關于汽車發動機可變氣門正時技術的思考

向明朗

摘 要：可變氣門正時（Variable Valve Timing 簡稱VVT）技術是汽車發動機提升性能，降低排放和油耗的重要技術之一，被廣泛應用到當前汽車發動機上，它可以根據發動機動態工況需求，適時調節氣門開閉時刻到最佳位置，從而降低泵氣損失、提高進氣效率、改變膨脹比及內部EGR率，達到提高發動機功率、扭矩、降低油耗和排放的目的。本文回顧了液壓VVT技術的基本原理和發展演進歷程，介紹了新型電動VVT技術的基本結構原理和最新研發情況，對未來VVT技術發展趨勢做出了判斷。

關鍵詞：可變氣門正時;VVT;電動VVT;EVVT;OCV;VCP

1 引言

20世紀80年代，汽車燃油經濟性和排放要求開始加嚴，可變氣門技術成為一個研究的熱點，早期的汽車發動機氣門只有一個固定的開閉時刻和升程，難以根據實時工況的需要提供最佳進排氣，使發動機在提升性能、改善油耗和排放方面受限，為解決這一問題，馬自達、本田、菲亞特、豐田、寶馬及通用等汽車公司都推出了相應的可變氣門技術，這些技術可以改變氣門的開閉時刻或氣門升程，但基于性價比、可靠性等原因，以液壓控制的可變凸輪相位技術發展成為主流，它可以根據發動機動態工況需求，適時調節氣門開閉時刻到最佳位置，能有效提高發動機功率、扭矩，降低油耗和排放，液壓可變氣門正時技術經過近40年的升級和發展，其功能和性能都有了較大的提升，成本也大幅下降，在發動機已得到廣泛應用，但隨著發動機效率、排放和油耗要求的進一步提高，更高性能的電動可變氣門正時技術已被研發出來，未來會在高性能內燃機發動機上普遍應用，對可變氣門正時技術發展趨勢的關注和研究仍然有重要價值，而基于無凸輪的液壓可變氣門和電磁可變氣門技術，因非主流，不在本文分析之中。

2 可變氣門正時技術的結構原理和重要作用

可變氣門正時技術：指的是發動機氣門開閉時刻可以適時改變的一項技術。它的基本結構是在凸輪軸前端安裝一個可以在一定角度內來回轉動的凸輪相位調節器，相位器的轉子與凸輪軸固定，定子通過正時帶或正時鏈與曲軸連接，在發動機潤滑系統中設置液壓油路與相位調節器相連，油路上設置有電磁式的機油控制閥（簡稱OCV），機油控制閥通過線束與發動機ECU連接?；驹硎前l動機ECU通過曲軸相位傳感器和凸輪相位傳感器采集并計算當前氣門開閉實際時刻，ECU將發動當前工況需要的最佳的氣門開閉時刻與實際值之差轉換為控制OCV動作電信號，OCV通過改變通往相位調節器的油的流量和流向，實現對相位調節器轉動角度的控制，相位調節器執行相位調節后，適時的氣門開閉時刻又被曲軸相位傳感器和凸輪相位傳感器采集到ECU，ECU再次計算相位的差值，發出下一步調節信號，從而實現閉環的動態控制。

氣門開啟或關閉時刻可以隨發動及工況需求適時改變后，它能有效降低泵氣損失，提高進氣效率、優化膨脹比、調節內部廢氣再循環（EGR）率、優化燃燒溫度等，從而起到提升發動低速扭矩、功率、提高熱效率、降低排放和油耗的效果，對發動機性能提升有重要作用。

3 可變氣門正時技術的發展和應用

3.1 早期可變氣門正時技術

早期的可變氣門正時技術產品在上世紀80年代初開始應用于阿爾法羅密歐、奧迪和大眾的部分車型上，主要有兩種結構：用于阿爾法羅密歐的凸輪相位調節器是一組斜齒輪，液壓通過推動齒輪的軸向滑動實現定轉子之間的旋轉實現相位的改變，而用于奧迪和大眾的VVT系統，是采用一個液壓缸來調節正時鏈條緊邊和松邊的長度，實現相位的提前和遲后的，他們的共同特點是調節位置是分級的，可調相位角度小，響應速度慢。

