汽车发动机可变气门技术

汽车发动机可变气门技术
摘要：
解决发动机燃油经济性与排放性能之间的矛盾一直是汽车发动机技术不断发展的关键，而发动机可变气门正时技术便是解决这一问题的方案之一，文章介绍了发动机可变气门正时技术在各大公司所推出的具有代表性的系统，即本田VTEC系统、宝马VANOS系统、丰田VVT-i，并将各个系统进行比较，指出宝马公司的Valvetronic系统能使发动机在进新鲜空气时更顺畅，而且还可对其升程进行连续性微调。

提出随着可变气门正时技术的逐渐成熟并被高性能发动机采用，因此能提高发动机的动力性和经济性，降低排放。

关键词：发动机；可变气门技术；气门正时技术；气门升程
目录1、早期的可变技术
1.1、本田VTEC 系统
1.2、宝马 VANOS 系统
1.3、丰田VVT-i 系统
2、车型参数比较
3、21世纪的可变气门技术
3.1、从 VVT-i 到 VVTL-i
3.2、从 VTEC 到 i-VTEC
3.3、从 VANOS 到 Valvetronic
4、结论
5、参考文献
1、早期的可变气门技术
近年来，发动机可变气门正时技术(VVT，Variable Valve Timing) 被广泛应用于现代轿车上，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。

尤其是现在混合动力汽车的不断发展，其也能借着这项技术更自由地变换动力模式( 如停车怠机)，使其内燃机的污染度进一步降低。

宝马与丰田公司的骄傲之作V ANOS与VVT-i最早解决了这个问题，而最早在可变气门发动机上获得表现的当属于本田公司于80年代中期推出VTEC发动机。

1.1、本田VTEC系统
“VTEC”为“Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System”的缩写，中文意思为“可变气门正时及升程电子控制系统”。

VTEC 作为丰田公司在1989年推出的专有技术，它能随发动机转速、负荷及水温等运行参数的变化而适当地调整配气正时和气门升程，使发动机低速时发出大扭矩，在高速时发出高功率。

VTEC系统的发动机有中低速用和高速用2组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的自动操纵，进行自动转换。

采用VTEC 系统，保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何速率运转都达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。

整个VTEC系统由发动机电子控制单元(ECU)控制，ECU接收发动机传感器( 包括转速、进气压力、车速及水温等) 的参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。

1.2宝马V ANOS系统
宝马的V ANOS系统，即“可变凸轮轴控制系统”（Variable Camshaft Control），是基于一个能够调整进气凸轮轴与曲轴相对位置的调整机构，该技术首次应用于1992 年BMW 5系列搭载的M50发动机。

V ANOS技术目前的新版本是双V ANOS，即增加了对排气凸轮轴的调整机构。

V ANOS系统根据发动机转速和加速踏板位置来操作进气凸轮轴。

在发动机转速达到最低时，进气门将随后开启以改善怠速质量及平稳度。

发动机处于中等转速时，进气门提前开启以增大扭矩并允许废气在燃烧室中进行再循环从而减少耗油量和废气的排放。

最后，当发动机转速很高时，进气门开启将再次延迟，从而发挥出最大功率。

1.3丰田VVT-i 系统
VVT-i是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。

其可以连续调节气门正时，但不能调节气门升程。

它的工作原理是：当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，使凸轮轴在60度的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目
的。

VVT-i 系统由传感器、电控单元、液压控制阀和控制器等部分组成，按控制器的安装部位不同而分成2种：一种是安装在排气凸轮轴上的，称为叶片式VVT-i，比如说丰田大霸王；另一种是安装在进气凸轮轴上的，称为螺旋槽式VVT-i，凌志400，430等高级轿车就是采用的此种形式。

2、车型参数比较：
3、21 世纪的可变气门技术
3.1、从VVT-i到VVTL-i
丰田的VVTL-i技术（Variable Valve Timing & Lift Itelligent）,是在原来的VVTL-i 发动机上凸轮轴，多了可以切换大小不同角度的凸轮。

同时也利用摇臂位置来决定是否顶到大角度或小角度的凸轮，而作到可连续式地改变发动机的正时、重叠时间( 重叠相位角) 进气门与两阶段式的升程。

VVTL-i还运用跟VTEC一样的方法来根本解决发动机在高转速时所需要更多的气门重叠时间与气门的开关升程深度，而不同的地方在于，摇臂内VVTL-i是借用油压使一个个销的移动来决定顶到那
种尺寸的凸轮。

就是这样的方式，VVTL-i结合VVT-i的连续式可变正时与重叠角，与VTEC式的凸轮轴切换，可以说是近似完美式的发动机。

3.2从VTEC到i-VTEC
在VTEC发明12 年后的2001年，也就是在丰田公司的VVTL-i发表之后，VTEC技术已经受到严厉的挑战，不久，本田公司再次向世界车坛推出了新一代的VTEC技术，名为i-VTEC系统。

