可變配氣機(jī)構(gòu)和新技術(shù)

1、可變配氣機(jī)構(gòu)及其新技術(shù)摘要：本報告先介紹可變配氣機(jī)構(gòu)，主要從采用可變配氣機(jī)構(gòu)的原因、可變配氣機(jī)構(gòu)的分類等方面進(jìn)行概述。然后就目前比較先進(jìn)的可變配氣正時新技術(shù)進(jìn)行闡述。關(guān)鍵詞：可變配氣；VVT；VANOS1 可變配氣機(jī)構(gòu)概述1.1 采用可變配氣機(jī)構(gòu)的原因圖1 發(fā)動機(jī)速度特性不同的發(fā)動機(jī)，由于結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速的不同，其配氣正時也不相同。即使是同一臺發(fā)動機(jī)，其配氣正時也應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。這是因?yàn)椋寒?dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速改變時，由于進(jìn)氣流速和強(qiáng)制排氣時期的廢氣流速也隨之改變，因此在氣門晚關(guān)期間利用氣流慣性增加進(jìn)氣和促進(jìn)排氣的效果將會不同。例如，當(dāng)發(fā)動機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，若配氣正時保持不變，則部分進(jìn)氣將被活塞推出氣缸，

2、使進(jìn)氣量減少，氣缸殘余廢氣將會增多。當(dāng)發(fā)動機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，氣流慣性大，若此時增大進(jìn)氣遲后角和氣門重疊角，則會增加進(jìn)氣量和減少殘余廢氣量，使發(fā)動機(jī)的換氣過程臻于完善。總之，四沖程發(fā)動機(jī)的配氣正時應(yīng)該是進(jìn)氣角和氣門重疊角隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而加大。如果氣門升程也能隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而加大，則更有利于獲得良好的發(fā)動機(jī)高速性能。采用可變配氣正時機(jī)構(gòu)對發(fā)動機(jī)性能的改善，可由圖1一目了然。此外，能源與環(huán)境問題是目前汽車工業(yè)所面臨的兩個重要問題。研發(fā)能耗低、污染低的“節(jié)能-高效-環(huán)?！卑l(fā)動機(jī)是目前發(fā)動機(jī)新技術(shù)的發(fā)展方向?？勺兣錃庀辔患夹g(shù)已成為提高發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的新技術(shù)之一，顯著改善了發(fā)動機(jī)的怠速穩(wěn)定性和

3、排放特性。1.2 可變配氣機(jī)構(gòu)的分類按照控制參數(shù)的不同，可變配氣技術(shù)可分為可變氣門正時（VVT）和可變氣門升程（VVL）兩類?？勺儦忾T正時即氣門開啟與關(guān)閉時刻可變，根據(jù)氣門開啟持續(xù)期的變化又分為可變氣門相位（VP）和可變氣門相位與持續(xù)期（VET）兩類；可變氣門升程主要是改變了氣門開啟的最大升程，按照氣門正時與持續(xù)期的變化情況又可分為可變氣門升程與正時（VLT）和氣門升程單獨(dú)可變兩類。實(shí)現(xiàn)可變配氣有多種途徑，按照有無凸輪軸可分為基于凸輪軸的可變配氣機(jī)構(gòu)和無凸輪軸的可變配氣機(jī)構(gòu)兩類。基于凸輪軸的可變配氣機(jī)構(gòu)主要可分為可變凸輪型線、可變凸輪軸相位角、可變凸輪從動件只類；無凸輪軸的可變配氣機(jī)構(gòu)根據(jù)氣門

4、驅(qū)動形式主要可分為電磁驅(qū)動氣門、電液驅(qū)動氣門、電氣驅(qū)動氣門、電機(jī)驅(qū)動氣門以及其他氣門驅(qū)動形式幾大類。2 可變配氣機(jī)構(gòu)新技術(shù)實(shí)例簡介配氣控制技術(shù)早期的研究進(jìn)展比較緩慢，主要成果是在1985年以后取得的，其發(fā)展先后順序大致如下：優(yōu)化凸輪型線、可變凸輪相位-可變凸輪型線。機(jī)械式全可變氣門機(jī)構(gòu)、無凸輪軸電磁（電液、電氣及其他）驅(qū)動配齊機(jī)構(gòu)、無凸輪軸全可變配氣機(jī)構(gòu)。迄今為止，具有代表性的可變配氣機(jī)構(gòu)主要有Toyota公司的VVT-i, BMW公司的Vanos, Honda公司的VTEC , Mitsubishi公司的MIVEC, Porsche公司的Vario -C am , BMW的Valvotron

