可变气门驱动机构

1、可变气门驱动机构  气门可变驱动机构发动机的进气门和排气门的开启开始与关闭终止的时刻，通常以曲轴转角来表示，称为配气相位。由于发动机工作时的转速很高，四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒，这么短促的时间往往会引起发动机进气不足，排气不净，造成功率下降。因此，设计师为了解决这一个问题，一般发动机都采用延长进，排气门的开启时间，增大气体的进出容量以改善进，排气门的工作状态，藉以提高发动机的性能。从配气相位图上可以看出活塞从上止点移到下正点的进气过程中（绿色），进气门会提前开启（）和延迟关闭（）。当发动机作功完毕，活塞从下止点移到上止点的排气过程中（桔色），排气门会提前开启（

2、）和延迟关闭（）。十分明显，这种延长气门开启时间的做法，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻，配气相位上称为“重叠阶段”，可能会造成废气倒流。这种现象在发动机的转速仅1000转以下的怠速时候最明显（怠速工作下的“重叠阶段”时间是中等速度工作条件下的7倍）。这容易造成怠速工作不畅顺，振动过大，功率下降等现象。尤其是采用四气门的发动机，由于“帘区”值大，“重叠阶段”更容易造成怠速运转不畅顺的现象。设计师为了消除这一缺陷，就以“变”对“变”，采用了“可变式”的气门驱动机构。可变式气门驱动机构就是在发动机急速工作时减少气门行程，缩少“帘区值”，而在发动机高速工作时增大气门行程，扩大“帘区值”，改

3、变“重叠阶段”的时间，使发动机在高转速时能提供强大的马力，在低转速时又能产生足够的扭力。从而改善了发动机的工作性能。现代轿车发动机上的气门可变驱动机构能根据轿车的运行状况，随时改变配气相位，改变气门升程和气门开启的持续时间，它们的凸轮轴，凸轮轴上的凸轮和气门挺杆等元件是可以变动的。发动机上的气门可变驱动机构可以通过两种形式实现，一种是凸轮轴和凸轮可变系统，就是通过凸轮轴或者凸轮的变换来改变配气相位和气门升程；另一种是气门挺杆可变系统，工作时凸轮轴和凸轮不变动，气门挺杆，摇臂或拉杆靠机械力或者液压力的作用而改变，从而改变配气相位和气门升程。丰田VVTi发动机近年生产的丰田轿车，大都装配了标注有“

4、VVTi”字样的发动机，经过商业宣传，很多人已经知道VVTi这一新名词，但它的具体内容却鲜为人知。VVT是英文缩写，全称是“Variable Valve Timing”，中文意思是“可变气门正时”，由于采用电子控制单元（ECU）控制，因此丰田起了一个好听的中文名称叫“智慧型可变气门正时系统”。该系统主要控制进气门凸轮轴，又多了一个小尾巴“i”，就是英文“Intake”（进气）的代号。这些就是“VVTi”的字面含义了。VVTi是一种控制进气凸轮轴气门正时的装置，它通过调整凸轮轴转角配气正时进行优化，从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性，降低尾气的排放。VVTi系统由传感器、ECU和

5、凸轮轴液压控制阀、控制器等部分组成。ECU储存了最佳气门正时参数值，曲轴位置传感器、进气歧管空气压力传感器、节气门位置传感器、水温传感器和凸轮轴位置传感器等反馈信息汇集到ECU并与预定参数值进行对比计算，计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀，控制阀根据ECU指令控制机油槽阀的位置，也就是改变液压流量，把提前、滞后、保持不变等信号指令选择输送至VVTi控制器的不同油道上。VVTi系统视控制器的安装部位不同而分成两种，一种是安装在排气凸轮轴上的，称为叶片式VVTi，丰田PREVIA（大霸王）安装此款。另一种是安装在进气凸轮轴上的，称为螺旋槽式VVTi，丰田凌志400、430等高级轿车

6、安装此款。两者构造有些不一样，但作用是相同的。叶片式VVTi控制器由驱动进气凸轮轴的管壳和与排气凸轮轴相耦合的叶轮组成，来自提前或滞后侧油道的油压传递到排气凸轮轴上，导致VVTi控制器管壳旋转以带动进气凸轮轴，连续改变进气正时。当油压施加在提前侧油腔转动壳体时，沿提前方向转动进气凸轮轴；当油压施加在滞后侧油腔转动壳体时，沿滞后方向转动进气凸轮轴；当发动机停止时，凸轮轴液压控制阀则处于最大的滞后状态。螺旋槽式VVTi控制器包括正时皮带驱动的齿轮、与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮，以及一个位于内齿轮与外齿轮之间的可移动活塞，活塞表面有螺旋形花键，活塞沿轴向移动，会改变内、外齿轮的相位，从而产生气门配气

