可變正時氣門技術

1、可變氣門正時（VVTVVT） 近幾十年來，基于提高汽車發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和降低排污的要求，許多國家和發(fā)動機廠商、科研機構投入了大量的人力、物力進行新技術的研究與開發(fā)。這些新技術和新方法，有的已在內(nèi)燃機上得到應用，有些正處于發(fā)展和完善階段，有可能成為未來內(nèi)燃機技術的發(fā)展方向。 發(fā)動機可變氣門正時技術是近些年來被逐漸應用于現(xiàn)代轎車上的新技術中的一種，發(fā)動機采用可變氣門正時技術可以提高進氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動機的扭矩和功率可以得到進一步的提高。 發(fā)動機可變氣門正時技術的英文縮寫就是“VVT”（Variable Valve Timing)，其實這種稱謂是“可變氣門正時”的通稱，而在汽車領域被普

2、遍應用的可變氣門正時技術又因為各個廠商的自行創(chuàng)新或者叫法不同而多種多樣?？勺儦忾T正時技術（VVTVVT）工作原理：根據(jù)發(fā)動機的運行情況，調(diào)整進氣（排氣）的量，和氣門開合時間，角度。使進入的空氣量達到最佳，提高燃燒效率。 該系統(tǒng)通過配備的控制及執(zhí)行系統(tǒng)，對發(fā)動機凸輪的相位進行調(diào)節(jié)，從而使得氣門開啟、關閉的時間隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化，以提高充氣效率，增加發(fā)動機功率。優(yōu)點：是省油，功升比大。缺點：是中段轉(zhuǎn)速扭矩不足?？勺冋龝r技術的發(fā)展我們通俗點來說，四沖程汽油機分為吸氣、壓縮、做功、排氣這四步流程，由于發(fā)動機工作時的轉(zhuǎn)速很高，四沖程發(fā)動機的一個工作行程僅需千分之幾秒，這么短促的時間往往會引起發(fā)動機

3、進氣不足，排氣不凈，造成功率下降。因此，就需要利用氣流的進氣慣性，氣門要早開晚關，以滿足進氣充足，排氣干凈的要求。發(fā)動機氣門是由曲軸通過凸輪軸帶動的，氣門的配氣正時則是由凸輪決定的。對于沒有可變氣門正時技術的普通發(fā)動機而言，進排氣們開閉時間都是固定的，但是這種固定不變的氣門正時卻很難顧及到發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速工況時的工作需要。所以，為了讓發(fā)動機根據(jù)不同的負載情況能夠自由調(diào)整“呼吸”，氣門正時的可變性就發(fā)揮出了應有的作用，這樣以來就會提升發(fā)動機的動力表現(xiàn)，使燃燒更有效率。在控制進氣與排氣的工作中，必然會出現(xiàn)一個進氣門和排氣門同時開啟的時刻，配氣相位上稱為“重疊階段”。在低轉(zhuǎn)下表現(xiàn)出色的設計在高轉(zhuǎn)下就

4、未必有效，而重疊較多的發(fā)動機設計則在低轉(zhuǎn)時的扭矩輸出方面表現(xiàn)欠佳，重疊少的發(fā)動機則是在犧牲了動力性能的前提下?lián)Q來了發(fā)動機的平順性和高扭矩。因此，就需要在設計時，充分考慮到凸輪形狀和正時的設計，從而優(yōu)化發(fā)動機的表現(xiàn)。因此為了解決這個問題，就要求這個“重疊階段”的夾角大小可以根據(jù)轉(zhuǎn)速和負載的不同進行調(diào)節(jié)，高低轉(zhuǎn)速下都可以獲得理想的進氣量從而提升發(fā)動機燃燒效率，這就是可變氣門正時技術開發(fā)的初衷?？勺冋龝r技術的發(fā)展在相當長的一段時間內(nèi)，發(fā)動機的設計一直比較中庸，沒有任何一款機器能夠既保證高轉(zhuǎn)的有效性，又保證低轉(zhuǎn)的大扭矩。不過，在上世紀70年代初，出于減排目的而開發(fā)的可變凸輪正時技術卻給了發(fā)動機設計界一

5、個重要的啟示。在重疊階段應用氣門正時調(diào)節(jié)可以通過廢氣來降低溫度，從而減少NOx（NOx氣體是一種危害大且較難處理的大氣污染物）的排放。因此，在上個世紀七十年代，廢氣外循環(huán)（EGR）技術在減少NOx方面的效果已經(jīng)被廣泛接受，但是，如果能夠形成內(nèi)循環(huán)的話，發(fā)動機的設計將更為簡單。所以，后來人們應用了更長的重疊時間，從而使部分廢氣能夠在進氣沖程時進入氣缸。不過，雖然這個問題得到了解決，但是，怠速和低速的工作效果又受到了影響，并使發(fā)動機無法在起步階段通過廢氣高溫來激活催化劑，所以，人們開始使用了可變凸輪正時技術。可變正時技術的應用可變正時技術的應用最先將氣門正時技術應用在量產(chǎn)車中的公司是意大利的阿爾法