5、ic等。 2.1 豐田VVT-i技術(shù)圖2 VVT-i工作原理VVT-i的全稱是Variable Value Timing intelligent，翻譯成中文就是智能可變配氣正時，這項技術(shù)系統(tǒng)是豐田特有的并且在世界技術(shù)上領(lǐng)先的發(fā)動機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時，但是不可以調(diào)節(jié)氣門升程。該技術(shù)的工作原理就是當(dāng)發(fā)動機(jī)從低速度邁向高速度的時候，電子計算機(jī)就會自動地把機(jī)油壓入進(jìn)氣的凸輪軸，然后驅(qū)動齒輪的小渦輪，在這樣的壓力下，小渦輪和齒輪可旋轉(zhuǎn)就會有一定的角度，當(dāng)凸輪軸在六十度圍往前或者往后旋轉(zhuǎn)時，就可以改變進(jìn)氣門開啟的時間，從而達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時的目的。豐田VVT-i發(fā)動機(jī)的ECU在各種行駛工況下

6、自動搜尋一個對應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量、節(jié)氣門位置和冷卻水溫度的最佳氣門正時，并控制凸輪軸正時液壓控制閥，并通過各個傳感器的信號來感知實(shí)際氣門正時，然后再執(zhí)行反饋控制，補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，達(dá)到最佳氣門正時的位置，從而能有效地提高汽車的功率與性能，盡量減少耗油量和廢氣排放。2.2 寶馬VANOS技術(shù) 圖3 VANOS模型圖寶馬VANOS技術(shù)系統(tǒng)是可以調(diào)節(jié)進(jìn)氣凸輪軸和曲軸位置的，使得在不同情況下進(jìn)氣凸輪軸和曲軸的位置相對應(yīng)。寶馬公司第一次使用這項技術(shù)是在1992年的寶馬五系列的搭載M五十發(fā)動機(jī)上。現(xiàn)在寶馬推出了VANOS的新技術(shù)即雙VANOS，雙VANOS技術(shù)調(diào)整了排氣凸輪軸的機(jī)構(gòu)，就是進(jìn)氣凸輪軸的操作是根

7、據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和踏板位置來確定的，當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速處于最低的時候，進(jìn)氣門就會開啟改善怠速質(zhì)量和增加平穩(wěn)度；當(dāng)發(fā)動機(jī)處于中轉(zhuǎn)速度時，進(jìn)氣門就會提前開啟來增大扭矩并且允許排出的廢氣在燃燒室再進(jìn)行循環(huán)利用從而可以減少轎車的耗油量和減少轎車的廢氣排放量；當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度很高的時候，進(jìn)氣門就會再次延遲開啟，這樣就能發(fā)揮出更大的功率。使用雙VANOS系統(tǒng)，氣門升程增加了0.9毫米，使得進(jìn)氣門的開啟時間因而延遲了12度。為迅速而精確的調(diào)整凸輪軸，雙VANOS系統(tǒng)需要非常高的油壓，以確保在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速下能提供更大的扭矩，在高轉(zhuǎn)速時有更大的功率。隨著不完全燃燒氣體的減少，發(fā)動機(jī)怠速得到了改善。預(yù)熱階段的特殊發(fā)動機(jī)管

8、理控制系統(tǒng)能幫助催化轉(zhuǎn)化器更快地達(dá)到工作溫度。雙VANOS系統(tǒng)改善了低轉(zhuǎn)速功率，使扭矩曲線趨于平緩并能為該組凸輪軸擴(kuò)展功率帶。雙VANOS系統(tǒng)發(fā)動機(jī)的扭矩峰值比單VANOS低450轉(zhuǎn)，功率峰值高200轉(zhuǎn)/分，1500-3800轉(zhuǎn)/分下的扭矩曲線也得到了改善。同時，扭矩下降的速度不會超過功率峰值。雙VANOS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于在各種工作狀態(tài)下，系統(tǒng)能夠單獨(dú)控制熱的廢氣流入進(jìn)氣歧管。這被稱為“部”廢氣再循環(huán)，使得廢氣中的可用成分得以進(jìn)行再循環(huán)。2.3 其他可變配給機(jī)構(gòu)技術(shù)（1）保時捷Vario-Cam技術(shù)圖4 Vario-Cam機(jī)構(gòu)保時捷911跑車引擎采用的可變氣門正時技術(shù)Vario-Cam通過氣門我

