基于汽車發動機可變正時系統工作原理和排放的研究

嚴景明 李俊杰

摘 要：該文通過介紹汽車發動機可變正時系統常見類型，針對不同類型的可變正時系統加以分析比較，其在發動機功率的提升，以及降低發動機尾氣有害成分的排放等方面有著明顯的優勢。因此，越來越多的汽車制造商都在加速發動機可變正時系統的研究。

關鍵詞：可變正時 工作原理 排放 汽車發動機

中圖分類號：U472 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0115-02

我國汽車保有量的日趨增多，隨之而來的環保問題和能源危機，使得對汽車經濟性和排放變得嚴格，汽車制造商對汽車發動機功率及汽車排氣污染物的凈化提出了新的要求，其中發動機可變正時系統使用己極為普及，它能促進汽車有害氣體減排，提升發動機功率。在特定的發動機工況下，通過控制進氣門開啟角度提前或延遲來調整進排氣量和改變進排氣門重疊角，來實現增大進氣充量和效率，更好地組織進氣渦流，調節氣缸爆發壓力與殘余廢氣量，以改善發動機功率、扭矩、排放、燃油經濟性、舒適性等綜合性能。

1 可變正時常見類型和控制原理

大多數轎車上都可以看見VVT-i、VTE、CVVL、VVTL-i等標志，其含義就是可變配氣正時技術。VVT是連續可變氣門正時系統，是豐田車系的簡稱，該系統可以在一定角度范圍內，連續地改變氣門正時，以提高發動機動力并且降低油耗；i-VTEC是本田車系智能可變氣門正時及升程系統簡稱，和VVT相比，i-VTEC系統不但能夠連續的改變氣門正時，還能分兩級改變進氣門的升程。

1.1 本田可變氣門正時的結構和控制原理

（1）本田是世界上第一個做到氣門正式和升程控制同時進行的汽車廠家，它采用了不同角度的3個凸輪，分別帶動3個搖臂，而這3個搖臂可以在控制器的控制下，既可以獨立地打開氣門，也可以連為一體打開氣門，使得發動機無論是高速還是低速，都能得到最佳的配氣相位。

VTEC結構如圖1。

（2）可變氣門正時的控制原理。本田的i-VTEC可變氣門升程系統的結構和工作原理并不復雜，可以看作在原來的基礎上加了第三根搖臂和第三個凸輪軸。它是怎樣實現改變氣門升程的呢？可以簡單地理解為，通過3根搖臂的分離與結合一體，來實現高低角度凸輪軸的切換，從而改變氣門的升程。

①VTEC控制進氣氣門的凸輪軸有兩組不同角度的凸輪，凸輪軸不直接控制氣門，而是通過多段式搖臂來推動氣門，此搖臂內有2個受油壓控制的插銷，經由此2個插銷的移動可控制此搖臂是分成多段移動還是整個移動。（見圖2）

②在低速時讓較大角度凸輪對應的搖臂空轉，以較小角度的凸輪軸推動氣門；當轉速到達設定的臨界點，插銷移動，固定整個搖臂，讓較大角度的凸輪軸推動整個搖臂，而較小角度的凸輪軸空轉，以達到兩段式控制氣門正時和升程的目的。

1.2 豐田可變正時系統

（1）豐田VVT-i是可變配氣技術的代表系統之一，目前在我國生產的豐田皇冠、凱美瑞、卡羅拉、威馳等車型上都廣泛應用該技術。它根據發動機的轉速與負荷，操縱油壓來調整進氣凸輪軸（有些車型還可以調整排氣凸輪軸）相對正時齒輪的轉角，經過調整凸輪軸轉角配氣正時進行優化，從而提高發動機在一定轉速范圍內的動力性、燃油經濟性，降低尾氣的排放。

豐田VVT-i的結構與安裝位置（見圖3）。

豐田可變系統由：VVT-i控制單元、凸輪軸正時控制閥體、VVT傳感器和車身電腦模塊（ECU）等組成。

（2）工作原理。

豐田VVT-i能根據駕駛狀況來實時調節進排氣門達到最佳狀態，由車身電腦（ECU）控制，VVT-i控制器能夠平滑、流暢地切換氣門的開閉時機，使得氣缸內的混合氣無論發動機是在高轉速，還是在低轉速，都能夠最有效地利用，達到低油耗、低排放、強動力輸出的效果。

1.3 大眾可變正時系統

人們對燃燒式發動機的需求不斷增加，一方面，客戶要求更高的功率和扭矩；另一方面又不能對燃油經濟型和日益嚴格的排放法規視而不見。就氣門正時而言，它意味著根據發動機的轉速和負載對進氣凸輪軸和排氣凸輪軸進行調整是必不可少的。

1.4 寶馬可變正時系統

寶馬汽車公司VANOS（Variable camshaft control）是可變凸輪軸控制系統的簡稱。VANOS系統根據發動機轉速、進氣量、節氣門位置來不斷調整凸輪軸的位置對進排氣門的開啟時刻。

怠速時：當發動機在怠速工況時，對凸輪軸進行設置使得進氣凸輪軸較晚打開，并且較晚關閉。排氣凸輪軸被設置成在上止點之前完全關閉。高速時：當在很高的發動機轉速時，為了獲得較高的輸出功率，必須使得排氣門較晚打開。

（1）電子氣門的結構。

寶馬汽車電子氣門的構成如圖4所示。為了確定最佳的氣缸氣量，需要電子氣門來調節氣門的行程。其中，1為伺服電動機；2為蝸桿；3為扭轉彈簧；4為固定架；5為進氣凸輪軸；6為斜臺；7為HVA；8為進氣門；9為排氣門；10為滾子式氣門壓桿；11為HVA；12為滾子式氣門壓桿；13為中間推桿；14為偏心軸；15為蝸輪；16為排氣凸輪軸。

（2）可變氣門正時控制機構VANOS的工作原理。

寶馬的Valvetronic可變氣門升程系統，主要是通過在其配氣機構上增加偏心軸、伺服電機和中間推桿等部件來改變氣門升程。當電動機工作時，蝸輪蝸桿機構會驅動偏心軸發生旋轉，再通過中間推桿和搖臂推動氣門。偏心輪旋轉的角度不同，凸輪軸通過中間推桿和搖臂推動氣門產生的升程也不同，從而實現對氣門升程的控制。

2 可變正時與發動機排放的關系

發動機可變氣門正時系統是近年來被逐步應用于轎車上的新技術。現代發動機采用可變氣門正時系統，除了在一定程度上改善了廢氣排放之外，也能提高發動機扭矩等，滿足人們的需求。傳統的氣門正時系統因為是不可變的，所以只能按照某一種工況來設定配氣正時，也就是說，僅僅在該種工況下可以獲得最理想的充氣系數、最佳的動力輸出，而在別的工況下因為充氣系數降低，發動機的功率輸出也相應降低。

3 結語

隨著節能減排要求日益嚴格，對于汽車經濟性和排放性能控制變得日益重要，汽車發動機可變正時系統與傳統氣門正時系統相比，在發動機動力性、燃油經濟性及排放性方面有著明顯的優勢，所以有必要對汽車發動機可變正時系統加以探索研究。

參考文獻

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