车用发动机可变气门升程专业技术.docx

车用发动机可变气门升程技术王冬霞（华南理工大学机械与汽车工程学院车辆工程，广东 广州 510640）摘要：介绍了可变气门升程技术的意义，对国内外可变气门升程技术发展及现状进行阐述。重点以现今各大型汽车公司推出的典型汽车产品为例，对当前具有代表性的发动机可变气门升程技术的结构、工作原理进行了详细的介绍，并对它们的性能特点进行比较。关键词：发动机 可变气门升程 发展 技术现状 类型 结构 性能比较1、发动机可变升程技术的意义发动机可变气门升程技术可以在发动机不同转速、不同负荷时匹配合适的气门升程，使得发动机在低转速、小负荷时使用较小的气门升程，有利于增强进气涡流强度，增加缸内紊流，提高燃烧速度，增加发动机的低速扭矩，改善冷启动和降低油耗。高转速、大负荷时使用较大的气门升程，减少气门的节流损失，提高充气效率，能够明显提高进气量，提高发动机在高转速、大负荷是的功率输出并能降低发动机的燃油消耗，提高燃油经济性，降低HC、NOx的排放。2、发动机可变升程技术概况相比其他汽车技术，发动机配气控制技术发展比较缓慢，在20世纪80年代后才陆续出现了可变气门正时（VVT）和可变气门升程（VVL）技术。在实际汽车的应用中，本田公司研制出世界上第一个能同时控制气门开闭时刻及气门控制系统。随后本田公司对VTEC技术不断升级，研发出i-VTEC等新技术。在本田公司之后，世界上其他汽车厂商也相继推出可变气门升程技术，分别有：奥迪AVS、三菱MIVEC、保时捷Cariocan Plus 等。相比阶段式气门升程调节，连续式气门升程调节没有阶段式调节应用普遍，只有宝马、日产、菲亚特、丰田等少数公司实现了气门升程的连续可变，国外典型可变气门升程机构应用见表1。表1 国外典型可变气门升程机构应用名称 应用情况 i-VTEC(本田)思域，雅阁，奥德赛等车款 Variocan Plus (保时捷)Panamera，Cayenne，Cayman等车款 （奥迪）A4，A5，A6和A8等车款MIVEC（三菱）V6凌仕，旗胜V3，景逸等车款Valvematic(丰田)2011款RAV4，Auris等车款 Valvetronic(宝马)BMW116i，118i，740Li xDrive等车款 VVEL(日产)英菲尼迪QX56，NISSAN 370Z等车款 Multiair(菲亚特)Fiat500 Lounge Cabrio，Fiat500 Pop Cabrio等车款相比国外，国内对气门升程技术研究起步较晚，虽然也有相应研究，但在实际应用中，可变气门升程技术由于受到零部件成本高，可靠性要求高，发动机缸盖设计的困难较大等限制，在国内并没有得到普遍的应用。3、当前具有代表性的发动机可变气门升程技术结构及性能比较3.1本田i-VTEC图1是本田发动机i-VTEC系统的工作原理图。可见，本田发动机i-VTEC与普通发动机相比，在结构上同样是每缸4气门（2进2排）、凸轮轴和摇臂轴等，不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法，除了原有控制两个气门的一对凸轮和一对摇臂（主摇臂）和副摇臂外，还增加了一个高角度凸轮和相应的中间摇臂，三根摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞。整个VTEC系统由发动机主电脑(ECU)控制。 图1 本田i-VTEC系统工作示意图中低转速时，小活塞在原位置上，三根摇臂分离，普通凸轮分别推动主摇臂和副摇臂，控制两个进气门的开闭，气门升程较小。此时虽然中间高角度凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间已分离，其它两根摇臂不受它的控制，所以不会影响气门的开闭状态。