汽車發動機的可變氣門技術初探

魯春山

(吉林機電工程學校，吉林 吉林 132101)

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汽車發動機的可變氣門技術初探

魯春山

(吉林機電工程學校，吉林 吉林 132101)

目前，汽車發動機幾乎都在應用可變氣門技術，此系統會對發動機凸輪的相位和氣門的升程起到調節作用，從而對汽車發動機配氣過程起到一定的優化作用。闡述了發動機可變氣門的作用及發展歷史，對目前主流車型上應用的發動機正時技術和可變氣門升程技術進行了對比。

汽車發動機；可變氣門技術；正時技術

解決燃油經濟性和排放性能之間的矛盾，是汽車發動機技術提升的關鍵點。發動機可變氣門正時技術直接解決了這個問題，從早期的可變技術到現在的可變氣門技術，無論是哪款車型，都在力求推出更節能環保、更具經濟性的發動機設備系統，這樣才能在競爭激烈的市場中站穩腳跟。

1 發動機可變氣門的作用

1.1 氣門正時技術

氣門正時技術是當氣門在活塞運動中運行到某個位置，才會開啟氣門的一種控制技術。我們可以理解為，在活塞從上止點開始活動時，進氣門打開，而向下活動到達下止點時，氣門關閉?；钊麖南轮裹c開始運行，排氣升程時氣門開啟，當到達上止點時，排氣門關閉，并完成排氣過程。因為空氣慣性的原因，在排氣進氣行程中，會出現氣門疊加的情況，這時曲軸轉過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 發動機可變氣門正時技術的作用

發動機在運行過程中，有高轉速、低轉速等多種工況，而固定不變的氣門正時無法同時滿足這些工況的需求。發動機可變氣門正時技術的作用就在于，它能改變發動機氣門開啟和閉合時間，以及氣門開啟持續時間，從而滿足發動機在不同工況下的需求，因此很多車型都會采用單可變氣門正時技術，有些車型發動機還會應用雙可變氣門正時技術。

1.3 可變氣門升程技術的作用

噴油量的多少直接決定著發動機的動力性能，單位時間內進入氣罐的空氣量越多，噴油量也會越大。發動機可變氣門正時技術只能控制時間，無法改變單位時間內的進氣量。但是可變氣門升程技術可直接解決該問題，它會直接改變發動機氣門開啟的深度，也就是氣門升程，從而提供發動機轉速所需要的空氣量，直接滿足燃燒所需的氧氣。

2 可變氣門發展史

2.1 早期可變氣門技術

本田公司在20世紀80年代中期推出了VTEC發動機，在混合動力汽車快速發展的形勢下，變換動力模式時，降低內燃機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(可變氣門正時及升程電子控制系統)技術是1989年推出的，它會根據發動機的轉速、負荷和水溫等參數變化，進行配氣正時和氣門升程上的調整，其氣門驅動凸輪有兩組，可以通過電子控制系統的自動操縱進行中低速用和高速用之間的自動轉換。VTEC系統保證了發動機在任何速率下都能達到最佳的動力性、經濟性和低排放性。

寶馬VANOS(可變凸輪軸控制系統)是一個調整進氣凸輪軸與曲軸相對位置的系統。1992年，BMW5系列的M50發動機是最先應用該系統設計的。目前的雙VANOS是在排氣凸輪軸上增加了調整機制。

豐田VVT-i系統是近年來普遍應用的新技術之一，采用了發動機可變氣門正時技術，提高了進氣量，并且可以連續調節氣門正時，但不能調節氣門升程。發動機從低速轉換成高速時，電子計算機會將機油壓入凸輪軸驅動齒輪內的小渦輪，使其旋轉，凸輪軸會在60°的范圍內前后旋轉，改變進氣門的開啟時間，最終實現連續調節氣門正時的目的。