7、相位的连续改变。当机油压力施加在活塞的左侧，迫使活塞右移，由于活塞上的螺旋形花键的作用，进气凸轮轴会相对于凸轮轴正时皮带轮提前某个角度。当机油压力施加在活塞的石侧，迫使活塞左移，就会使进气凸轮轴延迟某个角度。当得到理想的配气正时，凸轮轴正时液压控制阀就会关闭油道使活塞两侧压力平衡，活塞停止移动。现在，先进的发动机都有“发动机控制模块”（ECM），统管点火、燃油喷射、排放控制、故障检测等。丰田VVTi发动机的ECM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

8、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。  雅阁搭载的是本田公司全面面向二十一世纪而开发的i系列中的i-VTEC发动机，其目的是为了更好的提高发动机燃油效率、降低排放，同时又保证有足够的动力输出以满足驾驶乐趣的需要。i-VTEC技术作为本田公司VTEC技术的升级技术，其不仅完全保留了VTEC技术的优点，而且加入了当今世界流行的智能化控制理念，在提高燃油效率，降低有害物排放方面堪称国际水平，这在环境日益恶化、能源日益枯竭的今天有着特殊的意义。为便于更好地理解I-VTEC技术，我们先介绍一下VTEC系统。普通的发动机在制造出

9、来后，配气相位和气门升程就固定不变了，无法适应不同转速下发动机对进排气的需求。因此，传统的发动机设计人员在考虑凸轮轴型线时都采用折衷方案，既要照顾高速也要考虑低速。但是这种综合考虑的设计方案在某种程度上限制了发动机的性能，已远远不能满足现在车用发动机的要求。因此，人们希望能够有这样一种发动机，其凸轮型线能够适应任何转速，不论在高速还是低速都能得到最佳的配气相位。于是，可变配气相位控制机构应运而生。在可变配气相位控制机构中比较有代表性的便是本田公司的VTEC系统。本田公司在1989年推出了自行研制的“可变气门正时和气门升程电子控制系统”，英文全“Variable Valve 

10、Timing and Valve Life Electronic Control System”，缩写就是“VTEC”，是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统。本田的VTEC发动机一直是享有“可变气门发动机的代名词”之称，它不只是输出马力超强，它还具有低转速时尾气排放环保、低油耗的特点，而这样完全不同的特点在同一个发动机上面出现，就因为它在一支凸轮轴上有多种不同角度的凸轮。与很多普通发动机一样，VTEC发动机每缸有4气门（2进2排）、凸轮轴和摇臂等，但与普通发动机不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法。中、

11、低转速用小角度凸轮，在中低转速下两气门的配气相位和升程不同，此时一个气门升程很小，几乎不参与进气过程，进气通道基本上相当于两气门发动机，但是由于进气的流动方向不通过气缸中心，故能产生较强的进气涡流，对于低速，尤其是冷车条件下有利于提高混合气均匀度、增大燃烧速率、减少壁面激冷效应和余隙的影响，使燃烧更加充分，从而提高了经济性，并大幅降低了HC、CO的排放；而在高转速时，通过VTEC电磁阀控制液压油的走向，使得两进气摇臂连成一体并由开启时间最长、升程最大的进气凸轮来驱动气门，此时两进气门按照大凸轮的轮廓同步进行。与低速运行相比，大大增加了进气流通面积和开启持续时间，从而提高了发动机高速时的动力性。

12、这两种完全不同性能表现的输出曲线，本田的工程师使它们在同一个发动机上实现了，并且形象地称之为 “平时的柔和驾驶”与“战时的激烈驾驶”。但是VTEC系统对于配气相位的改变仍然是阶段性的，也就是说其改变配气相位只是在某一转速下的跳跃，而不是在一段转速范围内连续可变。为了改善VTEC系统的性能，本田不断进行创新，推出了i-VTEC系统。简单地说，i-VTEC系统是在VTEC系统的基础上，增加了一个称为VTC（Variable timing control“可变正时控制”）的装置一组进气门凸轮轴正时可变控制机构，即i-VTEC=VTEC+VTC。此时，排气阀门的正时与开启

13、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，这在很大程度上提高了发动机的性能。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、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系统的作用主要运用在三个方面。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V

14、TEC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、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-VTE

