發動機可變氣門正時技術原理及其發展探析

李 穎

(山東交通技師學院，山東 臨沂 276004)

0 引言

近幾十年來, 許多國家、發動機廠商、科研機構投入了大量的人力、物力和精力對發動機氣門正時新技術進行研發，目的就是為了提高發動機性能和降低排污。經過研究人員的不懈努力，有些科研新成果已在內燃機上廣泛應用，有些還處于完善和發展階段，有些可能成為內燃機技術今后發展的新趨勢。本文主要是對汽車發動機可變氣門正時技術展開分析和研究。通過分析可知,葉片式可變凸輪相位機構是目前可行性較強的技術途徑。

1 可變氣門正時技術(Variable Valve Timing，VVT)

采用可變氣門正時技術可以最大限度提高發動機的充氣效率，使進氣更充分，排氣更徹底，以提高發動機的扭矩和功率。該技術近些年來被逐漸應用于現代轎車上。

1.1 正時理論

選擇合理的配氣正時，保證最佳的充氣效率ηv，是實現提高功率和降低油耗、減少排放的關鍵。據有關專業技術資料分析可知：在發動機進氣門開閉、排氣門開閉的四個工作行程中，充氣效率ηv的最大影響因素是進氣門遲閉角的改變。發動機功率和充氣效率ηv受進氣門遲閉角變化的影響關系如圖1所示。

圖1 功率、充氣效率、轉速與進氣門遲閉角的關系

在一定的配氣正時下，充氣效率ηv隨轉速變化的關系可通過圖1中的每條充氣效率ηv曲線加以說明。一般充氣效率ηv曲線最大值對應的轉速隨遲閉角增大而增大，如遲閉角由40°變為60°時，充氣效率ηv曲線最大值對應的轉速則由1 800 r·min-1增加為2 200 r·min-1，說明發動機在這兩個轉速下工作進氣最充分，燃油經濟性最好。因在這兩個轉速下工作能最好地利用氣流的慣性充氣，使進氣更充分。當高于或低于此轉速時，充氣效率ηv都會隨之下降。也就是說，發動機進氣門遲閉角要隨轉速變化而改變，才能保證發動機充氣效果最佳。即充氣效率ηv和與之對應的轉速要隨進氣門遲閉角的改變而改變，以滿足不同工況的使用要求。

改變進氣遲閉角可以改變充氣效率ηv曲線隨轉速變化的趨向，以調整發動機扭矩曲線，滿足不同的使用要求。更確切地說，加大進氣門遲閉角，高轉速時充氣效率ηv增加有利于提高發動機最大功率，但對低速和中速性能則不利。減小進氣遲閉角，能防止新鮮氣體被推回進氣管，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。

因此，理想的氣門正時是發動機工況變化時氣門正時也要隨之變化，要有一定的靈活性。而傳統的凸輪軸氣門挺桿機構，因在工作中氣門正時是不可變化的，也就是說達不到上述要求，這對發動機性能的進一步提高是非常不利的。

1.2 智能可變氣門正時系統(Variable Valve Timing-intelligent，VVT-i )

在傳統發動機上，由于凸輪軸與曲軸之間的位置關系是固定不變的，因此氣門正時也是固定的，VVT-i系統能根據發動機工況對氣門正時進行調整，該系統最大特點是進氣凸輪軸的轉角能按發動機工況的變化及時進行調整，即對配氣時機進行優化，通過改變進氣凸輪轉角的大小和方向，實現最佳配氣正時，以提高發動機的輸出功率，改善燃油消耗和減少廢氣排放。

VVT-i系統由凸輪軸位置傳感器、 發動機控制模塊(ECU)和凸輪軸液壓控制閥、相位控制器等部分組成。其原理是由節氣門位置傳感器、曲軸位置傳感器、進氣歧管空氣壓力傳感器、凸輪軸位置傳感器和水溫傳感器等采集的信息匯集到ECU，并與ECU預先儲存的最佳氣門正時參數值進行對比計算，將得出的修正參數值以信號方式發送到控制凸輪軸正時液壓控制閥(電磁閥)，控制閥根據收到的ECU信號控制滑閥的位置(打開或關閉相關油道)，以此改變流入VVT-i系統中相位控制器不同油道上的液壓油的流動方向及流量，實現氣門正時的提前、滯后、保持，即產生不同的配氣正時[1]。

VVT-i系統按相位控制器的結構不同可分為葉片式VVT-i系統和螺旋槽式VVT-i系統兩種，分別安裝在排氣凸輪軸上和進氣凸輪軸上，雖然二者在結構上有所不同，但其作用是一樣的。而葉片式VVT-i系統可變凸輪相位機構是目前可行性較強的技術途徑。由于發動機性能受進氣門配氣相位的影響比受排氣門相位的影響大，為降低成本和簡化發動機結構，VVT-i系統一般只對進氣相位進行控制。該技術目前在國內生產的許多汽車上都得到廣泛應用。

