《汽车新结构新技术》可变技术

1、1可变技术第一节概述第二节丰田凯美瑞VVT-i可变气门正时技术第三节本田雅阁i-VTEC可变气门正时和升程技术第四节宝马Valvetronic电子可变气门第五节福特公司的双等相位可变气门定时2第一节概述20世纪50年代,意大利的阿尔法罗密欧率先将气门正时技术应用在量产车中。他们用两根不同的凸轮轴来控制进气门和排气门的开闭时间,从而达到了比单凸轮轴更为有效的效果。紧随阿尔法罗密欧的是日产和本田。分别在1987年和1989年研发出了他们自己的双顶置凸轮轴系统,即NVCS和VTEC系统。1992年,宝马公司也开发出了自己的VANOS系统,最先被应用在了进气凸轮轴上,后来,又于1998年推出了他们的双

2、VANOS系统。2000年,宝马公司又开发出全可变气门升程Valvetronic系统。3跨越传统的气门正时可变理念,随着相位、气门工作角、升程全部实现完全连续可变和精确控制,取消节气门而直接对吸入空气量进行控制的气门机构已经开始量产,从而在大幅降低吸排损失和降低排放方面迈出了一大步。可变气门技术目前仍以机械式气门控制机构为主流,但未来的技术发展趋势将转向开发电磁气门控制系统。4一、可变技术的理论依据以可变配气定时为例根据发动机原理可知发动机的升功率、升转矩及比油耗：Ne=K1ivm n/Me= K2ivm / ge= K3/（im）式中：K1 K2 K3 常数；i 指示效率；v 充气效率；m

3、机械效率；n发动机转速； 过量空气系数。 首页返回章返回节5由此可知，提高发动机的动力性及经济性的措施就是提高ivm n，减小。 提高n，会提高涡流比，会增加指示效率，但涡流比过高，又会影响充气效率。首页返回章返回节6提高充气效率是提高发动机动力性能的重要措施:增压。合理选择配气相位或使其随着发动机转速不同而变化。利用进气的惯性及谐振效应。 首页返回章返回节7通过进气门进入气缸的新鲜充量的平均速度可用下式表示:V=（Vh .n）/Fi Vh 发动机排量；Fi 进气门有效开启面积。进气速度过大，进气流动损失增加，因此必须将进气速度限制在某一数值以内。若进气门有效开启面积不变，进气速度随着发动机转

4、速下降而降低，在发动机低速时，进气速度及涡流比低，不利于混合气的形成和燃烧。因此，需要根据发动机转速下降，减少进气门流通面积，以提高涡流速度。首页返回章返回节8可变进气系统及配气相位改善发动机的性能，主要体现在以下几个方面：1）能兼顾高速和低速不同工况，提高发动机的动力性能和经济性。2）降低发动机的排放。3)改善发动机怠速及低速时的性能及稳定性。 首页返回章返回节9二、可变气门技术所谓可变气门技术,就是通过配备的控制及执行系统,对发动机凸轮的相位或者气门升程进行调节,从而达到优化发动机配气过程的目的。目前可变气门技术大致可分为两类。一类是使气门开启正时发生改变的相位可变机构,称为可变气门正时技

5、术;另一类是使气门升程发生改变的升程可变机构,称为可变气门升程技术。101.可变气门正时技术不同的发动机，由于其结构形式、转速各不相同，因而配气相位也不相同。同一台发动机转速不同也应有不同的配气相位，转速越高，提前角和迟后角也应越大。为了获得发动机高转速、大功率，要求配气机构有较大的进、排气持续角度，特别是进气迟后角要大，充分利用气流惯性；为了获得发动机低转速、大转矩，进气迟后角要小，防止低速倒流；为了获得中小负荷较好的燃油经济性，气门重叠角应小。112.可变气门升程技术发动机的气门升程是受凸轮轮廓控制的。在普通的发动机上, 气门升程是固定不变的。而采用可变气门升程技术的发动机,气门升程能随发

6、动机转速的改变而改变。在高转速时,采用长行程来提高进气效率,让发动机的呼吸更顺畅;在低速时,采用短行程,能产生更大的进气负压及更多的涡流,让空气和燃油充分混合,从而提高低转速时的转矩输出。12三、可变气门技术的发展1.分段相位可变气门正时为了满足低速时的运转和高速时的全负荷输出功率要求,早期的设计是通过曲轴转角将进气凸轮相位的变化控制在20-30。132.连续相位可变气门正时连续相位可变气门正时机构将相位改变角扩大为40-60,并可以连续控制,在应用上与分段相位可变式有所不同。在中低负荷条件下,连续相位可变式专门设计了气门重叠角,利用内部EGR效果,降低了油耗和排放。通过对可变气门机构的改进,

