電控配氣系統(tǒng)分析

劉浩岳、陳華艷、徐道發(fā)

（北京吉利學(xué)院 102202)

0 引言

在汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能方面，電控配氣系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)配氣系統(tǒng)。比如，本田的i-VTEC、豐田的i-VVT、寶馬的Valvetronic等，各自都在電控配氣系統(tǒng)領(lǐng)域有所建樹。具體的優(yōu)化有進(jìn)排氣系統(tǒng)的配氣正時(shí)、可變氣門升程等。

1 常見(jiàn)的電控配氣系統(tǒng)

1.1 VVT-i（Variable Valve Timing-intelligent）技術(shù)

可變氣門正時(shí)技術(shù)（VVT-i）是一種智能可變配氣定時(shí)系統(tǒng)，為了適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)工作情況的變化而使凸輪軸與曲軸的相對(duì)位置可以連續(xù)改變，以控制配氣相位達(dá)到最佳狀態(tài)，由此改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、排放性和經(jīng)濟(jì)性（圖1）。ECU可以根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行條件，向油壓控制閥發(fā)出控制指令，調(diào)整至最佳的配氣相位。油壓控制閥根據(jù)ECU的指令向VVT-i帶輪傳送油壓，帶輪在該油壓的作用下改變凸輪軸與曲軸之間的相對(duì)相位[1]。目前該技術(shù)已經(jīng)被眾多汽車廠商所使用，如豐田A25A、9NR-FTS、8ZR-FXE等發(fā)動(dòng)機(jī)系列，同時(shí)也包括吉利和鈴木等廠商。

圖1 VVT-i凸輪軸正時(shí)鏈條端

1.2 本田的VTEC-i技術(shù)

VTEC-i采用了高低速2段式或高中低3段式電控可變配氣相位的控制機(jī)構(gòu)，其主要由高（中）低速凸輪、與之相對(duì)應(yīng)的搖臂、搖臂軸及油壓控制系統(tǒng)等組成（圖2）。搖臂軸與驅(qū)動(dòng)氣門的傳動(dòng)桿采用剛性連接，高低速凸輪分別位于傳動(dòng)桿兩側(cè)（中速位于中間），并始終與各自的凸輪相接觸，并隨凸輪的旋轉(zhuǎn)而上下擺動(dòng)。在搖臂和搖臂軸之間設(shè)有控制柱塞、控制油道及回位彈簧，搖臂軸和搖臂的傳動(dòng)靠此柱塞完成。當(dāng)柱塞連接時(shí)，搖臂和搖臂軸變?yōu)檎w同步擺動(dòng)；松開(kāi)時(shí)，搖臂可在搖臂軸上進(jìn)行空轉(zhuǎn)。此系統(tǒng)根據(jù)ECU對(duì)車輛行駛工況的判斷接收指令來(lái)制柱塞的連接狀態(tài)，以選擇高（中）低速凸輪中的1個(gè)介入工作，從而達(dá)到配氣相位和氣門升程可調(diào)的目的[2]。目前此技術(shù)搭載于本田2.0自吸發(fā)動(dòng)機(jī)及L15B2發(fā)動(dòng)機(jī)上。

圖1 VVT-i凸輪軸正時(shí)鏈條端

1.3 液壓控制式可變配氣機(jī)構(gòu)

1.3.1 有凸輪軸驅(qū)動(dòng)的液壓控制式可變配氣機(jī)構(gòu)

凸輪與氣門的傳遞途中設(shè)有一段油路，油路內(nèi)設(shè)有液壓柱塞。在凸輪工作時(shí)，通過(guò)搖臂控制凸輪升程液壓柱塞的位移量，由此產(chǎn)生的液壓傳動(dòng)來(lái)控制氣門開(kāi)啟，之后通過(guò)電磁閥控制液壓腔內(nèi)的壓力來(lái)控制氣門的升程，通過(guò)改變搖臂支點(diǎn)位置達(dá)到配氣相位調(diào)節(jié)的目的。

