全可变气门升程技术演变及趋势类型分析

受个人水平及篇幅所限，许多全可变技术的重要问题，比如控制部分、驱动方式等等并没 有涉及，并且可能存在谬误的地方。本文所列相关数据及结论仅供正在或者即将开发使用该 技术的主机厂或研究人员参考。
２全可变气门升程技术演变
从搜集到的资料来看全可变气门升程机构的设计可以追溯到上世纪９０年代中期。在这 十多年的发展过程中，机械式全可变气门升程机构以其可靠、稳定、加工制造简单等优势一直 作为该技术发展的主流。为了使读者更好地理解，以下将主要根据其运动原理发展过程分类 型举例具体分析。
３·１凸轮轴中心式
此种机构即采用凸轮轴中心作为输出摇臂的旋转中心，这一类机构最典型的代表是Ｅｌ产 的ＶＶＥＬ机构，该机构已经实现量产。此外，德尔福的ＳＳＣＲ机构、ＶＬＣ机构和Ｖａｌｔｅｃ机构 也采用了这种结构形式。
我们先来看看Ｅｌ产ＶＶＥＬ机构，在Ｅｌ产专利［４］内燃机的阀升程量的调节机构和调节方 法［５］中申请专利内容是：一种内燃机的阀升程量调节机构，其中，当凸轮轴旋转时摇臂相对于 摆动支承轴而摆动，在摇臂摆动时设置在凸轮轴上的摆动凸轮进行摆动，从而打开和关闭阀， 其中，所述摇臂通过偏心衬套而相对于所述摆动支承轴被可摆动地支承，连接部分设置在所述 偏心衬套和所述摇臂之间，该连接部分能够在所述偏心衬套和所述摇臂可相对于摆动支承轴 成一体地摆动的状态以及所述偏心衬套和所述摇臂可相对地旋转的状态之间转换。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｖａｌｖｅ １ｉｆｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｎｇｉｎｅ ｐｏｗｅｒ，ｒｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ；ｃｏｎｆｏｒｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｃｅｐｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｗｉｌｌ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｖａｌｖｅ １ｉｆｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｈｉｓｔｏｒｙ ｆｒｏｍ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｔｙｐｅ ａｓｐｅｃｔｓ，ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｖａｌｖｅ １ｉｆｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｒｅｎｄｓ ａｎｄ ｔｙｐｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．
总之，对于这种机构来说，由于仅通过改变摇臂比来改变气门升程，因此气门开启的时间 是没有改变的，即对于以１ ｒａｍ气门升程为衡量标准的持续期来说，其改变不大。也就是说在 低速下的泵气损失依旧较大，因此对燃油经济性的提升十分有限。所以这不是一个成熟的全 可变技术方案，由于其本身固有的问题和缺陷目前这一机构已经被摒弃。
全可变气门升程技术作为一项先进的技术，目前尚处于发展阶段。到目前为止，这一技术
１３８
混合动力与纯电动汽车／Ｃ｝蔓ＡＰＴＥＲ Ｉｌ
也仅在宝马、丰田和日产的部分型号发动机上所采用。根据对目前的全可变技术方案的分析 来看，这一技术的主要实现形式分为机械式和液压式，其中又以机械式全可变机构为主流。相 比机械式全可变机构，液压式因为需要较高的加工精度和液体密封性等，在制造、技术和成本 上处于劣势，所以并不被广泛采用，目前仅有ＩＮＡ、ＵＮＩＡＩＲ等少数几家专业的液压机构生产 厂家在研究。由于机械式机构是目前的主流研究方向，并且目前已经实现量产的技术方案都 是采用机械式，因此本文将重点分析机械式全可变气门升程技术。