6、羅密歐。作為第一個開發(fā)出了雙凸輪軸量產(chǎn)發(fā)動機的廠商，他們用兩根不同的凸輪軸來控制進氣氣門和排氣氣門的開閉時間，從而達到了比單凸輪軸更為有效的效果。這家車廠一名叫Giampaolo Garcea的工程師發(fā)明了一個裝置，就是在進氣凸輪軸的主動鏈輪里加上一個設備，并由螺旋鍵槽將其與凸輪相連接，來改變氣門的正時效果。最先配備這種系統(tǒng)的車型就是阿爾法羅密歐Spider。當這款車在歐洲銷售的時候，該公司進一步增大了重疊角度以獲得更好的燃油經(jīng)濟性。后來在配備了Bosch公司的Motronic發(fā)動機管理系統(tǒng)之后，發(fā)動機的正時技術便越來越依賴于ECU的作用了。緊隨阿爾法羅密歐的就是日產(chǎn)和本田。這兩家日本公司分別

7、在1987年和1989年，研發(fā)出了他們自己的雙頂置凸輪軸系統(tǒng)，也就是后來所說的NVCS和VTEC系統(tǒng)。在1992年，寶馬公司也開發(fā)出了自己的Vanos系統(tǒng)，最先被應用在了進氣凸輪軸上，后來，又于1998年，推出了他們的雙Vanos系統(tǒng)。目前豐田的VVT-i；三菱的MIVEC； 奧迪的AVS；菲亞特的Multiair等也逐漸開始使用。D-VVTD-VVT，雙VVTVVT技術市面上的大部分氣門正時系統(tǒng)都可以實現(xiàn)進氣門氣門正時在一定范圍內(nèi)無級可調(diào)，而少數(shù)發(fā)動機還在排氣門也配備了VVT系統(tǒng)，從而在進排氣門都實現(xiàn)氣門正時無級可調(diào)（就是D-VVT，雙VVT技術），進一步優(yōu)化了燃燒效率。傳統(tǒng)的VVT技術通過

8、合理的分配氣門開啟的時間確實可以有效提高發(fā)動機效率和經(jīng)濟性，但是對發(fā)動機性能的提升卻作用不大，下面將要介紹的可變氣門升程技術則可以彌補這個不足。我們都知道，發(fā)動機的實質(zhì)動力表現(xiàn)是取決與單位時間內(nèi)汽缸的進氣量的，前面說過，氣門正時代表了氣門開啟的時間，而氣門升程則代表了氣門開啟的大小，從原理上看，可變氣門正時技術也是通過改變進氣量來改善動力表現(xiàn)的，但是氣門正時只能增加或者縮小氣門開啟時間，并不能有效改善汽缸內(nèi)單位時間的進氣量，因此對于發(fā)動機動力性的幫助并不大。歐寶雅特歐寶雅特D-VVT發(fā)動機發(fā)動機凱迪拉克凱迪拉克3.0升升SIDI直噴發(fā)動機直噴發(fā)動機D-VVT電子可變雙氣門正時電子可變雙氣門正時

9、總結（發(fā)展趨勢：可變氣門正時升程） 面對這一系列各式各樣的VVT技術，新的疑問也就接踵而至了：哪種技術最好呢？如果非要做個比較的話，我們可以得出這樣的結論：兩段式三段式的非連續(xù)可調(diào)不如CVVT，單獨改變進氣正時或者排氣正時的VVT技術比起進排氣一起調(diào)節(jié)的DVVT還是稍遜一籌；而氣門升程與氣門正時同時可調(diào)（i-VTEC）使得發(fā)動機的低負荷經(jīng)濟性和高負荷的動力性非常令人滿意，但是動力輸出的平順性打了折扣。豐田的VVT-iVVT-iVVTi.系統(tǒng)是豐田公司的智能可變氣門正時系統(tǒng)的英文縮寫，最新款的豐田轎車的發(fā)動機已普遍安裝了VVTi系統(tǒng)。豐田的VVTi系統(tǒng)可連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時，但不能調(diào)節(jié)氣門升程。工作

