關(guān)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)的思考

向明朗

綿陽(yáng)富臨精工機(jī)械股份有限公司 四川省綿陽(yáng)市 621000

1 引言

20世紀(jì)80年代，汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和排放要求開(kāi)始加嚴(yán)，可變氣門技術(shù)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)，早期的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門只有一個(gè)固定的開(kāi)閉時(shí)刻和升程，難以根據(jù)實(shí)時(shí)工況的需要提供最佳進(jìn)排氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)在提升性能、改善油耗和排放方面受限，為解決這一問(wèn)題，馬自達(dá)、本田、菲亞特、豐田、寶馬及通用等汽車公司都推出了相應(yīng)的可變氣門技術(shù)，這些技術(shù)可以改變氣門的開(kāi)閉時(shí)刻或氣門升程，但基于性價(jià)比、可靠性等原因，以液壓控制的可變凸輪相位技術(shù)發(fā)展成為主流，它可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)工況需求，適時(shí)調(diào)節(jié)氣門開(kāi)閉時(shí)刻到最佳位置，能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩，降低油耗和排放，液壓可變氣門正時(shí)技術(shù)經(jīng)過(guò)近40年的升級(jí)和發(fā)展，其功能和性能都有了較大的提升，成本也大幅下降，在發(fā)動(dòng)機(jī)已得到廣泛應(yīng)用，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)效率、排放和油耗要求的進(jìn)一步提高，更高性能的電動(dòng)可變氣門正時(shí)技術(shù)已被研發(fā)出來(lái)，未來(lái)會(huì)在高性能內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上普遍應(yīng)用，對(duì)可變氣門正時(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的關(guān)注和研究仍然有重要價(jià)值，而基于無(wú)凸輪的液壓可變氣門和電磁可變氣門技術(shù)，因非主流，不在本文分析之中。

2 可變氣門正時(shí)技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理和重要作用

可變氣門正時(shí)技術(shù)：指的是發(fā)動(dòng)機(jī)氣門開(kāi)閉時(shí)刻可以適時(shí)改變的一項(xiàng)技術(shù)。它的基本結(jié)構(gòu)是在凸輪軸前端安裝一個(gè)可以在一定角度內(nèi)來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)的凸輪相位調(diào)節(jié)器，相位器的轉(zhuǎn)子與凸輪軸固定，定子通過(guò)正時(shí)帶或正時(shí)鏈與曲軸連接，在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中設(shè)置液壓油路與相位調(diào)節(jié)器相連，油路上設(shè)置有電磁式的機(jī)油控制閥（簡(jiǎn)稱OCV），機(jī)油控制閥通過(guò)線束與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU連接。基本原理是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通過(guò)曲軸相位傳感器和凸輪相位傳感器采集并計(jì)算當(dāng)前氣門開(kāi)閉實(shí)際時(shí)刻，ECU將發(fā)動(dòng)當(dāng)前工況需要的最佳的氣門開(kāi)閉時(shí)刻與實(shí)際值之差轉(zhuǎn)換為控制OCV動(dòng)作電信號(hào)，OCV通過(guò)改變通往相位調(diào)節(jié)器的油的流量和流向，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制，相位調(diào)節(jié)器執(zhí)行相位調(diào)節(jié)后，適時(shí)的氣門開(kāi)閉時(shí)刻又被曲軸相位傳感器和凸輪相位傳感器采集到ECU，ECU再次計(jì)算相位的差值，發(fā)出下一步調(diào)節(jié)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的動(dòng)態(tài)控制。

氣門開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)刻可以隨發(fā)動(dòng)及工況需求適時(shí)改變后，它能有效降低泵氣損失，提高進(jìn)氣效率、優(yōu)化膨脹比、調(diào)節(jié)內(nèi)部廢氣再循環(huán)（EGR）率、優(yōu)化燃燒溫度等，從而起到提升發(fā)動(dòng)低速扭矩、功率、提高熱效率、降低排放和油耗的效果，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升有重要作用。

3 可變氣門正時(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

3.1 早期可變氣門正時(shí)技術(shù)

