弹簧力的作用下迅速关闭。这种新的气门定时机构能耗很低，各个气缸的气门能独立地开启和关闭。在不需要内燃机满负荷工作时，可
以依次关闭一部分气缸或使其怠速运转，而又不让这些气缸冷却下来，从而既降低了燃油耗又降低了排放。

图4 Daimler-Benz公司电液驱动活塞双弹簧系统
主要问题
电液气门驱动的这三种主要方式仍然处于实验室阶段。电液驱动无凸轮机构主要的问题就是响应速度不高、气门落座冲击大、能耗过大和系统比较复杂等。
对于电液驱动活塞无弹簧系统来说，在开发无凸轮内燃机的几种模式中，最醒目的是福特公司的。它的系统中既没有凸轮也没有弹簧，完全依赖液体势能和气门动能的相互转化。但是电磁线圈是这种系统的阻碍，使用电磁线圈来控制压力液体流动和内燃机气门开启关闭，这就暴露了它的局限性。电磁线圈消耗了很多能量，它是二位控制设备——或是关闭或是打开。所以电磁线圈所控制的流体或是流动的或是闭塞的。这个设计允许一些气门定时的不一致，但是基于电磁线圈的响应能力仍然是很有限的。进一步说，它不能直接改变气门开关速度或是气门升程变化。
对于电液驱动活塞单弹簧系统来说，拥有回复弹簧使得气门在关闭过程中比较迅速，闭合比较严。不过这也产生了落座冲击比较大的问题，当然这可以从液力系统结构上设置气门落座阻尼。
双弹簧系统在一定程度上解决了能量回收的问题，所以它的能耗相对比较小。不过，无论是单弹簧还是双弹簧系统，弹簧的作用是辅助的，为了更容易地关闭和开启气门而保留的，它们可以在一定程度上简化整个装置的复杂度，容易操纵。不过使用弹簧，弹簧力也可能在一定程度上是要克服的阻力。不过随着无凸轮技术的不断发展最终回复弹簧将会取消的，完全由液力回复代替弹簧回复。
比较这三种驱动模式，其基本原理是相同的，只不过是在具体实现形式上有差别。所以，他们具有相同的缺点：首先，提高响应速度就要提高液体压力、闭环控制、减少系统泄漏，不过这样就能耗过大、
密封难以解决；其次，系统工作时，压力液体的压力波动、可压缩性、电磁阀或是压电阀的响应速度以及气缸内气体压力波动时的气门运动难以精确实现；最后，在液体工作过程中，频繁的进行动能、势能转换，产生很多热量，不能很好回收能量，使得系统效率很低，功率消耗很大。
应用前景和研究设想
1）电液驱动无凸轮气门机构可以相互独立控制气门开启时刻、气门升程、开启持续时间和气门在内燃机各个循环中的开启位置等，具有柔性调节的特性。可以提高燃油经济性、获得高的转矩和功率输出、改善怠速稳定性、降低废气排放等。
2）目前电液驱动无凸轮气门机构已经在大型轮船和卡车上应用，在其他车辆上应用所要解决的问题是：响应速度不能满足内燃机高速工作的要求、气门落座冲击比较大、能耗比较高、系统复杂昂贵，还有就是可靠性和耐久性问题。
3）电液驱动无凸轮气门机构的三种主要形式基本原理是一致的，各有各的优缺点，殊途同归，最终的发展趋势是液压弹簧完全替代实际弹簧。

参考文献
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