近年來，研究人員通過對輕量化氣門的熱傳遞效果進行改良，進一步提升了發(fā)動機效率，并推動了低鎳合金的使用。



在多種載運工具中，發(fā)動機氣門技術(shù)都起著重要作用。從飛機、摩托車到商用車，氣門技術(shù)已成為發(fā)動機滿足排放和燃油經(jīng)濟性法規(guī)的關(guān)鍵。目前，伊頓旗下的車輛集團（Vehicle Group）已逐步成為1個擁有領(lǐng)先技術(shù)的供應(yīng)商，由該公司開發(fā)的中空充鈉氣門（sodium-filled hollow valves）可以滿足所有汽車制造商的需求。

由于研究人員為該款氣門的頭部選用了中空方案，使其質(zhì)量比傳統(tǒng)氣門輕10%。同時，研究人員為該款氣門選用了熱傳遞特性較好的馬氏體不銹鋼合金，因此其耐熱性也較為出色。來自氣門頭部的熱量會傳遞到氣門桿部，隨后再傳遞到水套，進一步提升燃燒室的溫度。

考慮到該款頭部中空氣門（HHV，Hollow-head valves）的特點，研究人員可為其頭部和桿部選用成本較低的鋼材。與耐熱性相近的其他類型氣門相比，該項舉措可提升中空氣門的成本效益。

為了保持產(chǎn)品在市場中的地位，伊頓旗下的研究人員對其氣門技術(shù)進行了持續(xù)優(yōu)化，以此改善其可靠性和耐久性。伊頓的研究人員提到，由于該款最新的氣門產(chǎn)品采用了創(chuàng)新的設(shè)計方案，因此性能優(yōu)于前代產(chǎn)品。該款氣門具有一系列優(yōu)勢，包括改善汽油機燃油經(jīng)濟性及減少排放物等方面。

創(chuàng)新設(shè)計

氣門采用的全新設(shè)計方案可有效降低火力面溫度，并改善了汽油機爆燃現(xiàn)象。不像傳統(tǒng)的桿部中空氣門，新氣門的頭部包括了2個彼此分離的部分。在生產(chǎn)過程中，制造人員需要將該2部分焊接在一起。研究人員對氣門頭部腔體體積進行了優(yōu)化，能有效增加內(nèi)部所能容納的鈉材。腔體結(jié)構(gòu)平滑，采用了自由形邊、下部切除及壓電阻對焊等方案，從而可確保氣門在運行時，內(nèi)部的液態(tài)鈉具有最佳的流動性。研究人員通過設(shè)定，使焊接位置遠離充鈉腔體，能有效阻止鈉被氧化，從而確保了系統(tǒng)的冷卻效果。研究人員并未對火力面進行焊接，以此可提升氣門的耐久性，并可避免材料的熱蝕化，以及預(yù)防出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。這也能確保暴露在燃燒室中的氣門表面不會出現(xiàn)焊接缺陷（多孔和深坑）等問題，而上述問題易于引起爆燃現(xiàn)象，并具有使汽油機失效的潛在風險。

全新的氣門設(shè)計方案能有效冷卻氣門火力面，同時可對點火提前角及空燃比等參數(shù)進行調(diào)節(jié)。除此以外，該方案還能降低平均有效燃油消耗率（BSFC），并降低排放。

傳統(tǒng)的桿部中空氣門方案可用于減小圓角，并降低桿部工作溫度，伊頓的氣門設(shè)計方案則可通過鈉的冷卻能力以減小火力面的工作溫度。該方案可進一步改善發(fā)動機的爆燃傾向，同時使研究人員能持續(xù)提升新一代汽油機的效率。

目前，試驗人員已對新氣門開展了大量試驗，包括焊接疲勞、超速耐久性、濫用動態(tài)耐久性、全負荷耐久性、BSFC測量、測溫分析和爆燃限值特性等方面。

研究人員已在1臺4缸1.75 L的渦輪增壓直噴汽油機上，對該款全新氣門進行了驗證。研究人員將伊頓新款頭部中空氣門與傳統(tǒng)桿部中空氣門進行直接比較，并對汽油機爆燃限值進行了評估。

