汽車發(fā)動機(jī)可變氣門技術(shù)

1、 汽車發(fā)動機(jī)可變氣門技術(shù)劉洲輝 羅寥 柴陸路（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院）摘要：解決發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性能之間的矛盾一直是汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的關(guān)鍵，而發(fā)動機(jī)可變氣門正時技術(shù)便是解決這一問題的方案之一，文章介紹了發(fā)動機(jī)可變氣門正時技術(shù)在各大公司所推出的具有代表性的系統(tǒng)，指出寶馬公司的Valvetronic 系統(tǒng)能使發(fā)動機(jī)在進(jìn)新鮮空氣時更順暢，而且還可對其升程進(jìn)行連續(xù)性微調(diào)。提出隨著可變氣門正時技術(shù)的逐漸成熟并被高性能發(fā)動機(jī)采用，因此能提高發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，降低排放。關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；可變氣門技術(shù)；氣門正時技術(shù)；氣門正時；氣門升程；電子控制系統(tǒng)Automobile Engine Vari

2、able Valve Timing TechnologyAbstract: The solution to eliminate the conflict between engine fuel economy and emissions performance has been the key to the development of engine technology, and engine variable valve timing technology is raised by one of the options.This paper introduces the represent

3、ative systems adopting the technology of VVT promoted by different companies, indicating that the system of Valvetronic promoted by BMW which enables a much smoother inhalation of an engine as well as successive fine adjustments to its lift. This paper also points out that with the increasing mature

4、 of the technology of VVT and its adoption by engines with high-performance, the power and economy of engine could be enhanced and pollution could be reduced.Key words: Engine; VVT; VTEC; Valve timing; Valve lift; Electronic controlled system在汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程中，可變化技術(shù)日益得到重視，其可以隨著使用工況及要求的變化，或者為了解決矛盾及避免發(fā)動機(jī)的

5、不正常工作現(xiàn)象的出現(xiàn)，使相關(guān)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)作出相應(yīng)的變化，從而使發(fā)動機(jī)在各種工況下，各種性能都能得到較好地提高，而且避免不正常燃燒及超負(fù)荷現(xiàn)象的產(chǎn)生?？勺兓夹g(shù)包含的內(nèi)容很多，如可變進(jìn)氣系統(tǒng)、可變氣門技術(shù)、可變增壓系統(tǒng)及可變噴油系統(tǒng)等。文章介紹了可變氣門技術(shù)在現(xiàn)代汽車上的應(yīng)用。1 早期的可變氣門技術(shù)近年來，發(fā)動機(jī)可變氣門正時技術(shù)(VVT，Variable Valve Timing被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代轎車上，發(fā)動機(jī)采用可變氣門正時技術(shù)可以提高進(jìn)氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動機(jī)的扭矩和功率可以得到進(jìn)一步的提高。尤其是現(xiàn)在混合動力汽車的不斷發(fā)展，其也能借著這項技術(shù)更自由地變換動力模式(如停車怠機(jī) ，使其

6、內(nèi)燃機(jī)的污染度進(jìn)一步降低。寶馬與豐田公司的驕傲之作V ANOS 與VVT-i 最早解決了這個問題，而2 GB20071-2006 汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)3 Development and evaluation of the ES2 dummy，WG12 report，August 20014 Technical Note on the EuroSID-2 with Rib Extensions (ES2-re，WG12 report，October 2006（收稿日期：2009-03-10）- 49 - 將隨后開啟以改善怠速質(zhì)量及平穩(wěn)度。發(fā)動機(jī)處于中等轉(zhuǎn)速時，進(jìn)氣門提前開啟以增大扭矩并允許廢氣

