汽车发动机可变气门技术

1、 汽车发动机可变气门技术刘洲辉 罗寥 柴陆路（武汉理工大学汽车工程学院）摘要：解决发动机燃油经济性与排放性能之间的矛盾一直是汽车发动机技术不断发展的关键，而发动机可变气门正时技术便是解决这一问题的方案之一，文章介绍了发动机可变气门正时技术在各大公司所推出的具有代表性的系统，指出宝马公司的Valvetronic 系统能使发动机在进新鲜空气时更顺畅，而且还可对其升程进行连续性微调。提出随着可变气门正时技术的逐渐成熟并被高性能发动机采用，因此能提高发动机的动力性和经济性，降低排放。关键词：发动机；可变气门技术；气门正时技术；气门正时；气门升程；电子控制系统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在汽车发动机技术的发展历程中，可变化技术日益得到重视，其可以随着使用工况及要求的变化，或者为了解决矛盾及避免发动机的

5、不正常工作现象的出现，使相关系统的结构或参数作出相应的变化，从而使发动机在各种工况下，各种性能都能得到较好地提高，而且避免不正常燃烧及超负荷现象的产生。可变化技术包含的内容很多，如可变进气系统、可变气门技术、可变增压系统及可变喷油系统等。文章介绍了可变气门技术在现代汽车上的应用。1 早期的可变气门技术近年来，发动机可变气门正时技术(VVT，Variable Valve Timing被广泛应用于现代轿车上，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。尤其是现在混合动力汽车的不断发展，其也能借着这项技术更自由地变换动力模式(如停车怠机 ，使其

6、内燃机的污染度进一步降低。宝马与丰田公司的骄傲之作V ANOS 与VVT-i 最早解决了这个问题，而2 GB20071-2006 汽车侧面碰撞的乘员保护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 - 将随后开启以改善怠速质量及平稳度。发动机处于中等转速时，进气门提前开启以增大扭矩并允许废气

7、在燃烧室中进行再循环从而减少耗油量和废气的排放。最后，当发动机转速很高时，进气门开启将再次延迟，从而发挥出最大功率。1.3 丰田VV T -i 系统VVT-i 是丰田独有的领先发动机技术，过去仅装备于丰田的进口原装高档车上。VVT-i 是“Variable Valve Timing intelligent”的缩写，意思是“智能可变配气正时”。其可以连续调节气门正时，但不能调节气门升程。它的工作原理是：当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，使凸轮轴在60的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门

8、开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。丰田VVT-i 系统，最早在可变气门发动机上获得表现的当属于本田公司于80年代中期推出VTEC 发动机。1.1 本田V TEC 系统“VTEC ”为“Variable Valve Timing and Lift Elec-tronic Control System”的缩写，中文意思为“可变气门正时及升程电子控制系统”。VTEC 作为丰田公司在1989年推出的专有技术，它能随发动机转速、负荷及水温等运行参数的变化而适当地调整配气正时和气门升程，使发动机低速时发出大扭矩，在高速时发出高功率。VTEC 系统的发动机有中低速用和高速用2组不同的气门驱动凸轮，并可

9、通过电子控制系统的自动操纵，进行自动转换。采用VTEC 系统，保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何速率运转都达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。整个VTEC 系统由发动机电子控制单元(ECU车速及水温等 的参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。1.2 宝马V ANOS 系统宝马的V ANOS 系统，即“可变凸轮轴控制系统”（Variable Camshaft Control），是基于一个能够调整进气凸轮轴与曲轴相对位置的调整机构，该技术首次应用于199

10、2年BMW 5系列搭载的M50发动机。V ANOS 技术目前的新版本是双V ANOS ，即增加了对排气凸轮轴的调整机构。宝马的V ANOS 系统，如图1所示。控制，ECU 接收发动机传感器(包括转速、进气压力、如图2所示。VVT-i 系统由传感器、电控单元、液压控制阀和控制器等部分组成，按控制器的安装部位不同而分成2种：一种是安装在排气凸轮轴上的，称为叶片式VVT-i ，比如说丰田大霸王；另一种是安装在进气凸轮轴上的，称为螺旋槽式VVT-i ，凌志400，430等高级轿车就是采用的此种形式。图2 丰田VV T -i 系统2 21世纪的可变气门技术丰田的VVTL-i 技术(Variable Va

11、lve Timing & Lift2.1 从VV T -i 到VV T L-iIntelligent ，是在原来的VVT-i 发动机上的凸轮轴，多了可以切换大小不同角度的凸轮。同时也利用摇臂机V ANOS 系统根据发动机转速和加速踏板位置来操作进气凸轮轴。在发动机转速达到最低时，进气门图1 宝马V ANOS 系统置来决定是否顶到大角度或小角度的凸轮，而作到可连续式地改变发动机的正时、重叠时间(重叠相位角 与两阶段式的升程。- 50 - VVTL-i 还运用跟VTEC 一样的方法来根本解决发动机在高转速时所需要更多的气门重叠时间与气门的开关升程深度，而不同的地方在于，摇臂内VVTL-i 是借用油