1.3.2 無(wú)凸輪軸液壓式可變配氣機(jī)構(gòu)

無(wú)凸輪軸液壓式可變配氣機(jī)構(gòu)主要由高壓共軌油壓室、低油壓室、三向閥、電磁閥、液壓柱塞和位移傳感器等組成。其工作方式是，由電磁閥將高壓共軌油壓室內(nèi)的油量進(jìn)行必要的分配來(lái)控制液壓柱塞位置，從而控制氣門的升程及相位。為了達(dá)到對(duì)氣門的精確控制，還專門設(shè)計(jì)了氣門升程傳感器，并由低油壓系統(tǒng)確保高油壓系統(tǒng)所需的工作油壓[3]（圖3）。

1.4 寶馬可變氣門升程技術(shù)（Valvetronic）

寶馬的Valvetronic技術(shù)是在氣門搖臂上方加入中間推桿、偏心軸及步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并使中間推桿位置發(fā)生偏移，從而使氣門升程在一定范圍內(nèi)達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)[4]（圖4）。

圖4 寶馬可變氣門升程技術(shù)

1.5 保時(shí)捷VarioCam技術(shù)

通過(guò)與VVT-i類似的正時(shí)鏈條驅(qū)動(dòng)殼與凸輪軸角度的相對(duì)位移來(lái)改變氣門正時(shí)，同時(shí)在氣門頂蓋與氣門柱之間可以發(fā)生相對(duì)位移。氣門頂蓋與氣門柱之間可以由桿連接來(lái)取消兩者之間的相對(duì)位移，在需要較低升程時(shí)使桿移出氣門，由凸輪軸中的低速凸輪驅(qū)動(dòng)。由于氣門頂蓋與氣門桿可以發(fā)生相對(duì)位移，高速凸輪帶動(dòng)氣門頂蓋進(jìn)行空轉(zhuǎn)，在高速時(shí)，桿接入氣門頂蓋與氣門桿之間，取消相而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)整氣門正時(shí)及兩級(jí)調(diào)整氣門升程的目的[5]。目前技術(shù)在保時(shí)捷Cayanna S及GTS等車型上有所應(yīng)用。

圖5 保時(shí)捷VarioCam技術(shù)

1.6 菲亞特MultiAir技術(shù)

通過(guò)保留排氣側(cè)凸輪軸的形式，獲得凸輪軸位置信號(hào)來(lái)控制進(jìn)氣側(cè)的電磁閥，從而調(diào)節(jié)油壓，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)氣門正時(shí)及升程。如圖6中所示，紅色區(qū)域?yàn)殡姶砰y及油路[6-7]。

圖6 菲亞特MultiAir技術(shù)

2 電控配氣機(jī)構(gòu)對(duì)比

2.1 根據(jù)控制形式進(jìn)行分析

目前的電控配氣機(jī)構(gòu)主要有電機(jī)控制、液壓控制及機(jī)械控制（為方便分析，本文章把VTEC-i等類似的結(jié)構(gòu)列為機(jī)械控制）。例如，液壓控制的有VVT-i、MultiAir、FreeValve等，電機(jī)控制的有Valvetronic等，機(jī)械控制的有VTEC-i等，VarioCam為機(jī)械及液壓控制結(jié)合的方式。

2.1.1 液壓控制分析

目前使用液壓控制技術(shù)的主要是VVT-i技術(shù)，此技術(shù)在保證了相對(duì)較低的成本同時(shí)，還達(dá)到了可變配氣相位的目的，從而使生產(chǎn)商可以以較低的成本，將更加環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)交到顧客手中。同為液壓控制的Freevalve及MultiAir，則由于其顛覆了傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)形式，同時(shí)需要高集成度、高控制邏輯復(fù)雜性，以及更加復(fù)雜的缸蓋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其研發(fā)及生產(chǎn)成本變高，目前也只有MultiAir實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。如果同時(shí)取消進(jìn)排氣兩側(cè)凸輪，則需要重新設(shè)計(jì)飛輪或通過(guò)其他方法以達(dá)到監(jiān)測(cè)氣缸活塞位置的目的，這樣不僅增加了研發(fā)成本，同時(shí)也增加了制造成本。MultiAir則通過(guò)保留排氣側(cè)的凸輪軸來(lái)簡(jiǎn)化其控制邏輯，降低生產(chǎn)及研發(fā)成本。

