汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門技術(shù)初探

魯春山

(吉林機(jī)電工程學(xué)校，吉林 吉林 132101)

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汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門技術(shù)初探

魯春山

(吉林機(jī)電工程學(xué)校，吉林 吉林 132101)

目前，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎都在應(yīng)用可變氣門技術(shù)，此系統(tǒng)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪的相位和氣門的升程起到調(diào)節(jié)作用，從而對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣過(guò)程起到一定的優(yōu)化作用。闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門的作用及發(fā)展歷史，對(duì)目前主流車型上應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)技術(shù)和可變氣門升程技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；可變氣門技術(shù)；正時(shí)技術(shù)

解決燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能之間的矛盾，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提升的關(guān)鍵點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)直接解決了這個(gè)問(wèn)題，從早期的可變技術(shù)到現(xiàn)在的可變氣門技術(shù)，無(wú)論是哪款車型，都在力求推出更節(jié)能環(huán)保、更具經(jīng)濟(jì)性的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備系統(tǒng)，這樣才能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中站穩(wěn)腳跟。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門的作用

1.1 氣門正時(shí)技術(shù)

氣門正時(shí)技術(shù)是當(dāng)氣門在活塞運(yùn)動(dòng)中運(yùn)行到某個(gè)位置，才會(huì)開(kāi)啟氣門的一種控制技術(shù)。我們可以理解為，在活塞從上止點(diǎn)開(kāi)始活動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣門打開(kāi)，而向下活動(dòng)到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，氣門關(guān)閉。活塞從下止點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)行，排氣升程時(shí)氣門開(kāi)啟，當(dāng)?shù)竭_(dá)上止點(diǎn)時(shí)，排氣門關(guān)閉，并完成排氣過(guò)程。因?yàn)榭諝鈶T性的原因，在排氣進(jìn)氣行程中，會(huì)出現(xiàn)氣門疊加的情況，這時(shí)曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度就是氣門疊加角，如圖所示。

圖1 配氣相位圖Fig.1 Value timing diagram

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)的作用

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，有高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速等多種工況，而固定不變的氣門正時(shí)無(wú)法同時(shí)滿足這些工況的需求。發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)的作用就在于，它能改變發(fā)動(dòng)機(jī)氣門開(kāi)啟和閉合時(shí)間，以及氣門開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間，從而滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的需求，因此很多車型都會(huì)采用單可變氣門正時(shí)技術(shù)，有些車型發(fā)動(dòng)機(jī)還會(huì)應(yīng)用雙可變氣門正時(shí)技術(shù)。

1.3 可變氣門升程技術(shù)的作用

噴油量的多少直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入氣罐的空氣量越多，噴油量也會(huì)越大。發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)只能控制時(shí)間，無(wú)法改變單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)氣量。但是可變氣門升程技術(shù)可直接解決該問(wèn)題，它會(huì)直接改變發(fā)動(dòng)機(jī)氣門開(kāi)啟的深度，也就是氣門升程，從而提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所需要的空氣量，直接滿足燃燒所需的氧氣。

2 可變氣門發(fā)展史

2.1 早期可變氣門技術(shù)

本田公司在20世紀(jì)80年代中期推出了VTEC發(fā)動(dòng)機(jī)，在混合動(dòng)力汽車快速發(fā)展的形勢(shì)下，變換動(dòng)力模式時(shí)，降低內(nèi)燃機(jī)的污染度成為了重要的研究方向，最早是寶馬和豐田公司研究的。

本田VTEC(可變氣門正時(shí)及升程電子控制系統(tǒng))技術(shù)是1989年推出的，它會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和水溫等參數(shù)變化，進(jìn)行配氣正時(shí)和氣門升程上的調(diào)整，其氣門驅(qū)動(dòng)凸輪有兩組，可以通過(guò)電子控制系統(tǒng)的自動(dòng)操縱進(jìn)行中低速用和高速用之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。VTEC系統(tǒng)保證了發(fā)動(dòng)機(jī)在任何速率下都能達(dá)到最佳的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和低排放性。

寶馬VANOS(可變凸輪軸控制系統(tǒng))是一個(gè)調(diào)整進(jìn)氣凸輪軸與曲軸相對(duì)位置的系統(tǒng)。1992年，BMW5系列的M50發(fā)動(dòng)機(jī)是最先應(yīng)用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。目前的雙VANOS是在排氣凸輪軸上增加了調(diào)整機(jī)制。

豐田VVT-i系統(tǒng)是近年來(lái)普遍應(yīng)用的新技術(shù)之一，采用了發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)，提高了進(jìn)氣量，并且可以連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時(shí)，但不能調(diào)節(jié)氣門升程。發(fā)動(dòng)機(jī)從低速轉(zhuǎn)換成高速時(shí)，電子計(jì)算機(jī)會(huì)將機(jī)油壓入凸輪軸驅(qū)動(dòng)齒輪內(nèi)的小渦輪，使其旋轉(zhuǎn)，凸輪軸會(huì)在60°的范圍內(nèi)前后旋轉(zhuǎn)，改變進(jìn)氣門的開(kāi)啟時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時(shí)的目的。

VTEC系統(tǒng)是由ECU(發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元)控制，處理轉(zhuǎn)速、水溫和進(jìn)氣壓力等參數(shù)后，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，從而根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況，通過(guò)電磁閥調(diào)節(jié)搖臂活塞液壓系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進(jìn)氣門的開(kāi)度和時(shí)間。