早期的可變氣門正時(shí)技術(shù)產(chǎn)品在上世紀(jì)80年代初開(kāi)始應(yīng)用于阿爾法羅密歐、奧迪和大眾的部分車型上，主要有兩種結(jié)構(gòu)：用于阿爾法羅密歐的凸輪相位調(diào)節(jié)器是一組斜齒輪，液壓通過(guò)推動(dòng)齒輪的軸向滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)相位的改變，而用于奧迪和大眾的VVT系統(tǒng)，是采用一個(gè)液壓缸來(lái)調(diào)節(jié)正時(shí)鏈條緊邊和松邊的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)相位的提前和遲后的，他們的共同特點(diǎn)是調(diào)節(jié)位置是分級(jí)的，可調(diào)相位角度小，響應(yīng)速度慢。

之后豐田汽車公司推出了新的VVT 技術(shù)，在相位調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)上采用了多葉片式轉(zhuǎn)子與定子配合形成提前和遲后兩組不相通的油腔，分別與OCV的兩條油路連通，OCV也從開(kāi)關(guān)閥變成了比例閥，通過(guò)OCV比例控制提前和遲后腔的油壓平衡，使VCP在設(shè)定的角度范圍內(nèi)可以受控地停在任意位置，硬件上實(shí)現(xiàn)了角度的連續(xù)可調(diào)， ECU內(nèi)植入了事先標(biāo)定好的各種工況下的相位控制策略程序，通過(guò)有比例調(diào)節(jié)功能OCV實(shí)現(xiàn)對(duì)VCP的動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)的智能無(wú)極可調(diào)，此技術(shù)被豐田命名為VVT-i，業(yè)內(nèi)也稱為CVVT，其產(chǎn)品主要由日本電裝公司生產(chǎn)并供應(yīng)豐田，包括了機(jī)油控制閥OCV、凸輪相位調(diào)節(jié)器VCP及其控制部件ECU，因VVT-i具備可變氣門正時(shí)技術(shù)的主要功能，對(duì)發(fā)動(dòng)的功率、扭矩提升、油耗降低效果顯著，加上電裝和豐田強(qiáng)大的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力，到上世紀(jì)90年代初，VVT-i在豐田汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上已廣泛應(yīng)用。同期發(fā)展的寶馬Vanos技術(shù)與VVT-i技術(shù)原理相同，這一代VVT技術(shù)的特點(diǎn)是相位連續(xù)無(wú)極可調(diào)，液壓閥為比例閥，智能閉環(huán)控制。

3.2 中期可變氣門正時(shí)技術(shù)