葉片式VVT-i系統中控制器由驅動進氣凸輪軸的管殼和與排氣凸輪軸相偶合并帶有葉片的內轉子組成，葉片寬度比其槽稍窄，每個葉片將槽分成兩個密閉腔室，即提前室和延遲室。凸輪軸液壓控制閥通過ECM傳來的信號控制兩腔室的油壓，推動葉片隨內轉子轉動，此油壓傳遞到排氣凸輪軸上，使VVT-i系統中控制器管殼旋轉并帶動進氣凸輪軸轉動，實現連續改變進氣正時。當油壓施加在提前室轉動殼體時，進氣凸輪軸就沿提前方向轉動；反之當油壓施加在延遲室使殼體轉動時，則進氣凸輪軸沿延遲方向轉動；當兩腔室油壓相等時，殼體及進氣凸輪軸都不轉動，相位保持不變；當發動機熄火時，凸輪軸液壓控制閥則處于最大的滯后狀態，以確保啟動性能[2]。

凸輪軸液壓控制閥，由滑閥、線圈、柱塞及回位彈簧等組成，其結構如圖2所示。ECM通過占空比控制液壓控制閥。工作中，發動機ECM接收各傳感器傳來的信號，經分析、計算后發出指令，控制凸輪軸液壓控制閥，以此控制滑閥的位置，通過滑閥移動，使液壓控制閥打開或關閉相關油道，對相位控制器內部轉子葉片兩側油腔的油壓進行調節，使定子與轉子產生相對運動，從而達到連續調節氣門正時的目的。當占空比大于1/2，柱塞推動滑閥左移，使高壓油流入VVT-i系統中相位控制器的提前室，使進氣凸輪軸沿提前方向轉動；當占空比小于1/2，其情況相反，柱塞帶動滑閥右移，使進氣凸輪軸沿延遲方向轉動；當占空比等于1/2，則提前室和延遲室油壓相等，進氣凸輪軸不轉動，相位保持不變。

1.3 雙可變氣門正時系統(Dual Variable Valve Timing，DVVT )

DVVT系統是VVT系統的延續和發展，通過它解決了VVT發動機不能同時調節進、排氣相位的技術難題，是目前高性能發動機優先采用的雙可變氣門正時技術。

DVVT系統特點是發動機ECU可根據其轉速、負荷、溫度及車速信號發出指令，控制進、排氣凸輪軸的位置，使其通過油壓相對于正時鏈條轉動一定角度，以獲得最佳配氣正時，從而在全速范圍內提高動力、節能減排。DVVT系統在進、排氣凸輪軸上都安裝了正時調整系統，分別調整進、排氣門的正時，使發動機性能得到進一步提高[3]。發動機采用DVVT技術后，在高效、節能、環保方面具有更大優勢。采用DVVT技術可降低油耗5%，同時動力提高10%，廢氣排放達到國家Ⅳ級標準；還能使發動機燃燒室內的混合氣體達到合適的空燃比，明顯改善怠速穩定性，從而獲得較好的舒適性[4]。

圖2 葉片式VVT-i系統的液壓控制閥

2 汽車可變氣門正時技術發展趨勢與展望

隨著科學技術的飛速發展和社會對環保節能的認識深入，高效、低能耗、低排放的汽車發動機新技術成為未來發展方向。目前，可變氣門正時技術已被廣泛應用， 但為進一步挖掘傳統內燃機的潛力， 工程技術人員又在此基礎上研發出可變氣門升程技術，并把二者有機地結合起來，能使發動機在各種工況下進氣更充分，排氣更徹底。可變氣門機構大致可分為傳統凸輪軸可變氣門機構和無凸輪軸可變氣門機構。在前者中，因凸輪型線性制約了氣門的運動規律，因而也就制約了發動機綜合性能的進一步提高。而無凸輪軸可變氣門機構是迄今最有潛力、自由度最大的可變氣門配氣機構，因氣門開啟持續、升程、運動規律是完全柔性可調，其中有ECM控制的電磁、電控液力氣門驅動機構也更有發展前景，其有望成為今后發展的趨勢，控制技術及執行機構是今后發展的重點。即高效低成本的氣門正時技術將成為未來發動機發展的方向。

采用可變氣門正時技術，應用不同的配氣策略可以在全轉速范圍內改善傳統汽油機的性能 。此技術雖在汽油機上的應用效果比柴油機上好, 但用在柴油機上也能降低氮氧化物的排放、提高轉矩和冷啟動性能。近些年，通過眾多內燃機科研團隊和從業人員不斷地努力, 經過大量研究和實踐應用，目前凸輪軸可變氣門正時機構已經得到了充足的發展，但也遇到了凸輪型線的限制，很難再有大的突破性發展，而無凸輪式的柔性可調的可變氣門機構可以彌補其不足，未來有望得到長足的發展[5]。

3 結語

總之，可變氣門正時技術與傳統氣門正時系統相比在發動機動力性，燃油經濟性及減排方面都有明顯優勢，目前已普遍應用于各種現代車型。隨著這一技術的不斷發展完善及成本降低，將會有更高性能可變氣門正時技術應用到發動機上，為發動機性能的提高及節能減排發揮更大作用。

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