7、可以进一步降低油耗和减少排放,同时起动时HC排放量的减少也可以通过改变相位角来实现。为了通过相位可变机构进一步满足提高快速响应性、紧凑性和减重方面的要求,工程师取消了传统的螺旋齿轮,开发出使用叶片的可变机构，大幅度减小了体积,减轻了重量,提高了可变性。143.进排气连续相位可变气门正时进排气连续相位可变气门正时机构不仅在进气门,同时在排气门安装连续相位可变机构。目的是为了在较宽的转速区利用排气脉冲来提高满负荷输出功率,同时在中低负荷区域尽量利用排气相位角。通过改善膨胀比来进一步降低油耗,并减少HC的排放。154.分段式可变气门升程+连续相位可变气门正时为了提高满负荷时的输出功率,目前常见的是中

8、低速时所用的凸轮轮廓与高速时所用的凸轮轮廓进行相互切换的型式,采用这种型式在中低负荷区域使正时活塞停止工作,加强缸内气体的流动,改善稀薄燃烧和大量EGR循环条件下的燃烧状况,降低油耗和排气量。165.连续式可变气门升程+连续相位可变气门正时上述采用分段式可变气门升程的发动机,在气门行程进行变化的一刻会感觉到顿挫感。由此开发了连续式可变气门升程技术，采用电动机驱动的方式,电动机的周相运动通过蜗杆传动齿轮转变为摇臂的控制角度变化,然后在凸轮轴的驱动下由摇臂带动气门运动。通过改变摇臂的角度即可改变气门的行程。由于采用了电动机控制,在ECU指令下电动机能够无级变化角度,使得气门升程的改变并不影响发动机

9、工作,能有针对性地对每个转速范围进行细致的配气分析。17四、可变气门技术的实际应用1.保时捷Variocam每个进气门分别有两种最大行程。控制气门行程变化的是两组凸轮,一组是高速凸轮;另一组是低速凸轮,即高速凸轮之间的凸轮。当发动机在低转速工况时,气门座顶端的控制活塞落在气门座内。这样高速凸轮只能驱动气门座向下而不能带动整个气门动作,整个气门由低速凸轮驱动,这样获得的气门开度就较小。反之当发动机在高转速工况时,控制活塞在液压的驱动下从气门座推入到气门顶中,把气门座和气门刚性的连接,高速凸轮驱动气门座时就能带动气门向下获得较大的气门开度。18192.日产CVTC日产的CVTC连续相位可变气门正时

10、系统是利用液压作用改变凸轮轴同步齿形带轮与凸轮轴末端的夹角,从而改变配气正时角。20213.奥迪AVS进气凸轮轴上带有外花键,凸轮组件就位于花键上。它有两个凸轮轮廓,一个是短升程凸轮,一个是长升程凸轮，凸轮组件可轴向移动7mm。凸轮组件的轴向移动是由两个垂直布置在缸盖上的金属针来完成的。金属针由电磁来驱动,在凸轮组件的滑槽中运动。在全负荷时,气门升程可达11mm;在部分负荷时,气门开启是不对称的,一个气门升程是5.7mm,而另一个只有2mm。AVS与特殊设计的进气口和燃烧室形状配合,可产生必要的进气涡旋,这个工作在FSI发动机中由进气歧管翻板来完成。2223第二节 丰田凯美瑞VVT-i可变气门

11、正时技术1、丰田凯美瑞VVT-i可变气门正时技术VVT-i 意为智能可变气门正时,丰田汽车公司在20世纪90年代中期研发此项技术。在推出VVT-i不久后,丰田又推出了双VVT-i技术,就是发动机的进排气各有一个VVT-i系统。目前,丰田已经将VVT-i普及到了几乎全系列的车型上,是丰田现有的重要技术之一。24VVT-i系统的进排气门相位重叠工作情况1.怠速和小负荷怠速和小负荷工况时,进排气门重叠角最小,目的是防止废气倒流回进气侧,从而使怠速稳定,燃油经济性更好。252.中等负荷中等负荷时增加进排气门重叠角,以增强内部废气再循环,从而降低泵气损失,在提高燃油经济性的同时,使排放得到改善。263.