10、原理是：當發(fā)動機由低速向高速轉(zhuǎn)換時，電子計算機就自動地將機油壓向進氣凸輪軸驅(qū)動齒輪內(nèi)的小渦輪，這樣，在壓力的作用下，小渦輪就相對于齒輪殼旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而使凸輪軸在60度的范圍內(nèi)向前或向后旋轉(zhuǎn)，從而改變進氣門開啟的時刻，達到連續(xù)調(diào)節(jié)氣門正時的目的。VVTi是一種控制進氣凸輪軸氣門正時的裝置，它通過調(diào)整凸輪軸轉(zhuǎn)角配氣正時進行優(yōu)化，從而提高發(fā)動機在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動力性、燃油經(jīng)濟性，降低尾氣的排放。VVTi系統(tǒng)由傳感器、ECU和凸輪軸液壓控制閥、控制器等部分組成。ECU儲存了最佳氣門正時參數(shù)值，曲軸位置傳感器、進氣歧管空氣壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、水溫傳感器和凸輪軸位置傳感器等反饋信息匯集到

11、ECU并與預定參數(shù)值進行對比計算，計算出修正參數(shù)并發(fā)出指令到控制凸輪軸正時液壓控制閥，控制閥根據(jù)ECU指令控制機油槽閥的位置，也就是改變液壓流量，把提前、滯后、保持不變等信號指令選擇輸送至VVTi控制器的不同油道上。豐田VVT-iVVT-iVVTi系統(tǒng)視控制器的安裝部位不同而分成兩種，一種是安裝在排氣凸輪軸上的，稱為葉片式VVTi，豐田PREVIA（大霸王）安裝此款。另一種是安裝在進氣凸輪軸上的，稱為螺旋槽式VVTi，豐田凌志400、430等高級轎車安裝此款。兩者構造有些不一樣，但作用相同。 葉片式VVTi控制器由驅(qū)動進氣凸輪軸的管殼和與排氣凸輪軸相耦合的葉輪組成，來自提前或滯后側油道的油壓傳

12、遞到排氣凸輪軸上，導致VVTi控制器管殼旋轉(zhuǎn)以帶動進氣凸輪軸，連續(xù)改變進氣正時。當油壓施加在提前側油腔轉(zhuǎn)動殼體時，沿提前方向轉(zhuǎn)動進氣凸輪軸；當油壓施加在滯后側油腔轉(zhuǎn)動殼體時，沿滯后方向轉(zhuǎn)動進氣凸輪軸；當發(fā)動機停止時，凸輪軸液壓控制閥則處于最大的滯后狀態(tài)。螺旋槽式VVTi控制器包括正時皮帶驅(qū)動的齒輪、與進氣凸輪軸剛性連接的內(nèi)齒輪，以及一個位于內(nèi)齒輪與外齒輪之間的可移動活塞，活塞表面有螺旋形花鍵，活塞沿軸向移動，會改變內(nèi)、外齒輪的相位，從而產(chǎn)生氣門配氣相位的連續(xù)改變。當機油壓力施加在活塞的左側，迫使活塞右移，由于活塞上的螺旋形花鍵的作用，進氣凸輪軸會相對于凸輪軸正時皮帶輪提前某個角度。當機油壓力施

13、加在活塞的石側，迫使活塞左移，就會使進氣凸輪軸延遲某個角度。當?shù)玫嚼硐氲呐錃庹龝r，凸輪軸正時液壓控制閥就會關閉油道使活塞兩側壓力平衡，活塞停止移動。凸輪軸凸輪軸及節(jié)氣門裝配圖凸輪軸返回可變正時系統(tǒng)的發(fā)動機采用可變氣門正時系統(tǒng)的發(fā)動采用可變氣門正時系統(tǒng)的發(fā)動機機采用可變氣門正時系統(tǒng)的采用可變氣門正時系統(tǒng)的發(fā)動機局部剖面圖發(fā)動機局部剖面圖可變正時系統(tǒng)的發(fā)動機可變氣門正時系統(tǒng)可變氣門正時系統(tǒng)可變氣門正時系統(tǒng)結構圖 返回EGREGR發(fā)動機應用廢氣外循環(huán)（EGR）技術的發(fā)動機返回阿爾法羅密歐SpiderSpiderHOME本田的i-VTECi-VTEC回寶馬的Double-VANOSDouble-VAN

14、OSDouble-VANOS:雙凸輪軸可變氣門正時系統(tǒng)。Double-VANOS是由BMW開發(fā)的雙凸輪軸可變氣門正時系統(tǒng)，這是寶馬技術發(fā)展領域中的又一項成就：Double-VANOS雙凸輪軸可變氣門正時系統(tǒng)根據(jù)油門踏板和發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制扭矩曲線，進氣和排氣氣門正時則根據(jù)凸輪軸上可控制的角度按照發(fā)動機的運行條件進行無級的精準調(diào)節(jié)。 在低發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，移動凸輪軸的位置，使氣門延時打開，提高怠速質(zhì)量并改進功率輸出的平穩(wěn)性。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加時，氣門提前打開：增強扭矩，降低油耗并減少排放。高發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，氣門重新又延時打開，為全額功率輸出提供條件。 Double-VANOS雙凸輪軸可變氣門正時系統(tǒng)還控制循