当发动机达到某一个设定的转速时，电脑即会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成一体，一起由中间的高角度凸轮驱动，由于中间的高角度凸轮比普通凸轮高，升程大，所以进气门开启时间延长，升程也增大了.当发动机转速降低到某一个设定的低转速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位， 三根摇臂分开。i-VTEC这种在一定转速后突然的动力爆发极大的提升了驾驶乐趣，但缺点则是动力输出不够线性，动力的过渡不够圆滑，这也是阻碍本田可变气门升程技术进步的瓶颈，原因是不可能在凸轮轴上加上更多的凸轮来实现更多级的调节。本田新开发的气缸内直喷式汽油发动机DOHC(顶置凸轮轴)I-VTEC，采用了VTEC发动机的高度智能化版本，可停止气门动作，并通过VTC对气门进行最佳控制的“I-VTEC”系统，另外还采用了本田独创的中心喷射式的气缸内直喷系统，更融合了活塞上具有独特凹槽的模槽活塞等新技术.通过这些技术，实现了空燃比(空气/燃料的重量比率)65：1的超稀薄燃烧，这远远高于以往包括EGR(废气再循环)直喷发动机在内的40：1的空燃比，在实现动感行驶的同时达到了低油耗。同时这款超稀薄燃烧直喷发动机通过高精度EGR气门的燃烧控制系统，及新开发的高性能触媒的应用，达到了“比2010年尾气排放标准降低50%”的排放水平，实现了65：1的超稀薄燃烧。3.2保时捷 Variocan PlusVariocan Plus是螺旋齿轮式相位角可变型与凸轮选择型组合而成。如图2所示，直动式桶形气门升程器被分割成同心圆形状，内侧升程器由低速凸轮驱动；外侧升程器由高速凸轮驱动。在外侧升程器中由液压驱动的几个销子呈辐射形状布置。当液压作用 于销子时，则销子与内侧升程器的槽口啮合，外侧升程器与内侧升程器处于锁止状态。 图2 保时捷Variocan Plus 结构图在低转速时，销子未受到液压作用，内侧与外侧的各个升程器不处于锁止状态。于是，即使高速用凸轮把外侧升程器往下推压，也不会传递到气门，而只有由低速用凸轮向下推压内侧升程器的行程传递到气门。在高转速时，销子由液压作用而被推压发生移动，销子把外侧升程器与内测升程器锁止。所以外侧升程器的行程也传递到气门。于是内外桶形升程器之间销子可以来回进出，以选择低速或高速用凸轮。Variocan Plus的气门升程在低速用凸轮时为3mm；而高速用凸轮时为10mm。气门升程在低速与高速时发生3倍以上的变化，这是因为桶形升程器被分割成同心圆形状的缘故。凸轮与桶形升程器的触点的移动范围不可以超过升程器的直径。这是因为当触点的移动范围超过升程器直径，则凸轮与升程器肩侧接触发生不正常磨损，因此，气门升程被限制在升程器直径之内，当然，内侧升程器直小，气门升程也相应减少。3.3奥迪AVS奥迪的AVS可变气门升程系统在设计理念上与本田的i-VTEC有着异曲同工之妙，只是在实施手段上略有不同。这套系统为每个进气门设计了两组不同角度的凸轮，同时在凸轮轴上安装有螺旋沟槽套筒。螺旋沟槽套筒由电磁驱动器加以控制，用以切换两组不同的凸轮，从而改变进气门的升程。如图3 图3 奥迪AVS发动机可变气门构造图当发动机在高负载的情况下（图4），AVS系统将螺旋沟槽套筒向右推动，使升程较大凸轮得以推动气门。在此情况下，气门升程可达到11毫米，以提供燃烧室最佳的进气流量和进气流速，实现更加强劲的动力输出。 当发动机在低负载的情况下（图4），为了追求发动机的节油性能，此时AVS系统则将凸轮推至左侧，以较小的凸轮推动气门。 