VTEC系統是由ECU(發動機電子控制單元)控制，處理轉速、水溫和進氣壓力等參數后，輸出相應的控制信號，從而根據發動機的情況，通過電磁閥調節搖臂活塞液壓系統，調節進氣門的開度和時間。

VANOS系統調整進氣凸輪軸，根據發動機的轉速和加速踏板位置的不同進行操作。發動機轉速變低時，進氣門將會開啟，從而改善怠速質量和平穩性。處于中等轉速時，進氣門提前開啟，讓廢氣在燃燒室內循環燃燒，從而減少廢氣及燃油量。發動機轉速變高時，進氣門開啟延遲，保證最大功率運轉。

2.2 現代可變氣門技術

從VVT-i到VVTL-i，是在原來的凸輪軸上增加了一個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，從而連續改變發動機正時、重疊時間進氣門和兩段式的升程。VVTL-i結合VVT-i的連續可變正時與重疊角，與VTEC式凸輪軸進行了切換，這是一個非常完美的系統。

在豐田公司推出VVTL-i后，VTEC技術已經無法滿足市場需求，因此，本田公司就推出了i-VTEC系統。這個系統是在原有的VTEC系統上加了一個VTC(可變正時控制)系統，在VTC的控制下，排氣閥門的正時和開啟的重疊時間是可變的，使發動機在任何轉速時都能有合適的配氣相位。VTC系統能保證進氣門和排氣門的最佳重疊時間，通過發動機負荷情況，直接智能改變氣門配氣相位。與原有的發動機功率相比，VTC系統可以將發動機功率提高20%，從而實現了與VVTL-i媲美的可變氣門發動機。VTEC與VTC的結合成為了i-VTEC，最佳怠速區域內VTC不會運作，只運作VTEC，會出現強大的渦流，保證發動機怠速工作的穩定性。在最佳耗油和排氣控制區域，VTEC運作產生的渦流能讓可燃混合氣混合得更均勻，VTC一同工作，氣門重疊角會變得更大，一部分廢氣會重新進入缸內，從而達到最佳耗油和排氣控制。在最佳扭矩控制區域內，需要通過VTC控制，配合VTEC系統，以提高發動機的輸出扭矩。因為在i-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。發動機啟動，i-VTEC系統工作，無論什么轉速下VTC都在運轉，所以很大程度上解決了VTEC系統的缺陷。

從VANOS到Valvetronic，比VVTL-i和i-VTEC更有優勢的方面是：第一，Valvetronic系統中并沒有節氣閥，所以空氣進入發動機時會更通順。它是根據踏油門的深淺，采用了電子式的可變電阻來決定進氣量。第二，Valvetronic具有可連續變化氣門正時、可連續性微調氣門升程。這個系統是寶馬公司的理想之作，因為在其中加了一種額外的偏心軸和搖臂系統，這個多出來的搖臂與氣門搖臂的接觸角度由附加的偏心軸的相位來決定，而中國相位的調整要由一個ECU控制下的調節裝置來決定，以改變附加搖臂的角度，因此，同樣的凸輪運動，氣門搖臂的反應是不同的，氣門的升程也會有一定的變化。

3 結語

在汽車發動機可變氣門技術中，氣門正時和氣門升程是兩個不同系統，但卻具有關聯性?？勺儦忾T技術目前已經被普遍應用到汽車發動機系統中，可變氣門技術還需要不斷改進，不僅要滿足發動機在不同工況下的需求，還要不斷探究如何更好地提高發動機的經濟性、節能性、動力性和排放性等，促進社會經濟發展。

[1] 黃國媛，沈恩華，王孟軻，汽車發動機可變氣門升程的驅動裝置：中國，CN201510119778.9 [P]．2015.

[2] 丁樹棟．基于可變氣門控制為主的汽車發動機特有技術研究[J]．科研，2017，(02)：145-146.

[3] 周玲，盧帥.發動機可變氣門正時系統冷試檢測原理及應用[J]．裝備制造技術，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，中級講師，本科。

TK

A

1674-8646(2017)04-0122-02