液壓控制在汽車配氣機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用還具有傳動(dòng)平穩(wěn)、質(zhì)量小、體積小、轉(zhuǎn)矩大及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[8]。但液壓傳動(dòng)也存在缺點(diǎn)，比如液壓管路存在泄露的隱患，液壓介質(zhì)會(huì)隨溫度變化而導(dǎo)致其粘度及體積等發(fā)生改變，油液中若混入空氣則會(huì)影響其工作性能并產(chǎn)生噪聲，相比電機(jī)控制會(huì)有延遲的情況[9]。

在無(wú)凸輪軸液壓式配氣機(jī)構(gòu)中，存在的問(wèn)題就是在高溫環(huán)境下，液壓管路內(nèi)可能造成空穴現(xiàn)象。隨著溫度的上升會(huì)促使液壓油發(fā)生變質(zhì)，并且溫度越高，其壽命周期就越短。液壓油變質(zhì)就會(huì)造成液壓油的氣化形成空穴，同時(shí)可能形成沉淀物，極易在較為細(xì)小的配氣機(jī)構(gòu)管路中造成堵塞，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)工作不正常。由于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要足夠緊湊，油路上很有可能會(huì)出現(xiàn)一些急轉(zhuǎn)彎，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要盡量避免急轉(zhuǎn)彎的出現(xiàn)，以防止空穴現(xiàn)象的形成。

在油液動(dòng)力原件的選擇上，使用油液泵輸送會(huì)更加穩(wěn)定和連貫，而且質(zhì)量也較輕，從而實(shí)現(xiàn)在油路內(nèi)任何工況下都有著穩(wěn)定的油路壓力，保證在發(fā)動(dòng)機(jī)以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，油路內(nèi)油壓也可以得到保持。在電磁閥的選用上，要遵循耐高溫、耐低溫、耐振、防塵和防潮，氣缸蓋要做好對(duì)電磁閥的保護(hù)，保證電磁閥可以在理想環(huán)境下工作。

為了保證液壓控制的高效，氣門旁設(shè)有氣門位移傳感器，以檢測(cè)液壓管路及壓力是否能夠控制氣門做出精確的動(dòng)作。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，各氣缸內(nèi)活塞的位置不固定，因此在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要傳感器對(duì)活塞的位置進(jìn)行檢測(cè)。筆者認(rèn)為可以引用凸輪軸位置傳感器的原理，將類似齒輪布置在飛輪旁，各氣缸不同的上止點(diǎn)分別采用不同的齒寬，通過(guò)輸出信號(hào)的脈寬，識(shí)別哪些氣缸的活塞處于上止點(diǎn)。

就維修便利性和成本來(lái)講，傳統(tǒng)凸輪軸驅(qū)動(dòng)方式采用皮帶驅(qū)動(dòng)，需要定期進(jìn)行正時(shí)皮帶的更換，若出現(xiàn)配氣機(jī)構(gòu)的機(jī)械問(wèn)題，則需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行較大規(guī)模拆解。而液壓控制式可變氣門正時(shí)系統(tǒng)，則不存在更換正時(shí)皮帶的問(wèn)題，這從某種程度上節(jié)約了汽車的維護(hù)成本。可一旦電控單元受到損壞，則需要更高的維修成本來(lái)更換電控單元，同時(shí)該機(jī)構(gòu)可能還需要定期的進(jìn)行液壓油的更換。

