常見連續可變配氣正時及氣門升程控制系統詳解

◆文/吉林 武忠

一、相位角及其功用

進、排氣門相對于上、下止點早開、晚關的四個角度叫做進、排氣相位角。它們的取值關系到增大進氣充量、減小換氣損失和阻力等性能的優化。圖1為用于表示四個相位角的相位圖，在一定條件下使發動機充氣效率最大的相位角稱為最佳相位角。圖內部數值為自然吸氣型發動機的最佳相位角范圍，圖外部數值為增壓型發動機的相位角范圍，各最佳相位角在該范圍內隨轉速增加而增加。

圖2 氣門升程

二、氣門升程及功用

氣門口是進氣流道中截面最小，流速最高之處，而且截面隨氣門升程急劇變化，對進氣損失和充氣效率影響最大，氣門升程如圖2所示。為此采用多氣門及氣門升程控制，可以減小進氣損失，提高充氣效率。在發動機結構一定的條件下，隨發動機轉速升高而提高氣門升程，可獲得更高的充氣效率。

三、連續可變配氣相位控制

圖3(a)所示為奧迪V6發動機可變配氣正時調節裝置，調節器安裝在凸輪軸的前端部，它能根據發動機控制單元控制信號調節凸輪軸的正時，調節器由液壓操縱通過油道與發動機潤滑油路相連。控制箱安裝在汽缸蓋上，通往調節器的油道位于控制箱上，進排氣正時調節閥位于控制箱上，它們根據發動機控制單元信號控制到調節器的油壓。

進氣凸輪軸正時調節閥負責進氣凸輪軸的調節，排氣凸輪軸正時調節閥負責排氣凸輪軸的調節。調節器內部結構如圖3(b)所示，主要由內轉子外轉子和其上的油道組成。

可變進氣工作時，發動機控制單元控制可變的配氣正時，它需要有關發動機的速度、負何、溫度和曲軸、凸輪軸的位置信號。為了調節凸輪軸，發動機控制單元激勵電磁閥N205和N318。兩閥隨后打開控制箱的的油道，機油流經控制箱和凸輪軸進入調節器，調節器轉子轉動按控制單元要求調節凸輪軸正時。

為了排氣再循環及增加發動機扭矩，進氣凸輪軸被設置在上止點前開啟，為了改變其位置，發動機控制單元激勵進氣凸輪軸調節閥N205，調節閥受激勵后移動位置。在控制箱中，配氣提前油道控制按照調節程度開啟。隨后機油在壓力作用下流過控制箱進入凸輪軸的環形油道，然后機油流經凸輪軸前端的五個油孔進入調節器的提前油室，機油推壓內轉子的葉片，內轉子相對外轉子(曲軸)帶動凸輪軸轉動，凸輪軸相對曲軸向前轉動使進氣門提前打開，如圖3(c)所示。

圖3 奧迪連續可變配氣正時機構

推遲開啟過程與提前開啟過程相反。排氣門的調節原理與進氣門調節過程相同。

這種通過液壓機構連續調整凸輪軸與凸輪軸正時輪相對位置實現可變正時的連續調整的方式被現代轎車發動機廣泛采用。

四、奧迪分段式可變氣門升程控制

奧迪氣門升程系統開始應用于奧迪2.8L和3.2L發動機上。可變氣門控制系統可實現更好的駕駛舒適性，且消耗更少的燃油。該氣門升程系統采用兩級控制(即大升程和小升程)，凸輪軸直接操縱氣門升程系統。

奧迪氣門升程系統主要部件是所謂的“凸輪塊”，這些凸輪塊通過花鍵裝在進氣凸輪軸上，可以軸向移動。凸輪塊上有緊密相鄰的兩個外形不同的凸輪，一個升程小，一個升程大。改變凸輪塊在凸輪軸上的位置，使氣門搖臂在兩個凸輪上轉換，就可以按負荷狀態來控制進氣門升程，其結構如圖4所示。

