汽車發(fā)動機可變氣門技術

1、 汽車發(fā)動機可變氣門技術劉洲輝 羅寥 柴陸路（武漢理工大學汽車工程學院）摘要：解決發(fā)動機燃油經濟性與排放性能之間的矛盾一直是汽車發(fā)動機技術不斷發(fā)展的關鍵，而發(fā)動機可變氣門正時技術便是解決這一問題的方案之一，文章介紹了發(fā)動機可變氣門正時技術在各大公司所推出的具有代表性的系統，指出寶馬公司的Valvetronic 系統能使發(fā)動機在進新鮮空氣時更順暢，而且還可對其升程進行連續(xù)性微調。提出隨著可變氣門正時技術的逐漸成熟并被高性能發(fā)動機采用，因此能提高發(fā)動機的動力性和經濟性，降低排放。關鍵詞：發(fā)動機；可變氣門技術；氣門正時技術；氣門正時；氣門升程；電子控制系統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)動機技術的發(fā)展歷程中，可變化技術日益得到重視，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)動機的

5、不正常工作現象的出現，使相關系統的結構或參數作出相應的變化，從而使發(fā)動機在各種工況下，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荷現象的產生?？勺兓夹g包含的內容很多，如可變進氣系統、可變氣門技術、可變增壓系統及可變噴油系統等。文章介紹了可變氣門技術在現代汽車上的應用。1 早期的可變氣門技術近年來，發(fā)動機可變氣門正時技術(VVT，Variable Valve Timing被廣泛應用于現代轎車上，發(fā)動機采用可變氣門正時技術可以提高進氣充量，使充量系數增加，發(fā)動機的扭矩和功率可以得到進一步的提高。尤其是現在混合動力汽車的不斷發(fā)展，其也能借著這項技術更自由地變換動力模式(如停車怠機 ，使其

6、內燃機的污染度進一步降低。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 汽車側面碰撞的乘員保護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量及平穩(wěn)度。發(fā)動機處于中等轉速時，進氣門提前開啟以增大扭矩并允許廢氣

7、在燃燒室中進行再循環(huán)從而減少耗油量和廢氣的排放。最后，當發(fā)動機轉速很高時，進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VVT-i 是豐田獨有的領先發(fā)動機技術，過去僅裝備于豐田的進口原裝高檔車上。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)調節(jié)氣門正時，但不能調節(jié)氣門升程。它的工作原理是：當發(fā)動機由低速向高速轉換時，電子計算機就自動地將機油壓向進氣凸輪軸驅動齒輪內的小渦輪，這樣，在壓力的作用下，小渦輪就相對于齒輪殼旋轉一定的角度，使凸輪軸在60的范圍內向前或向后旋轉，從而改變進氣門

8、開啟的時刻，達到連續(xù)調節(jié)氣門正時的目的。豐田VVT-i 系統，最早在可變氣門發(fā)動機上獲得表現的當屬于本田公司于80年代中期推出VTEC 發(fā)動機。1.1 本田V TEC 系統“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”。VTEC 作為豐田公司在1989年推出的專有技術，它能隨發(fā)動機轉速、負荷及水溫等運行參數的變化而適當地調整配氣正時和氣門升程，使發(fā)動機低速時發(fā)出大扭矩，在高速時發(fā)出高功率。VTEC 系統的發(fā)動機有中低速用和高速用2組不同的氣門驅動凸輪，并可

9、通過電子控制系統的自動操縱，進行自動轉換。采用VTEC 系統，保證了發(fā)動機中低速與高速不同的配氣相位及進氣量的要求，使發(fā)動機無論在何速率運轉都達到動力性、經濟性與低排放的統一和極佳狀態(tài)。整個VTEC 系統由發(fā)動機電子控制單元(ECU車速及水溫等 的參數并進行處理，輸出相應的控制信號，通過電磁閥調節(jié)搖臂活塞液壓系統，從而使發(fā)動機在不同的轉速工況下由不同的凸輪控制，影響進氣門的開度和時間。1.2 寶馬V ANOS 系統寶馬的V ANOS 系統，即“可變凸輪軸控制系統”（Variable Camshaft Control），是基于一個能夠調整進氣凸輪軸與曲軸相對位置的調整機構，該技術首次應用于199