7、在燃燒室中進(jìn)行再循環(huán)從而減少耗油量和廢氣的排放。最后，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速很高時，進(jìn)氣門開啟將再次延遲，從而發(fā)揮出最大功率。1.3 豐田VV T -i 系統(tǒng)VVT-i 是豐田獨(dú)有的領(lǐng)先發(fā)動機(jī)技術(shù)，過去僅裝備于豐田的進(jìn)口原裝高檔車上。VVT-i 是“Variable Valve Timing intelligent”的縮寫，意思是“智能可變配氣正時”。其可以連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時，但不能調(diào)節(jié)氣門升程。它的工作原理是：當(dāng)發(fā)動機(jī)由低速向高速轉(zhuǎn)換時，電子計算機(jī)就自動地將機(jī)油壓向進(jìn)氣凸輪軸驅(qū)動齒輪內(nèi)的小渦輪，這樣，在壓力的作用下，小渦輪就相對于齒輪殼旋轉(zhuǎn)一定的角度，使凸輪軸在60的范圍內(nèi)向前或向后旋轉(zhuǎn)，從而改變進(jìn)氣門

8、開啟的時刻，達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時的目的。豐田VVT-i 系統(tǒng)，最早在可變氣門發(fā)動機(jī)上獲得表現(xiàn)的當(dāng)屬于本田公司于80年代中期推出VTEC 發(fā)動機(jī)。1.1 本田V TEC 系統(tǒng)“VTEC ”為“Variable Valve Timing and Lift Elec-tronic Control System”的縮寫，中文意思為“可變氣門正時及升程電子控制系統(tǒng)”。VTEC 作為豐田公司在1989年推出的專有技術(shù)，它能隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及水溫等運(yùn)行參數(shù)的變化而適當(dāng)?shù)卣{(diào)整配氣正時和氣門升程，使發(fā)動機(jī)低速時發(fā)出大扭矩，在高速時發(fā)出高功率。VTEC 系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)有中低速用和高速用2組不同的氣門驅(qū)動凸輪，并可

9、通過電子控制系統(tǒng)的自動操縱，進(jìn)行自動轉(zhuǎn)換。采用VTEC 系統(tǒng)，保證了發(fā)動機(jī)中低速與高速不同的配氣相位及進(jìn)氣量的要求，使發(fā)動機(jī)無論在何速率運(yùn)轉(zhuǎn)都達(dá)到動力性、經(jīng)濟(jì)性與低排放的統(tǒng)一和極佳狀態(tài)。整個VTEC 系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)電子控制單元(ECU車速及水溫等 的參數(shù)并進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)的控制信號，通過電磁閥調(diào)節(jié)搖臂活塞液壓系統(tǒng)，從而使發(fā)動機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速工況下由不同的凸輪控制，影響進(jìn)氣門的開度和時間。1.2 寶馬V ANOS 系統(tǒng)寶馬的V ANOS 系統(tǒng)，即“可變凸輪軸控制系統(tǒng)”（Variable Camshaft Control），是基于一個能夠調(diào)整進(jìn)氣凸輪軸與曲軸相對位置的調(diào)整機(jī)構(gòu)，該技術(shù)首次應(yīng)用于199

10、2年BMW 5系列搭載的M50發(fā)動機(jī)。V ANOS 技術(shù)目前的新版本是雙V ANOS ，即增加了對排氣凸輪軸的調(diào)整機(jī)構(gòu)。寶馬的V ANOS 系統(tǒng)，如圖1所示?？刂疲珽CU 接收發(fā)動機(jī)傳感器(包括轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、如圖2所示。VVT-i 系統(tǒng)由傳感器、電控單元、液壓控制閥和控制器等部分組成，按控制器的安裝部位不同而分成2種：一種是安裝在排氣凸輪軸上的，稱為葉片式VVT-i ，比如說豐田大霸王；另一種是安裝在進(jìn)氣凸輪軸上的，稱為螺旋槽式VVT-i ，凌志400，430等高級轎車就是采用的此種形式。圖2 豐田VV T -i 系統(tǒng)2 21世紀(jì)的可變氣門技術(shù)豐田的VVTL-i 技術(shù)(Variable Va