12、大负荷低到中速范围大负荷低到中速范围时需提前进气门正时,以提高充气效率,使低到中速范围的转矩得到改善。274.大负荷高速范围大负荷高速范围时需推迟进气门正时,以改善容积效率,使输出功率得到增加。285.低温或发动机起动和停止时低温或发动机起动和停止时要使进排气门重叠角最小化,目的是防止废气倒流回排气侧,从而使怠速快速稳定,燃油经济性更好,起动性得到改善。29二、丰田凯美瑞2.4L发动机(2AZ-FE) VVT-i 系统的技术特点1.技术参数进气凸轮轴采用VVT-i系统,进气门在上止点前3-43打开,在下止点后25-65关闭;排气凸轮轴无VVT-i系统,排气门在下止点前45打开,在上止点后3关闭

13、。302.系统组成进气凸轮轴前端装有VVT-i控制器,用来改变进气正时,尾端装有正时转子,用来触发凸轮轴位置传感器,轴中还有一条油道,用于向VVT-i控制器提供发动机压力油。排气凸轮轴无VVT-i控制器。链张紧器采用棘轮式单向机构,用弹簧和机油压力来始终保持适当的链张力,同时抑制链产生的噪声。31系统将进气凸轮轴控制在40曲轴转角的范围内,从而提供最适合于发动机状态的气门正时。ECU根据发动机转速、进气量、节气门位置和冷却液温度计算每个驾驶条件下的最佳气门正时,控制凸轮轴正时机油控制阀。除此以外,ECU根据来自凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器的信号来检测实际气门正时,从而提供反馈控制以达到理想

14、的气门正时。321.凸轮轴正时机油控制阀凸轮轴正时机油控制阀根据ECU提供的占空比信号控制滑阀位置,将压力油施加给控制器提前侧和推迟侧油道。发动机停机时,凸轮轴正时机油控制阀位于最大推迟状态。三、丰田凯美瑞2.4L发动机(2AZ-FE) VVT-i系统的结构与工作原理332、控制器控制器包括由正时链驱动的壳体以及与进气凸轮轴耦合的叶片,从进气凸轮轴提前侧或推迟侧油道进入的压力油使控制器叶片向两个方向旋转，从而连续地更改进气门正时。发动机停机时，进气凸轮轴处于最大推迟状态，确保起动。3435第三节 本田雅阁i-VTEC可变气门正时和升程技术一、本田雅阁i-VTEC可变气门正时和升程技术本田公司在

15、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”,英文全称为“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System”。 这是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程两种不同情况的气门控制系统。i-VTEC系统是在VTEC系统的基础上增加了一个称为VTC的装置-一组进气凸轮轴正时可变控制机构, “Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control with Variable Timing Control”。361、VTEC工作条件发动机转速:2800

16、-3200r/min以上。车速20km/h以上(手动变速器)或5km/h以上(自动变速器)。冷却液温度:60以上。发动机负荷:由进气歧管真空决定。372、VTEC工作原理38凸轮轴旋转时，处在外侧的2个低速凸轮分别推动外侧的主摇臂5和次摇臂7;处在中间的高速凸轮推动中间的中间摇臂。这3个摇臂绕同一根摇臂轴摆动，但其中只有主摇臂和次摇臂才能推动气门，而中间摇臂则须通过安置在内部的液压柱销A和B带动两侧的主摇臂和次摇臂方能推动气门。发动机处在低转速范围时，液压柱销A和B受复位弹簧8的作用分别处在主摇臂5和中间摇臂的孔内，3个摇臂各自独立地运动。主摇臂5和次摇臂7各自推动一个气门，中间摇臂6推动空行

17、程弹簧并依靠它复位。当发动机处在高转速范围时，发动机润滑系统通过摇臂中心的油道将机油压入液压柱销A左方的油腔，使液压柱销A和B克服复位弹簧的作用力向右移动一段距离。液压柱销A跨越主摇臂和中间摇臂的销孔，液压柱销B则跨越中间摇臂和次摇臂的销孔。所以，当凸轮轴上处在中间的高速凸轮推动中间摇臂绕摇臂轴摆动时，中间摇臂将通过液压柱销A和B分别带动主摇臂和次摇臂一起绕摇臂轴摆动，进而推动气门。由于高速凸轮轮廓型线的升程大于低速凸轮，早于低速凸轮使摇臂开始摆动，故使气门开启相位提前、关闭相位推迟、气门升程增大。所以，此时气门的运动规律完全由高速凸轮确定，而与低速凸轮无关。 3940VTEC系统的电子控制与