图4 奥迪工作原理图奥迪AVS系统中两个进气门无论是在普通凸轮还是在升程大的凸轮下的相位和升程是有差别的，即两个进气门开启和关闭的时间以及升程并不相同。这可以令混合气在气缸内实现翻转和紊流，进一步优化混合气的状态，提高燃油经济性。奥迪AVS可变气门升程系统在发动机700至4000转之间工作，当发动机处于中间转速区域进行定速巡航时，AVS系统可以为车辆提供很好的节油效果。奥迪的AVS可变气门升程系统调节的气门升程依然是两段式的，没有做到气门升程的无级调节，所以对进气流量的控制还不够精确，不够圆滑。3.4三菱MIVEC该系统主要由高、中、低速凸轮、与此相应的摇臂以及油压控制系统组成(图5)为了实现低、高速模式的转换而不改变顶置单凸轮轴的结构，因而采用了一个新的用于转换工作模式的机械装置。每个汽缸的两个气门分别对应左右两个凸轮:低速、中等升程凸轮。高速凸轮位于前两凸轮之间。T型臂有固定状态和自由状态，固定状态其被高速凸轮驱动，自由状态其不受仟何凸轮驱动。 图5 三菱MIVEC系统构造图当发动机低速运转时，T型臂处于自由状态，不受任何凸轮控制，两气门升程和气门正时分别按低速凸轮和中等升程凸轮轮廓开闭当发动机转速达到一定的较高转速时，摇臂上的活塞被控制油压顶起，使T型臂进入固定状态，T型臂被高速凸轮驱动，其T型端顶靠两气门摇臂，使两气门按照高速凸轮的配气规律开闭。工作时，其高速、低速工作模式的转换，是由发动机电子控制单元(ECU)根据所设定的发动机转速，控制其油压控制阀来完成的。但是，如果在切换高、低速工作模式时输出转矩突变，往往会产生冲击性的振动而影响驾驶舒适性。为了防卜这种转矩突变现象的发生，在同一节气门开度下，判定用高速和低速凸轮时的发动机输出转矩相同的点，并在该点上进行高、低速工作模式的切换。 图6 三菱MIVEC系统工作原理图 有的MIVEC还具有可变排量的控制，即M D ( M odulated Displacement)控制。它是指可使某些缸退出工作，从而改变发动机的实际排量。在低速工作模式下，通过油压控制柱塞销缩进摇臂轴内，这样高、低速摇臂都处于自由空转状态，该汽缸停止工作。动力满足的条件下，减少汽缸可降低发动机换气过程中的泵气损失，因而有效的改善了燃油消耗率，这也被称为“停缸节油”。3.5丰田 Valvematic 图7 丰田 Valvematic系统结构示意图通过将电动机转动转换成执行器内的线性运动，在轴向方向上驱动控制轴。滑动圈与控制轴在轴向方向上互相锁定，它只在摇臂上滑动。滑动圈、中心臂以及摆动臂与螺旋花键啮合在一起，螺旋花键的运动转换成中心臂在径向方向上的转动。摆动臂的摆动限制在一定的范围内，在此，凸轮表面与滚柱摇臂表面接合在一起，在摆动臂和摇臂之间通过滑动圈不断地改变相关的相位。因此可变气门升程被连续控制。由于采用连续可变气门正时和升程系统，可通过控制气门的开启和关闭时间调整汽油机内的空气流量，取代了以往采用的油门，其优点如下:由于在较低气门升程处气门弹簧载荷比较小，进气时泵气损失降低，效率提高。由于在较低气门升程处缸内空气流速较快，可以获得较高的燃烧效率;选择气门开启和关闭正时时具有更大的柔性，在全部区域范围内扭矩增加，最大输出功率提高，稳定性更加卓越;由于没有采用节流，在瞬态区域反应快速。3.6宝马 ValvetronicValvetronic是宝马公司在2001年开发的可变气门升程技术，它是世界上第一个使发动机实现无节气门化的技术，现在被广泛应用于宝马发动机上，目前在国内销售的除了M3及MS外的宝马车型的发动机都具备此功能，具体的结构图见图8 图8 宝马Valvetronic系统结构图 Valvetronic系统在进气凸轮与气门之间增加了中间推杆，中间推杆的顶部滚轮与偏心凸轮始终保持接触、中部滚轮与进气凸轮始终保持接触，这样中间推杆的运动由进气凸轮和偏心凸轮共同控制。