先导式电磁阀工作原理_新型电液式全可变气门机构的工作原理和潜力

除了使用非化石燃料外，内燃机的持续改进和优化也是减少汽车二氧化碳排放的途径，气门机构的可变性和气缸停用技术的应用也是至关重要的。本文介绍了瑞士材料检验学会(Empa)和沃尔夫冈施耐德工程公司开发的FlexWork阀门机构。虽然它的控制原理简单，能耗低，但它能提供所有必要的自由度，节油率高达10% ~ 20%

1初始条件

lexWorks是一种新型无凸轮轴电液全可变气门机构(图1)。与凸轮传动机构相比，其固有能量需求较少，进气门和排气门可以通过气缸独立选择气门升程和所有气门正时。由于其结构简单可靠，阀门机构不仅可以作为实验研究的工具，还可以进一步发展成为工业伙伴批量生产的产品。本文介绍了有无停缸时稳态非节流运行的试验结果。一些突然的负载变化显示出极好的动态特性。同时，基于测量结果的仿真计算表明，目前混合动力汽车仍有进一步降低CO2排放的潜力。

图1新的电动液压全可变气门机构FlexWork

2 FlexWork气门机构

尚未研究批量应用电动或电动液压无凸轮轴系统的方法。唯一可用于批量生产的系统是带液压连杆的凸轮轴。为了与现有的基于凸轮轴的系统竞争，有必要开发一种具有最高灵活性、最低复杂性和最小能量需求的全可变气门机构。图2显示了基于关键标准的一些阀门机构的评估

图2根据需要评估可变气门机构

。此外，本文所介绍的阀门机构能够满足这些更高的要求，因为止回阀的串联布置能够自动回收高压蓄能器中的工作介质，并且能够减少致动器的数量和固有的能量需求。同时，它不需要对液体介质流量或阀门升程进行外部监控和调整，还可以降低气缸盖的结构高度，因为结构设计的自由度是通过液体压力的传递来获得的(而演示原型上没有针对小结构高度的标准)整个阀门机构由普通耐腐蚀材料制成，采用常规方法，同时使用1:1的水-乙二醇混合溶液作为工作介质。这种特殊选择的优点是它具有比发动机油更高的刚性，并且是完全不含发动机油的气缸盖设计，因此大大减少了发动机油所使用的添加剂。由于不需要直接面对凸轮上的大的单位面积压力，所以很少发生催化转化器中毒或颗粒捕集器被燃烧废气中的灰堵塞的现象，从而延长了废气后处理装置的净化寿命。

是一种全可变气门机构，也可用于进气门和排气门，其基本原理是控制柱塞的非对称往复运动，可称为弹簧质量振动器。因此，打开交换阀的时间(即从关闭位置到升程结束的时间)取决于交换阀弹簧的刚度k和所有运动部件的质量m系统:

阀打开时间与期望的阀升程无关，并且对于所有转速都是恒定的为了在5000转/分钟的速度下实现210卡的最短开启时间(开和关)，在m系统= 100克时，弹簧刚度需要达到45牛顿/毫米FlexWork全可变气门机构的特征在于，在高转速下的升程曲线类似于凸轮驱动的可变气门，而在低转速下，打开和关闭侧曲线相对于曲柄角非常陡峭。

FlexWork全可变阀机构由图3所示的部件组成:电磁线圈(a)通电以控制阀门开度，同时液压分配阀(b)打开，工作介质从高压蓄能器(c)流入工作室，在此压力增加，同时作用于工作柱塞(e)使其开始移动，并通过阀桥(f)打开两个交换阀(h)

图3气门机构示意图

进气门升程受液压水平控制，液压能转化为弹簧势能只要电磁阀通电，止回阀就会阻止工作柱塞在到达终端位置时向后移动。如果电磁线圈断电，则气体交换阀弹簧(g)被向上推动并逐渐关闭，同时，工作介质在被排放到低压蓄能器(d)中之前被自动回收到高压蓄能器中

为了使其能够克服逐渐增加的燃烧室压力并可靠地打开，排气门侧的液压保持恒定。为了在每个操作状态下调节到期望的气门升程，使用可旋转的工作柱塞来控制具有倾斜边缘的有效冲程，从而切断从某个气门升程流入的工作介质一旦电磁线圈断电，工作介质在关闭运动期间经过短暂的加速阶段后被恢复，然后排气口完全打开，剩余的工作介质被排放到低压蓄能器中，并且空气交换阀立即关闭。同样，这个过程是自发的