所谓i-VTEC系统，即在现有VTEC 系统的基础上，增加一个被称为“可变正时控制”VTC （Variable timing contro l）的系统，即i-VTEC=VTEC+VTC。

此时，排气阀门的正时与开启的重叠时间是可变的，由VTC控制，VTC机构的导入使发动机在大范围转速内都能有合适的配气相位，使得i-VTEC 也跟VVTL-i一样达到近似完美的可变气门发动机。

典型的VTC 系统由VTC作动器、VTC 油压控制阀、各种传感器以及ECU 组成。

VTC 作动器和VTC油压控制阀可根据ECU的信号产生动作，使进气凸轮轴的相位连续变化。

VTC令气门重叠时间更加精确，保证进、排气门最佳重叠时间，可将发
动机
功率提高20%。

VTC机构的导入，使得气门的配气相位能够“智能化”地适应发动机负荷的改变。

VTC 在发动机运转过程中配合 VTEC 系统的作用主要运用在 3 个方面。

1）最佳怠速 / 稀薄燃烧区域。

在此区域内，VTC系统停止作用，此时气门重叠角最小，由于VTE C 的作用，产生强大的涡流，从而使发动机怠速工作稳定。

2）最佳油耗和排气控制区域。

在此区域内，VTEC发挥作用，产生强大的涡流，从而使可燃混合气混合更加均匀，同时 VTC 的作用使气门重叠角加大，将部分废气重新吸入气缸，起到了EGR的作用，以此达到最佳油耗和排气控制。

3）最佳扭矩控制区域。

在此区域内，通过VTC的控制，以最适当的气门重叠角，同时配合VTEC系统的作用，使得发动机的输出扭矩最大限度地提高。

另外，i-VTEC 发动机采用进气歧管在前，排气歧管在后的布置。

排气歧管缩短了长度，也就是缩短了与三元催化器之间的距离，使三元催化器更快进入适当的工作温度，能有效控制废气排放。

由于发动机启动后i-VTEC系统就进入状态，不论低转速或者高转速VTC都在工作，也就消除了原来VTEC系统存在的缺陷。

综上所述，由于i-VTEC系统中VTC机构的导入，使得发动机的配气相位能够柔性地与发动机的负荷相匹配，在发动机的任何工况下，都能找到最佳的配气相位，以最佳的气门重叠角，实现中低速时低油耗和低排放，高速时高功率和大扭矩，这就像按照人类大脑的要求那样进行控制，因此被形象地称之为“智能化”VTEC。

3.3 从V ANOS到Valvetronic
Valvetronic是宝马公司的理想之作，它比VVTL-i或i-VTEC有更进一步的地方：首先，Valvetronic少了节气阀的设计，使得发动机在进新鲜空气时更顺畅。

它采用电子式的可变电阻，可以根据踏油门的深浅，经过可变电阻来决定进气量。

其次，Valvetronic除了可连续性变化气门正时外，还可对其升程进行连续性微调，这比VVTL-i 与i-VTEC在升程上是阶段式地更进一步了。

BMW为此增加了一种额外的偏心轴，凸轮轴则又通过一个额外的摇臂系统驱动传统的气门摇臂，并且该附加摇臂与气门摇臂的接触角度取决于附加偏心轴的相位。

附加偏心轴的相位可以由一个 ECU 控制下的调节装置来调整，从而使附加摇臂的角度发生变化，这样，对于相同的凸轮运动，传递到气门摇臂上的反应就可以不同，气门的升程也就会相应发生变化。

4、结论
从图 7 中可以清楚地看出目前可变气门技术的实现途径，当然，由于这一技术已经发展了有相当长的一段时间，文章所列举的只是其中的具有代表性的系统结构。

总的来说，对于有凸轮轴式的可变气门系统来说，其通常是通过改变凸轮轴传动、调节摇臂、顶柱或正时皮带来达到气门正时或升程的目的，相对来说实现简单，技术较成熟，但存在调节范围有限，气门运动规律受到凸轮型线的限制，正时的改变不连续的缺陷；而由无凸轮轴式的可变气门系统，其由于取消了凸轮，气门开启和关闭自由且动作迅速，同时其还可以连续改变气门正时，但其也存在缺点，最突出的就是难以精确控制，实现成本较高。

相信通过发动机可变气门正时技术的逐渐成熟，将来会有越来越多的高性能发动机采用这一技术，进而最终提高动力性和经济性，降低排放。

5、参考文献
[1] 冯健璋．汽车发动机原理与汽车理论[M]．北京：机械工业出版社，2004．
[2] 李朝晖，杨新桦．汽车新技术[M]．重庆：重庆大学出版社，2004．
[3] 于洪水．发动机与汽车原理[M]．北京：北京大学出版社，2005．
[4] 李红艳，赵雨东．发动机无凸轮轴气门驱动的研究与进展[J]．车
用发动机，2001（2）：1-5．
[5] 邵显龙．可变配气机构的种类、构造和未来动向[J]．汽车研究与开发，
2001（4）：20-23．。