气门旋转机构——提高发动机效率的新技术

辉门公司的新型小型化气门旋转机构可确保气门在运动中产生一定幅度的旋转运动，从而改善了发动机的效率、排放和整个车辆的操控性。本期小编为您带来气门旋转机构解析。

【作者】Eti Jan

【翻译】王少辉

【编辑】伍赛特

1 气门旋转机构

通过显著降低发动机转速可有效改善发动机的燃油经济性，因此通过设计‘低转速’发动机来改善其整机效率，也可通过实际使用时的工况模式，如通过驾驶员的尽早升挡操作来满足发动机低速化需求。对于当前日益拥挤的城市道路行驶工况，需要逐步增加其行驶里程，目前有诸多发动机通过增加在低转速工况下运转的时间占比就可延长整机寿命。乘用车、出租车和轻型商用车通常会长期在处于拥堵繁忙的城市工况，而且随着混合动力车型的日渐走俏，内燃机将会趋向于在一个有限的转速范围内进行运作。

此类趋势对于发动机气门组件而言，具有一定的负面影响，在发动机运行时气门应可进行精确地旋转。轻型车发动机传统的气门安装系统通常会有助于气门自由旋转，通过使用非夹紧的锁夹，滚珠和锁槽传递弹簧负荷，当气门离开座圈时，对弹簧进行压缩，从而产生旋转作用。通常，该类依靠气门弹簧扭矩和各种振动引发的动态影响，仅在发动机转速为2 500 r/min以上的工况方才有效。在正常的驾驶工况下，大部分机型通常不会超过该转速，所以会存在气门旋转不足的技术风险。

同时，严格的排放控制结合减小机油消耗的方式导致对气门的润滑程度恶化，因而加重了气门和座圈及导管间的磨损风险。发动机在使用替代燃料，如液化石油气（LPG），压缩天然气（CNG）和乙醇等会存在产生磨损的风险，因为其相比汽油或柴油，具有很高的座圈磨损比值。气门的旋转能够确保座圈周围的温度分布均匀，从而可以减少局部变形，避免气门漏气，或在密封面形成裂纹；也可减少在座圈上形成积碳的风险，从而增加其耐久性。此外，气门的旋转能够有效减小与气门直接接触的其他零部件的磨损。

辉门目前已经研发出解决问题的方法，即通过使Rotocap气门转子小型化，该方法在低转速的重型发动机上已使用了多年。此类减小尺寸的设计符合轻型汽车发动机单缸4气门的需求，可使缸盖的空间布置效果达到最佳。不像气门自由旋转一样难以控制，新型的Rotocap系统可确保其产生可控的旋转运动，基于发动机自身的转速，在每分钟会产生0.5～20次的气门旋转。转子的设计寿命与发动机一致，这意味着气门旋转性能在使用期间通常不会出现性能衰退现象。

2 气门旋转原理

Rotocap独立的紧凑型组件中包含滚珠和斜坡。滚珠位于转子结构中独立的沟槽内，每个滚珠通过一个小型螺旋弹簧压向斜坡轨道的最上端，并由一个单独的碟形弹簧覆盖。当气门打开时，增加的气门弹簧力压缩碟形弹簧，其对滚珠产生作用力，带动滚珠沿着轨道移动，同时可依靠滚珠在斜面受到的分力来带动组件进行旋转，通过夹紧锁片将碟形弹簧和旋转机构之间的相对转动传递到气门杆上。

为了将气门总成安装到常规车辆的动力总成中，经小型化设计的旋转机构外径范围通常介于20～25 mm之间，与市场中气门弹簧和弹簧座已有的布置空间相匹配。因此对于缸盖和气门组件而言，仅需细微的调整即可实施该项技术，将旋转机构安装在气门弹簧上方或下方就可配置旋转机构。

自由旋转的气门在打开和关闭时刻都可以进行旋转，与其不同的是，Rotocap几乎只在气门打开的整个阶段旋转（如下图示），在气门关闭阶段实际上抵消了气门头部的旋转效应。当气门与座圈接触时，通过气门旋转，减小了气门座圈在整个发动机转速范围内的磨损。  

Rotocap零部件和总成在制造精度方面有一定的技术要求，其经济性制造需要一些特殊的制造过程，而辉门公司具有多年为重型发动机生产气门旋转结构的生产经验，目前已成功开发了经济型的相应产品。因为大型发动机通常以低转速进行运作，并且需要配备相应的气门旋转机构，就目前而言，辉门公司供应旋转机构已有多年历史。开发小型化的旋转机构能将此项技术运用至小型发动机上以满足轻型汽车市场的需求。气门旋转机构的最新应用已通过试验装配开发并经过验证，在运转发动机上进行了样件试验。在进行量产前，辉门已经对其成功开展了上万小时的耐久性试验。