为了将磨损和噪音辐射降至最低，交换阀必须平稳就位，因此一旦它小于某个阀升程，进气和排气侧的液压横截面积将变小。

因为进气和排气侧的弹簧质量振动器的周期是恒定的，所以所有过程，例如阀门开启、阀门保持开启、工作介质回收、排放和阀门柔和落座都是完全自发的(图4)，因此控制干预和阀门升程监控都不是必要的过程。每对阀门只需要一个电磁致动器，原则上，一个阀门也可以单独操作。

电液阀机构的能量需求可分为机械(液压)能量部分和电能部分。根据FlexWork全可变气门机构的工作原理，液压能量需求随着气门升程而增加，而电能需求随着气门开启持续时间而增加。

图4气门升程阶段示意图

图5显示了气门机构的平均摩擦压力pmr测量值和2000 r/min时的平均有效压力pme之间的关系为了实现较小的通风损失，2 ~ 4 mm的气门升程可以满足低负荷和中等负荷的要求。在增压操作下，气门升程和开启持续时间可以保持恒定。为了进行比较，该图显示了当凸轮轴被驱动时PMR、VT和NW = 0.025兆帕的平均摩擦压力线，其中排气门的打开相对于气缸压力被视为关键部分，当然，正时链条或正时皮带驱动和凸轮轴相位调节器滑阀的能量需求未被考虑。为了进行更准确的比较，通常认为进气道、气缸和排气道中的气体压力会影响实际运行中的摩擦功。显然，在自然吸气发动机的整个负载范围内，FlexWork全可变气门机构对能量的要求与凸轮轴驱动模式相似或更低。此外，为了通过消除节流来提高效率，阀机构应该进一步降低能量需求。

图5气门机构的平均摩擦压力和气门升程曲线

3测试结果

使用注入天然气进气管的大众公司4缸1.4L涡轮增压汽油发动机(EA11)作为测试发动机(图6)到目前为止，该项目还没有与潜在的生产伙伴合作，发动机控制系统完全由公司自己制造。为了测量效率，测量了气缸压力、天然气质量流量和阀门机构的所有操作参数。

图6测试台上的演示设备

在一些操作点效率的首次优化中显示了良好的结果。为了保持平均有效压力pme不变，进气阀关闭时或节流操作期间的进气管压力被调节。图7是转速为2000转/分、平均有效压力pme=0.2兆帕时两种运行模式的对数p-V图可以看出，空气交换损失从0.041兆帕降低到0.005兆帕，这与FlexWork全可变气门机构所需的较少能量一起将效率从20.9%提高到24.0%，甚至在两个气缸运行时将效率提高到26.4%。表1总结了在其他操作条件下测量的效率图7

表1两种工作模式的效率和损失

不同工作模式下测得的

对数p-V图与4缸节流工作相比，2缸工作在相应的发动机负荷下总能达到一定的节油效果在表1中，FlexWork两个气缸工作范围括号内的数字属于非活动气缸(所有阀门均关闭)除了这些明显的优点之外，冲程(2、6或8冲程)可以通过气门机构的可变性来改变，或者点火顺序可以通过软件调整来改变传统的点火顺序1

4-2和大脉冲间隔点火顺序(Big-Bang-ZundFeroge)1/4-2/3-X-X可以通过使用扁平曲轴来实现。

的其他优点已经体现在发动机的瞬态运行中。图8上图中的彩色曲线带显示，发动机转速为2000 r/min时的平均指示发动机压力pmi取决于进气门液压(进气门升程)和es(进气门关闭)正时。该图中的虚线表示最佳负载部分(OLS)，气门升程和ES时间的组合可以为发动机负载提供相应的最佳效率。由于调节液压水平需要一些时间，因此在高动态运行期间，有必要短时间离开该管路。

图8弹性工作全可变气门机构的发动机瞬态操作(n.GOT=几何上止点后)

子图(A)分别以黑色和灰色显示了两种不同的瞬态过程，并对其进行标记，以分别指示在何种条件下进行燃烧灰色表示额定负载从平均指示压力pmi=0.45 MPa跳跃到pmi=0.85MPa，从pmi=0.85 MPa跳跃到pmi=0.45 MPa，而黑色表示在低频滤波中额定负载从平均指示压力pmi=0.3-0.7-0.8-0.9MPa和pmi=0.9-0.5-0.4-0.3 MPa变化。子图(b)和(d)分别显示了负载跳跃时进气门液压的标称值和实时值以及ES时间气门升程的短期不足可以通过相应的选择的ES时刻来补偿。在灰色线上可以清楚地看到，仅进行了pmi=0.45或0.85兆帕的燃烧子图(c)显示了从标称值变化到达到负载增加的持续时间从第一次燃烧到下一次燃烧，每个气缸的Pmi从0.45 MPa跳跃到0.85 MPa。哪一个气缸先增加负载是从额定功率变化的瞬间随机获得的，负载下降的情况与此类似。原则上，这种方法也适用于相同形式的阿特金森循环操作，并且可以通过任何额定值的滤波负载缓慢地实现变化。子图(e)示例性地示出了标称值的低频滤波，并且实时值将毫无问题地跟随其变化。从子图(a)中可以清楚地看出，此时的负荷没有逐步变化，而是经过几次燃烧，直到达到所需的负荷。为了以这种方式调整负载，所需的所有测试都限于特性曲线场的稳态测量，并且可以在不增加校准成本的情况下获得此处显示的结果。即使采用简单的调节策略，负荷突变时空燃比的瞬时偏差仍可保持在10%以下，而当低频滤波器额定值变化时，空燃比的瞬时偏差仅在5%以下。

