車用發(fā)動機可變氣門升程技術(shù)(共14頁)

1、車用發(fā)動機可變氣門(qmn)升程技術(shù)王冬霞（華南理工大學(xué)機械(jxi)與汽車工程學(xué)院車輛工程，廣東(gung dng) 廣州 510640）摘要：介紹了可變氣門升程技術(shù)的意義，對國內(nèi)外可變氣門升程技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀進行闡述。重點以現(xiàn)今各大型汽車公司推出的典型汽車產(chǎn)品為例，對當(dāng)前具有代表性的發(fā)動機可變氣門升程技術(shù)的結(jié)構(gòu)、工作原理進行了詳細(xì)的介紹，并對它們的性能特點進行比較。關(guān)鍵詞：發(fā)動機 可變氣門升程 發(fā)展 技術(shù)現(xiàn)狀 類型 結(jié)構(gòu) 性能比較1、發(fā)動機可變升程技術(shù)的意義發(fā)動機可變氣門升程技術(shù)可以在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷時匹配合適的氣門升程，使得發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷時使用較小的氣門升程，有利于增強進氣

2、渦流強度，增加缸內(nèi)紊流，提高燃燒速度，增加發(fā)動機的低速扭矩，改善冷啟動和降低油耗。高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷時使用較大的氣門升程，減少氣門的節(jié)流損失，提高充氣效率，能夠明顯提高進氣量，提高發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷是的功率輸出并能降低發(fā)動機的燃油消耗，提高燃油經(jīng)濟性，降低HC、NOx的排放。2、發(fā)動機可變升程技術(shù)概況相比其他汽車技術(shù)，發(fā)動機配氣控制技術(shù)發(fā)展比較緩慢，在20世紀(jì)80年代后才陸續(xù)出現(xiàn)了可變氣門正時（VVT）和可變氣門升程（VVL）技術(shù)。在實際汽車的應(yīng)用中，本田公司研制出世界上第一個能同時控制氣門開閉時刻及氣門控制系統(tǒng)。隨后本田公司對VTEC技術(shù)不斷升級，研發(fā)出i-VTEC等新技術(shù)。在本田公司之后，

3、世界上其他汽車廠商也相繼推出可變氣門升程技術(shù)，分別有：奧迪AVS、三菱MIVEC、保時捷Cariocan Plus 等。相比階段式氣門升程調(diào)節(jié)，連續(xù)式氣門升程調(diào)節(jié)沒有階段式調(diào)節(jié)應(yīng)用普遍，只有寶馬、日產(chǎn)、菲亞特、豐田等少數(shù)公司實現(xiàn)了氣門升程的連續(xù)可變，國外典型可變氣門升程機構(gòu)應(yīng)用見表1。表1 國外典型可變氣門(qmn)升程機構(gòu)應(yīng)用名稱 應(yīng)用情況 i-VTEC(本田)思域，雅閣，奧德賽等車款 Variocan Plus (保時捷)Panamera，Cayenne，Cayman等車款 （奧迪）A4，A5，A6和A8等車款MIVEC（三菱）V6凌仕，旗勝V3，景逸等車款Valvematic(豐田)20

4、11款RAV4，Auris等車款 Valvetronic(寶馬)BMW116i，118i，740Li xDrive等車款 VVEL(日產(chǎn))英菲尼迪QX56，NISSAN 370Z等車款 Multiair(菲亞特)Fiat500 Lounge Cabrio，F(xiàn)iat500 Pop Cabrio等車款相比(xin b)國外，國內(nèi)對氣門升程技術(shù)研究起步較晚，雖然也有相應(yīng)研究，但在實際應(yīng)用中，可變氣門升程技術(shù)由于受到零部件成本高，可靠性要求高，發(fā)動機缸蓋設(shè)計的困難較大等限制(xinzh)，在國內(nèi)并沒有得到普遍的應(yīng)用。3、當(dāng)前具有代表性的發(fā)動機可變氣門升程技術(shù)結(jié)構(gòu)及性能比較3.1本田i-VTEC圖1是本

5、田發(fā)動機i-VTEC系統(tǒng)的工作原理圖?？梢姡咎锇l(fā)動機i-VTEC與普通發(fā)動機相比，在結(jié)構(gòu)上同樣是每缸4氣門（2進2排）、凸輪軸和搖臂軸等，不同的是凸輪與搖臂的數(shù)目及控制方法，除了原有控制兩個氣門的一對凸輪和一對搖臂（主搖臂）和副搖臂外，還增加了一個高角度凸輪和相應(yīng)的中間搖臂，三根搖臂內(nèi)部裝有由液壓控制移動的小活塞。整個VTEC系統(tǒng)由發(fā)動機主電腦(ECU)控制。 圖1 本田(bn tin)i-VTEC系統(tǒng)(xtng)工作示意圖中低轉(zhuǎn)速(zhun s)時，小活塞在原位置上，三根搖臂分離，普通凸輪分別推動主搖臂和副搖臂，控制兩個進氣門的開閉，氣門升程較小。此時雖然中間高角度凸輪也推動中間搖臂，但由