VANOS系統(tǒng)調(diào)整進(jìn)氣凸輪軸，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速踏板位置的不同進(jìn)行操作。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變低時(shí)，進(jìn)氣門將會(huì)開(kāi)啟，從而改善怠速質(zhì)量和平穩(wěn)性。處于中等轉(zhuǎn)速時(shí)，進(jìn)氣門提前開(kāi)啟，讓廢氣在燃燒室內(nèi)循環(huán)燃燒，從而減少?gòu)U氣及燃油量。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變高時(shí)，進(jìn)氣門開(kāi)啟延遲，保證最大功率運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 現(xiàn)代可變氣門技術(shù)

從VVT-i到VVTL-i，是在原來(lái)的凸輪軸上增加了一個(gè)可以切換大小不同角度的凸輪，利用搖臂位置決定定到什么角度的凸輪，從而連續(xù)改變發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)、重疊時(shí)間進(jìn)氣門和兩段式的升程。VVTL-i結(jié)合VVT-i的連續(xù)可變正時(shí)與重疊角，與VTEC式凸輪軸進(jìn)行了切換，這是一個(gè)非常完美的系統(tǒng)。

在豐田公司推出VVTL-i后，VTEC技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)需求，因此，本田公司就推出了i-VTEC系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是在原有的VTEC系統(tǒng)上加了一個(gè)VTC(可變正時(shí)控制)系統(tǒng)，在VTC的控制下，排氣閥門的正時(shí)和開(kāi)啟的重疊時(shí)間是可變的，使發(fā)動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速時(shí)都能有合適的配氣相位。VTC系統(tǒng)能保證進(jìn)氣門和排氣門的最佳重疊時(shí)間，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷情況，直接智能改變氣門配氣相位。與原有的發(fā)動(dòng)機(jī)功率相比，VTC系統(tǒng)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高20%，從而實(shí)現(xiàn)了與VVTL-i媲美的可變氣門發(fā)動(dòng)機(jī)。VTEC與VTC的結(jié)合成為了i-VTEC，最佳怠速區(qū)域內(nèi)VTC不會(huì)運(yùn)作，只運(yùn)作VTEC，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)大的渦流，保證發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工作的穩(wěn)定性。在最佳耗油和排氣控制區(qū)域，VTEC運(yùn)作產(chǎn)生的渦流能讓可燃混合氣混合得更均勻，VTC一同工作，氣門重疊角會(huì)變得更大，一部分廢氣會(huì)重新進(jìn)入缸內(nèi)，從而達(dá)到最佳耗油和排氣控制。在最佳扭矩控制區(qū)域內(nèi)，需要通過(guò)VTC控制，配合VTEC系統(tǒng)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩。因?yàn)樵趇-VTEC中，排氣管變短，可讓三元催化器溫度提升變快，以更好地控制廢氣的排放。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，i-VTEC系統(tǒng)工作，無(wú)論什么轉(zhuǎn)速下VTC都在運(yùn)轉(zhuǎn)，所以很大程度上解決了VTEC系統(tǒng)的缺陷。

從VANOS到Valvetronic，比VVTL-i和i-VTEC更有優(yōu)勢(shì)的方面是：第一，Valvetronic系統(tǒng)中并沒(méi)有節(jié)氣閥，所以空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)會(huì)更通順。它是根據(jù)踏油門的深淺，采用了電子式的可變電阻來(lái)決定進(jìn)氣量。第二，Valvetronic具有可連續(xù)變化氣門正時(shí)、可連續(xù)性微調(diào)氣門升程。這個(gè)系統(tǒng)是寶馬公司的理想之作，因?yàn)樵谄渲屑恿艘环N額外的偏心軸和搖臂系統(tǒng)，這個(gè)多出來(lái)的搖臂與氣門搖臂的接觸角度由附加的偏心軸的相位來(lái)決定，而中國(guó)相位的調(diào)整要由一個(gè)ECU控制下的調(diào)節(jié)裝置來(lái)決定，以改變附加搖臂的角度，因此，同樣的凸輪運(yùn)動(dòng)，氣門搖臂的反應(yīng)是不同的，氣門的升程也會(huì)有一定的變化。

3 結(jié)語(yǔ)

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門技術(shù)中，氣門正時(shí)和氣門升程是兩個(gè)不同系統(tǒng)，但卻具有關(guān)聯(lián)性。可變氣門技術(shù)目前已經(jīng)被普遍應(yīng)用到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，可變氣門技術(shù)還需要不斷改進(jìn)，不僅要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的需求，還要不斷探究如何更好地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、動(dòng)力性和排放性等，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

[1] 黃國(guó)媛，沈恩華，王孟軻，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門升程的驅(qū)動(dòng)裝置：中國(guó)，CN201510119778.9 [P]．2015.

[2] 丁樹(shù)棟．基于可變氣門控制為主的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)特有技術(shù)研究[J]．科研，2017，(02)：145-146.

[3] 周玲，盧帥.發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)冷試檢測(cè)原理及應(yīng)用[J]．裝備制造技術(shù)，2015，(09)：67-69.

Researchonvariablevalvetechnologyofautomobileengine

LUChun-shan

(JilinMechanicalandElectricalEngineeringSchool,Jilin132101,China)

At present, the application of variable valve technology has been almost applied to all of automobile engines, and the system can play a regulatory role in engine cam phase and valve lift with the optimizing function in gas distribution process of automobile engine. The role and development history of engine variable valve are expounded, and the engine timing technology and variable valve lift technology applied in the mainstream vehicle models are compared.

Automobile engine; Variable valve technology; Timing technology

2016-12-29

魯春山(1974-)，男，中級(jí)講師，本科。

TK

A

1674-8646(2017)04-0122-02