全可变液压气门机构项目简介

发布日期：2016/11/24 发布人：管理员

全可变液压气门机构项目简介

全可变气门机构（Fully Variable Valve System, 简称FVVS）可实现气门最大升程、气门开启持续角和配气相位三者的连续可变，对发动机的节能减排具有重要意义。FVVS能够采用进气门早关（EIVC）的方式控制进入气缸内的工质数量，从而取消节气门，这种无节气门汽油机将大幅度地降低泵气损失，使中小负荷时的燃油耗降低10-15%。全可变气门机构与增压中冷匹配，可以解决汽油机增压后的爆燃和热负荷高的问题，在大幅度提高平均有效压力的前提下实现低温燃烧，改善发动机热效率并减少有害气体的排放；因此FVVS技术已成为内燃机新技术的重要发展方向之一。

目前，国外较为先进的全可变气门机构是舍弗勒和菲亚特联合研制的MultiAir（又名UniAir）系统，该系统被美国《汽车新闻》评为“2012年度汽车供应商杰出贡献奖”（2012 Automotive News PACE），相应机型被评为世界最佳新款发动机。山东大学有关技术人员经过近十年的探索，研制了一款全可变液压气门机构（简称SDFVVS系统），与MultiAir系统相比，山东大学研制的SDFVVS系统在可靠性、制造成本方面具有明显的优势，且具有完全自主知识产权。现将有关情况说明如下：

1. 舍弗勒的MultiAir系统

舍弗勒公司研制的MultiAir技术，采用了凸轮轴驱动式电液气门机构，通过凸轮轴与电磁阀联合控制气门运动规律。图1示出了该气门机构的结构简图。

         

图1  MultiAir系统结构简图

该系统的工作原理如下：由凸轮推动液压活塞，液压活塞通过液压腔与驱动活塞相连，而液压腔则由一个开关式电磁阀控制。当电磁阀处于完全关闭状态时，液压活塞通过液体压力推动驱动活塞，将凸轮转动产生的液压压力传递给气门；此时进气门完全由凸轮控制，处于开启状态。当电磁阀处于完全开启状态时，液体压力无法传递驱动力，液压活塞无法推动驱动活塞，进气门不再受凸轮控制并处于回落或关闭状态。通过对电磁阀开闭时刻的控制，即可实现各种不同的气门运动规律，实现全可变气门机构的功能。

2. 山东大学研制的SDFVVS系统

山东大学研制的SDFVVS系统也是一种配气凸轮驱动的全可变液压气门机构。该机构通过设置在配气凸轮与进气门之间的液压气门驱动机构驱使进气门开启，用控油阀释放液压系统中的油压使进气门关闭，并采用设置在活塞套和液压活塞之间的落座缓冲机构控制气门落座速度，实现气门平稳落座。

SDFVVS系统的工作原理与舍弗勒的UniAir技术基本相同，都属于电控全可变液压气门机构。但其核心技术却有本质的区别，MultiAir技术采用高频电磁阀（200Hz以上）作为液压系统的油控开关；而山大研制的SDFVVS系统采用了控油阀作为液压系统的油控开关。控油阀是一种可调出口的转子阀，不但降低了制造成本，而且克服了高频电磁阀频响特性低的不足。为全可变液压气门机构的商品化发展奠定了基础。SDFVVS具备以下优势：

（1）技术先进优势。SDFVVS系统具有瞬态响应特性高、工作可靠、结构紧凑的技术优势。与MultiAir系统相比，山大研制的SDFVVS系统采用机械式控油阀成功取代了高频电磁阀，因而具有瞬态响应特性高、工作可靠的优势，已完全达到了国际先进水平。

（2）成本低廉优势。舍弗勒MultiAir系统每缸需要一个高频电磁阀（约1000美元），一台汽油机则需要4000美元左右。SDFVVS系统的成本估计仅在1000-2000元人民币左右，其成本不足MultiAir系统的十分之一。

（3）产业政策优势。SDFVVS系统可实现气门最大升程、气门开启持续角和配气相位三者的连续可变，对汽车发动机的节能减排具有重要意义。这项技术符合国家产业政策，是国家科技发展大力扶持的绿色产业。

（4）知识产权优势。SDFVVS系统具有完全自主知识产权。两项发明专利（ZL200610042070.9.，已ZL201310296611.0.）均已授权，并正在通过PCT途径申请国外发明专利。企业可在知识产权的法律范围内，保护开发新技术产品所创造的合法权益。

目前，SDFVVS系统已在SD2100型柴油机上实现着火运行300多小时， SDFVVS在提高燃油经济性和动力性、实现低温燃烧、降低排放等方面取得了显著的效果。如图4a所示，在最高燃烧压力基本保持不变的前提下，SDFVVS匹配增压后，其平均有效压力增加了21.5%（示功图呈变胖趋势）；在图4b所示为缸压和放热率曲线中，SDFVVS匹配增压后预混燃烧比例增加，扩散燃烧比例降低，油气混合更加均匀，燃烧温度降低，使燃油耗和PM排放也得到明显的改善。

   

（a）P-V图                        （b）缸压和放热率

图4.  原机和样机进气量相同时燃烧过程对比

SDFVVS系统在北汽福田BJ486EQ汽油机上也已完成了气门运动规律的试验测量和点火运行工作。图5为SDFVVS系统在4000r/min时的实测气门升程。图6显示采用SDFVVS系统研制的无节气门汽油机在2000r/min、30N.m工况时的低压示功图。可以看出，与原机相比，无节气门汽油机的泵气损失得到显著改善，泵气损失的降低幅度高达78%。

图5.  汽油机4000r/min实测气门升程

图6  原机和无节气门汽油机低压示功图对比

通过改善无节气门汽油机的泵气损失及其燃烧性能，使BJ486EQ汽油机在中小负荷下的燃油经济性能得到显著改善。图7示出无节气门汽油机的在中、小负荷工况下负荷特性曲线，与传统汽油机相比，无节气门汽油机的燃油消耗率降低了6.2%-12.5%。

图8为SDFVVS的总体结构布局图，图8为SDFVVS在BJ486EQ气缸盖的实际装机照片。可以看出，SDFVVS系统具有结构紧凑、且最大限度地保持了与原机的通用性，因而初步具备了商品化生产的条件。

 

图7 原机与无节气门汽油机负荷特性的对比