理想可變配氣相位技術分析

張 文

（山東華宇職業技術學院 山東 德州 253034）

汽車新技術正朝著提高汽車經濟性、安全性、舒適性和環保性方向快速發展。大量電子控制技術的應用，使汽車對經濟性、安全性、舒適性和環保性等性能變化可以進行精確的控制，使汽車的各種性能可隨發動機工況變化而更加合理的精確的進行變化。例如，電控燃油噴射系統、點火正時、怠速控制等技術的發展，實現了對可燃混合氣濃度的精確控制，使可燃混合氣可以完全燃燒，提高了經濟性，減少環境污染。可變配氣相位技術雖在很大程度上提高了發動機的動力性能。但都沒有完全實現理想的可變配氣相位變化。

1 發動機動力性能對配氣相位的理想要求

1.1 影響充氣系數的主要因素

（1）壓縮比

提高壓縮比，使氣缸余隙容積相對減少，氣缸內殘余廢氣量相對減少，進氣初期廢氣膨脹后所占空間減少，新鮮混合氣所占空間增大，從而增大了進氣量，充氣系數提高。

（2）進氣終了參數

1）進氣終了壓力

進氣終了壓力是指進氣行程末期氣缸內的可燃混合氣壓力，提高進氣末期氣缸內的壓力，相對增大了缸內可燃混合氣的密度，增大了進氣量，使充氣系數增加。

2）進氣終了溫度

新鮮混合氣在進入氣缸的過程中和在氣缸中，總要受高溫機件和殘余廢氣加熱的影響，混合氣受熱越多，溫度升高越多，氣體的密度越小，充氣系數就越小。降低進氣終了溫度，可提高充氣系數。

（3）排氣終了壓力

由于排氣系統阻力的存在，排氣終了時缸內殘余廢氣的壓力總要高于大氣壓力。排氣終了時缸內壓力高、密度大，廢氣量多，殘余廢氣系數就大，充氣系數下降。殘余廢氣的壓力，主要取決于排氣系統的阻力，特別是排氣門處的阻力。降低排氣阻力，可提高充氣系數。

（4）負荷

汽油機的功率調節屬于量調節，是靠調節節氣門的開度來調節負荷的大小，負荷小，節氣門開度小，節氣門處節流損失增加，使進氣阻力增大，進氣終了壓力減小，充氣系數減小。

（5）轉速

氣體流動阻力除了與進排氣系統的結構有關外，還取決于氣體的流速。氣體流動阻力與流速的平方成正比，而流速與轉速成正比。所以氣體流動阻力與發動機轉速成正比，轉速升高，氣體流速增高，流動阻力增大，充氣系數減少。

1.2 各配氣相位角的變化對充氣系數的影響

氣門的形狀結構尺寸及氣門升程對進氣過程形成的進氣阻力，相比與以上幾種因素形成的進氣阻力都要大。在氣門的形狀結構不變的情況下，氣門升程和相位角的變化對進氣效率的影響就是最大的了。

（1）進氣提前角

進氣提前角主要影響了進氣初期氣門開啟程度。在發動機轉速不變的情況下，提前角減小，氣門開啟時刻遲后，氣門開啟程度減小。提前角增大，則氣門開啟時刻提前，使進氣初期進氣門開啟程度增大。發動機的轉速對充氣效率有直接的影響，氣門的開啟程度對充氣效率也有直接的影響。要求進氣提前角要隨發動機轉速的變化而變化。即發動機轉速升高，進氣提前角增大，轉速降低，進氣提前角減小。

（2）進氣遲后角

進氣遲后角的大小直接影響到了進氣行程末期利用慣性進氣增壓的效果。在發動機轉速不變的情況下，如進氣遲后角減小，氣門提早關閉，不能充分利用氣體運動慣性，達到增加進氣量的目的。如果遲后角過大，則會產生進氣倒流的現象。而活塞運動速度決定了氣體流動的速度。為了更好的利用氣體流動慣性。要求進氣遲后角隨發動機轉速的改變而改變。轉速低時，遲后角要相應的減小。轉速升高時，遲后角相應的增大。

（3）排氣提前角

排氣提前角小，可使因排氣門提前打開而引起的膨脹功損失小，但相對應的將導致活塞上行推動廢氣所消耗的壓縮功增大。反之，排氣提前角大，膨脹功損失大，壓縮功的損失減小。最有利的排氣提前角是使膨脹功和壓縮功損失之和最小。