隨著以豐田VVT-i為代表的VVT技術(shù)的逐步成熟，日本、歐州和美國(guó)的其它主流汽車廠也開(kāi)始重視VVT技術(shù)，但新的研發(fā)都是在VVT-i基本技術(shù)原理基礎(chǔ)之上，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)、增加了功能、提升了性能和開(kāi)發(fā)了新的應(yīng)用方案，典型的如：早期的VVT只應(yīng)用在進(jìn)氣一側(cè)，后面又增加應(yīng)用到排氣側(cè)上，稱之為雙VVT或DVVT，雙VVT能更大范圍控制氣門疊開(kāi)角，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR的功能，有效降低了排放；為了提高VVT系統(tǒng)的響應(yīng)速度和降低成本，德國(guó)的舍弗勒和美國(guó)博格華納等零部件公司將OCV閥的液壓閥體部分設(shè)計(jì)成為內(nèi)置油路的螺栓閥，裝配在凸輪軸與相位器中間，替代凸輪相位器安裝螺栓，OCV的電磁驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的電磁鐵，同軸安裝在螺栓閥正前方的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋上，構(gòu)成一個(gè)分體式OCV，這一設(shè)計(jì)減短了OCV通往VCP的油路長(zhǎng)度，減少了泄漏點(diǎn)，使VCP內(nèi)壓力平衡更快，這一設(shè)計(jì)也讓油路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，減少了加工，從而提高了VVT系統(tǒng)的響應(yīng)速度和降低了制造成本，這項(xiàng)技術(shù)被稱為中置式VVT； VVT系統(tǒng)響應(yīng)速度的提高能讓發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)工況變化也能得到精準(zhǔn)的正時(shí)跟隨，運(yùn)行會(huì)更加平穩(wěn)，性能也更穩(wěn)定，為了進(jìn)一步提高VVT系統(tǒng)的響應(yīng)速度和降低VVT系統(tǒng)對(duì)機(jī)油流量消耗的需求，以德國(guó)舍弗勒、海力特及美國(guó)博格華納等零部件公司在OCV的油路或VCP的油路上設(shè)計(jì)了單向閥功能，讓機(jī)油在OCV與VCP的提前和遲后油路之間快速調(diào)壓和平衡互補(bǔ)，進(jìn)入提前和遲后油路的油只有較小的泄漏，有效提高了VVT系統(tǒng)的響應(yīng)速度和降低了機(jī)油流量的消耗。到2005年前后，VVT技術(shù)在國(guó)外市場(chǎng)已進(jìn)化成熟，在日本、歐洲和美國(guó)品牌的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上已普遍使用，中國(guó)自主品牌車企也開(kāi)始引入VVT技術(shù)，零部企業(yè)也開(kāi)始研發(fā)VVT產(chǎn)品，如富臨精工在2006年就開(kāi)始了VVT產(chǎn)品研發(fā)。中期VVT技術(shù)產(chǎn)品的特點(diǎn)是雙VVT應(yīng)用，響應(yīng)速度等性能大幅提升。

3.3 當(dāng)前可變氣門正時(shí)技術(shù)

近幾年來(lái)，高效率、高壓縮比的雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始應(yīng)用，它具備奧拓循環(huán)和阿特金森循環(huán)兩種模式，可自由切換，當(dāng)工作在阿特金森循環(huán)下需要降低壓縮比時(shí)，就要求進(jìn)氣有更大的相位遲后角，因液壓VVT系統(tǒng)在油壓低和油溫低時(shí)不能正常工作，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)，中期的VVT技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)是將VCP的相位通過(guò)內(nèi)置的液壓鎖銷鎖止在一個(gè)預(yù)設(shè)的固定相位，進(jìn)氣在最遲后，排氣在最提前，故導(dǎo)致了VVT可正常工作時(shí)，進(jìn)氣不能再向遲后方向調(diào)節(jié)，排氣不能再性最提前方向調(diào)節(jié)的不足，為解決這一文件，電裝、舍弗勒、博格華納等汽車零部件公司研發(fā)了液壓中間鎖止VVT技術(shù)， VCP設(shè)計(jì)了更大的可調(diào)節(jié)角度，并在其中設(shè)計(jì)了特殊的鎖銷機(jī)構(gòu)，配合 OCV中設(shè)計(jì)了復(fù)雜的油路及新開(kāi)發(fā)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)，可以讓VCP鎖止在中間預(yù)設(shè)位置，正常工作時(shí)，進(jìn)氣VCP還可向更遲后的相位調(diào)節(jié)，解決了更大遲后相位調(diào)節(jié)問(wèn)題，此技術(shù)被稱為液壓中間鎖止式VVT，但此技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，性價(jià)比低，目前市場(chǎng)沒(méi)有太多應(yīng)用。