15、環(huán)返回進氣歧管的廢氣量以增強燃油經(jīng)濟性。系統(tǒng)在發(fā)動機預熱階段使用一套專用參數(shù)以幫助三元催化轉(zhuǎn)換器更快達到理想工作溫度并降低排放。整個過程由車輛的汽油發(fā)動機電子控制系統(tǒng)（DME）控制?；厝獾腗IVECMIVEC MIVEC全稱為“Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system”，中文解釋為三菱智能可變氣門正時與升程管理系統(tǒng)。裝備MIVEC系統(tǒng)的發(fā)動機與普通發(fā)動機一樣采用每缸四氣門，兩進兩排的設計，但不同的是它可以控制每缸兩個進氣門的開閉大小。如在低速行駛時，MIVEC系統(tǒng)發(fā)出指令此時兩個進氣門中的其中一個升程很小，這時基

16、本就相當于一臺兩氣門發(fā)動機。由于只有一個進氣門工作，吸入的空氣不會通過汽缸中心，所以能產(chǎn)生較強的進氣渦流，對于低速行駛，尤其是冷車怠速條件下能增大燃燒速率，使燃燒更充分從而也大大提高了經(jīng)濟性。在我們?nèi)粘Ｐ熊囍?，?jīng)常會遇到這種情況，比如堵車時，這時裝備了MIVEC系統(tǒng)的發(fā)動機比普通發(fā)動機能節(jié)省不少的燃料。 而另一種情況就是當我們需要加速或高轉(zhuǎn)速行駛時，這時MIVEC系統(tǒng)會讓兩個進氣門同時以同樣的最大升程開啟，這時的進氣效率能顯著提高，令發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時能有充足的儲備。當然MIVEC并不是只有這兩種可變的工作狀態(tài)，它可以根據(jù)各傳感器傳來的發(fā)動機工況信號來適時調(diào)整最合理的配氣正時，總而言之miv

17、ec可以令發(fā)動機時刻處在最佳燃燒狀態(tài)。 奧迪的AVSAVShttp:/ 這套系統(tǒng)中還有一個設計細節(jié)需要注意，那就是兩個進氣門無論是在普通凸輪還是高角度凸輪下的相位和升程是有差別的，也就是說兩個進氣門開啟和關閉的時間以及升程并不相同。這種不對稱的進氣設計是為了讓空氣在流經(jīng)兩個進氣門后，同時配合特殊造型的燃燒室和活塞頭，可以令混合氣在氣缸內(nèi)實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和紊流，進一步優(yōu)化混合氣的狀態(tài)。 奧迪AVS可變氣門升程系統(tǒng)在發(fā)動機700至4000轉(zhuǎn)之間工作，當發(fā)動機處于中間轉(zhuǎn)速區(qū)域進行定速巡航時，AVS系統(tǒng)可以為車輛提供很好的節(jié)油效果。菲亞特的MultiairMultiair菲亞特的Multiair電控液壓進氣系

18、統(tǒng)相比寶馬的Valvetronic和英菲尼迪的VVEL的結構來說比較復雜，而且復雜的配氣機構也會在一定程度上增加制造成本。然而菲亞特的Multiair電控液壓進氣系統(tǒng)卻采用了一種相對獨特的手段實現(xiàn)了氣門升程的無級調(diào)節(jié)，在技術上可謂另辟蹊徑。 Multiair最大的特點就是開創(chuàng)性的使用了電控液壓控制系統(tǒng)來驅(qū)動氣門的正時和升程，雖然發(fā)動機為每缸4氣門的結構，但是卻取消了進氣門一側凸輪軸，排氣門側的凸輪軸通過液壓機構來驅(qū)動進氣門。Multiair系統(tǒng)的工作原理要直接得多，而且結構相對簡單。進氣門上方設計有活塞和液壓腔，液壓腔一端與電磁閥相連，電磁閥則通過ECU信號，根據(jù)工況的不同適時調(diào)節(jié)流向液壓腔內(nèi)的油量。由凸輪軸驅(qū)動的活塞通過推動液壓腔內(nèi)的油液，控制氣門的開啟。系統(tǒng)只需要控制液壓腔內(nèi)的油量的多少即可以完成對氣門升程的無級可調(diào)。簡單的結構不僅可以減小整個配氣機構的慣性，而且在高速運轉(zhuǎn)時，能量的損失也更小，而且電控加液壓的配合方式還讓Multiair系統(tǒng)擁有極快的響應速度，因此可以實現(xiàn)在一個沖程內(nèi)多次開啟氣門的模式，使得在怠速和低負荷工況下?lián)碛懈叩娜紵?。然而Multiair最大的優(yōu)勢在于成本，由于配氣機構相對簡單，整套Multiair系統(tǒng)也不需要太高的成本，因此這項技術可以更好的向中低端車型覆蓋