15、C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，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、低排放，高速时高功率、大扭矩，这就象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。  1、概述近几十年来，基于提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污的要求，许多国家和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力进行新技术的研究与开发。目前，这些新技术和新方法，有的已在内燃机上

16、得到应用，有些正处于发展和完善阶段，有可能成为未来内燃机技术的发展方向。 发动机可变气门正时技术(VVT, Variable Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，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。2、可变气门正时理论合理选择配气正时，保证最好的充气效率hv，是改善发动机性能极为重要的技术问题。分析内燃机的工作原理，不难得出这样的结论：在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变对充气效率hv影响最大。进气门迟闭角改变对充气效率hv和发动机功率的影响关系可以通过图1进一步给以说明。 图1

17、中每条充气效率hv曲线体现了在一定的配气正时下，充气效率hv随转速变化的关系。如迟闭角为40°时，充气效率hv是在约1800r/min的转速下达到最高值，说明在这个转速下工作能最好地利用气流的惯性充气。当转速高于此转速时，气流惯性增加，就使一部分本来可以利用气流惯性进入汽缸的气体被关在汽缸之外，加之转速上升，流动阻力增加，所以使充气效率hv下降。当转速低于此转速时，气流惯性减小，压缩行程初始时就可能使一部分新鲜气体被推回进气管，充气效率hv也下降。 图中不同充气效率hv曲线之间，体现了在不同的配气正时下，充气效率hv随转速变化的关系。不同的进气迟闭角与充气效率hv曲线最大值相当的转速

18、不同，一般迟闭角增大，与充气效率hv曲线最大值相当的转速也增加。迟闭角为40°与迟闭角为60°的充气效率hv曲线相比，曲线最大值相当的转速分别为1800r/min和2200r/min 。由于转速增加，气流速度加大，大的迟闭角可充分利用高速的气流惯性来增加充气。 改变进气迟闭角可以改变充气效率hv曲线随转速变化的趋向，以调整发动机扭矩曲线，满足不同的使用要求。不过，更确切地说，加大进气门迟闭角，高转速时充气效率hv增加有利于最大功率的提高，但对低速和中速性能则不利。减小进气迟闭角，能防止气体被推回进气管，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。因此，理想的气门正时应当是根据发动

19、机的工作情况及时做出调整，应具有一定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构来说，由于在工作中无法做出相应的调整，也就难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。3、在Passat B5轿车上的应用3.1 可变气门正时的结构与传动   Passat B5轿车最新选用2.8升V6发动机，该发动机对可变气门正时进行了特别设计。从俯视观察，其传动方式以及进排气凸轮轴分布如图2所示，排气凸轮轴安装在外侧，进气凸轮轴安装在内侧。曲轴通过齿形皮带首先驱动排气凸轮轴，排气凸轮轴通过链条驱动进气凸轮轴。3.2 可变气门正时调节器 如图3所示，（a）图为发动机在高速状态下，为了

20、充分利用气体进入汽缸的流动惯性，提高最大功率，进气门迟闭角增大后的位置（轿车发动机通常工作在高速状态下，所以这一位置为一般工作位置）。（b）图为发动机        在低速状态下，为了提高最大扭矩，进气门迟闭角减少的位置。进气凸轮轴由排气凸轮轴通过链条驱动，两轴之间设置一个可变气门正时调节器，在内部液压缸的作用下，调节器可以上升和下降。 当发动机转速下降时，可变气门正时调节器下降，上部链条被放松，下部链条作用着排气凸轮旋转拉力和调节器向下的推力。由于排气凸轮轴在曲轴正时皮带的作用下不可能逆时针反旋，所以进气凸轮轴受到两个力的

21、共同作用：一是在排气凸轮轴正常旋转带动下链条的拉力；二是调节器推动链条，传递给排气凸轮的拉力。进气凸轮轴顺时针额外转过角，加快了进气门的关闭，亦即进气门迟闭角减少度。 当转速提高时，调节器上升，下部链条被放松。排气凸轮轴顺时针旋转，首先要拉紧下部链条成为紧边，进气凸轮轴才能被排气凸轮轴带动旋转。就在下部链条由松变紧的过程中，排气凸轮轴已转过角，进气凸轮才开始动作，进气门关闭变慢了，亦即进气门迟闭角增大度。3.3 两种工作状态 从图2和图3不难看出，该发动机左侧和右侧的可变气门正时调节器操作方向始终要求相反。当发动机的左侧可变气门正时调节器向下运动时，右侧可变气门正时调节器向上运动，左侧链条紧边在下边，右侧链条紧边在上边。调节器向下移动时，紧边链条都是由