可變氣門正時(shí)技術(shù) (4)

1、可變氣門正時(shí)技術(shù) 近幾十年來，基于提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低排污的要求，許多國(guó)家和發(fā)動(dòng)機(jī)廠商、科研機(jī)構(gòu)投入了大量的人力、物力進(jìn)行新技術(shù)的研究與開發(fā)。目前，這些新技術(shù)和新方法，有的已在內(nèi)燃機(jī)上得到應(yīng)用，有些正處于發(fā)展和完善階段，有可能成為未來內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。 發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)(VVT, Variable Valve Timing)是近些年來被逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代轎車上的新技術(shù)中的一種，發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變氣門正時(shí)技術(shù)可以提高進(jìn)氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率可以得到進(jìn)一步的提高。 合理選擇配氣正時(shí)，保證最好的充氣效率hv，是改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能極為重要的技術(shù)問題。分析內(nèi)燃機(jī)的工作原理

2、，不難得出這樣的結(jié)論：在進(jìn)、排氣門開閉的四個(gè)時(shí)期中，進(jìn)氣門遲閉角的改變對(duì)充氣效率hv影響最大。進(jìn)氣門遲閉角改變對(duì)充氣效率hv和發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響關(guān)系可以通過圖1進(jìn)一步給以說明。圖中每條充氣效率hv曲線體現(xiàn)了在一定的配氣正時(shí)下，充氣效率hv隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。如遲閉角為40時(shí)，充氣效率hv是在約1800r/min的轉(zhuǎn)速下達(dá)到最高值，說明在這個(gè)轉(zhuǎn)速下工作能最好地利用氣流的慣性充氣。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于此轉(zhuǎn)速時(shí)，氣流慣性增加，就使一部分本來可以利用氣流慣性進(jìn)入汽缸的氣體被關(guān)在汽缸之外，加之轉(zhuǎn)速上升，流動(dòng)阻力增加，所以使充氣效率hv下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于此轉(zhuǎn)速時(shí)，氣流慣性減小，壓縮行程初始時(shí)就可能使一部分新鮮氣體被推回進(jìn)

3、氣管，充氣效率hv也下降。 圖中不同充氣效率hv曲線之間，體現(xiàn)了在不同的配氣正時(shí)下，充氣效率hv隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。不同的進(jìn)氣遲閉角與充氣效率 hv曲線最大值相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速不同，一般遲閉角增大，與充氣效率hv曲線最大值相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速也增加。遲閉角為40與遲閉角為60的充氣效率hv曲線相比，曲線最大值相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速分別為1800r/min和2200r/min 。由于轉(zhuǎn)速增加，氣流速度加大，大的遲閉角可充分利用高速的氣流慣性來增加充氣。改變進(jìn)氣遲閉角可以改變充氣效率hv曲線隨轉(zhuǎn)速變化的趨向，以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線，滿足不同的使用要求。不過，更確切地說，加大進(jìn)氣門遲閉角，高轉(zhuǎn)速時(shí)充氣效率hv增加有利于最大功率的提高

4、，但對(duì)低速和中速性能則不利。減小進(jìn)氣遲閉角，能防止氣體被推回進(jìn)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(shí)應(yīng)當(dāng)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況及時(shí)做出調(diào)整，應(yīng)具有一定程度的靈活性。顯然，對(duì)于傳統(tǒng)的凸輪挺桿氣門機(jī)構(gòu)來說，由于在工作中無法做出相應(yīng)的調(diào)整，也就難于達(dá)到上述要求，因而限制了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步提高。VTEC原理：在VTEC系統(tǒng)中，其進(jìn)氣凸輪軸上分別有三個(gè)凸輪面，分別頂動(dòng)搖臂軸上的三個(gè)搖臂，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速或者低負(fù)荷時(shí)，三個(gè)搖臂之間無任何連接，左邊和右邊的搖臂分別頂動(dòng)兩個(gè)進(jìn)氣門，使兩者具有不同的正時(shí)及升程，以形成擠氣作用效果。此時(shí)中間的高速搖臂不頂動(dòng)氣門，只是在搖臂軸上做無效的