6、于搖臂之間已分離，其它兩根搖臂不受它的控制，所以不會影響氣門的開閉狀態(tài)。當(dāng)發(fā)動機達(dá)到某一個設(shè)定的轉(zhuǎn)速時，電腦即會指令電磁閥啟動液壓系統(tǒng)，推動搖臂內(nèi)的小活塞，使三根搖臂鎖成一體，一起由中間的高角度凸輪驅(qū)動，由于中間的高角度凸輪比普通凸輪高，升程大，所以進氣門開啟時間延長，升程也增大了.當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低到某一個設(shè)定的低轉(zhuǎn)速時，搖臂內(nèi)的液壓也隨之降低，活塞在回位彈簧作用下退回原位， 三根搖臂分開。i-VTEC這種在一定轉(zhuǎn)速后突然的動力爆發(fā)極大的提升了駕駛樂趣，但缺點則是動力輸出不夠線性，動力的過渡不夠圓滑，這也是阻礙本田可變氣門升程技術(shù)進步的瓶頸，原因是不可能在凸輪軸上加上更多的凸輪來實現(xiàn)更多級的調(diào)

7、節(jié)。本田新開發(fā)的氣缸內(nèi)直噴式汽油發(fā)動機DOHC(頂置凸輪軸)I-VTEC，采用了VTEC發(fā)動機的高度智能化版本，可停止氣門動作，并通過VTC對氣門進行最佳控制的“I-VTEC”系統(tǒng)，另外還采用了本田獨創(chuàng)的中心噴射式的氣缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，更融合了活塞上具有獨特凹槽的模槽活塞等新技術(shù).通過這些技術(shù)，實現(xiàn)了空燃比(空氣/燃料的重量比率)65：1的超稀薄燃燒，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往包括EGR(廢氣再循環(huán))直噴發(fā)動機在內(nèi)的40：1的空燃比，在實現(xiàn)動感行駛的同時達(dá)到了低油耗。同時這款超稀薄燃燒直噴發(fā)動機通過高精度EGR氣門的燃燒控制系統(tǒng)，及新開發(fā)的高性能觸媒的應(yīng)用，達(dá)到了“比2010年尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)降低50%”的排放水

8、平，實現(xiàn)了65：1的超稀薄燃燒。3.2保時捷 Variocan PlusVariocan Plus是螺旋齒輪式相位角可變型(bin xn)與凸輪選擇型組合而成。如圖2所示，直動式桶形氣門(qmn)升程器被分割成同心圓形狀，內(nèi)側(cè)升程器由低速凸輪驅(qū)動；外側(cè)升程器由高速凸輪驅(qū)動。在外側(cè)升程器中由液壓驅(qū)動的幾個銷子呈輻射形狀布置。當(dāng)液壓作用 于銷子時，則銷子與內(nèi)側(cè)升程器的槽口(co ku)嚙合，外側(cè)升程器與內(nèi)側(cè)升程器處于鎖止?fàn)顟B(tài)。 圖2 保時捷Variocan Plus 結(jié)構(gòu)圖在低轉(zhuǎn)速時，銷子未受到液壓作用，內(nèi)側(cè)與外側(cè)的各個升程器不處于鎖止?fàn)顟B(tài)。于是，即使高速用凸輪把外側(cè)升程器往下推壓，也不會傳遞到氣

9、門，而只有由低速用凸輪向下推壓內(nèi)側(cè)升程器的行程傳遞到氣門。在高轉(zhuǎn)速時，銷子由液壓作用而被推壓發(fā)生移動，銷子把外側(cè)升程器與內(nèi)測升程器鎖止。所以外側(cè)升程器的行程也傳遞到氣門。于是內(nèi)外桶形升程器之間銷子可以來回進出，以選擇低速或高速用凸輪。Variocan Plus的氣門升程在低速用凸輪時為3mm；而高速用凸輪時為10mm。氣門(qmn)升程在低速(d s)與高速(o s)時發(fā)生3倍以上的變化，這是因為桶形升程器被分割成同心圓形狀的緣故。凸輪與桶形升程器的觸點的移動范圍不可以超過升程器的直徑。這是因為當(dāng)觸點的移動范圍超過升程器直徑，則凸輪與升程器肩側(cè)接觸發(fā)生不正常磨損，因此，氣門升程被限制在升程器直