11、lve Timing & Lift2.1 從VV T -i 到VV T L-iIntelligent ，是在原來的VVT-i 發(fā)動機(jī)上的凸輪軸，多了可以切換大小不同角度的凸輪。同時也利用搖臂機(jī)V ANOS 系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和加速踏板位置來操作進(jìn)氣凸輪軸。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最低時，進(jìn)氣門圖1 寶馬V ANOS 系統(tǒng)置來決定是否頂?shù)酱蠼嵌然蛐〗嵌鹊耐馆啠鞯娇蛇B續(xù)式地改變發(fā)動機(jī)的正時、重疊時間(重疊相位角 與兩階段式的升程。- 50 - VVTL-i 還運(yùn)用跟VTEC 一樣的方法來根本解決發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速時所需要更多的氣門重疊時間與氣門的開關(guān)升程深度，而不同的地方在于，搖臂內(nèi)VVTL-i 是借用油

12、壓使一個個銷的移動來決定頂?shù)侥欠N尺寸的凸輪。就是這樣的方式，VVTL-i 結(jié)合了VVT-i 的連續(xù)式可變正時與重疊角，與VTEC 式的凸輪軸切換，可以說是近似完美式的發(fā)動機(jī)。2.2 從V TEC 到i -V TEC在VTEC 發(fā)明12年后的2001年，也就是在豐田公司的VVTL-i 發(fā)表之后，VTEC 技術(shù)已經(jīng)受到嚴(yán)厲的挑戰(zhàn)，不久，本田公司再次向世界車壇推出了新一代的VTEC 技術(shù)，名為i-VTEC 系統(tǒng)（如圖3所示）。所謂i-VTEC 系統(tǒng)，即在現(xiàn)有VTEC 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個被稱為“可變正時控制”VTC （Variable timing control）的系統(tǒng)，即i-VTEC=VTEC

13、+VTC（如圖4所示）。此時，排氣閥門的正時與開啟的重疊時間是可變的，由VTC 控制，VTC 機(jī)構(gòu)的導(dǎo)入使發(fā)動機(jī)在大范圍轉(zhuǎn)速內(nèi)都能有合適的配氣相位，使得i-VTEC 也跟VVTL-i 一樣達(dá)到近似完美的可變氣門發(fā)動機(jī)。 典型的VTC 系統(tǒng)由VTC 作動器、VTC 油壓控制閥、各種傳感器以及ECU 組成。VTC 作動器和VTC 油壓控制閥可根據(jù)ECU 的信號產(chǎn)生動作，使進(jìn)氣凸輪軸的相位連續(xù)變化。VTC 令氣門重疊時間更加精確，保證進(jìn)、排氣門最佳重疊時間，可將發(fā)動機(jī)功率提高20%。VTC 機(jī)構(gòu)的導(dǎo)入，使得氣門的配氣相位能夠“智能化”地適應(yīng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷的改變。VTC 在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中配合VTEC 系

14、統(tǒng)的作用主要運(yùn)用在3個方面。1）最佳怠速/稀薄燃燒區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，VTC 系統(tǒng)停止作用，此時氣門重疊角最小，由于VTEC 的作用，產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，從而使發(fā)動機(jī)怠速工作穩(wěn)定。2）最佳油耗和排氣控制區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，VTEC 發(fā)揮作用，產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，從而使可燃混合氣混合更加均勻，同時VTC 的作用使氣門重疊角加大，將部分廢氣重新吸入氣缸，起到了EGR 的作用，以此達(dá)到最佳油耗和排氣控制。3）最佳扭矩控制區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，通過VTC 的控制，以最適當(dāng)?shù)臍忾T重疊角，同時配合VTEC 系統(tǒng)的作用，使得發(fā)動機(jī)的輸出扭矩最大限度地提高。另外，i-VTEC 發(fā)動機(jī)采用進(jìn)氣歧管在前，排氣歧管在后的布置。排氣