18、大多数同类系统一样，不考虑负荷信息。ECU只根据发动机转速、车速和发动机温度控制电磁阀，通过油路中的滑阀使摇臂中液压柱销A左方油腔或与压力油接通，或泄压。油压传感器将液压柱销A左方油腔中的油压信号传送给ECU。 ECU收到油压升高的信号后，便将燃油定量程序和点火正时程序从适合于低转速气门规律的模块切换到适合于高转速气门规律的模块。41当系统出现故障时，将锁定在低转速气门规律上运行。系统从低转速气门规律切换到高转速气门规律的过程依靠在液压柱销A左方建立油压而实现。从ECU发出信号到建立油压而切换气门规律所经历的时间称为切换响应时间。反过来，系统从高转速气门规律切换到低转速气门规律的过程依靠液压柱

19、销B右方的复位弹簧而实现。这一过程也需要切换响应时间。 42这两种切换响应时间的长短取决于液压力和复位弹簧力的对比。液压力取决于油压，其改变速度与机油的粘度有关，因而与油温有关;复位弹簧力则取决于它的预置载荷。所以，对于确定的系统，切换响应时间与机油温度和复位弹簧预置载荷有关。433、VTC系统1)怠速时、稀混合气。进气凸轮轴正时延迟, VTC系统能使控制系统停止并使VTC执行器固定在最大正时延迟角位置,保证行驶性能以及稀混合气燃烧的稳定性。2)低负荷。进气凸轮轴正时延迟,通过控制VTC执行器使气门重叠角变小,减少向进气口返回的废气量,使燃烧更加稳定。3)中高负荷。进气凸轮轴正时提前,通过控制

20、VTC执行器使气门重叠角变大,促进废气再循环,减少泵气损失。此外,进气门提前关闭,减少向进气口返回混合气,提高充气效率。4)高负荷、高转速。进气凸轮轴正时处于提前与延迟之间,通过控制VTC执行器获得最佳气门重叠角,使输出功率最大限度提高。4445第四节 宝马Valvetronic电子可变气门技术一、宝马Valvetronic电子可变气门技术宝马应用Valvetronic技术的发动机是世界上第一台没有节气门的发动机。 Valvetronic中的“valve”即阀门,“tronic”即电子控制, Valvetronic可翻译为电子可变气门。传统发动机由气门截面大小及气门行程决定进入气缸空气量的多少

21、,气门截面设计位置固定不可再改变,气门行程由凸轮轴凸顶高度限制最大进气量,在最小与最大进气量间由节气门进行调节。采用Valvetronic控制的宝马发动机直接由电子控制进气阀门的开启深度来控制进气量。开启深度最小为0.25mm,最大达到9.7mm,相差38.8倍,而从最小开启深度变到最大开启深度所需要的反应时间只要0.3s。4647Valvetronic发动机去除了节气门也就去除了“泵气损失”,各种标准测试结果都显示, Valvetronic发动机可以比传统发动机节省燃油10%以上。另外,由于没有了节气门的阻碍,新鲜空气进入也更为顺畅,使燃烧更加充分,废气排放更少。这种进气门升程功能可以控制吸

22、入发动机的空气量,将功率损失保持在极低的水平。48Valvetronic另一个重要优点是加速反应时间短。Valvetronic由全可变气门行程控制装置和可变凸轮轴控制装置构成，因此，可以任意选择进气门关闭时刻。全可变气门行程控制装置在进气侧控制，可变凸轮轴控制装置在进气和排气两侧进行控制。492001年，第一代Valvetronic系统气门升程0.3-9.7mm。在300ms内由最小气门行程调节至最大气门行程，偏心轴扭转170。二、 Valvetronic系统结构及原理502004年，第二代Valvetronic系统气门升程0.18-9.9mm。51目前，第三代Valvetronic系统结构更

23、为紧凑。521-伺服电机 2-蜗杆 3-扭转弹簧 4-固定架 5-进气凸轮轴 6-斜台 7、11-液压气门间隙补偿器 8-进气门 9-排气门 10、12-滚子式气门压杆 13-中间推杆 14-偏心轴 15-涡轮 16-排气凸轮轴535455全可变气门行程控制装置 气门行程通过凸轮轴、滚子式气门摇臂与偏心轴之间的一个中间推杆进行调节,传动比例通过偏心轴和中间推杆进行调节。伺服电动机安装在凸轮轴上方的气缸盖内,蜗杆轴嵌入安装在偏心轴上的蜗轮内,用于调节偏心轴。进行调节后无需特别锁止偏心轴,因为蜗杆传动机构具有足够的自锁能力。56可变凸轮轴控制装置 5758第五节福特公司的双等相位可变气门定时福特公司的双等相位可变气门定时在部分负荷时，将整个配气相位推迟30，或是将气门重叠时间推迟到进气行程中。59首页返回章返回节双等相位可变气门定时的比较