智能可变气门正时技术

智能可变气门正时技术

摘要：对于汽车发动机而言，可变气门正时和升程技术就是为了让发动机在各种负荷和转速下自由调整“呼吸”，从而提升动力表现，提高燃烧效率,提高经济性，降低燃油消耗。可变气门正时技术几乎已成为当今发动机的标准配置，为了进一步挖掘传统内燃机的潜力，工程人员又在此基础上研发出可变气门升程技术，当二者有效的结合起来时，则为发动机在各种工况和转速下提供了更高的进、排气效率。提升动力的同时，也降低了油耗。本文主要讨论智能可变气门正时技术的原理发展以及典型案例。

关键词：可变气门技术正时技术

1 智能可变气门正时正时技术的原理

1.1 智能可变气门正时技术出现的原因

发动机的进气门和排气门的开启开始与关闭终止的时刻，通常以曲轴转角来表示，称为气门正时角。从气门正时图上可以看出活塞从上止点移到下正点进气过程中，进气门会提前开启和延迟关闭。当发动机作功完毕活塞从下止点移到上止点的排气过程中，排气门会提前开启和延迟关闭。发动机工作时的转速很高，四冲程发动机的一个工作行程仅需千分几秒，这么短促的时间往往会引起发动机进气不足，排气不净，造成功率下降。因此，为了解决这一个问题，一般发动机都采用延长进、排气门的开启时间，增大气体的进出容量以改善进、排气门的工作状态，借以提高发动机的性能。这种延长气门开启时间的做法，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻，称为“气门重叠角”。气门正时图发动机在不同的工况下吸气特征不一样的：发动机在低转速时，进气速度慢，所以需延长气门开启和延时关闭的时间，采用较小的气门重叠角，才能充分进气以保证低转速时候的扭矩输出；在高转速情况下，由于混合气流速很快，那么需减短气门提前开启和延时关闭的时间，采用较大的气门重叠角，这样才不会造成进排气干涉，有利于高转速时候的功率输出。没有任何一种固定的气门重叠角设置能让发动机在任何转速时都能完输出。传统发动机的气门正时角由固定的凸轮轴机械角度确定，其气门重叠角固定的。在一些工况下会出现难以解决的矛盾，很难保证低转速时的扭矩输出和高转速时的功率输出及在这些工况下的燃油消耗等问题。配气正时技术（VVT）是应用于现代轿车上的新技术中的一种，采用智能可变气门正时技术的发动机在低转速时，气门重叠角相对小一些，让气门提前打开和延时关闭的时间更长一些；那么在高转速情况下，气门重叠角就变大一些，让气门提前开启和延时关闭的时间短，这样发动机在各个工况都能得到充分的进气，从而提高了发动机的工作效率，让发动机在低转时能有充分的扭力输出，高转速时能有更强大的功率输出，让发动机扭力输出得更平稳，特性曲线更线性。

1.2 智能可变气门正时技术的组成

1)传感器，曲轴位置传感器、进气歧管空气压力传感器、节气门位置传感器、水温传感器和凸轮轴位置传感器等负责收集发动机负载状况并反馈信息到ECU。

2)电子控制单元ECU，ECU存了最佳气门正时参数值，ECU收集传感器信参数值进行对比计算，计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀。

