可变气门机构在轿车发动机上的应用及其检修

林 平



可变气门机构在轿车发动机上的应用及其检修

林 平

福建交通职业技术学院汽车运用与工程机械系

可变气门机构能使发动机的配气相位和气门升程随发动机运转工况变化，在提高发动机的燃料经济性、动力性、运转稳定性，减少排放污染等方面效果明显，因此目前被广泛应用在轿车发动机上。本文从可变气门机构的作用原理出发，归纳和分析了常见可变气门机构的类型、结构和特点，并重点介绍了可变气门机构的主要检修内容和方法。

可变气门机构 配气相位 检修

在传统的发动机上，进气门和排气门的配气相位和气门升程都是固定不变的，是根据发动机的常用工况由试验确定的。然而发动机转速和负荷不同时，其进排气量、进排气流的流速、进气及排气行程的持续时间、气缸内燃烧过程等都不一样，对配气相位和气门升程的要求也不同。因此，传统发动机所采用的固定配气相位和气门升程的设置无法让发动机在所有工况下都具有良好的性能，只能根据其匹配车型的需求，选择最优化配置。

可变气门机构就是通过技术手段，使发动机的配气相位和气门升程能随发动机转速和负荷的变化而变化，始终保持最佳，从而保证发动机在任意转速和负荷都有良好的燃料经济性、动力性、运转稳定性，减少排放污染。

可变气门机构有多种结构型式，不同厂家、不同发动机的可变气门机构往往有很大的不同。按其控制内容，有可变配气相位机构和可变气门升程机构2大类；按是否同时控制进、排气门，有只控制进气门的单可变气门机构和同时控制进、排气门的双可变气门机构2种；按其控制过程，有分段可变和连续可变2种；按其结构，有变换凸轮式、变换凸轮轴转角式和变换摇臂支点式等几种。

目前在技术上较为成熟并在轿车上应用最为广泛有变换凸轮式分段可变气门机构和变换凸轮轴转角式连续可变气门机构，本文主要分析这2种机构的构造和工作原理。

1　变换凸轮式分段可变气门机构

变换凸轮式分段可变气门机构是在一根凸轮轴上布置2～3组凸轮，每组凸轮的大小、形状、配气相位和气门升程都各不相同。其工作原理是：当发动机处于不同的运转工况时，发动机的ECU利用液压控制方式，通过摇臂上的液压执行机构来改变驱动气门的凸轮，从而实现配气相位和气门升程的改变。采用这种方式的有本田汽车发动机的VTEC机构、三菱发动机的MIVEC机构等。

1.1 本田汽车发动机三段式VTEC可变气门机构

图1为本田汽车发动机上采用的三段式VTEC（Variable valve Timing & lift Electronic Control system）可变气门机构。这是一种四气门、单上置凸轮轴（SOHC）的可变进气门驱动机构。

1.凸轮轴　2.中摇臂　3.次摇臂　4、5、6.插销　7.进气门　8.主摇臂　9.主凸轮　10.中凸轮　11.次凸轮

这种发动机的凸轮轴上对应于每个气缸有3个大小和形状各不相同的进气凸轮：中间为高速凸轮，是以满足按发动机高速、大负荷运转需要而设计的，升程最大，并有较大的进气门迟后角和气门叠开角；右边为中速凸轮，是以满足按发动机最常用工况的中速、中小负荷运转需要而设计的，所以又称为主凸轮，其升程次之，进气门迟后角和气门叠开角也较小；左边的凸轮升程最小，称为次凸轮。

与3个进气凸轮相对应的3个摇臂分别称为中摇臂、主摇臂、次摇臂，3个摇臂内有二组受油压控制的插销（上面一组插销分为二段；下面一组插销则分成三段），插销的移动可控制3个摇臂是各自独立运动或互相连成一体运动。控制插销移动的油压来自发动机润滑系统，并由发动机ECU通过电磁阀控制。

1.2 三段式VTEC可变气门机构的控制方式

当发动机处于低转速或者低负荷时，3个摇臂互相分离。主凸轮和次凸轮分别驱动两个进气门，使两者具有不同的正时及升程（左边由次凸轮驱动的气门基本上没有打开，只是有个微小的动作，以防止气门在高温下不动作而卡死，同时防止进气歧管壁上凝结的汽油聚集在进气门背面）。此时只有1个气门进气，以形成挤气作用效果，使进气气流在汽缸内产生涡流效果，促使燃烧完全。此时中摇臂没有驱动气门，只是在摇臂轴上做无效的运动。

当发动机处于中速、中负荷运转工况时，ECU通过电磁阀使发动机润滑系统的压力机油进入摇臂中上面一组插销的油压室，推动插销移动，将左右两边的主、次摇臂相连，2个进气门同时受最右边的主凸轮控制，都按中速模式开启（图2b）。此时中凸轮仍没有起作用。

当发动机转速升高到需要变换为高速模式时，ECU通过电磁阀使压力机油同时进入摇臂上、下面两组的插销的油压室，下面一组插销的移动将3个摇臂连接成一体，由于中间的凸轮较大，使其它两个凸轮碰不到摇臂，故此时两个气门都受中间的高速凸轮轴控制（图2(c)），气门开启的升程和时间都比中速模式大。