10、2年BMW 5系列搭載的M50發(fā)動機。V ANOS 技術目前的新版本是雙V ANOS ，即增加了對排氣凸輪軸的調整機構。寶馬的V ANOS 系統，如圖1所示。控制，ECU 接收發(fā)動機傳感器(包括轉速、進氣壓力、如圖2所示。VVT-i 系統由傳感器、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2 21世紀的可變氣門技術豐田的VVTL-i 技術(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V ANOS 系統根據發(fā)動機轉速和加速踏板位置來操作進氣凸輪軸。在發(fā)動機轉速達到最低時，進氣門圖1 寶馬V ANOS 系統置來決定是否頂到大角度或小角度的凸輪，而作到可連續(xù)式地改變發(fā)動機的正時、重疊時間(重疊相位角 與兩階段式的升程。- 50 - VVTL-i 還運用跟VTEC 一樣的方法來根本解決發(fā)動機在高轉速時所需要更多的氣門重疊時間與氣門的開關升程深度，而不同的地方在于，搖臂內VVTL-i 是借用油

12、壓使一個個銷的移動來決定頂到那種尺寸的凸輪。就是這樣的方式，VVTL-i 結合了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。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 技術已經受到嚴厲的挑戰(zhàn)，不久，本田公司再次向世界車壇推出了新一代的VTEC 技術，名為i-VTEC 系統（如圖3所示）。所謂i-VTEC 系統，即在現有VTEC 系統的基礎上，增加一個被稱為“可變正時控制”VTC （Variable timing control）的系統，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 機構的導入使發(fā)動機在大范圍轉速內都能有合適的配氣相位，使得i-VTEC 也跟VVTL-i 一樣達到近似完美的可變氣門發(fā)動機。 典型的VTC 系統由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ECU 的信號產生動作，使進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、排氣門最佳重疊時間，可將發(fā)動機功率提高20%。VTC 機構的導入，使得氣門的配氣相位能夠“智能化”地適應發(fā)動機負荷的改變。VTC 在發(fā)動機運轉過程中配合VTEC 系

14、統的作用主要運用在3個方面。1）最佳怠速/稀薄燃燒區(qū)域。在此區(qū)域內，VTC 系統停止作用，此時氣門重疊角最小，由于VTEC 的作用，產生強大的渦流，從而使發(fā)動機怠速工作穩(wěn)定。2）最佳油耗和排氣控制區(qū)域。在此區(qū)域內，VTEC 發(fā)揮作用，產生強大的渦流，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，通過VTC 的控制，以最適當的氣門重疊角，同時配合VTEC 系統的作用，使得發(fā)動機的輸出扭矩最大限度地提高。另外，i-VTEC 發(fā)動機采用進氣歧管在前，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入適當的工作溫度，能有效控制廢氣排放。由于發(fā)動機啟動后i-VTEC 系統就進入狀態(tài)，不論低轉速或者高轉速VTC 都在工作，也就消除了原來VTEC 系統存在的缺陷。綜上所述，由于i-VTEC 系統中VTC 機構的導入，圖3 本田i -V TEC 系統兩側氣缸驅動使得發(fā)動機的配氣相位能夠柔性地與發(fā)動機的負荷相匹配，在發(fā)動機的任何工況下，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 有更進一步的地方：首先，Valvetronic 少了節(jié)氣閥的設計，使得發(fā)動機在進新鮮空氣時更順暢。它采用電子式的可變電阻，可以根據踏油門的深淺，經過可變電阻來決定進氣量。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 系統結構框架- 51 - 3結論 升程進行連續(xù)性微調，這比VVTL-i 與i-VTEC 在升程上是階段式地更進一步了。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驅動傳統的氣門搖臂，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 控制下的調節(jié)裝置來調整，從而使附加搖臂的角度發(fā)生變化，這樣，對于相同的凸輪運動，傳遞到氣門搖臂上的反應就可以不同，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的實現途徑，當然，由于這一技術已經發(fā)展了有相當長的一段時間，文章所列舉的只是其中的具有代表性的系統結構。總的來說，對于有凸輪軸式的可變氣門系統來說，其通常是通過改變凸輪軸傳動、調節(jié)搖臂、頂柱或正時皮帶來達到氣門正時或升程的目的，相對來說實現簡單，技術較成熟，但存在調節(jié)范圍有限，氣的缺陷；而由無凸輪軸式的可變氣門系統，其由于取消了凸輪，氣門開啟和關閉自由且動作迅速，同時其還可以連續(xù)改變氣門正時，但其也存在缺點，最突出的就是難以精確控制，實現成本較高。相信通過發(fā)動機可變氣門正時技術的逐漸成熟，將來會有越來越多的高性能發(fā)動機采用這一技術，進而最終提高動力性和經濟性，降低排放。圖7 可變氣門技術的實現途徑參考文獻1 馮健璋汽車發(fā)動機原理與汽車理論M北京：機械工業(yè)出版