4 新型電動(dòng)VVT技術(shù)研發(fā)進(jìn)展情況

基于解決發(fā)動(dòng)機(jī)低溫排放控制對(duì)VVT系統(tǒng)提出的低速低溫可調(diào)問(wèn)題，解決高性能發(fā)動(dòng)機(jī)匹配高響應(yīng)速度的渦輪增壓器對(duì)VVT系統(tǒng)要求更高的相位調(diào)節(jié)響應(yīng)速度問(wèn)題，結(jié)合液壓中間鎖止式VVT技術(shù)的缺點(diǎn)，一種全新的電動(dòng)VVT（即EVVT）技術(shù)逐步成熟，參與這一全新技術(shù)研發(fā)有電裝、舍弗勒、富臨精工、博格華納、愛(ài)信等知名汽車零部件企業(yè)，EVVT的基本結(jié)構(gòu)是將液壓VCP換成了一個(gè)小型齒輪減速器，OCV換成了一個(gè)電機(jī)，齒輪減速器輸入端與電機(jī)輸出軸連接，減速器輸出端相當(dāng)于轉(zhuǎn)子與凸輪軸連接，減速器外殼體設(shè)計(jì)為正時(shí)齒輪，相當(dāng)于液壓VCP的定子，通過(guò)正時(shí)鏈與曲軸連接，原理是ECU通過(guò)控制電機(jī)與凸輪軸保持一個(gè)轉(zhuǎn)速差，轉(zhuǎn)速差會(huì)作為減速器的輸入轉(zhuǎn)速經(jīng)減速增扭后傳給凸輪軸，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)和控制，EVVT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是：可調(diào)節(jié)角度大，因相位器因不需要在圓周上分成幾個(gè)腔，故可調(diào)節(jié)角度可設(shè)計(jì)更大，目前在應(yīng)用的主流為70—80°曲軸相位角(°CA)，研究中已到140°CA，相比已知液壓式最大60°CA有了本質(zhì)的提升；響應(yīng)速度快，EVVT的響應(yīng)速度主要取決于減速比和電機(jī)與凸輪軸的轉(zhuǎn)速差，目前在應(yīng)用的產(chǎn)品的響應(yīng)速度為100—300°CA/s，研究中的產(chǎn)品已達(dá)到了500°CA/s以上，相比液壓式50—200°CA/s的響應(yīng)速度有極大進(jìn)步；低溫低速可調(diào)節(jié)，EVVT的工作時(shí)，機(jī)油只起潤(rùn)滑作用，不是可工作的必要條件，在低溫下不受油的流動(dòng)性變差影響，低速時(shí)不受低油壓影響，故在低溫和低速下均可調(diào)節(jié)，基于目前試驗(yàn)數(shù)據(jù)EVVT在-40℃環(huán)境下，可穩(wěn)定達(dá)到100°CA/s的響應(yīng)速度，一些大減速比的EVVT可以在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)的狀態(tài)下調(diào)節(jié)相位，而當(dāng)前液壓式VVT的可使用溫度一般在20℃以上；EVVT解決發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)相位問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)將相位調(diào)至最遲后位置，在啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)被起動(dòng)機(jī)拖著轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，EVVT可在0.3s內(nèi)將相位調(diào)節(jié)到可以點(diǎn)火啟動(dòng)的相位上，使發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)；EVVT只使用機(jī)油作潤(rùn)滑，故降低了機(jī)油流量和壓力的要求，降低了機(jī)油泵負(fù)荷。

5 結(jié)語(yǔ)

液壓式VVT技術(shù)發(fā)展了近40年，目前已非常成熟，因其性價(jià)比極高，現(xiàn)已成為了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)配，未來(lái)數(shù)年仍會(huì)被大量使用；液壓中間鎖止式VVT因功能升級(jí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)渡復(fù)雜、性能又受液壓系統(tǒng)固有的溫度、壓力局限，性價(jià)比較差，當(dāng)前未在市場(chǎng)批量應(yīng)用，它極可能成為一種過(guò)渡性技術(shù)；而EVVT具有幾乎滿足所有功能性能要求的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是跨越式的進(jìn)步，已受到車廠的高度關(guān)注，特別是電氣化更高的用于新能源混合動(dòng)力汽車的高效率發(fā)動(dòng)機(jī)，更需要使用EVVT技術(shù)，國(guó)內(nèi)外VVT主流供應(yīng)商也已加入研發(fā)，日本豐田等車企已開(kāi)始批量應(yīng)用，國(guó)內(nèi)以富臨精工為代表的VVT產(chǎn)品龍頭企業(yè)已與多家車企聯(lián)合研發(fā)多年，EVVT產(chǎn)品已到產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)階段，其性價(jià)比極高， EVVT將可能是未來(lái)主流可變氣門正時(shí)技術(shù)，會(huì)廣泛地應(yīng)用到新設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)上。