基于液压控制的车用发动机气门开发

基于液压控制的车用发动机气门开发

孙常林

潍坊职业学院  山东省潍坊市  262737

摘要：作为汽车核心部件之一，发动机性能的提升对于满足这些要求至关重要。可变气门技术，作为一种提升发动机性能的先进技术，近年来得到了广泛的研究和应用，然而，传统的可变气门机构通常仅能实现部分可变，无法适应发动机在不同工况下的最佳性能需求。因此，开发全可变气门机构成为了当前发动机技术发展的一个重要方向。本文基于液压控制技术，开发了一种全可变气门机构，以提升发动机的进气效率、燃烧效率及动力输出，同时降低排放和燃油消耗。

关键词：液压控制；车用发动机；气门

前言

全可变气门技术不仅可以调节气门的开启时刻，还可以实现气门升程和正时的连续可变，从而在各类工况下优化气流、燃烧过程和发动机动力输出。在汽车发动机中，液压控制技术可通过控制液压油的流量与压力，实现气门升程与正时的连续可调。液压控制能够在更高转速更高负荷下保持较高的精度和稳定性，尤其在复杂的发动机工况下，能够充分发挥其优势。

1液压控制的车用发动机气门开发技术创新与应用

1.1液压控制系统的创新

1.1.1非节流方式进排气控制的创新设计

非节流方式的控制方案通过优化液压流量和压力的调节机制，能有效提高系统响应速度，减少能量损失。非节流方式的关键在于优化液压泵的流量控制，使其可以根据气门位置的实时需求调节液压流量，而非简单地通过节流元件调节流速。这一创新设计能够实现液压系统的高效运行，在不同工况下精确控制气门升程与配气相位，同时避免因节流带来的能量损失。采用压力补偿型液压泵或变量液压泵，根据气门需求自动调节流量，避免不必要的能量消耗，提高整体系统的效率。通过采用无滑阀控制技术如电磁阀调节流量，可以消除这些机械摩擦问题，减少能量损失，提升液压系统的长期可靠性和精度。

1.1.2液压瞬态响应特性与高效节能的实现

液压系统的瞬态响应特性涉及液压油的传递速度、气门位置的调整速度以及系统压力的动态变化，为提高系统的瞬态响应，需优化液压系统的各个组件，如泵、阀门、油路设计等，减少液压系统的滞后现象。采用快速响应的高精度液压阀和液压缸，减少液压油的传输延时，进一步优化系统管路的布局，减少液压油流动中的摩擦和能量损失。此外，应用先进的控制算法，如自适应控制和模型预测控制，实时调整液压系统的运行参数，确保系统响应速度和精度的提升。

1.2挺柱—挺柱套和转子轴—转子轴套双偶件设计

挺柱和挺柱套组成了气门机构中一个重要的传动偶件，承担着气门的升程调节功能，在液压控制系统中，挺柱的精确移动直接影响气门的开启与关闭精度。挺柱和挺柱套之间的配合精度决定了气门升程调节的平稳性与精确性，为避免摩擦和间隙过大导致的运动不均匀或磨损，挺柱—挺柱套的配合必须精确至微米级。挺柱—挺柱套的材料选择至关重要，因为这两者承受着巨大的动力和摩擦负荷，材料必须具有高强度、高耐磨性以及良好的抗疲劳性能。常用的材料如合金钢、超高强度钢或高硬度合金材料，可有效保证其长期使用中的稳定性。

转子轴和转子轴套是气门机构中的旋转传动部分，负责驱动气门的开启与关闭，由于转子轴在工作时承受着旋转力矩、轴向力以及振动等复杂载荷，因此，转子轴—转子轴套的设计不仅要保证传动精度，还要确保其承载能力和耐用性。为了减少摩擦、提高传动效率，设计时需要考虑轴与轴套之间的间隙最小化，并采用适当的润滑方式来降低摩擦阻力。可以通过采用滚动轴承或静音轴承等低摩擦部件，减少摩擦损失，确保轴向和径向传动的精度。

1.3气门落座速度控制

1.3.1双通道并联设计的创新应用

双通道并联设计通过在液压系统中设置两条液压通道，一条用于气门的正常运动，另一条用于减缓气门在即将落座时的速度。具体来说，第一通道负责气门的正常开启和关闭过程，而第二通道则通过精确调节液压流量和压力，控制气门在接近座圈时的减速过程。双通道并联设计能够分别调节气门的开启和闭合过程，使气门在整个运动过程中保持稳定，避免因液压系统压力变化过大造成的不稳定现象。通过独立控制气门落座的速度，确保气门与座圈的接触更加平缓，从而有效减少气门与座圈的磨损，延长部件的使用寿命。双通道并联设计可根据发动机工况和操作需求进行动态调节，提高发动机的适应性和响应性。