这种变摇臂比式的全可变机构来说在结构和原理上相对比较简单，即采用变摇臂比的方 式来改变气门升程，相关原理如图１所示。从图中可以看出在电机５ １驱动下，控制臂４１可以 随着蜗杆５ ２的转动而转动，从而实现升程调控。随着控制臂４１的旋转，液压挺柱３ １和凸轮 ２１以及作用臂２６的接触点均发生了改变，此时气门正时改变，作用臂２６传动摇臂比改变，从 而气门升程、持续期发生了改变，并且机构自身调节了气门正时。从性能上看，该机构可以连 续调节气门升程、持续期和正时，但持续期的改变范围较小。另一个重要的问题是受正时调整 角度的限制，摇臂比的改变量也不会很大，这样升程改变的范围上会受到一定的限制。图２为 专利文献中给出的气门升程曲线，在实例中发动机进、排气均采用了这一可变机构。
此类型机构具体将在下一部分内容中重点分析。
ＬＩＦ ｒ１１ ＡＭＯＵＮｒ１１（ｍｍ）
／／ 、＼
，
Ｉ
｛’
１Ｉ
／ ．厂 ＼＼． Ｉ
／／ ／／ ＼＼ ‘＼＼
／
／
∥
厂
。＼．
，心
八
图５ 丰田Ｖａｌｖｅｍａｔｉｃ
１４１
第六届中国智能交通年会暨第七届国际节能与 新能源汽车创新发展论坛优秀论文集（新能源汽车）
３全可变气门升程技术趋势类型分析
２·１变摇臂比式
变摇臂比式全可变机构是最早出现的全可变方案，通过增加一级摇臂比连续可变的机构 来实现气门升程的完全可变。这一方案的代表性实例是本田的一种专利方案［１１，具体如下：
在该专利中申请主权项内容为：一种可变气门系统，有凸轮且凸轮设置到凸轮轴上；摇臂 通过凸轮的气门驱动力的作用被摆动；提升量可变机构可改变发动机气门的最大提升量；致动 器可以驱动提升量可变机构，且其中凸轮通过摇臂打开和关闭发动机气门，其中提升量可变机 构设置有推杆和推杆支架，推杆由凸轮驱动并将气门驱动力施加到摇臂上，推杆支架支撑推杆 并被致动器驱动且被摆动且通过根据推杆支架的位置改变其中推杆紧靠在摇臂上的位置改变 最大提升量。
１ ３９
第六届中国智能交通年会暨第七届国际节能与 新能源汽车创新发展论坛优秀论文集（新能源汽车）
Ⅲ１础 东 裂
图１ 本田方案（左图为高升程位置， 右图为低升程位置）
ＴＤＣ
图２气门升程曲线
曲柄角
２·２复合运动式
复合运动式全可变机构，顾名Leabharlann Baidu义，即传动摇臂的运动不是单纯的直线或旋转运动，而是 通过几个简单直线或旋转运动复合而成。该方案的代表性实例也以本田的一种专利方案［２］分 析，具体如下：
第六届中国智能交通年会暨第七届国际节能与 新能源汽车创新发展论坛优秀论文集（新能源汽车）
全可变气门升程技术演变及趋势类型分析
王利兴 （奇瑞汽车股份有限公司，发动机工程研究院，芜湖２４１ ００６）
摘 要：由于采取全可变气门升程技术能有效改善发动机动力性、燃油经济性及 排放，顺应当前法规以及节能环保理念，因此越来越受到主机厂的关注。本文将根据 全可变气门升程技术发展历史从原理类型方面进行阐述，并对目前全可变气门升程 技术趋势及类型进行分析。
此专利申请主权项内容是一种内燃机的气门升程可变装置，其包括：摇臂，其具有与气门 传动凸轮抵接的凸轮抵接部，并且与内燃机气门联动地连接；第一连杆臂，其一端部可转动地 与该摇臂连接，其另一端部通过固定支轴可转动地支承于内燃机主体的固定位置；第二连杆 臂，其一端部可转动地与所述摇臂连接；可动支轴，其可转动地支承第二连杆臂的另一端部；曲 柄部件，其以能够使该可动支轴绕与其轴线平行的轴线进行角位移的方式与所述可动支轴连 接，并且可转动地支承于所述内燃机主体；以及驱动单元，其与所述曲柄部件连接，以便使所述 可动支轴发生角位移，所述气门升程可变装置的特征在于，所述曲柄部件构成为曲柄状，并且 具有从两侧夹持第二连杆臂的曲柄臂和在避免与第二连杆臂干涉的位置将所述两个曲柄臂接 合为一体的连接部，所述可动支轴以连接两个曲柄臂之间的方式与曲柄部件连接。
关键词：发动机；全可变气门升程；变摇臂比式；复合运动式；升程屏蔽式
Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｌｉｆｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｒｅｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ
昵ｎｇ Ｌｉｘｉｎｇ
（ＥＥＲＩ ＣＨＥＲＹ ＡＵＴＯⅣ【｜ＯＢＩＬＥ Ｃ０．，ＬＴＤ．Ｗｕｈｕ ２４１００６）
