内燃机可变气门驱动研究进展

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Abstract

近年来，人们对空气污染和能源使用的日益关注导致了车辆动力总成系统的电气化。 另一方面，一个多世纪以来，内燃机一直是主要的车辆动力源，并且在未来几十年内将继续在大多数车辆中使用； 因此，有必要采用先进技术以机电一体化系统替代传统的机械系统，以满足不断提高发动机效率和减少排放的日益增长的需求，其中发动机进气和排气门系统是影响发动机燃烧效率的关键子系统 和排放。 本文综述了可变发动机气门系统，包括液压和电动可变气门正时系统、液压多级升程系统、连续可变升程和正时气门系统、空动系统以及电磁、电液和电空可变气门系统 驱动系统。
Keywords: 发动机气门系统； 连续可变阀门系统； 发动机气门系统控制；燃烧优化

Introduction

随着人们对能源安全和全球变暖的日益关注，全球都在努力开发更高效、排放更低的车辆，包括混合动力电动汽车、电动汽车和燃料电池汽车。 混合动力电动汽车因其整体效率而成为汽车生产的重要组成部分，但它们仍然造成巨大的成本损失，导致 2013 年和 2018 年美国市场渗透率停滞不前，分别为 3.2% 和 2.7%（美国 ），例如[1]。 2018年，电动汽车在美国的市场渗透率达到了1.3%[1]，但仍然受到高成本以及对油井到车轮二氧化碳排放、充电速度、续驶里程、电池安全和电池回收问题的担忧的限制。 燃料电池汽车的总体排放量确实很低，其行驶里程和加油时间与内燃机驱动的汽车相当。 氢[2]是燃料电池的有利燃料，可以从多种来源产生，包括天然气、核能、煤炭以及太阳能、风能、生物质、水力和地热能等可再生能源。 由于技术成熟度、成本和性能等问题，燃料电池汽车[3]的发展仍处于起步阶段，全球只有几千辆试点车辆上路。

据信，在可预见的未来，内燃机仍将是车辆动力系统的主要组成部分，无论是单独使用还是作为混合动力电动汽车、插电式混合动力汽车和增程车等高度电气化动力系统的一部分，除非有 电池和/或燃料电池技术的重大技术突破。 由于这些原因，必须继续开发更高效、污染更少的内燃机。

燃烧和气体交换需要电子控制

内燃机的燃烧涉及三个关键部分：缸内燃料、空气和点火。 在汽油发动机中，燃油喷射过程从纯机械过程（例如通过化油器）演变为电子控制过程（例如通过进气口燃油喷射或最近采用的定向喷射）。 通过火花塞的火花点火完全由电子控制火花能量和正时。 由于其气态、密度低、体积大，空气交换的电子控制是一个缓慢的演变过程，从可变气门正时 (VVT) 到更复杂的系统，如离散可变气门升程 (DVVL)、连续可变气门升程 (DVVL) 气门升程 (CVVL)、基于凸轮的可变气门驱动 (VVA) 和无凸轮 VVA，本文稍后将对此进行回顾。 人们还努力开发无凸轮 VVA，以对空气交换过程进行完整的电子控制，这是均质充量压缩点火 (HCCI) 等先进燃烧的主要推动因素，以提高发动机燃油经济性并减少排放 [4-7]。 为了提高发动机燃油经济性，在涡轮增压器的帮助下，广泛采用发动机小型化技术。 在这种情况下，VVT、VVL或VVA系统能够改善发动机系统的瞬态响应。

在柴油发动机中，燃油喷射从纯机械泵送和喷射系统发展为通过电子控制燃油压力和喷油器的共轨燃油喷射。 请注意，由于压缩点火，喷射正时直接控制点火。 传统柴油机由于其压缩点火和稀薄燃烧过程，对气体交换的控制需求或开发较少。 米勒循环和 PCCI 等更先进的燃烧需要更复杂的充气管理。 然而，本次审查仅限于阀门系统