10、徑之內(nèi)，當(dāng)然，內(nèi)側(cè)升程器直小，氣門升程也相應(yīng)減少。3.3奧迪AVS奧迪的AVS可變氣門升程系統(tǒng)在設(shè)計理念上與本田的i-VTEC有著異曲同工之妙，只是在實施手段上略有不同。這套系統(tǒng)為每個進氣門設(shè)計了兩組不同角度的凸輪，同時在凸輪軸上安裝有螺旋溝槽套筒。螺旋溝槽套筒由電磁驅(qū)動器加以控制，用以切換兩組不同的凸輪，從而改變進氣門的升程。如圖3 圖3 奧迪AVS發(fā)動機可變氣門構(gòu)造圖當(dāng)發(fā)動機在高負(fù)載的情況下（圖4），AVS系統(tǒng)將螺旋溝槽套筒向右推動，使升程較大凸輪得以推動氣門。在此情況下，氣門升程可達(dá)到11毫米，以提供燃燒室最佳的進氣流量和進氣流速，實現(xiàn)更加強勁的動力輸出。 當(dāng)發(fā)動機在低負(fù)載(fzi)的情

11、況下（圖4），為了追求發(fā)動機的節(jié)油性能，此時AVS系統(tǒng)則將凸輪(tln)推至左側(cè)，以較小的凸輪推動氣門。 圖4 奧迪工作(gngzu)原理圖奧迪AVS系統(tǒng)中兩個進氣門無論是在普通凸輪還是在升程大的凸輪下的相位和升程是有差別的，即兩個進氣門開啟和關(guān)閉的時間以及升程并不相同。這可以令混合氣在氣缸內(nèi)實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和紊流，進一步優(yōu)化混合氣的狀態(tài)，提高燃油經(jīng)濟性。奧迪AVS可變氣門升程系統(tǒng)在發(fā)動機700至4000轉(zhuǎn)之間工作，當(dāng)發(fā)動機處于中間轉(zhuǎn)速區(qū)域進行定速巡航時，AVS系統(tǒng)可以為車輛提供很好的節(jié)油效果。奧迪的AVS可變氣門升程系統(tǒng)調(diào)節(jié)的氣門升程依然是兩段式的，沒有做到氣門升程的無級調(diào)節(jié)，所以對進氣流量的控制還

12、不夠精確，不夠圓滑。3.4三菱MIVEC該系統(tǒng)主要由高、中、低速凸輪、與此相應(yīng)的搖臂以及油壓控制系統(tǒng)組成(圖5)為了實現(xiàn)低、高速模式的轉(zhuǎn)換而不改變頂置單凸輪軸的結(jié)構(gòu)，因而采用了一個新的用于轉(zhuǎn)換工作模式的機械裝置。每個汽缸的兩個氣門分別對應(yīng)左右兩個凸輪:低速、中等升程凸輪。高速凸輪位于前兩凸輪之間。T型臂有固定狀態(tài)和自由狀態(tài)，固定狀態(tài)其被高速凸輪驅(qū)動，自由狀態(tài)其不受仟何凸輪驅(qū)動。 圖5 三菱MIVEC系統(tǒng)(xtng)構(gòu)造圖當(dāng)發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時，T型臂處于自由狀態(tài)，不受任何凸輪控制(kngzh)，兩氣門升程和氣門正時分別按低速凸輪和中等升程凸輪輪廓開閉當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的較高轉(zhuǎn)速時，搖臂上的活塞被

13、控制油壓頂起，使T型臂進入固定狀態(tài)，T型臂被高速凸輪驅(qū)動，其T型端頂靠兩氣門搖臂，使兩氣門按照高速凸輪的配氣規(guī)律開閉。工作時，其高速、低速工作模式的轉(zhuǎn)換，是由發(fā)動機電子控制單元(ECU)根據(jù)所設(shè)定(sh dn)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，控制其油壓控制閥來完成的。但是，如果在切換高、低速工作模式時輸出轉(zhuǎn)矩突變，往往會產(chǎn)生沖擊性的振動而影響駕駛舒適性。為了防卜這種轉(zhuǎn)矩突變現(xiàn)象的發(fā)生，在同一節(jié)氣門開度下，判定用高速和低速凸輪時的發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩相同的點，并在該點上進行高、低速工作模式的切換。 圖6 三菱MIVEC系統(tǒng)(xtng)工作原理圖 有的MIVEC還具有(jyu)可變排量的控制，即M D ( M odula