圖4 奧迪氣門升程系統結構

凸輪塊的縱向移動是通過兩個金屬銷來實現的，這兩個金屬銷垂直于凸輪軸布置在缸蓋中，可由電磁執行元件來拉出，下沉的金屬銷伸到凸輪塊端部的螺旋形滑槽內，在凸輪塊轉動過程中，螺旋形的槽曲線使得凸輪塊軸向移動。在移動結束處，已斷電的執行元件上的金屬銷被相應形狀的槽底形狀又推回到初始位置。

圖5 奧迪氣門升程系統結構

在發動機啟動，怠速等工況，所需要的力矩很小且轉速小于4000r/min時，電控單元給低速電磁執行元件發出一個電壓脈沖，其金屬銷伸出進入凸輪塊左側的螺旋槽，凸輪軸旋轉時，在金屬銷和螺旋槽的導向下凸輪塊左移，凸輪塊旋轉一周后，滑槽的輪廓形狀將金屬銷壓回到初始位置，同時氣門搖臂滾輪移到小升程的凸輪上，氣門升程變小，如圖5(a)所示；發動機轉速高于4000/min或者超過一定的扭矩值時，電控單元給高速電磁執行元件發出上個電壓脈沖，其金屬銷將凸輪塊導向右側，氣門搖臂滾輪移到大升程的凸輪上，氣門升程變大，如圖5(b)所示。

五、連續可變氣門升程控制

1.寶馬公司((BMW)

BMW最早采用連續可變氣門升程系統，稱之為Valvetronic，該系統的目標是為了減少油耗而不時增加發動機功率，它可按照油門踏板的位置連續調節氣門升程，這樣節氣門裝置可以通過對節氣門禁用功能以減少進氣泵氣損失。

與傳統動發動機相比，Valvetronic系統增加了電動馬達、偏心軸及每個進氣閥配有中間推桿，進氣凸輪軸通過滾子軸承作用在中間推桿中部，中間推桿上部由槽板和偏心軸定位，并可由偏心軸槽向推動，中間推桿的下部通過斜面作用在進氣搖臂的滾輪上，并可由彈簧回位。其結構布置及構造如圖6所示。

當發動機低轉速運轉時，電機通過渦桿、渦輪機構帶動偏心軸逆時針轉動，如圖7(a)所示。偏心軸凸起逐漸離開中間桿上端，中間軸在回位彈簧作用下其中部以凸輪軸凸輪為支點向逆時針擺動，由于中間軸下端為斜面，使得中間軸在凸輪軸一定位置時壓向氣門搖臂的行程減小，則氣門開啟升程減小。

當駕駛員要求提高功率時，電動馬達反向轉動偏心軸，偏心軸推動中間推桿，中間推桿通過搖臂推開氣門使氣門開度變大，如圖7(b)所示。

圖6 寶馬發動機的連續可變氣門升程機構

圖7 氣門升程機構原理

盡管Valvetronic系統在部分負荷下有效的降低的油耗，在大功率卻時無益的，因為副件導致磨摩的慣性增加，限至了發動機的變速能力。

2.日產汽車公司

日產的可變氣門升程系統，簡稱為VVEL，第一次應用在英菲尼迪G37轎車的VQ37VHR V6的發動機上。與BMW的Valvetronic系統相比尼桑的系統結構緊湊，參與的部件少，能量損失小。所以適用于高性能的發動機。

如圖8(a)為其內部局部結構，它看上去與傳統的配氣機構完全不同，該系統并沒有使用傳統的凸輪軸，每個氣門由一個輸出凸輪驅動，輸出凸輪支撐在凸輪軸上并可在軸上轉動。傳統的凸輪是與凸輪軸一起轉動的，VVEL中的輸出凸輪是上、下往復擺動的。這就是為什么它不需要對稱葉型。凸輪經過一系列組件驅動其運動，即通過偏心輪(與凸輪軸固定)、連接A、搖臂和連接B，其傳動機構如圖8(b)所示。

