可变配气机构及其新技术

图1发动机速度特性可变配气机构及其新技术摘要：本报告先介绍可变配气机构，主要从采用可变配气机构的原因、可变配气机构的分类等方面进行概述。然后就目前比较先进的可变配气正时新技术进行阐述。关键词：可变配气；VVT；VANOS1可变配气机构概述1.1采用可变配气机构的原因不同的发动机，由于结构和转速的不同，其配气正时也不相同。即使是同一台发动机，其配气正时也应随转速的变化而变化。这是因为：当发动机转速改变时，由于进气流速和强制排气时期的废气流速也随之改变，因此在气门晚关期间利用气流惯性增加进气和促进排气的效果将会不同。例如，当发动机在低速运转时，若配气正时保持不变，则部分进气将被活塞推出气缸，使进气量减少，气缸内残余废气将会增多。当发动机在高速运转时，气流惯性大，若此时增大进气迟后角和气门重叠角，则会增加进气量和减少残余废气量，使发动机的换气过程臻于完善。总之，四冲程发动机的配气正时应该是进气角和气门重叠角随发动机转速的升高而加大。如果气门升程也能随发动机转速的升高而加大，则更有利于获得良好的发动机高速性能。采用可变配气正时机构对发动机性能的改善，可由图1一目了然。此外，能源与环境问题是目前汽车工业所面临的两个重要问题。研发能耗低、污染低的“节能-高效-环保”发动机是目前发动机新技术的发展方向。可变配气相位技术已成为提高发动机动力性和经济性的新技术之一，显著改善了发动机的怠速稳定性和排放特性。1.2可变配气机构的分类按照控制参数的不同，可变配气技术可分为可变气门正时（VVT）和可变气门升程（VVL）两类。可变气门正时即气门开启与关闭时刻可变，根据气门开启持续期的变化又分为可变气门相位（VP）和可变气门相位与持续期（VET）两类；可变气门升程主要是改变了气门开启的最大升程，按照气门正时与持续期的变化情况又可分为可变气门升程与正时（VLT）和气门升程单独可变两类。实现可变配气有多种途径，按照有无凸轮轴可分为基于凸轮轴的可变配气机构和无凸轮轴的可变配图2VVT-i工作原理气机构两类。基于凸轮轴的可变配气机构主要可分为可变凸轮型线、可变凸轮轴相位角、可变凸轮从动件只类；无凸轮轴的可变配气机构根据气门驱动形式主要可分为电磁驱动气门、电液驱动气门、电气驱动气门、电机驱动气门以及其他气门驱动形式几大类。2可变配气机构新技术实例简介配气控制技术早期的研究进展比较缓慢，主要成果是在1985年以后取得的，其发展先后顺序大致如下：优化凸轮型线、可变凸轮相位-可变凸轮型线。机械式全可变气门机构、无凸轮轴电磁（电液、电气及其他）驱动配齐机构、无凸轮轴全可变配气机构。迄今为止，具有代表性的可变配气机构主要有Toyota公司的VVT-i,BMW公司的Vanos,Honda公司的VTEC,Mitsubishi公司的MIVEC,Porsche公司的Vario-Cam,BMW的Valvotronic等。2.1丰田VVT-i技术VVT-i的全称是VariableValueTimingintelligent，翻译成中文就是智能可变配气正时，这项技术系统是丰田特有的并且在世界技术上领先的发动机技术系统，可以连续调节气门正时，但是不可以调节气门升程。该技术的工作原理就是当发动机从低速度迈向高速度的时候，电子计算机就会自动地把机油压入进气的凸轮轴，然后驱动齿轮内的小涡轮，在这样的压力下，小涡轮和齿轮可旋转就会有一定的角度，当凸轮轴在六十度范围内往前或者往后旋转时，就可以改变进气门开启的时间，从而达到连续调节气门正时的目的。图3VANOS模型图丰田VVT-i发动机的ECU在各种行驶工况下自动搜寻一个对应发动机转速、进气量、节气门位置和冷却水温度的最佳气门正时，并控制凸轮轴正时液压控制阀，并通过各个传感器的信号来感知实际气门正时，然后再执行反馈控制，补偿系统误差，达到最佳气门正时的位置，从而能有效地提高汽车的功率与性能，尽量减少耗油量和废气排放。2.2宝马VANOS技术宝马VANOS技术系统是可以调节进气凸轮轴和曲轴位置的，使得在不同情况下进气凸轮轴和曲轴的位置相对应。宝马公司第一次使用这项技术是在1992年的宝马五系列的搭载M五十发动机上。