性能優(yōu)勢

研究人員通過觀察，發(fā)現(xiàn)伊頓新款頭部中空氣門的工作溫度顯著低于傳統(tǒng)桿部中空氣門。其中，氣門火力面的最高溫度是663 ℃，氣門圓角處為673 ℃，然而傳統(tǒng)桿部中空氣門的火力面和氣門圓角各自的最高溫度分別為762 ℃和763 ℃。伊頓旗下新款頭部中空氣門的溫度比傳統(tǒng)桿部中空氣門的火力面低99 ℃，比其桿部低90 ℃。研究人員通過觀測，發(fā)現(xiàn)在機械應(yīng)力最大的測量點處，其溫度降低了85 ℃。伊頓新款頭部中空氣門具有較強的熱傳遞能力，從而能顯著降低氣門火力面的溫度。同時，圓角區(qū)域較低的溫度相應(yīng)改善了氣門的疲勞安全因子。

試驗人員隨后對新款頭部中空氣門進行了爆燃極限試驗，試驗過程在2個對汽油機爆燃有著重要影響的工況點下進行。第1個測試工況點為最高功率工況點，在該工況點下，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，功率為176 kW，扭矩為280 N•m。在該工況點下，出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象的可能性最高。在第2個測試工況點下，轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，功率為109 kW，扭矩為290 N•m，該工況點可用于表示車輛在公路上進行瞬態(tài)加速的典型狀況。第2個工況點通?？赏ㄟ^1個實際行駛循環(huán)（RDE）法規(guī)的行駛周期進行監(jiān)測和評估。用于試驗的1.75 L渦輪增壓直噴發(fā)動機的缸蓋在每1次試驗中分別匹配1個氣門，并且總共進行了2次試驗，從而可使研究人員能在新款頭部中空氣門和傳統(tǒng)桿部中空氣門之間進行精確比較。爆燃限值曲線可參考最大缸壓振蕩幅值（MAPO，maximumam plitude pressure oscillation）及爆燃頻率指數(shù)來進行定義。

針對汽油機最高功率的試驗結(jié)果有著較高重要性。伊頓的新款中空氣門所引發(fā)的爆燃傾向相對較低，并具有1個相對固定的當量空燃比λ。此外，伊頓新款頭部中空氣門允許混合氣具有較高的λ數(shù)值。當點火提前角為9 °CA時，桿部中空氣門的最高λ數(shù)值為0.9，新款中空氣門的最高λ數(shù)值為0.95，MAPO和爆燃頻率指數(shù)變化并不明顯。

車輛在公路上進行的瞬態(tài)試驗結(jié)果同樣較為重要。在λ=1時，頭部中空氣門能將BSFC改善約7%。在最高功率工況點的試驗結(jié)果表明，當發(fā)動機采用桿部中空氣門時，燃油消耗率為302.3 g/（kW·h），而當發(fā)動機采用伊頓的新款中空氣門時，燃油消耗率僅為292.6 g/（kW·h），改善約3.2%。在轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，扭矩為290 N•m的工況點下，試驗產(chǎn)生的差距較小，但伊頓新款中空氣門仍可使BSFC改善約0.7 %。

額外優(yōu)勢

頭部中空氣門的質(zhì)量比具有同樣外觀尺寸的桿部中空氣門低約15%。由此可以相應(yīng)減小配氣機構(gòu)的慣性負荷，并能減小對氣門彈簧施加的負荷。研究人員通過GT-Power軟件進行仿真，以此來評價減小的功率損失對BSFC的影響。研究人員對新款頭部中空氣門和傳統(tǒng)桿部中空氣門進行了仿真。仿真結(jié)果表明，凸輪軸的功率需求會隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速而相應(yīng)增加。此外，采用伊頓新款頭部中空氣門所需要的驅(qū)動功率比傳統(tǒng)桿部中空氣門更低。結(jié)果表明，汽油機在中低負荷工況下的BSFC改善了0.15%，而在高負荷工況下的BSFC改善并不明顯。

目前，世界范圍內(nèi)的多個汽車制造商正在對伊頓的新款頭部中空氣門進行技術(shù)評估。該款新型氣門預(yù)計將在2023年開始量產(chǎn)