圖8 英菲尼迪發動機的連續可變氣門升程機構

通過控制搖臂內的偏心軸轉動可實現氣門的升程控制。通過轉動偏心控制軸，偏心軸的回轉中心位置發生變化，搖臂的位置發動改變，從而改變了連接A和連接B的幾何形狀。當發動機高轉速時，電機通過渦桿渦輪順時針轉動控制軸，在凸輪軸位置一定時，控制軸偏心輪回轉中心D與凸輪軸回轉中心C接近，由于搖臂5、連接A、連接B和輸出凸輪13組成的四邊形(即CGHI)邊長不可改變，而只能改變角度，使四邊形CGHI被壓扁，輸出凸輪13向下擺一定角度，氣門升程變大，如圖9(a)。當發動機低轉速時，電機轉動控制軸逆轉，控制軸偏心輪回轉中心D遠離凸輪軸回轉中心，四邊形CGHI伸張，輸出凸輪13向上擺一定角度，氣門升程變小，如圖9(b)所示。

圖9 氣門升程機構原理

3.豐田公司

豐田連續可變氣門升程系統也稱為Valvematic。與BMW和日產的可變氣門升程技術相比優勢明顯，機構相對簡單，結構緊湊，不增加發機高度，更重要的是它幾乎不增加摩擦和慣性，因此不會影響最大功率。

如圖10(a)所示，Valvematic利用中間軸1完成連續氣門升程調節，中間軸與滑動器由螺栓固定，滑動器上有三個一體的斜齒輪，斜齒輪與每個缸的執行元件嚙合，每個缸的執行元件由兩個氣門推爪元件6、8與一個滾子軸承元件7組成，如圖10(b)所示，兩個氣門推爪上斜齒輪與滾輪上斜齒輪方向相反，中間軸的端部裝有電動馬達可軸向移動中間軸。因為滾輪齒輪的齒向與氣門推爪中間軸滑動器齒輪的齒向相反，當中間軸向移轉動時，則滾輪元件和推爪元件轉動相反，使它們相近或相離。

圖10 豐田發動機的連續可變氣門升程機構

如圖11(a)所示，當發動機轉速低時，電動馬達轉動帶動中間軸及滑動器向左移動，滑動器左移時與之配合的氣門推爪、滾輪元件相向轉動，氣門推爪相對滾子元件的軸線夾角變 小，此時凸輪在一定位置時，凸輪通過滾輪元件中、中間軸及推爪推動氣氣門升程減小，如圖11(b)所示；當發動機高轉速運轉時，電動馬達反向轉動帶動中間軸及滑動器抽右移動，如圖11(c)所示，氣門推爪、滾輪元件反向轉動，氣門推爪相對滾子元件的軸線夾角變大，氣門升程增加，如圖11d所示。Valvematic機構就是通過調節氣門推爪相對滾輪夾角的大小來實現氣門升程的調節的。

圖11 豐田發動機的連續可變氣門升程機構工作原理

什么是“可變氣門行程”？

活塞式四沖程發動機都由進氣、壓縮、做功、排氣4個沖程完成，我們關注的是氣門開啟程度對發動機進氣的問題。汽缸進氣的基本原理是“負壓”，也就是汽缸內外的氣體壓強差。在發動機低速運轉時，氣門的開啟程度切不可過大，這樣容易造成汽缸內外壓力均衡，負壓減小，從而進氣不夠充分，對于氣門的工作而言，這個“小程度開啟”需要短行程的方式加以控制；而高速恰恰相反，轉速動輒5000r/min，倘若氣門依然不能打開，發動機的進氣必然受阻，所以，我們需要長行程的氣門升程。往往，工程師們既要兼顧發動機在低速區的扭矩特性，又想榨取高速區的功率特性，只能采取一條“折中”的思路，到頭來發動機高速沒功率，低速缺扭矩。

所以在這樣的情況下，就需要一種對氣門升程進行調節的裝置，也就是我們要說的“可變氣門正時技術”。該技術既能保證低速高扭矩，又能獲得高速高功率，對發動機而言是一個極大的突破。

80年代，諸多汽車企業開始投入了可變氣門正時的研究，1989年本田首次發布了“可變氣門配氣相位和氣門升程電子控制系統”，英文全稱“VariableValveTimingandValveLifeElectronicControlSystem，也就是我們常見的VTEC。此后，各家汽車企業不斷發展該技術，到今天已經非常成熟，豐田也開發了VVT-i，保時捷開發了Variocam，現代開發了DVVT。幾乎每家汽車企業都有了自己的可變氣門正時技術。一系列可變氣門技術雖然商品名各異，但其設計思想卻極為相似。