（4）排氣遲后角

排氣遲后角小，導致排氣終了氣缸壓力增高，降低充氣系數。過小可導致廢氣倒流入進氣歧管，引起回火現象。排氣遲后角大，可充分利用廢氣流動慣性，將廢氣排除的更徹底，增大充氣系數。但過大將導致排氣管內的廢氣倒流入氣缸內。

因此，選擇適當的配氣相位，可獲得較高的充氣系數。

1.3 發動機對配氣相位的理想要求

發動機功況是不斷變化的，為使發動機的性能時刻保持在最佳狀態，達到即能實現高速、大功率，又不犧牲低速轉矩特性，同時還可燃油消耗率保持在最低水平，在更大程度上減少排氣污染。這就要求充氣系數需隨發動機功況的變化而實時變化。因此，配氣相位也應能隨發動機的變化而實時變化。理想的配氣相位和氣門升程的變化規律是：隨發動機轉速的升高，進排氣提前角、遲后角要同時增大。即同時增大進、排氣門的開啟持繼角及增大氣門升程。反之，轉速降低，進排氣的提前角和遲后角均應減小，即同時減小進、排氣門的開啟持繼角及減小氣門升程。且各種變化過程均應是連續的變化過程。采用凸輪驅動配氣機構，要滿足這一變化規律的要求，則凸輪的輪廓線必須隨發動機工作狀態變化而變化。

目前，采用鋼性凸輪配氣相位技術是無法滿足這一要求的，鋼性凸輪的輪廓線是無法改變的。它只能保證在一種狀態下使發動機性能達到最佳狀態。如設定在高速狀態時，在低速時充氣效率必將下降。反之，在低速狀態設定為最佳值時，則高速時的充氣效率必將下降。而現階段采用的可變配氣相位技術也只能是部分滿足發動機工況變化的要求。

2 現行可變配氣相位技術的特點

2.1 MIVEC 方式

為高、低速2段式配氣相位和氣門升程可變的控制機構。高、低速凸輪的輪廓線不同，使各相位角和氣門升程也不同。只能在兩種工況下滿足理想變化規律的要求。但在兩級外的工況中，還不能滿足要求，必然存在一定的功率損失。

2.2 VVT 方式

此種技術的特點是進、排氣門提前和遲后角及氣門的升程在一定范圍內可實現連續變化，即氣門重疊角是實時連續變化。而進、排氣氣門的開啟持續角還是無法改變的，不能實現理想的可變配氣變化要求。

2.3 MultiAir系統

此種技術的特點是，實現了持續角和升程多級變化。以上幾種技術，在很大程度上實現了相位和升程的可變性，提高了發動機動力性能。由于采用凸輪驅動氣門的控制方式，均未能實現持續角和升程實時連續的變化。要想實現理想的可變配氣技術，必須打破凸輪輪廓線的約束，即采用無凸輪驅動方式。

3 無凸輪驅動技術分析

3.1 電磁閥控制氣門方式

這種驅動方式的基本結構是由上、下電磁閥和上、下氣門彈簧及氣門和銜鐵組成。上電磁閥控制氣門配氣相位，下電磁閥控制氣門升程，電磁線圈通電狀況不同，持續角和升程可連續變化。結構簡單，控制靈活。但氣門運動規律不能精確控制，會受到氣門落座的沖擊；電磁機構效率低，消耗功率大；尺寸大，成本高；電磁鐵有升溫現象，會影響驅動力的控制。如解決了以上技術難點，則為最理想的可變相位技術。

3.2 電液控制氣門

液壓活塞與氣門相連，通過電磁法控制液壓缸內高低壓液體的運動控制活塞，活塞帶動氣門在液壓腔中做上下往復運動。活塞上端面的控制室與高壓源和低壓源相連，下端面的液壓腔始終與高壓源相通，壓力保持恒定。由于液壓作用面積不同，使上、下端面產生壓力差驅動氣門向下運動。通過控制高、低壓電磁閥的開啟與關閉，改變控制室的壓力，就可以實現氣門運動的可變。電液式控制的自由度更大，能控制氣門運行的速度，但是其動態響應速度卻比電磁式要差。

4 結束語

發動機工況的變化，對配氣相位的要求是：不但相位角要隨之變化，且持續角和升程也要隨之變化。而采用凸輪控制氣門技術，無法同時滿足這些要求，只有采用無凸輪控制氣門技術，才能實現理想的工況要求。