12、压使一个个销的移动来决定顶到那种尺寸的凸轮。就是这样的方式，VVTL-i 结合了VVT-i 的连续式可变正时与重叠角，与VTEC 式的凸轮轴切换，可以说是近似完美式的发动机。2.2 从V TEC 到i -V TEC在VTEC 发明12年后的2001年，也就是在丰田公司的VVTL-i 发表之后，VTEC 技术已经受到严厉的挑战，不久，本田公司再次向世界车坛推出了新一代的VTEC 技术，名为i-VTEC 系统（如图3所示）。所谓i-VTEC 系统，即在现有VTEC 系统的基础上，增加一个被称为“可变正时控制”VTC （Variable timing control）的系统，即i-VTEC=VTEC

13、+VTC（如图4所示）。此时，排气阀门的正时与开启的重叠时间是可变的，由VTC 控制，VTC 机构的导入使发动机在大范围转速内都能有合适的配气相位，使得i-VTEC 也跟VVTL-i 一样达到近似完美的可变气门发动机。 典型的VTC 系统由VTC 作动器、VTC 油压控制阀、各种传感器以及ECU 组成。VTC 作动器和VTC 油压控制阀可根据ECU 的信号产生动作，使进气凸轮轴的相位连续变化。VTC 令气门重叠时间更加精确，保证进、排气门最佳重叠时间，可将发动机功率提高20%。VTC 机构的导入，使得气门的配气相位能够“智能化”地适应发动机负荷的改变。VTC 在发动机运转过程中配合VTEC 系

14、统的作用主要运用在3个方面。1）最佳怠速/稀薄燃烧区域。在此区域内，VTC 系统停止作用，此时气门重叠角最小，由于VTEC 的作用，产生强大的涡流，从而使发动机怠速工作稳定。2）最佳油耗和排气控制区域。在此区域内，VTEC 发挥作用，产生强大的涡流，从而使可燃混合气混合更加均匀，同时VTC 的作用使气门重叠角加大，将部分废气重新吸入气缸，起到了EGR 的作用，以此达到最佳油耗和排气控制。3）最佳扭矩控制区域。在此区域内，通过VTC 的控制，以最适当的气门重叠角，同时配合VTEC 系统的作用，使得发动机的输出扭矩最大限度地提高。另外，i-VTEC 发动机采用进气歧管在前，排气歧管在后的布置。排气

15、歧管缩短了长度，也就是缩短了与三元催化器之间的距离，使三元催化器更快进入适当的工作温度，能有效控制废气排放。由于发动机启动后i-VTEC 系统就进入状态，不论低转速或者高转速VTC 都在工作，也就消除了原来VTEC 系统存在的缺陷。综上所述，由于i-VTEC 系统中VTC 机构的导入，图3 本田i -V TEC 系统两侧气缸驱动使得发动机的配气相位能够柔性地与发动机的负荷相匹配，在发动机的任何工况下，都能找到最佳的配气相位，以最佳的气门重叠角，实现中低速时低油耗和低排放，高速时高功率和大扭矩，这就像按照人类大脑的要求那样进行控制，因此被形象地称之为“智能化”VTEC 。2.3 从V ANOS

16、到V alvetronicValvetronic 是宝马公司的理想之作（如图5所示），它比VVTL-i 或i-VTEC 有更进一步的地方：首先，Valvetronic 少了节气阀的设计，使得发动机在进新鲜空气时更顺畅。它采用电子式的可变电阻，可以根据踏油门的深浅，经过可变电阻来决定进气量。其次，Valvetronic 除了可连续性变化气门正时外，还可对其图4 i-V TEC 系统结构框架- 51 - 3结论 升程进行连续性微调，这比VVTL-i 与i-VTEC 在升程上是阶段式地更进一步了。BMW 为此增加了一种额外的偏心轴，凸轮轴则又通过一个额外的摇臂系统驱动传统的气门摇臂，并且该附加摇臂与

17、气门摇臂的接触角度取决于附加偏心轴的相位。附加偏心轴的相位可以由一个ECU 控制下的调节装置来调整，从而使附加摇臂的角度发生变化，这样，对于相同的凸轮运动，传递到气门摇臂上的反应就可以不同，气门的如图6所示。从图7中可以清楚地看出目前可变气门技术的实现途径，当然，由于这一技术已经发展了有相当长的一段时间，文章所列举的只是其中的具有代表性的系统结构。总的来说，对于有凸轮轴式的可变气门系统来说，其通常是通过改变凸轮轴传动、调节摇臂、顶柱或正时皮带来达到气门正时或升程的目的，相对来说实现简单，技术较成熟，但存在调节范围有限，气的缺陷；而由无凸轮轴式的可变气门系统，其由于取消了凸轮，气门开启和关闭自由且动作迅速，同时其还可以连续改变气门正时，但其也存在缺点，最突出的就是难以精确控制，实现成本较高。相信通过发动机可变气门正时技术的逐渐成熟，将来会有越来越多的高性能发动机采用这一技术，进而最终提高动力性和经济性，降低排放。图7 可变气门技术的实现途径参考文献1 冯健璋汽车发动机原理与汽车理论M北京：机械工业出版