从原理图６可以看出通过控制偏心轮５ ６的旋转可以改变中间传递摇臂５ ８的空间位置， 由于摇臂５ ８和摇臂６ １相连接，而摇臂６ １被偏心轮５ ５（即输入凸轮）所限制只能绕偏心轮５５ 中心旋转，因此随着控制偏心轮５ ６的旋转，摇臂６ ２和输出摇臂（输出凸轮）６ ｏ将会随着摇臂 ５８发生运动，从而使得摇臂６０的输出凸轮面和挺柱５９的接触点发生变化，从而使得小升程 下输出摇臂会有一段较大角度的圆弧段需要经过。而在不同升程下，由于输入凸轮（偏心轮） 的作用使得输出摇臂旋转的角度是基本一致的，所以圆弧段角度较大将会屏蔽气门升程和持 续期，从而实现较好的部分负荷的气门升程曲线，根据Ｅｌ产提供的数据ＶＶＥＬ可以实现燃油 经济性７％～１ ３％的提升。
气门升程
、
图３ 本田全可变方案机构示意图
１ ４０
凸轮角度 图４ 机构气门升程曲线
混合动力与纯电动汽车／Ｃ｝蔓ＡＰ鼍、ＥＲ Ｉｌ
该方案的机构示意图３，气门升程量的控制是通过改变控制臂旋转轴６０的位置来实现 的。当控制臂６ ２处于图３左图的位置时，随着凸轮６ ９的作用，作用臂６ ３除了一起向下运动 外，还相对于牵引臂６ １产生了一个逆时针的旋转，这样气门升程相比凸轮升程要更大；反过 来，当控制臂６ ２处于图３右图位置时，作用臂６ ３则相对于牵引臂６ １顺时针旋转了一定角度， 从而气门升程比凸轮升程更小。但驱动凸轮６ ９和辊子６ ５在调控过程中接触点并未发生变 化，因此机构不具有自调节正时的能力。此外，随着凸轮６ ９的驱动，作用臂６ ３即开始运动并 压动气门开启，该机构不具有升程屏蔽的功能，因此不同升程状态下，气门开启时间是一致的， 关闭时间也一致，其气门升程曲线如图４所示。
２·３升程屏蔽式
最后是升程屏蔽式全可变气门升程机构，即采用升程屏蔽的办法在减小气门升程的同时 减少持续期，从而进一步降低泵气损失，是目前全可变气门升程机构设计中最优的选择。这一 方案的基本原理就是中间摇臂的工作面包含一段圆弧段，由于圆弧段不能传递升程，因此可以 达到升程屏蔽的作用。图５是这一类机构的典型代表即丰田专利方案［３］，该专利申请内容是 一种可变气门机构，具有改变内燃机的气门体的作用角和／或升程量的功能，其特征在于具有： 控制轴，为改变所述作用角和／或升程量而对其状态进行控制；摆臂，介于凸轮和气门体之间， 并与凸轮的旋转同步摆动，从而将该凸轮的作用力传递到所述气门体上；可变机构，根据所述 控制轴的状态改变所述摆臂相对于所述气门体的基本相对角；执行机构，产生用于改变所述控 制轴的状态的驱动力；齿轮机构，介于所述执行机构和所述控制轴之间；以及辅助力发生装置， 对所述齿轮机构施加使作用角和／或升程量增大的方向上的辅助力。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｎｇｉｎｅ；Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｖａｌｖｅ Ｌｉｆｔ Ｃｏｎｔｒ０１；Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｒｏｃｋｅｒ；Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｍｏｔｉｏｎ Ｔｙｐｅ；Ｌｉｆｅ Ｓｈｉｅｌｄｅｄ Ｔｙｐｅ
１引言
全可变气门升程技术撇弃了传统的使用节气门控制汽油发动机负荷的方式，而是通过调 节气门升程量、气门开启关闭的持续时间和气门正时来满足发动机对不同负荷的要求，使得节 气门始终处于较大开度的范围内，减少了发动机泵气损失，特别是在部分负荷下的泵气损失， 从而能有效地改善发动机的动力性、燃油经济性及排放等。在日益严峻的能源危机和倡导节 能环保的现在，全可变技术无疑将有着广阔的应用前景。
目前最新的机械式全可变气门升程机构无一例外地采用了上述升程屏蔽式机构方式，此 方式是目前也是未来发展的趋势，也将是下文分析的重点。
采用升程屏蔽式的全可变气门升程机构的主要原理就是利用输出摇臂的圆弧段，不过各 种设计方案在结构和调控原理上又存在一定的差别，我们根据实现升程连续变化利用的特殊 几何位置将其分为四类，即凸轮轴中心式、气门摇臂辊子中心式、气门接触弧段中心式和输出 摇臂中心固定式。
总体来看，该机构可以改变气门升程和持续期，其气门升程曲线有着“二段式’’的特点，对 于每一条气门升程曲线，其开始升程上升的较缓，在一段时间后气门开启会加快。这对于小升 程来说可以更好地降低升程下的持续期，从而更好地减少泵气损失。在性能上比前述的完全 不屏蔽升程变摇臂比式机构更好，但相比后面所述完全屏蔽升程式的机构，这种设计方案也已 经被摒弃。