5、運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速在不斷提高需要變換為高速模式時(shí)，電腦就發(fā)出一個(gè)信號(hào)打開VTEC電磁閥，使壓力機(jī)油進(jìn)入搖臂軸內(nèi)頂動(dòng)活塞，使三只搖臂連接成一體，并且由時(shí)間最長(zhǎng)、升程最大的進(jìn)氣凸輪來驅(qū)動(dòng)氣門，使兩只氣門都按高速模式工作。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低到氣門正時(shí)需要再次變換時(shí)，電腦再次發(fā)出信號(hào)，打開VTEC電磁閥壓力開頭，使壓力機(jī)油泄出，氣門再次回到低速工作模式（分段性的）。 Passat B5轎車選用2.8升，該發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)可變氣門正時(shí)進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)。從俯視觀察，排氣凸輪軸安裝在外側(cè)，進(jìn)氣凸輪軸安裝在內(nèi)側(cè)。曲軸通過齒形皮帶首先驅(qū)動(dòng)排氣凸輪軸，排氣凸輪軸通過鏈條驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣凸輪軸。Passat B5發(fā)動(dòng)機(jī)所應(yīng)用的可變氣門正時(shí)系

6、統(tǒng)，是通過微機(jī)控制可變氣門調(diào)節(jié)器上升和下降獲得齒形皮帶輪與進(jìn)氣凸輪（進(jìn)氣門）的相對(duì)位置變化，這種結(jié)構(gòu)屬于凸輪軸配氣相位可變結(jié)構(gòu)，一般可調(diào)整2030曲軸轉(zhuǎn)角。由于這種機(jī)構(gòu)的凸輪軸、凸輪形線及進(jìn)氣持續(xù)角均不變，雖然高速時(shí)可以加大進(jìn)氣遲閉角，但是氣門疊開角卻減小，這是它的缺點(diǎn)。 日本本田汽車公司在1989年推出了其自行研發(fā)的“VTEC”技術(shù)，英文全稱“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System”，即“可變氣門配氣相位和氣門升程電子控制系統(tǒng)”，是世界上第一個(gè)能同時(shí)控制氣門開閉時(shí)間及升程的氣門控制系統(tǒng)。與普通4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)相

7、比VTEC發(fā)動(dòng)機(jī)同樣是采用每缸4氣門（2進(jìn)2排），但卻有著自己鮮明的特點(diǎn)，即它并未采用慣用的雙凸輪軸結(jié)構(gòu)，而是仍然采用了單凸輪結(jié)構(gòu)，但在采用VTEC系統(tǒng)后，使得單凸輪軸原本簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜。雖然同樣是采用凸輪軸和搖臂等元件，但凸輪與搖臂的數(shù)目及控制方法卻較其他發(fā)動(dòng)機(jī)有很大不同。除了原有控制2個(gè)氣門的一對(duì)凸輪和和一對(duì)搖臂外，該系統(tǒng)增加了一個(gè)較高的中間凸輪及相應(yīng)的搖臂，3個(gè)搖臂內(nèi)部裝有由液壓控制移動(dòng)的小活塞。發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，小活塞在原位置上3個(gè)搖臂分離，2個(gè)凸輪分別推動(dòng)相應(yīng)的2個(gè)搖臂，控制2個(gè)進(jìn)氣門的開閉，氣門升程較小。雖然中間凸輪也推動(dòng)中間搖臂，但由于搖臂之間已分離，其它2個(gè)搖臂不受它的控制

8、，所以不會(huì)影響氣門的開閉狀態(tài)。但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到某一設(shè)定的高轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦會(huì)指令電磁閥啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，推動(dòng)搖臂內(nèi)的小活塞，使3個(gè)搖臂連成一體，一起由中間凸輪驅(qū)動(dòng)。由于中間凸輪比其它凸輪高，升程大，所以進(jìn)氣門開啟時(shí)間延長(zhǎng)，升程隨之增大。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低到某一設(shè)定的低轉(zhuǎn)速時(shí)，搖臂內(nèi)的液壓也隨之降低，活塞在回位彈簧作用下退回原位，3個(gè)搖臂分開。整個(gè)VTEC系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)電腦控制，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦接收轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、車速及冷卻液溫度等信息并進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，通過電磁閥調(diào)節(jié)搖臂活塞液壓系統(tǒng)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速工況下由不同的凸輪控制，改變進(jìn)氣門的開度和時(shí)間。如果在活塞越過下止點(diǎn)一定角度，開始?jí)嚎s沖