15、歧管縮短了長度，也就是縮短了與三元催化器之間的距離，使三元催化器更快進(jìn)入適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟?，能有效控制廢氣排放。由于發(fā)動機(jī)啟動后i-VTEC 系統(tǒng)就進(jìn)入狀態(tài)，不論低轉(zhuǎn)速或者高轉(zhuǎn)速VTC 都在工作，也就消除了原來VTEC 系統(tǒng)存在的缺陷。綜上所述，由于i-VTEC 系統(tǒng)中VTC 機(jī)構(gòu)的導(dǎo)入，圖3 本田i -V TEC 系統(tǒng)兩側(cè)氣缸驅(qū)動使得發(fā)動機(jī)的配氣相位能夠柔性地與發(fā)動機(jī)的負(fù)荷相匹配，在發(fā)動機(jī)的任何工況下，都能找到最佳的配氣相位，以最佳的氣門重疊角，實現(xiàn)中低速時低油耗和低排放，高速時高功率和大扭矩，這就像按照人類大腦的要求那樣進(jìn)行控制，因此被形象地稱之為“智能化”VTEC 。2.3 從V ANOS

16、到V alvetronicValvetronic 是寶馬公司的理想之作（如圖5所示），它比VVTL-i 或i-VTEC 有更進(jìn)一步的地方：首先，Valvetronic 少了節(jié)氣閥的設(shè)計，使得發(fā)動機(jī)在進(jìn)新鮮空氣時更順暢。它采用電子式的可變電阻，可以根據(jù)踏油門的深淺，經(jīng)過可變電阻來決定進(jìn)氣量。其次，Valvetronic 除了可連續(xù)性變化氣門正時外，還可對其圖4 i-V TEC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架- 51 - 3結(jié)論 升程進(jìn)行連續(xù)性微調(diào)，這比VVTL-i 與i-VTEC 在升程上是階段式地更進(jìn)一步了。BMW 為此增加了一種額外的偏心軸，凸輪軸則又通過一個額外的搖臂系統(tǒng)驅(qū)動傳統(tǒng)的氣門搖臂，并且該附加搖臂與

17、氣門搖臂的接觸角度取決于附加偏心軸的相位。附加偏心軸的相位可以由一個ECU 控制下的調(diào)節(jié)裝置來調(diào)整，從而使附加搖臂的角度發(fā)生變化，這樣，對于相同的凸輪運(yùn)動，傳遞到氣門搖臂上的反應(yīng)就可以不同，氣門的如圖6所示。從圖7中可以清楚地看出目前可變氣門技術(shù)的實現(xiàn)途徑，當(dāng)然，由于這一技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了有相當(dāng)長的一段時間，文章所列舉的只是其中的具有代表性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。總的來說，對于有凸輪軸式的可變氣門系統(tǒng)來說，其通常是通過改變凸輪軸傳動、調(diào)節(jié)搖臂、頂柱或正時皮帶來達(dá)到氣門正時或升程的目的，相對來說實現(xiàn)簡單，技術(shù)較成熟，但存在調(diào)節(jié)范圍有限，氣的缺陷；而由無凸輪軸式的可變氣門系統(tǒng)，其由于取消了凸輪，氣門開啟和關(guān)閉自由且動作迅速，同時其還可以連續(xù)改變氣門正時，但其也存在缺點(diǎn)，最突出的就是難以精確控制，實現(xiàn)成本較高。相信通過發(fā)動機(jī)可變氣門正時技術(shù)的逐漸成熟，將來會有越來越多的高性能發(fā)動機(jī)采用這一技術(shù)，進(jìn)而最終提高動力性和經(jīng)濟(jì)性，降低排放。圖7 可變氣門技術(shù)的實現(xiàn)途徑參考文獻(xiàn)1 馮健璋汽車發(fā)動機(jī)原理與汽車?yán)碚揗北京：機(jī)械工業(yè)出版