节能减排——伊顿推出气门头部中空充钠技术

近年来，研究人员通过对轻量化气门的热传递效果进行改良，进一步提升了发动机效率，并推动了低镍合金的使用。



在多种载运工具中，发动机气门技术都起着重要作用。从飞机、摩托车到商用车，气门技术已成为发动机满足排放和燃油经济性法规的关键。目前，伊顿旗下的车辆集团（Vehicle Group）已逐步成为1个拥有领先技术的供应商，由该公司开发的中空充钠气门（sodium-filled hollow valves）可以满足所有汽车制造商的需求。

由于研究人员为该款气门的头部选用了中空方案，使其质量比传统气门轻10%。同时，研究人员为该款气门选用了热传递特性较好的马氏体不锈钢合金，因此其耐热性也较为出色。来自气门头部的热量会传递到气门杆部，随后再传递到水套，进一步提升燃烧室的温度。

考虑到该款头部中空气门（HHV，Hollow-head valves）的特点，研究人员可为其头部和杆部选用成本较低的钢材。与耐热性相近的其他类型气门相比，该项举措可提升中空气门的成本效益。

为了保持产品在市场中的地位，伊顿旗下的研究人员对其气门技术进行了持续优化，以此改善其可靠性和耐久性。伊顿的研究人员提到，由于该款最新的气门产品采用了创新的设计方案，因此性能优于前代产品。该款气门具有一系列优势，包括改善汽油机燃油经济性及减少排放物等方面。

创新设计

气门采用的全新设计方案可有效降低火力面温度，并改善了汽油机爆燃现象。不像传统的杆部中空气门，新气门的头部包括了2个彼此分离的部分。在生产过程中，制造人员需要将该2部分焊接在一起。研究人员对气门头部腔体体积进行了优化，能有效增加内部所能容纳的钠材。腔体结构平滑，采用了自由形边、下部切除及压电阻对焊等方案，从而可确保气门在运行时，内部的液态钠具有最佳的流动性。研究人员通过设定，使焊接位置远离充钠腔体，能有效阻止钠被氧化，从而确保了系统的冷却效果。研究人员并未对火力面进行焊接，以此可提升气门的耐久性，并可避免材料的热蚀化，以及预防出现裂纹等现象。这也能确保暴露在燃烧室中的气门表面不会出现焊接缺陷（多孔和深坑）等问题，而上述问题易于引起爆燃现象，并具有使汽油机失效的潜在风险。

全新的气门设计方案能有效冷却气门火力面，同时可对点火提前角及空燃比等参数进行调节。除此以外，该方案还能降低平均有效燃油消耗率（BSFC），并降低排放。

传统的杆部中空气门方案可用于减小圆角，并降低杆部工作温度，伊顿的气门设计方案则可通过钠的冷却能力以减小火力面的工作温度。该方案可进一步改善发动机的爆燃倾向，同时使研究人员能持续提升新一代汽油机的效率。

目前，试验人员已对新气门开展了大量试验，包括焊接疲劳、超速耐久性、滥用动态耐久性、全负荷耐久性、BSFC测量、测温分析和爆燃限值特性等方面。

研究人员已在1台4缸1.75 L的涡轮增压直喷汽油机上，对该款全新气门进行了验证。研究人员将伊顿新款头部中空气门与传统杆部中空气门进行直接比较，并对汽油机爆燃限值进行了评估。

性能优势

研究人员通过观察，发现伊顿新款头部中空气门的工作温度显著低于传统杆部中空气门。其中，气门火力面的最高温度是663 ℃，气门圆角处为673 ℃，然而传统杆部中空气门的火力面和气门圆角各自的最高温度分别为762 ℃和763 ℃。伊顿旗下新款头部中空气门的温度比传统杆部中空气门的火力面低99 ℃，比其杆部低90 ℃。研究人员通过观测，发现在机械应力最大的测量点处，其温度降低了85 ℃。伊顿新款头部中空气门具有较强的热传递能力，从而能显著降低气门火力面的温度。同时，圆角区域较低的温度相应改善了气门的疲劳安全因子。

试验人员随后对新款头部中空气门进行了爆燃极限试验，试验过程在2个对汽油机爆燃有着重要影响的工况点下进行。第1个测试工况点为最高功率工况点，在该工况点下，转速为6 000 r/min，功率为176 kW，扭矩为280 N•m。在该工况点下，出现爆燃现象的可能性最高。在第2个测试工况点下，转速为3 500 r/min，功率为109 kW，扭矩为290 N•m，该工况点可用于表示车辆在公路上进行瞬态加速的典型状况。第2个工况点通常可通过1个实际行驶循环（RDE）法规的行驶周期进行监测和评估。用于试验的1.75 L涡轮增压直喷发动机的缸盖在每1次试验中分别匹配1个气门，并且总共进行了2次试验，从而可使研究人员能在新款头部中空气门和传统杆部中空气门之间进行精确比较。爆燃限值曲线可参考最大缸压振荡幅值（MAPO，maximumam plitude pressure oscillation）及爆燃频率指数来进行定义。

针对汽油机最高功率的试验结果有着较高重要性。伊顿的新款中空气门所引发的爆燃倾向相对较低，并具有1个相对固定的当量空燃比λ。此外，伊顿新款头部中空气门允许混合气具有较高的λ数值。当点火提前角为9 °CA时，杆部中空气门的最高λ数值为0.9，新款中空气门的最高λ数值为0.95，MAPO和爆燃频率指数变化并不明显。

车辆在公路上进行的瞬态试验结果同样较为重要。在λ=1时，头部中空气门能将BSFC改善约7%。在最高功率工况点的试验结果表明，当发动机采用杆部中空气门时，燃油消耗率为302.3 g/（kW·h），而当发动机采用伊顿的新款中空气门时，燃油消耗率仅为292.6 g/（kW·h），改善约3.2%。在转速为3 500 r/min，扭矩为290 N•m的工况点下，试验产生的差距较小，但伊顿新款中空气门仍可使BSFC改善约0.7 %。

额外优势

头部中空气门的质量比具有同样外观尺寸的杆部中空气门低约15%。由此可以相应减小配气机构的惯性负荷，并能减小对气门弹簧施加的负荷。研究人员通过GT-Power软件进行仿真，以此来评价减小的功率损失对BSFC的影响。研究人员对新款头部中空气门和传统杆部中空气门进行了仿真。仿真结果表明，凸轮轴的功率需求会随着发动机转速而相应增加。此外，采用伊顿新款头部中空气门所需要的驱动功率比传统杆部中空气门更低。结果表明，汽油机在中低负荷工况下的BSFC改善了0.15%，而在高负荷工况下的BSFC改善并不明显。

目前，世界范围内的多个汽车制造商正在对伊顿的新款头部中空气门进行技术评估。该款新型气门预计将在2023年开始量产