1.3.2单向阀与节流孔通道的结合优化

单向阀能够控制液体在液压系统中的流向，防止液体反向流动，通过设置单向阀，可以确保液压系统在不同阶段仅能以规定的方向流动，从而避免由于液流回流导致的气门运动不平稳。节流孔通道在液压控制系统中起到减缓液压流量的作用，通过对节流孔的尺寸、形状及其通道的设计进行优化，可以有效地控制气门落座过程中的流量，从而实现精确控制。节流孔的孔径大小直接影响液流的速度，进而影响气门的落座速度，通过对节流孔进行动态调节，可以根据不同的工况需求，灵活调整气门落座的速度，确保发动机的性能和可靠性。将单向阀和节流孔通道结合使用，可以在液压系统中实现更加精确的速度调控。在气门即将落座时，节流孔限制流量，缓慢降低气门的速度，避免冲击。而单向阀则确保流体仅能按照规定的方向流动，确保系统的稳定性。通过合理调节节流孔的孔径和单向阀的开关状态，可以实现液压系统在不同工况下的优化控制。

1.4液压活塞结构革新

1.4.1圆缺型节流孔设计与阶梯型导向结构

圆缺型节流孔通过在节流孔的一部分边缘做圆形缺口，从而改变流体的流动路径，使流体通过节流孔时产生更均匀的流动。圆缺型节流孔的设计能够有效减小流体流动过程中的湍流现象，从而降低流体的阻力和能量损失。在液压控制全可变气门机构中，圆缺型节流孔被应用于液压活塞的油路设计中，用来优化液压系统的流体动力学特性。在气门机构的工作过程中，液压流体通过这些圆缺型节流孔，能够减少气门控制的滞后，提高气门调节的精度和稳定性。

阶梯型导向结构通过在液压活塞的周围设立一系列不同直径的阶梯形状导向段，使液压活塞在运动过程中，依次通过不同的导向段，从而保持活塞的稳定性。阶梯型导向结构通过分段导向，使液压活塞的运动更加平稳，防止活塞在高压工作环境下产生摇晃或偏移，从而提高系统的稳定性。阶梯型导向结构的精确设计能够使液压活塞更加平稳地运动，进而提高系统的响应精度，确保液压系统能够更精确地控制气门的运动。在液压控制全可变气门机构中，阶梯型导向结构被应用于液压活塞的导向设计，确保活塞在工作过程中能够平稳移动，避免因摩擦力过大导致的运动不稳定。通过这一设计，能够显著提升气门控制的精度和液压系统的整体性能。

2结论

总之，基于液压控制的全可变气门机构，利用液压泵、电磁阀、液压缸等关键部件的创新设计，实现了更精确的发动机气门控制，提升了发动机的动力性、燃油经济性和排放性能。通过对液压活塞的结构革新如圆缺型节流孔和阶梯型导向结构，提升了液压活塞的稳定性和响应速度，使得系统在不同工况下的控制精度和响应速度得到了显著提高。未来的研究应进一步优化液压控制系统的响应速度与稳定性，提升密封性能与耐久性，并探索液压控制全可变气门技术与其他先进技术的融合应用，以推动其更广泛的应用。

参考文献：

[1]孙常林,谢宗法.液压驱动全可变气门机构的运动特性[J].内燃机与动力装置,2023,40(06):29-34.

[2]陈健,吴建亮,马家忠,袁飞,张兵.液压可变气门机构运动特性研究[J].装备机械,2023,(02):23-27.

[3]魏枫展,柯泽锋,贾德民,赵淇东,常英杰,谢宗法.全可变液压气门系统气门运动规律动态测量与数据处理方法[J].内燃机与动力装置,2023,40(03):1-7+32.

作者简介：孙常林(1989—)，男，山东临沂人，工学硕士，讲师，主要研究方向为车用发动机动力性能匹配、车用发动机全可变液压气门机构，E-mail:2017240001@ sdwfvc. edu. cn

[基金项目]本研究得到潍坊职业学院2023年度院级科研项目“基于液压控制的车用发动机全可变气门机构开发研究”资助。