2.1.2 機(jī)械控制分析

機(jī)械控制式配氣機(jī)構(gòu)典型代表為VTEC-i，通過(guò)高低速凸輪的切換達(dá)到可變氣門正時(shí)及升程的目的。與VVT-i相比制造成本更高，但是延遲短，在凸輪軸切換時(shí)也會(huì)產(chǎn)生噪聲。在中高速凸輪切換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生扭矩突變并造成沖擊，影響駕駛時(shí)的舒適性。因此，為了防止這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)生，在處于同一節(jié)氣門開(kāi)度時(shí)，選擇分別采用高速或低速凸輪內(nèi)燃機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同的點(diǎn)，并在該點(diǎn)上進(jìn)行高中低速運(yùn)行模態(tài)切換。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度比VVT-i高，比Valvetronic低。

2.1.3 電機(jī)控制分析

寶馬的Valvetronic為電機(jī)控制式配氣機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)控制其氣門升程。由電機(jī)控制的配氣機(jī)構(gòu)可以對(duì)氣門升程進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，但機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，與液壓控制及機(jī)械控制相比，具有更短的延遲。

2.2 根據(jù)配氣相位及氣門升程改變情況進(jìn)行分析

VVT-i：無(wú)級(jí)改變配氣正時(shí)，不改變氣門升程。Valvetronic：不改變配氣正時(shí)，無(wú)級(jí)改變氣門升程。VTEC-i：有級(jí)（2或3級(jí)）改變配氣正時(shí)及升程。VarioCam：無(wú)級(jí)改變配氣正時(shí)，有級(jí)（2級(jí)）改變氣門升程。MultiAir：無(wú)級(jí)改變進(jìn)氣側(cè)配氣正時(shí)及氣門升程。Freevalve：無(wú)級(jí)改變進(jìn)排氣雙側(cè)配氣正時(shí)及升程。

3 改善方式

3.1 油壓及氣壓的溫度控制

可以通過(guò)冷卻液進(jìn)行冷卻，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行（圖7）。在選取油壓管路時(shí)，在考慮其強(qiáng)度的同時(shí)，也要具有較好的導(dǎo)熱性。

圖7 通過(guò)冷卻液進(jìn)行溫度控制

3.2 緩解氣門回位時(shí)的沖擊載荷

首先在氣門需要開(kāi)啟時(shí)，閥1打開(kāi)，L1內(nèi)壓力升高，氣門打開(kāi)。氣門關(guān)閉時(shí)，首先由閥2打開(kāi)，閥3可以作為限流閥使用，控制泄壓油路的流速，達(dá)到減少氣門關(guān)閉時(shí)沖擊載荷過(guò)高的問(wèn)題。可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制閥3的開(kāi)啟大小，從而來(lái)匹配各轉(zhuǎn)速所需的氣門關(guān)閉速度（圖8）。

圖8 緩解氣門回位時(shí)的沖擊載荷

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然純電動(dòng)汽車在國(guó)內(nèi)的普及效果明顯，但是通過(guò)豐田的預(yù)測(cè)圖（圖9）可以看出，直到2025年左右，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)才會(huì)有大幅度的減少，并且插電混動(dòng)（PHV）及混動(dòng)汽車（HV）的數(shù)量仍會(huì)持續(xù)增加。根據(jù)其預(yù)測(cè)，直到2050年P(guān)HV和HV的數(shù)量將會(huì)占到汽車銷售量的60%左右，高于燃料電池汽車（FCV）和純電動(dòng)汽車（EV）數(shù)量的總和。所以對(duì)內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)突破仍然很重要。

圖9 豐田對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)圖

相較于傳統(tǒng)電控配氣機(jī)構(gòu)，如VVT-i、VTEC-i等，與Freevalve及MultiAir這種具有較大調(diào)節(jié)范圍的，不受凸輪軸型線的方法，可以使氣門開(kāi)閉更加靈活可控。但成本過(guò)高，對(duì)于升程控制的精度較差。不過(guò)隨著技術(shù)的不斷完善，無(wú)凸輪軸液壓式控制機(jī)構(gòu)成本的降低，將會(huì)有更多的車企運(yùn)用這一技術(shù)，使車輛可以達(dá)到更好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性（圖10）。

圖10 目前電控配氣系統(tǒng)的使用范圍及特點(diǎn)