配气可变正时系统.doc

管道内气体流动阻力摩擦阻力根据流体力学原理，空气在横断面形状不变的管道内流动时的摩擦阻力按下式计算： Pm=2l/8Rs对于圆形风管，摩擦阻力计算公式可改写为：Pm=2l/2D圆形风管单位长度的摩擦阻力（比摩阻）为： Rs=2/2D以上各式中摩擦阻力系数风管内空气的平均流速，m/s;空气的密度，Kg/m3; l 风管长度，m Rs风管的水力半径，m; Rs=f/P f管道中充满流体部分的横断面积，m2； P湿周，在通风、空调系统中既为风管的周长，m； D圆形风管直径，m。 本田的VTEC根据Pm=2l/8Rs只能采取增大进气截面积s和减小进气速度v。当发动机低速运转时，油气混和气进入气缸的动力来自于气缸内外气压差形成的负压，由于油气混和气的流速较慢，需要较大的气压差，也就是说需要气门行程较小；相反，当发动机高速运转时，进气速度v很大，想要减小进气阻力，唯一的办法就是增加进气截面积s，也就是需要气门行程较大；行程较小 行程较大 如上图所示，在VTEC系统中，其进气凸轮轴上分别有三个凸轮面，分别顶动摇臂轴上的三个摇臂，当发动机处于低转速或者低负荷时，三个摇臂之间无任何连接，左边和右边的摇臂分别顶动两个进气门，使两者具有不同的正时及升程，以形成挤气作用效果。此时中间的高速摇臂不顶动气门，只是在摇臂轴上做无效的运动。当转速在不断提高时，发动机的各传感器将监测到的负荷、转速、车速以及水温等参数送到电脑中，电脑对这些信息进行分析处理。当达到需要变换为高速模式时，电脑就发出一个信号打开VTEC电磁阀，使压力机油进入摇臂轴内顶动活塞，使三只摇臂连接成一体，使两只气门都按高速模式工作。当发动机转速降低达到气门正时需要再次变换时，电脑再次发出信号，打开VTEC电磁阀压力开头，使压力机油泄出，气门再次回到低速工作模式。工作原理在中低转速时，发动机需要的混合气量并不高，以保持转速的稳定以及减少燃油消耗和污染物排放。但到达高转速时便需要更大的进气量来满足高动力输出的需求，而发动机进气门的相位（开闭的时机）和升程（开度的大小）便是决定汽缸进气量的最直接因素。普通的发动机在制造出来后，配气相位和气门升程就固定不变了，无法适应不同转速下发动机对进排气的需求。本田公司在1989年推出了自行研制的“可变气门正时和气门升程电子控制系统”，英文全“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System”，缩写就是“VTEC”，是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统。与很多普通发动机一样，VTEC发动机每缸有4气门（2进2排）、凸轮轴和摇臂等，但与普通发动机不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法。中、低转速用小角度凸轮，在中低转速下两气门的配气相位和升程不同，此时一个气门升程很小，几乎不参与进气过程，进气通道基本上相当于单进气门发动机。而在高转速时，通过VTEC电磁阀控制液压油的走向，使得两进气摇臂连成一体并由开启时间最长、升程最大的进气凸轮来驱动气门，此时两进气门按照大凸轮的轮廓同步进行。与低速运行相比，大大增加了进气流通面积和开启持续时间，从而提高了发动机高速时的动力性。这两种完全不同性能表现的输出曲线，本田的工程师使它们在同一个发动机上实现了保时捷Variocam技术Variocam以及后继者Variocam Plus系统最早出现在1991年，保时捷第一次将Variocam技术正式应用的车型是968。Variocam以及Variocam Plus最大区别在于后者使用液压来调控cam，达到变气门升程的效果。从下面右边的图中可以看到，每个气门是由三个凸轮所管理的。