4模拟计算结果

目前，一些结果仅在模拟计算中可用，但它们仍然是未来实验研究的对象，这将在下面描述。

5停缸

减速工作全可变气门机构由于其可变性，特别适合停缸在瑞士苏黎世联邦理工学院(EHT·苏黎世)动力和调节技术研究所的一个研究项目框架下，已经制定了一项在运行模式之间切换的战略。图9示出了测试发动机的离散模型的仿真结果，从中可以看出气缸1、4和2、3的组合如何增加和减少负载以改变运行模式。切换操作模式总是相对较快例如，考虑到热状态的原因，从一个气缸组合切换到另一个总是有益的。通过采用这种转换策略，可以观察到出于舒适原因而规定的平均pme极限。

图9运行模式切换期间两个气缸组合的平均有效压力

6循环燃料消耗

CO2排放限值的持续降低很可能会显著加快混合动力系统的推广和应用在混合动力的情况下，除了能量回收之外，还可以移动负载工作点以避开内燃机效率低的工作点，或者使用电驱动来完全取代内燃机分阶段驱动为了评估混合动力汽车是否仍能通过消除节流和停缸获得优势，开发了一个使用实测数据的参数化仿真模型。

包括由进气管喷射的1.4升燃气发动机的两种发动机型号:一种用于节流操作，另一种用于弹性工作操作当FlexWork运行时，它可以在低发动机负荷下切换到两个气缸。参考车辆是一辆质量为1，370千克的小型汽车，并配备有停止-启动系统。混合动力汽车(电力1.5千瓦小时，25千瓦)估计整车质量将增加100公斤。通过动态规划确定最优运行策略。图10示出了在新的欧洲驾驶循环(NEDC)和全球统一轻型车辆测试循环(WLTC)中减少CO2排放的模拟计算结果，其具有和不具有气缸停止节气门操作和弹性工作操作。

以上试验结果表明，应用FlexWork全可变气门机构总能取得明显的节油效果，在任何情况下都充满优势。如果两个气缸在低负荷下工作，可以达到节油效果，而不需要额外的消耗。在NEDC行驶循环中，使用混合动力汽车的CO2减排效果仅为6.1%，同时停缸可达9.4%，而在WLTV行驶循环中的效果分别为3.0%和3.8%。原因是发动机的平均效率较高，并且由于发动机工作点的运动较小而导致的功率损失较小。

图10不同运行模式和车辆配置的相对CO2排放量

此外，应注意，如果在模拟中使用更高的峰值效率，尽管总CO2排放量减少了，但相关性保持不变。此外，对2.0升发动机和车辆质量为1，500千克或1，600千克的中间车辆的模拟显示，它们在所有情况下仍能实现显著的节油效果。

7结论

lexWorks是一种电动液压全可变气门机构，可用于进气和排气侧。它的固有能量需求很低，可以用发动机冷却液运行。此外，它可以满足简单的传感器和执行器的要求。制造系统相对简单，但在优化发动机运行方面具有很大的灵活性。第一次试验表明，其效率明显高于节流运行时的效率。在转速为2 000转/分，平均有效压力为0.2兆帕的工况下，米勒循环运行效率可达24.0%，相当于节流运行效率提高13%。如果气缸停在这个工作点，效率甚至可以提高到26.4%，这意味着提高了20.7%，而这仅仅是在压缩比ε=10时实现的此外，在试验台试验中还显示了优异的加速度响应特性。通过匹配ES气门正时，发动机负荷可以从当前燃烧过程显著增加到下一个燃烧过程。虽然在低负载到中等负载效率方面可以获得显著的优势，但是当应用于混合动力车辆时，CO2排放可以显著减少3.8% ~ 9.4%。此外，它还可应用于柴油机以减少废气排放，实现均质充气压缩点火(HCCI)燃烧过程，应用新的增压方案，或在商用车辆中使用这种气门机构以实现发动机制动功能。因此，使用FlexWork全可变气门机构可以为减少CO2排放做出重大贡献

[瑞士] N.ZSIGA等人

[整理]范强明

[编辑]吴赛特