之后豐田汽車公司推出了新的VVT 技術，在相位調節器的設計上采用了多葉片式轉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也從開關閥變成了比例閥，通過OCV比例控制提前和遲后腔的油壓平衡，使VCP在設定的角度范圍內可以受控地停在任意位置，硬件上實現了角度的連續可調， ECU內植入了事先標定好的各種工況下的相位控制策略程序，通過有比例調節功能OCV實現對VCP的動態閉環控制，從而實現氣門正時的智能無極可調，此技術被豐田命名為VVT-i，業內也稱為CVVT，其產品主要由日本電裝公司生產并供應豐田，包括了機油控制閥OCV、凸輪相位調節器VCP及其控制部件ECU，因VVT-i具備可變氣門正時技術的主要功能，對發動的功率、扭矩提升、油耗降低效果顯著，加上電裝和豐田強大的研發和產業化能力，到上世紀90年代初，VVT-i在豐田汽車發動機上已廣泛應用。同期發展的寶馬Vanos技術與VVT-i技術原理相同，這一代VVT技術的特點是相位連續無極可調，液壓閥為比例閥，智能閉環控制。

3.2 中期可變氣門正時技術

隨著以豐田VVT-i為代表的VVT技術的逐步成熟，日本、歐州和美國的其它主流汽車廠也開始重視VVT技術，但新的研發都是在VVT-i基本技術原理基礎之上，改進了結構、增加了功能、提升了性能和開發了新的應用方案，典型的如：早期的VVT只應用在進氣一側，后面又增加應用到排氣側上，稱之為雙VVT或DVVT，雙VVT能更大范圍控制氣門疊開角，可實現內部EGR的功能，有效降低了排放;為了提高VVT系統的響應速度和降低成本，德國的舍弗勒和美國博格華納等零部件公司將OCV閥的液壓閥體部分設計成為內置油路的螺栓閥，裝配在凸輪軸與相位器中間，替代凸輪相位器安裝螺栓，OCV的電磁驅動部分設計成一個獨立的電磁鐵，同軸安裝在螺栓閥正前方的發動機罩蓋上，構成一個分體式OCV，這一設計減短了OCV通往VCP的油路長度，減少了泄漏點，使VCP內壓力平衡更快，這一設計也讓油路結構更簡單，減少了加工，從而提高了VVT系統的響應速度和降低了制造成本，這項技術被稱為中置式VVT; VVT系統響應速度的提高能讓發動機在瞬態工況變化也能得到精準的正時跟隨，運行會更加平穩，性能也更穩定，為了進一步提高VVT系統的響應速度和降低VVT系統對機油流量消耗的需求，以德國舍弗勒、海力特及美國博格華納等零部件公司在OCV的油路或VCP的油路上設計了單向閥功能，讓機油在OCV與VCP的提前和遲后油路之間快速調壓和平衡互補，進入提前和遲后油路的油只有較小的泄漏，有效提高了VVT系統的響應速度和降低了機油流量的消耗。到2005年前后，VVT技術在國外市場已進化成熟，在日本、歐洲和美國品牌的汽車發動機上已普遍使用，中國自主品牌車企也開始引入VVT技術，零部企業也開始研發VVT產品，如富臨精工在2006年就開始了VVT產品研發。中期VVT技術產品的特點是雙VVT應用，響應速度等性能大幅提升。