当中的比较小，两边比中间大却一样大。用挺杆来推动达到不用凸轮控制气门的效果。小的凸轮自然升程就小（3mm），而大凸轮自然升程就比较大（10mm）。 那么挺杆是怎么工作的呢？从图中可以看到，进气侧的两极气门形成控制是通过电动液压可变换挺杆实现的。每个挺杆各配有两个同心提升件，它们可以锁在一起形成一个单元或相互独立地运动。內挺杆有一个小型凸轮操纵，外挺杆有两个较大的凸轮操纵。进气门正时由各个进气门凸轮轴上的一个旋转叶片装置无极调节。通俗的讲就是，有两个挺杆，一个在内，看不到，一个在外，是环状。他们可以被相互锁柱，如果被锁住，大凸轮就可以工作，就像左面的图，如果没有被锁住，小凸轮就工作，就像右面的图。 图为采用了Vario Cam可变气门行程技术的保时捷911发动机 了解完VTEC和VarioCam的工作原理，简要的概括这两者的异同点就是VarioCam用凸轮轴直接驱动气门，气门行程的改变是由不同的凸轮轴顶起挺杆外的两个同心提升件来改变，变换过程中锁死的是两个同心提升件；而VTEC在凸轮轴和气门之间存在一个传动装置摇臂，气门行程的改变是由不同的凸轮轴顶起不同的摇臂，变换过程中锁死的是摇臂。也正是因为这个摇臂的存在，发动机在运转的过程中产生了更多的噪音和振动。另外由于增加了运动部件的质量，也不利于发动机转速的提高，而保时捷VarioCam是直接驱动气门的，于是就可以避免由于存在摇臂带来的问题。 优点：可以减小噪音和振动，减少运动部件质量从而提高发动机转速既然保时捷的VarioCam这种直接用凸轮轴驱动气门的方式，可以减小噪音和振动，减少运动部件质量从而提高发动机转速。为什么本田不用保时捷这种呢？这得从本田的发动机发展历史说起。本田一直热衷于单顶置凸轮轴技术的发动机，过去的本田发动机都是单顶的，即使到现在，本田的发动机在小于2.0的四缸机和所有的六缸机也都是单顶的，例如1.8L CIVIC的R18A1，2.0L新CR-V的R20A1和3.0雅阁的J30A4等，因此在单顶基础上开发的VTEC是通过驱动摇臂来实现行程可变，即使现在发展到了双顶，仍然通过摇臂，原因很简单，比起重新开发来，在原有技术上革新既节约成本又可以使技术更成熟。 宝马的Valvetronic 宝马永远是走在技术的前沿的。在2001年1月，第一代Valvetronic系统被首次运用于3系E46上的直列4缸N42发动机。Valvetronic扬程可变系统搭配Bi-Vanos气门正时系统使得N42发动机在当时业内显得非常先进。第二代Valvetronic被应用于宝马N46、N52、N62等发动机上。而N52这款直列六缸自然吸气发动机则是最受到人们关注的型号，被搭配于E60、E66、E90等同代车型上。而第三代Valvetronic系统则配合最新的涡轮增压发动机被应用于最新一代的N55发动机上。 Valvetronic的核心是中间杠杆技术，凸轮轴通过驱动相位可调节的中间杠杆实现气门扬程的无级调节。下图为宝马最新第三代Valvetronic机构结构图，Valvetronic机构由5个重要部分组成：偏心轴驱动电机、偏心轴驱动齿轮、偏心轴、凸轮轴、中间杠杆。 从下图中可以看到，Valvetronic可以通过调节中间杠杆的位置实现了气门扬程的无级调节。在负荷较低的发动机工况下，Valvetronic控制气门开度较小，吸入的空气量较少，燃油使用量较少；当发动机负载增加，Valvetronic控制气门开度较大，吸入的空气量较大，燃油吸入量多，做功较多，输出动力更大。有了Valvetronic，节气门的负载控制功能则被取代了，在正常工作时，发动机进气量由Valvetronic机构控制，节气门全开。节气门只在发动机出问题时进入紧急模式后才控制发动机进气量。这样一来，由于节气门全开，使得空气进入气缸畅通无阻，不会在进气门背面产生负压，也极大减少了发动机进气损失，最终达到提高燃油经济性和提升发动机效能的目的。 