9、們可以發(fā)現(xiàn)其有兩個位置，每個進(jìn)氣門分別有2種最大行程?？刂茪忾T行程變化的，是兩組凸輪控制，一組是高速凸輪，既紅色部分的凸輪；另一組是低速凸輪，既高速凸輪之間的凸輪。當(dāng)引擎在低轉(zhuǎn)速工況時，氣門座頂端的控制活塞落在氣門座。這樣高速凸輪只能驅(qū)動氣門座向下行程而不能帶動整個氣門動作，整個氣門由低速凸輪驅(qū)動氣門頂向下行程，這樣獲得的氣門開度就較小。反之當(dāng)發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況時，控制活塞在液壓的驅(qū)動下從氣門座推入到氣門頂中，把氣門座和氣門剛性的連接，高速凸輪驅(qū)動氣門座時就能帶動氣門向下行程獲得較大的氣門開度。（2）本田VTEC技術(shù)圖5 VTEC機(jī)構(gòu)示意圖與保時捷Vario-Cam略有相同，本田的VTEC原理

10、接近，而控制方式不同。凸輪軸上依然布置有高速凸輪與低速凸輪，但由于本田引擎的氣門由搖臂驅(qū)動，所以不能像保時捷一樣緊湊?？刂聘叩退偻馆喦袚Q的是一組結(jié)構(gòu)復(fù)雜的搖臂，通過傳感器測出引擎轉(zhuǎn)速，傳送到ECU進(jìn)行控制，并由ECU發(fā)出指令控制搖臂。簡單地說，就是這套搖臂能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速不同自動選取1進(jìn)1排的2氣門工作或者2進(jìn)2排的4氣門工作，從而讓發(fā)動機(jī)在高低速工況下都能順暢自如。通常，轉(zhuǎn)速低于3500rpm時，各有一支進(jìn)氣、排氣凸輪工作，此時發(fā)動機(jī)近似為一臺2氣門發(fā)動機(jī)，這樣的好處是，能夠增加負(fù)壓，利于進(jìn)氣；轉(zhuǎn)速超過3500rpm時，液壓系伺服系統(tǒng)接到發(fā)動機(jī)中央控制器ECU指令，對搖臂機(jī)油加壓，壓力機(jī)油推動定

11、時柱塞移動，使得同步柱塞將高速搖臂與主副搖臂剛性連接，此時低速凸輪雖然轉(zhuǎn)動，但處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，并不參與工作，從而4支活塞共同工作，以適應(yīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。圖5 寶馬Valvetronic技術(shù)（3）寶馬Valvetronic技術(shù)與保時捷Vario-Cam、本田VTEC相同的技術(shù)還有很多，例如豐田VVT-i，通用ECOtec系列引擎的VVT等等，這些技術(shù)能夠改變氣門升程，但是局限性在于，這些技術(shù)都只有“兩段式”可調(diào)，在氣門行程進(jìn)行變化的一刻會感覺到頓挫感。由此，寶馬對氣門行程的調(diào)節(jié)煞費(fèi)苦心，開發(fā)了一套可以連續(xù)可變的氣門正時技術(shù)，目前號稱最具科技含量的氣門正時技術(shù)。與眾不同的是，寶馬采用的是電機(jī)驅(qū)動的方式，電機(jī)的周相運(yùn)動通過蝸桿傳動齒輪，準(zhǔn)變?yōu)閾u臂的控制角度變化，然后在凸輪軸的驅(qū)動下由搖臂帶動氣門運(yùn)動。通過改變搖臂的角度即可改變氣門的行程。由于采用了電機(jī)控制，在ECU指令下電機(jī)能夠“無極”變化角度，使得氣門升