中心推杆底部的弧线工作区与摇臂接触，从而控制气门的运动。当偏心凸轮相位不变时，中间推杆在进气凸轮轴的驱动下围绕某一个中心旋转，中间推杆底部弧线发生作用的为弧线的某一段区域。当伺服电机接受来自电控单元的信号后，通过蜗轮蜗杆机构驱动偏心凸轮旋转一定角度后，中间推杆旋转中心位置就会发生变化，从而改变了中间推杆底部弧线发生作用的区域，进而改变了气门升程，见图。偏心凸轮在两个极限位置上，气门所处的最大升程和最小升程。 图9 宝马Valvetronic系统的工作原理图 Valvetronic系统的优点是气门升程可以在09.7mm范围内连续调节。同时，可以实现无节气门的负荷控制方式，降低泵气损失。缺点是由于Valvetronic结构复杂，结构中弹性受到转速的限制，无法应用于高速发动机。 3.7日产VVEL英菲尼迪的VVEL系统的工作原理与BMW的Valvetronic:类似，但在结构上稍有不同。VVEL系统使用一套螺套和螺杆的组合实现了气门升程的连续可调(如图10所示)。图10日产VVEL系统结构示意图在系统工作时，电机通过ECU信号控制螺杆和螺套的相对位置，螺套则带动摇臂、控制杆等部件，最终改变气门升程的大小。如图11所示，当发动机在高转速或者大负荷时，电机带动螺杆转动，套在螺杆上的螺套也会产生相应的横向移动，与螺套联动的机构使得控制杆逆时针或顺时针发生旋转。由于摇臂套在控制杆的偏心轮上，因此摇臂的旋转中心也会随之上升或下降，从而达到改变气门升程的目的VVEL通过直流马达带动控制轴旋转，改变套在控制轴偏心轮上的摇臂旋转中心，从而控制气门的升程。VVEL系统能在一定的范围内可实现升程的无级连续调节，使发动机获得较好的燃油经济性和动力输出。而且没有弹簧类的回位机构，跟Valvetronic相比，VVEL系统中的摇臂，控制杆和螺套等都是刚性连接，没有弹簧类的回位机构，所以VVEL更适合于高速发动机，缺点是VVEL系统结构复杂，摩擦副也相对较多，成本高。3.8菲亚特Multair如图10所示，Multiair最大的特点就是开创性的使用了电控液压控制系统来驱动气门的正时和升程，虽然发动机为每缸4气门的结构，但是却取消了进气门一侧凸轮轴，而排气门侧的凸轮轴通过液压机构来驱动进气门。 图10 菲亚特 MultiAir 系统结构示意图Multiair系统的气门上方设计有液压腔和活塞，并且取消进气门侧的凸轮轴。排气门由排气凸轮轴直接推动，进气门通过一组电磁液压系统进行精确控制。排气凸轮轴上的进气凸轮通过摇臂驱动活塞，这个活塞通过液压腔与进气门相连，从而控制气门的运动。液压腔的一端与活塞相连，另一端与电磁阀相连，电磁阀则通过ECU信号，根据工况的不同适时控制流向液压腔内的油量，气门开度的大小则取决于流向液压腔内油量的多少。这样就实现了气门升程的无极调节。Multiair系统的优点是实现了气门升程的连续调节，提高了响应速度。Multiair系统可以精确地控制进气和喷油，优化燃烧效率，从而提高输出功率和扭矩，降低油耗和减少排放。缺点是Multiair系统控制复杂，成本高以及对系统可靠性要求比较高。3.9可变气门升程系统的性能比较 Valvetronic系统结构比AVS系统复杂，控制难。与AVS系统、Valvetronic系统相比，Multiair系统在结构上取消进气凸轮轴，增加电磁液压系统，进而实现气门的灵活调节，可以在同一进气冲程多次开启气门。正因为如此，Multiair系统在三个系统中控制最困难。性能方面，Multiair系统和Valvetronic系统由于实现气门升程的连续可调，在提升发动机的动力性和改善燃油经济性上明显优于阶段式调节的AVS系统。4、总结语如何