现在宝马推出了VANOS的新技术即双VANOS，双VANOS技术调整了排气凸轮轴的机构，就是进气凸轮轴的图4Vario-Cam机构操作是根据发动机转速和踏板位置来确定的，当发动机的转速处于最低的时候，进气门就会开启改善怠速质量和增加平稳度；当发动机处于中转速度时，进气门就会提前开启来增大扭矩并且允许排出的废气在燃烧室内再进行循环利用从而可以减少轿车的耗油量和减少轿车的废气排放量；当发动机运转速度很高的时候，进气门就会再次延迟开启，这样就能发挥出更大的功率。使用双VANOS系统，气门升程增加了0.9毫米，使得进气门的开启时间因而延迟了12度。为迅速而精确的调整凸轮轴，双VANOS系统需要非常高的油压，以确保在发动机低转速下能提供更大的扭矩，在高转速时有更大的功率。随着不完全燃烧气体的减少，发动机怠速得到了改善。预热阶段的特殊发动机管理控制系统能帮助催化转化器更快地达到工作温度。双VANOS系统改善了低转速功率，使扭矩曲线趋于平缓并能为该组凸轮轴扩展功率带。双VANOS系统发动机的扭矩峰值比单VANOS低450转，功率峰值高200转/分，1500-3800转/分下的扭矩曲线也得到了改善。同时，扭矩下降的速度不会超过功率峰值。双VANOS系统的优点在于在各种工作状态下，系统能够单独控制热的废气流入进气歧管。这被称为“内部”废气再循环，使得废气中的可用成分得以进行再循环。2.3其他可变配给机构技术（1）保时捷Vario-Cam技术保时捷911跑车引擎采用的可变气门正时技术Vario-Cam通过气门我们可以发现其有两个位置，每个进气门分别有2种最大行程。控制气门行程变化的，是两组凸轮控制，一组是高速凸轮，既红色部分的凸轮；另一组是低速凸轮，既高速凸轮之间的凸轮。当引擎在低转速工况时，气门座顶端的控制活塞落在气门座内。这样高速凸轮只能驱动气门座向下行程而不能带动整个气门动作，整个气门由低速凸轮驱动气门顶向下行程，这样获得的气门开度就较小。反之当发动机在高转速工况时，控制活塞在液压的驱动下从气门座推入到气门顶中，把气门座和气门刚性的连接，高速凸轮驱动气门座时就能带动气门向下行程获得较大的气门开度。图5VTEC机构示意图图5宝马Valvetronic技术（2）本田VTEC技术与保时捷Vario-Cam略有相同，本田的VTEC原理接近，而控制方式不同。凸轮轴上依然布置有高速凸轮与低速凸轮，但由于本田引擎的气门由摇臂驱动，所以不能像保时捷一样紧凑。控制高低速凸轮切换的是一组结构复杂的摇臂，通过传感器测出引擎转速，传送到ECU进行控制，并由ECU发出指令控制摇臂。简单地说，就是这套摇臂能够根据转速不同自动选取1进1排的2气门工作或者2进2排的4气门工作，从而让发动机在高低速工况下都能顺畅自如。通常，转速低于3500rpm时，各有一支进气、排气凸轮工作，此时发动机近似为一台2气门发动机，这样的好处是，能够增加负压，利于进气；转速超过3500rpm时，液压系伺服系统接到发动机中央控制器ECU指令，对摇臂内机油加压，压力机油推动定时柱塞移动，使得同步柱塞将高速摇臂与主副摇臂刚性连接，此时低速凸轮虽然转动，但处于空转状态，并不参与工作，从而4支活塞共同工作，以适应高速运转。（3）宝马Valvetronic技术与保时捷Vario-Cam、本田VTEC相同的技术还有很多，例如丰田VVT-i，通用ECOtec系列引擎的VVT等等，这些技术能够改变气门升程，但是局限性在于，这些技术都只有“两段式”可调，在气门行程进行变化的一刻会感觉到顿挫感。由此，宝马对气门行程的调节煞费苦心，开发了一套可以连续可变的气门正时技术，目前号称最具科技含量的气门正时技术。与众不同的是，宝马采用的是电机驱动的方式，电机的周相运动通过蜗杆传动齿轮，准变为摇臂的控制角度变化，然后在凸轮轴的驱动下由摇臂带动气门运动。通过改变摇臂的角度即可改变气门的行程。由于采用了电机控制，在ECU指令下电机能够“无极”变化角度，使得气门升程的改变并不影响引擎工作，没有顿挫感，也更能有针对性地对每个转速范围进行细致的配气分析。参考文献：［1］陈家瑞，汽车构造[M]，北京：人民交通出版社，2006．［2］郭建，苏铁熊，王军．发动机可变配气机构的研究进展．内燃机与配件，2011（12）：28~33．［3］叶升强．发动机可变气门技术探析．科技信息，2013（04）：249．［4］裴广华．发动机可变配气相位技术分析．汽车使用技术，2013（01）：13~15．