3)凸轮轴正时液压控制阀，根据ECU指令控制机油槽阀的位置，也就是改变液压流量，把提前、滞后、保持不变等信号指令选择输送至可变气门正时控制器的不同油道上。

4)可变气门正时控制器，安装在排气凸轮轴上的，称为叶片式可变气门正时控制器，安

装在进气凸轮轴上的，称为螺旋槽式可变气门正时控制器。两者构造有些不同，但作用相同。

1.3 智能可变气门正时技术的原理

VVT—i发动机的E C U内储存了最佳气门正时参数值，在各种行驶工况下ECU自动搜寻气门正时实际值，并与其内部的气门正时目标值对比修正，计算出一个对应发动机转速、进气量、节气门位置和冷却水温度的最佳气门正时，并发出指令控制凸轮轴正时液压控制阀，控制阀根据E C U指令控制机油槽阀的位置，也就是改变液压流量，把提前、滞后、保持不变等信号指令选择输送至VVT i控制器的不同油道上。VVT—i发动机的ECU同时综合曲轴位置传感器、进气歧管空气压力传感器、节气门位置传感器、水温传感器和凸轮轴位置传感器等反馈信息来感知实际气门正时，然后再执行反馈控制，补偿系统误差，达到最佳气门正时的位置，从而能有效地提高汽车的功率与性能，尽量减少耗油量和废气排放。

2 可变气门技术的发展

传统的发动机气门驱动系统，采用机械凸轮机构来控制进排气门，由于凸轮型线是固定的，因而其气门的升程、配气定时都是固定不变的，无法在发动机运行中进行调节，通常只能保证在某一工况下优化发动机性能。

当今，能源和环境问题日益突出，社会对燃油的经济性和有害排放物的要求日趋严格，如何改善发动机的性能、提高热效率和减少有害排放倍受关注，出现了大量建立在改进凸轮驱动基础上的可变配气机构的专利，本质上都是通过改变凸轮的型线或凸轮的相位角来实现，因而无法满足实时全程控制的要求。

为了解决上述问题，研究人员提出了取消凸轮驱动，用电磁驱动或电液气门驱动开启的方法。电磁直接气门驱动的工作原理是通过上下2个线圈的交替通电，由衔铁上下运动来控制气门的开启与关闭。但电磁直接驱动配气机构存在许多先天不足，尺寸大、能耗高、易磨损、需要额外的冷却与润滑系统，更为严重的是落座冲击大。电液驱动则用电磁阀控制高压流体的流入或流出控制室，利用高压流体驱动气门，从而实现气门开启或关闭。而电液气门机构系统主要由液压系统、气门驱动机构和控制系统三部分组成。液压系统的主要功能是为系统提供驱动气门运动的能量。液压系统由油箱、液压泵、电动机、调压阀以及蓄能器等元件组成。气门驱动机构主要功能是通过液压能与气门动能及气门弹簧势能三者之间的能量转换来实现气门的开启和关闭。气门驱动机构包括电液驱动可变配气相位机构和气门弹簧组件两部分。其中电液驱动可变配气相位机构通过两位三通高速电磁阀控制液压油路，在液压力的作用下驱动气门运动，气门回位由气门弹簧实现。

3 典型的可变气门正时技术

3.1 丰田3S-GE发动机双VVT-i[2]

丰田发动机3S—GE装备双VVT—i装置，它采用的连续可变气门正时系统可变气门机构中不可缺少的条件。另外，本田和三菱汽车采用的可变气门正时技术是切换工作凸轮、改变气门升程量和气门正时的方式。这种方式在连续性方面稍微差些，它在高速区域和低速区域分别使用两阶段的升程量和气门正时的方式。只有日产汽车采用连续可变气门正时和凸轮升程量及气门正时两种方式。1 双VVT—i的构造与工作原理双VVT—i是进气侧的凸轮轴和排气侧的凸轮轴两方都采用VVT—i装置，气门重叠及气门开启和关闭的时刻设定比进气侧单独的VVT—i有很大的自由度，控制更为精确。双VVT—i的基本构造与单VVT—i完全相同。采取OCV(油压控制阀)和VVT—i驱动轮。凸轮轴驱动装置与从前一样：曲轴驱动轮一正时皮带一进／排气侧的VVT—i驱动轮一OCV一进／排气凸轮轴。丰田3S—GE型的双VVT—i 中采用初期的斜凸轮式VVT—i驱动轮，在正时凸

轮和凸轮轴之间配置了油压活塞，利用OCV来的油压推动油压活塞，使螺旋键发生偏转，产生凸轮相位差。也就是说。螺旋的偏转使凸轮位置发生变化，

从而控制气门正时装置。