14、ted Displacement)控制(kngzh)。它是指可使某些缸退出工作，從而改變發(fā)動機的實際排量。在低速工作模式下，通過油壓控制柱塞銷縮進搖臂軸內(nèi)，這樣高、低速搖臂都處于自由空轉(zhuǎn)狀態(tài)，該汽缸停止工作。動力滿足的條件下，減少汽缸可降低發(fā)動機換氣過程中的泵氣損失，因而有效的改善了燃油消耗率，這也被稱為“停缸節(jié)油”。3.5豐田 Valvematic 圖7 豐田(fn tin) Valvematic系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖通過(tnggu)將電動機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成執(zhí)行器內(nèi)的線性運動，在軸向方向上驅(qū)動控制軸?；瑒尤εc控制軸在軸向方向上互相鎖定，它只在搖臂上滑動。滑動圈、中心臂以及擺動臂與螺旋花鍵嚙合在一起，螺旋

15、花鍵的運動轉(zhuǎn)換成中心臂在徑向方向上的轉(zhuǎn)動。擺動臂的擺動限制在一定的范圍內(nèi)，在此，凸輪表面與滾柱搖臂表面接合在一起，在擺動臂和搖臂之間通過滑動圈不斷地改變相關(guān)的相位(xingwi)。因此可變氣門升程被連續(xù)控制。由于采用連續(xù)可變氣門正時和升程系統(tǒng)，可通過控制氣門的開啟和關(guān)閉時間調(diào)整汽油機內(nèi)的空氣流量，取代了以往采用的油門，其優(yōu)點如下:由于在較低氣門升程處氣門彈簧載荷比較小，進氣時泵氣損失降低，效率提高。由于在較低氣門升程處缸內(nèi)空氣流速較快，可以獲得較高的燃燒效率;選擇氣門開啟和關(guān)閉正時時具有更大的柔性，在全部區(qū)域范圍內(nèi)扭矩增加，最大輸出功率提高，穩(wěn)定性更加卓越;由于沒有采用節(jié)流，在瞬態(tài)區(qū)域反應(yīng)快速

16、。3.6寶馬 ValvetronicValvetronic是寶馬公司在2001年開發(fā)的可變氣門升程技術(shù)，它是世界上第一個使發(fā)動機實現(xiàn)無節(jié)氣門化的技術(shù)，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于寶馬發(fā)動機上，目前在國內(nèi)銷售的除了M3及MS外的寶馬車型的發(fā)動機都具備此功能，具體的結(jié)構(gòu)圖見圖8 圖8 寶馬(bo m)Valvetronic系統(tǒng)(xtng)結(jié)構(gòu)圖 Valvetronic系統(tǒng)在進氣凸輪(tln)與氣門之間增加了中間推桿，中間推桿的頂部滾輪與偏心凸輪始終保持接觸、中部滾輪與進氣凸輪始終保持接觸，這樣中間推桿的運動由進氣凸輪和偏心凸輪共同控制。中心推桿底部的弧線工作區(qū)與搖臂接觸，從而控制氣門的運動。當(dāng)偏心凸輪相位不變

17、時，中間推桿在進氣凸輪軸的驅(qū)動下圍繞某一個中心旋轉(zhuǎn)，中間推桿底部弧線發(fā)生作用的為弧線的某一段區(qū)域。當(dāng)伺服電機接受來自電控單元的信號后，通過蝸輪蝸桿機構(gòu)驅(qū)動偏心凸輪旋轉(zhuǎn)一定角度后，中間推桿旋轉(zhuǎn)中心位置就會發(fā)生變化，從而改變了中間推桿底部弧線發(fā)生作用的區(qū)域，進而改變了氣門升程，見圖。偏心凸輪在兩個極限位置上，氣門所處的最大升程和最小升程。 圖9 寶馬(bo m)Valvetronic系統(tǒng)(xtng)的工作原理圖 Valvetronic系統(tǒng)的優(yōu)點(yudin)是氣門升程可以在09.7mm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。同時，可以實現(xiàn)無節(jié)氣門的負(fù)荷控制方式，降低泵氣損失。缺點是由于Valvetronic結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)