3.3 當前可變氣門正時技術

近幾年來，高效率、高壓縮比的雙循環發動機開始應用，它具備奧拓循環和阿特金森循環兩種模式，可自由切換，當工作在阿特金森循環下需要降低壓縮比時，就要求進氣有更大的相位遲后角，因液壓VVT系統在油壓低和油溫低時不能正常工作，為了保證發動機順利啟動，中期的VVT技術在發動機啟動時是將VCP的相位通過內置的液壓鎖銷鎖止在一個預設的固定相位，進氣在最遲后，排氣在最提前，故導致了VVT可正常工作時，進氣不能再向遲后方向調節，排氣不能再性最提前方向調節的不足，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了液壓中間鎖止VVT技術， VCP設計了更大的可調節角度，并在其中設計了特殊的鎖銷機構，配合 OCV中設計了復雜的油路及新開發的控制策略，實現了發動機啟動或停機時，可以讓VCP鎖止在中間預設位置，正常工作時，進氣VCP還可向更遲后的相位調節，解決了更大遲后相位調節問題，此技術被稱為液壓中間鎖止式VVT，但此技術產品結構復雜，制造成本高，性價比低，目前市場沒有太多應用。

4 新型電動VVT技術研發進展情況

基于解決發動機低溫排放控制對VVT系統提出的低速低溫可調問題，解決高性能發動機匹配高響應速度的渦輪增壓器對VVT系統要求更高的相位調節響應速度問題，結合液壓中間鎖止式VVT技術的缺點，一種全新的電動VVT（即EVVT）技術逐步成熟，參與這一全新技術研發有電裝、舍弗勒、富臨精工、博格華納、愛信等知名汽車零部件企業，EVVT的基本結構是將液壓VCP換成了一個小型齒輪減速器，OCV換成了一個電機，齒輪減速器輸入端與電機輸出軸連接，減速器輸出端相當于轉子與凸輪軸連接，減速器外殼體設計為正時齒輪，相當于液壓VCP的定子，通過正時鏈與曲軸連接，原理是ECU通過控制電機與凸輪軸保持一個轉速差，轉速差會作為減速器的輸入轉速經減速增扭后傳給凸輪軸，實現相位調節和控制，EVVT技術的優勢是：可調節角度大，因相位器因不需要在圓周上分成幾個腔，故可調節角度可設計更大，目前在應用的主流為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有了本質的提升;響應速度快，EVVT的響應速度主要取決于減速比和電機與凸輪軸的轉速差，目前在應用的產品的響應速度為100—300°CA/s，研究中的產品已達到了500°CA/s以上，相比液壓式50—200°CA/s的響應速度有極大進步;低溫低速可調節，EVVT的工作時，機油只起潤滑作用，不是可工作的必要條件，在低溫下不受油的流動性變差影響，低速時不受低油壓影響，故在低溫和低速下均可調節，基于目前試驗數據EVVT在-40℃環境下，可穩定達到100°CA/s的響應速度，一些大減速比的EVVT可以在發動機停機的狀態下調節相位，而當前液壓式VVT的可使用溫度一般在20℃以上;EVVT解決發動機啟動相位問題，發動機停機時將相位調至最遲后位置，在啟動時，發動機被起動機拖著轉動的過程中，EVVT可在0.3s內將相位調節到可以點火啟動的相位上，使發動機順利啟動;EVVT只使用機油作潤滑，故降低了機油流量和壓力的要求，降低了機油泵負荷。

5 結語

液壓式VVT技術發展了近40年，目前已非常成熟，因其性價比極高，現已成為了汽油發動機的標配，未來數年仍會被大量使用;液壓中間鎖止式VVT因功能升級導致結構過渡復雜、性能又受液壓系統固有的溫度、壓力局限，性價比較差，當前未在市場批量應用，它極可能成為一種過渡性技術;而EVVT具有幾乎滿足所有功能性能要求的技術優勢，是跨越式的進步，已受到車廠的高度關注，特別是電氣化更高的用于新能源混合動力汽車的高效率發動機，更需要使用EVVT技術，國內外VVT主流供應商也已加入研發，日本豐田等車企已開始批量應用，國內以富臨精工為代表的VVT產品龍頭企業已與多家車企聯合研發多年，EVVT產品已到產業化開發階段，其性價比極高， EVVT將可能是未來主流可變氣門正時技術，會廣泛地應用到新設計的發動機上。

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