9、程之后再關(guān)閉進(jìn)氣門，會(huì)怎么樣呢？直觀的感覺是，這時(shí)活塞已經(jīng)開始上升，剛剛吸入的可燃混合汽豈不是又要被排出去一部分，性能會(huì)不會(huì)下降？答案也是不一定的；只要時(shí)機(jī)適當(dāng)，這樣做反而可以增加吸氣量，改善性能。因?yàn)樵谖鼩鉀_程可燃混合汽被活塞抽入汽缸，進(jìn)氣門附近的氣流速度可以高達(dá)每秒兩百多米，而在下止點(diǎn)附近活塞的垂直運(yùn)動(dòng)相對(duì)很慢，汽缸內(nèi)體積變化并不大，此時(shí)進(jìn)氣岐管內(nèi)的可燃混合汽靠慣性繼續(xù)沖入氣缸的趨勢(shì)還是占了上風(fēng)，吸氣量會(huì)增加。如果比活塞到達(dá)下止點(diǎn)前，提前開啟排氣門會(huì)怎么樣呢？從直覺上，這時(shí)廢氣仍可推動(dòng)活塞做功，如果打開排氣門開始排氣，此時(shí)氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)就會(huì)降低，能量的利用率也就降低了，發(fā)動(dòng)機(jī)性能也會(huì)隨之下降

10、，但是答案是不一定的；我們知道，排氣時(shí)活塞會(huì)壓迫廢氣從而反過來對(duì)廢氣做功，這個(gè)過程會(huì)消耗一部分發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)獲得的能量，如果在缸內(nèi)壓強(qiáng)相對(duì)較高時(shí)提前開始排氣，排氣過程就會(huì)更順暢，從而在排氣沖程減少了能量消耗，但是考慮到活塞在下止點(diǎn)附近一定角度內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)距離其實(shí)非常短，其實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)略微提前打開排氣門效果會(huì)更好一些。如果排氣門也在活塞越過上止點(diǎn)一定角度之后再關(guān)閉，雖然活塞已經(jīng)開始下降，排氣門附近的廢氣仍就會(huì)繼續(xù)排出，此時(shí)進(jìn)氣門已經(jīng)開啟了，廢氣難道不會(huì)涌入進(jìn)氣岐管嗎？道理也是一樣的；事實(shí)上，這又是個(gè)時(shí)機(jī)問題，燃燒室內(nèi)的廢氣渦流的方向決定了廢氣短時(shí)間內(nèi)是不會(huì)流向排氣門對(duì)側(cè)的進(jìn)氣門的，由于大部分廢氣在排氣沖程

11、中前期就已排出，并且在排氣岐管中形成了高密度的高速氣流，沖向排氣管方向，這部分廢氣越是遠(yuǎn)離氣缸，對(duì)于缸內(nèi)尚未排出的廢氣來說，其需要填充的體積就越大，而且此時(shí)進(jìn)氣管的氣流速度很快，遠(yuǎn)大于廢氣的流動(dòng)速度，于是，一邊進(jìn)氣一邊排氣的局面是完全可以實(shí)現(xiàn)的；同理，其實(shí)進(jìn)氣門在一定時(shí)間內(nèi)也可以提前開啟，以增大氣缸進(jìn)氣量（其實(shí)這就達(dá)到“氣門重疊”了）.如果你參加過長(zhǎng)跑比賽，就能深刻體會(huì)到呼吸節(jié)奏的把握對(duì)體能發(fā)揮的重要性太急促或刻意的屏息都可能增加疲勞感，使奔跑欲望降低。所以，我們?cè)陂L(zhǎng)跑比賽時(shí)往往需要不斷按照奔跑步伐來調(diào)整呼吸頻率，以便時(shí)刻為身體提供充足的氧氣。對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)而言，這個(gè)道理同樣適用?？勺儦忾T正時(shí)和升程技術(shù)就是為了讓發(fā)動(dòng)機(jī)在各種負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下自由調(diào)整“呼吸”，從而提升動(dòng)力表現(xiàn)，提高燃燒效率。以上所述發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)，是通過微機(jī)