18、中彈性受到轉(zhuǎn)速的限制，無法應(yīng)用于高速發(fā)動機。 3.7日產(chǎn)VVEL英菲尼迪的VVEL系統(tǒng)的工作原理與BMW的Valvetronic:類似，但在結(jié)構(gòu)上稍有不同。VVEL系統(tǒng)使用一套螺套和螺桿的組合實現(xiàn)了氣門升程的連續(xù)可調(diào)(如圖10所示)。圖10日產(chǎn)VVEL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖在系統(tǒng)工作(gngzu)時，電機通過ECU信號控制螺桿和螺套的相對位置，螺套則帶動搖臂、控制桿等部件，最終改變氣門升程的大小。如圖11所示，當(dāng)發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速或者大負(fù)荷時，電機帶動螺桿轉(zhuǎn)動，套在螺桿上的螺套也會產(chǎn)生相應(yīng)的橫向移動，與螺套聯(lián)動的機構(gòu)使得控制桿逆時針或順時針發(fā)生旋轉(zhuǎn)。由于搖臂套在控制桿的偏心輪上，因此搖臂的旋轉(zhuǎn)中心也會隨之

19、上升或下降，從而達(dá)到改變氣門升程的目的VVEL通過直流馬達(dá)帶動控制軸旋轉(zhuǎn)，改變套在控制軸偏心輪上的搖臂旋轉(zhuǎn)中心，從而控制氣門的升程。VVEL系統(tǒng)能在一定的范圍內(nèi)可實現(xiàn)升程的無級連續(xù)調(diào)節(jié)，使發(fā)動機獲得較好的燃油經(jīng)濟性和動力輸出。而且沒有彈簧類的回位機構(gòu)，跟Valvetronic相比，VVEL系統(tǒng)中的搖臂，控制桿和螺套等都是剛性連接，沒有彈簧類的回位機構(gòu)，所以VVEL更適合于高速(o s)發(fā)動機，缺點是VVEL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，摩擦副也相對較多，成本高。3.8菲亞特Multair如圖10所示，Multiair最大的特點就是開創(chuàng)性的使用了電控液壓控制系統(tǒng)來驅(qū)動氣門的正時和升程，雖然發(fā)動機為每缸4氣門的結(jié)

20、構(gòu)，但是卻取消(qxio)了進氣門一側(cè)凸輪軸，而排氣門側(cè)的凸輪軸通過液壓機構(gòu)來驅(qū)動進氣門。 圖10 菲亞特 MultiAir 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Multiair系統(tǒng)的氣門上方設(shè)計(shj)有液壓腔和活塞，并且取消進氣門側(cè)的凸輪軸。排氣門由排氣凸輪軸直接推動，進氣門通過一組電磁液壓系統(tǒng)進行精確控制。排氣凸輪軸上的進氣凸輪通過搖臂驅(qū)動活塞，這個活塞通過液壓腔與進氣門相連，從而控制氣門的運動。液壓腔的一端與活塞相連，另一端與電磁閥相連，電磁閥則通過ECU信號，根據(jù)(gnj)工況的不同適時控制流向液壓腔內(nèi)的油量，氣門開度的大小則取決于流向液壓腔內(nèi)油量的多少。這樣就實現(xiàn)了氣門升程的無極調(diào)節(jié)。Multiair

21、系統(tǒng)的優(yōu)點(yudin)是實現(xiàn)了氣門升程的連續(xù)調(diào)節(jié)，提高了響應(yīng)速度。Multiair系統(tǒng)可以精確地控制進氣和噴油，優(yōu)化燃燒效率，從而提高輸出功率和扭矩，降低油耗和減少排放。缺點是Multiair系統(tǒng)控制復(fù)雜，成本高以及對系統(tǒng)可靠性要求比較高。3.9可變氣門升程系統(tǒng)的性能比較 Valvetronic系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比AVS系統(tǒng)復(fù)雜，控制難。與AVS系統(tǒng)、Valvetronic系統(tǒng)相比，Multiair系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上取消進氣凸輪軸，增加電磁液壓系統(tǒng)，進而實現(xiàn)氣門的靈活調(diào)節(jié)，可以在同一進氣沖程多次開啟氣門。正因為如此，Multiair系統(tǒng)在三個系統(tǒng)中控制最困難。性能方面，Multiair系統(tǒng)和Valvetronic系統(tǒng)由于實現(xiàn)氣門升程的連續(xù)可調(diào)，在提升發(fā)動機的動力性和改善燃油經(jīng)濟性上明顯優(yōu)于階段式調(diào)節(jié)的AVS系統(tǒng)。4、總結(jié)(zngji)語如何提高進、排氣效率是對傳統(tǒng)內(nèi)燃機效率提升的一個重要方向和手段。隨著汽車技術(shù)的進步和發(fā)展，發(fā)動機氣門控制技術(shù)也在不斷的發(fā)展和提高，從最早的本田VTEC技術(shù)實現(xiàn)了氣門升程的分段可調(diào)，到BMW的Valvetronic:氣門升程無級可調(diào)技術(shù)，