优点：减少节气损失，减少油耗。 缺点：结构较大；增加的机构增加了摩擦损失和惯性使得此机构不适用于超高转速发动机。日产的VVEL宝马的Valvetronic曾经是连续可变气门扬程系统的“唯一”。但擅长吸收别人经验的日本人在相隔几年后纷纷拿出自己的连续连续可变气门扬程系统，虽则各厂商通过不同的结构实现气门扬程连续可变功能，但似乎“后生更加可畏”。日产在英菲尼迪G37轿跑车的VQ37发动机上，首次装备了VVEL可变气门升程，配合C-VTC，就像宝马的Bi-VANOS+Valvetronic一样，让发动机的气门控制更加接近理想化。英菲尼迪G37搭载的VQ37发动机最大马力330bhp，升功率达89.2bhp，峰值扭力也达到38.1kgm，相比宝马N52的升功率还要稍微高一点。 日产VVEL的核心是偏心轴机构，偏心轮轴并不直接驱动气门，偏心轮轴上面的偏心轮驱动连接A，链接A驱动摇臂，摇臂驱动连接B，连接B驱动输出凸轮推动气门顶筒使得气门打开（输出凸轮并不是刚性连接在驱动轴）。此机构看起来比较复杂，摩擦副也相对较多，但是由于所有构件采取刚性连接，没有弹簧类的回位机构，使得VVEL更适合于高转速发动机而无需考虑惯性的问题。 从下图可以清晰地看出VVEL在不同工况下的动作情况。可以看到VVEL偏心轴在不同工况下的转角是不同的，VVEL偏心凸轮位置不同导致摇臂的支点出现变化从而控制了气门的开度。至于控制逻辑方面，VVEL也是通过在不同的负载控制不同的气门开度从而实现减少进气损失，最终达到优化燃油经济性的目的。据日产的资料，在低负载工况下VVEL能够减少10%的燃料损耗。但在峰值功率上，VVEL并没有太大的贡献，这是因为VVEL的进气效率被VVEL机构新增的摩擦给抵消掉了。但VQ37发动机的最高转速可以达到7500rpm，不像Valvetronic发动机那样受到高转速的限制。（左侧动画为小扬程，右侧动画为大扬程，注意VVEL偏心轴位置）优点：增强高转速的动力输出，低负荷工况节省燃料 缺点：VVEL机构稍显复杂而且成本较高丰田的Valvematic在2008年，丰田终于公布了其无级气门扬程可变系统，加入CVVL（Continuous Variavle Valve Lift）俱乐部。虽然Valvematic发布较晚，但是相比Valvetronic以及VVEL，有不少突出的优点。首先，结构相对简单，不会增加汽缸盖的重量和体积；其次，由于结构简单，摩擦副较少，重量较轻，使得Valvematic不会像Valvetronic一样限制发动机的高转速性能。据丰田的消息，Valvematic能够在增加10%的动力输出同时，减少5-10%的燃油消耗。 丰田Valvematic机构主要由几个部分组成：凸轮轴、中间轴、摇臂、滚轮摇臂、摇臂推动机构。Valvematic最重要的部分，就是中间轴通过斜齿带动的两个摇臂推动机构和一个滚轮摇臂；摇臂推动机构和滚轮摇臂的斜齿方向是相反的；所以当中间轴旋转的时候，摇臂推动机构和滚轮摇臂会以相反的方向旋转，从而它们的夹角会出现变化。而凸轮轴通过部件刚性连接的可变中间轴作用在气门摇臂上推动气门运动。具体情况是：凸轮轴作用在滚轮摇臂上，摇臂推动机构推动气门摇臂。当需要调节气门开度时，我们只需要使摇臂推动机构和滚轮摇臂之间的夹角发生变化即可。夹角增大，气门扬程增大；夹角减小，气门扬程减小。具体控制过程可以看下面的示意图。（左侧的是窄夹角低扬程工况；右侧的是大夹角大扬程工况）从原理上来看，Valvematic机构和控制原理相对于Valvetronic和VVEL来得简单，但是中间轴内部结构作为Valvematic的核心构造则相对较难理解。下面是Valvematic的一些结构图，可以帮助大家理解这个结构。（点击图片可放大，请注