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全可變液壓氣門機構項目簡介

發布日期：2016/11/24 發布人：管理員

全可變液壓氣門機構項目簡介

全可變氣門機構（Fully Variable Valve System, 簡稱FVVS）可實現氣門最大升程、氣門開啟持續角和配氣相位三者的連續可變，對發動機的節能減排具有重要意義。FVVS能夠采用進氣門早關（EIVC）的方式控制進入氣缸內的工質數量，從而取消節氣門，這種無節氣門汽油機將大幅度地降低泵氣損失，使中小負荷時的燃油耗降低10-15%。全可變氣門機構與增壓中冷匹配，可以解決汽油機增壓后的爆燃和熱負荷高的問題，在大幅度提高平均有效壓力的前提下實現低溫燃燒，改善發動機熱效率并減少有害氣體的排放；因此FVVS技術已成為內燃機新技術的重要發展方向之一。

目前，國外較為先進的全可變氣門機構是舍弗勒和菲亞特聯合研制的MultiAir（又名UniAir）系統，該系統被美國《汽車新聞》評為“2012年度汽車供應商杰出貢獻獎”（2012 Automotive News PACE），相應機型被評為世界最佳新款發動機。山東大學有關技術人員經過近十年的探索，研制了一款全可變液壓氣門機構（簡稱SDFVVS系統），與MultiAir系統相比，山東大學研制的SDFVVS系統在可靠性、制造成本方面具有明顯的優勢，且具有完全自主知識產權。現將有關情況說明如下：

1. 舍弗勒的MultiAir系統

舍弗勒公司研制的MultiAir技術，采用了凸輪軸驅動式電液氣門機構，通過凸輪軸與電磁閥聯合控制氣門運動規律。圖1示出了該氣門機構的結構簡圖。

         

圖1  MultiAir系統結構簡圖

該系統的工作原理如下：由凸輪推動液壓活塞，液壓活塞通過液壓腔與驅動活塞相連，而液壓腔則由一個開關式電磁閥控制。當電磁閥處于完全關閉狀態時，液壓活塞通過液體壓力推動驅動活塞，將凸輪轉動產生的液壓壓力傳遞給氣門；此時進氣門完全由凸輪控制，處于開啟狀態。當電磁閥處于完全開啟狀態時，液體壓力無法傳遞驅動力，液壓活塞無法推動驅動活塞，進氣門不再受凸輪控制并處于回落或關閉狀態。通過對電磁閥開閉時刻的控制，即可實現各種不同的氣門運動規律，實現全可變氣門機構的功能。

2. 山東大學研制的SDFVVS系統

山東大學研制的SDFVVS系統也是一種配氣凸輪驅動的全可變液壓氣門機構。該機構通過設置在配氣凸輪與進氣門之間的液壓氣門驅動機構驅使進氣門開啟，用控油閥釋放液壓系統中的油壓使進氣門關閉，并采用設置在活塞套和液壓活塞之間的落座緩沖機構控制氣門落座速度，實現氣門平穩落座。

SDFVVS系統的工作原理與舍弗勒的UniAir技術基本相同，都屬于電控全可變液壓氣門機構。但其核心技術卻有本質的區別，MultiAir技術采用高頻電磁閥（200Hz以上）作為液壓系統的油控開關；而山大研制的SDFVVS系統采用了控油閥作為液壓系統的油控開關。控油閥是一種可調出口的轉子閥，不但降低了制造成本，而且克服了高頻電磁閥頻響特性低的不足。為全可變液壓氣門機構的商品化發展奠定了基礎。SDFVVS具備以下優勢：

（1）技術先進優勢。SDFVVS系統具有瞬態響應特性高、工作可靠、結構緊湊的技術優勢。與MultiAir系統相比，山大研制的SDFVVS系統采用機械式控油閥成功取代了高頻電磁閥，因而具有瞬態響應特性高、工作可靠的優勢，已完全達到了國際先進水平。

（2）成本低廉優勢。舍弗勒MultiAir系統每缸需要一個高頻電磁閥（約1000美元），一臺汽油機則需要4000美元左右。SDFVVS系統的成本估計僅在1000-2000元人民幣左右，其成本不足MultiAir系統的十分之一。

（3）產業政策優勢。SDFVVS系統可實現氣門最大升程、氣門開啟持續角和配氣相位三者的連續可變，對汽車發動機的節能減排具有重要意義。這項技術符合國家產業政策，是國家科技發展大力扶持的綠色產業。

（4）知識產權優勢。SDFVVS系統具有完全自主知識產權。兩項發明專利（ZL200610042070.9.，已ZL201310296611.0.）均已授權，并正在通過PCT途徑申請國外發明專利。企業可在知識產權的法律范圍內，保護開發新技術產品所創造的合法權益。

目前，SDFVVS系統已在SD2100型柴油機上實現著火運行300多小時， SDFVVS在提高燃油經濟性和動力性、實現低溫燃燒、降低排放等方面取得了顯著的效果。如圖4a所示，在最高燃燒壓力基本保持不變的前提下，SDFVVS匹配增壓后，其平均有效壓力增加了21.5%（示功圖呈變胖趨勢）；在圖4b所示為缸壓和放熱率曲線中，SDFVVS匹配增壓后預混燃燒比例增加，擴散燃燒比例降低，油氣混合更加均勻，燃燒溫度降低，使燃油耗和PM排放也得到明顯的改善。

   

（a）P-V圖                        （b）缸壓和放熱率

圖4.  原機和樣機進氣量相同時燃燒過程對比

SDFVVS系統在北汽福田BJ486EQ汽油機上也已完成了氣門運動規律的試驗測量和點火運行工作。圖5為SDFVVS系統在4000r/min時的實測氣門升程。圖6顯示采用SDFVVS系統研制的無節氣門汽油機在2000r/min、30N.m工況時的低壓示功圖。可以看出，與原機相比，無節氣門汽油機的泵氣損失得到顯著改善，泵氣損失的降低幅度高達78%。

圖5.  汽油機4000r/min實測氣門升程

圖6  原機和無節氣門汽油機低壓示功圖對比

通過改善無節氣門汽油機的泵氣損失及其燃燒性能，使BJ486EQ汽油機在中小負荷下的燃油經濟性能得到顯著改善。圖7示出無節氣門汽油機的在中、小負荷工況下負荷特性曲線，與傳統汽油機相比，無節氣門汽油機的燃油消耗率降低了6.2%-12.5%。

圖8為SDFVVS的總體結構布局圖，圖8為SDFVVS在BJ486EQ氣缸蓋的實際裝機照片。可以看出，SDFVVS系統具有結構緊湊、且最大限度地保持了與原機的通用性，因而初步具備了商品化生產的條件。

 

圖7 原機與無節氣門汽油機負荷特性的對比