同理，当发动机转速降低时，ECU通过电磁阀将摇臂中油压室内的压力机油泄出，使气门回到中速或低速工作模式[2]。

1.气门　2.摇臂　3.次凸轮　4.主凸轮　5.中凸轮　A、B.压力机油

本田汽车公司开发的这种分段可变气门机构能根据发动机运转工况，自动改变气门配气相位和升程，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。但由于其控制过程是分段有级的（早期只有2段，目前最新的也只有3段），当控制模式从低速段转换到高速段时，由于进气流量突然增大，使得发动机的输出也突然增大，导致发动机在整个转速范围段内输出功率的变化不够柔和。

2　变换凸轮轴转角式连续可变气门机构

这种可变气门机构是通过使凸轮轴和曲轴的相位改变一个角度，从而使该凸轮轴所决定的所有配气相位角同时提前或推迟，达到配气相位的连续可变。

常见的连续可变气门机构有2种，分别采用可变正时齿轮控制器和可变正时链条控制器来控制气门的正时。

2.1 可变正时齿轮控制器

可变正时齿轮控制器位于凸轮轴的前端（图3），它利用发动机润滑系统的压力机油来工作，可使凸轮轴与其前方的正时链轮（或带轮）之间的相对角度发生连续的变化。可变正时齿轮控制器的壳体与正时链轮结合为一体，壳体中有一呈十字型的叶片式转子与凸轮轴连接（图4）。转子的每个叶片与壳体的内腔之间形成2个封闭的油压室，分别称为提前油压室和延迟油压室。发动机的ECU通过安装在气缸盖上的气门正时控制电磁阀控制发动机润滑系统的压力机油，使之通过凸轮轴上的油道进入或流出2个油压室，以改变2个油压室的压力，从而使转子与壳体之间产生相对转动，使该凸轮轴所决定的配气相位发生变化。

转子中锁销的作用是在发动机熄火后机油压力消失时自动将转子和壳体相互连接（图4），使发动机起动时的配气相位能保持为某一固定的角度，防止起动时因机油压力不足而使气门正时失去控制[3]。

1.曲轴正时链轮　2.进气可变正时齿轮控制器　3.进气凸轮轴 4.排气凸轮轴　5.排气可变正时齿轮控制机构　6.正时链条

图4 可变正时齿轮控制机构的结构[3]

采用可变正时齿轮控制器的连续可变配气相位机构具有结构紧凑，布置方便的特点。根据不同发动机的具体设计要求，可以进气凸轮轴和排气凸轮轴上都设置可变正时齿轮控制器，使进气门和排气门的配气相位同时可变（图3，称为双可变气门机构），使发动机的动力性、燃油经济性、排放性都得到最大的改善。也可以仅在进气凸轮轴上设置可变正时齿轮控制器，只对进气门的配气相位进行控制（称为单可变气门机构），在不增加太多成本的情况下获得较大的性能改善。

2.2 可变正时链条张紧器

可变正时链条张紧器布置在进气凸轮轴和排气凸轮轴之间，采用这种结构时，发动机曲轴只通过正时链条驱动排气凸轮轴，进气凸轮轴由排气凸轮轴通过另一根链条驱动。该链条的长度比正常的长度要长几节，用可变正时链条张紧器保持张紧（图5a）。该张紧器在使链条保持张紧的状态下还可以在压力机油的控制下作整体的上下移动，使进、排气凸轮轴之间两侧链条的长度发生变化，以改变两凸轮轴之间的相对角度，从而达到使进气凸轮轴的配气相位角发生变化的目的（图5b、c）。这种结构只能在1个凸轮轴上（通常为进气凸轮轴）实现配气相位的变化，而且变化的角度范围较为有限。

图5　可变正时链条张紧机构

2.3 连续可变配气相位的控制方式

连续可变配气门机构由发动机的ECU控制，ECU根据安装在发动机上的各种传感器检测得的发动机工况，决定配气相位的数值，以使控制效果达到最佳。通常按以下方式控制进、排气门的配气相位：

①怠速、小负荷以及起动、暖机期间，将进气门配气相位延迟，减小进气提前角；同时将排气门配气相位提前，减小排气迟后角，从而减小或消除气门叠开角，防止废气进入进气道，以稳定燃烧过程，提高怠速运转的稳定性和燃油经济性，并降低排放污染；

②中小负荷时，增大进气提前角和排气迟后角，以增大气门叠开角，产生缸内废气再循环（这种设计可以取消EGR装置），降低排放污染，并减小排气行程后期和进气行程早期的泵气损失；

③中低转速、大负荷时，保持适当的进气迟后角，以充分利用进气惯性，提高充气量；同时将排气门配气相位推迟，减小排气提前角，以充分利用燃烧气体的压力作功，提高燃油经济性；

④高速大负荷时，尽量增大进气迟后角，以充分利用进气惯性，提高充气量；同时适当增大排气提前角，以减小排气行程后期的泵气损失，提高发动机的输出功率。

3　可变气门机构的检修

可变气门机构的检修内容主要有：正时控制电磁阀的检测、液压执行机构的检测。下面以采用可变正时控制器的丰田轿车发动机为例，说明其检修方法。

3.1 正时控制电磁阀的检测

正时控制电磁阀的主要故障是电磁线圈短路或断路、阀芯卡滞等。可通过测量电磁线圈的电阻和检查电磁阀的动作等方式来检测。

①电磁线圈电阻的检测：检查时，可将正时控制电磁阀从发动机上拆下，用万用表测量电磁线圈的电阻，并与标准比较。如果测得的线圈电阻与维修手册中的标准不符，或测得电磁线圈短路、断路，均应更换电磁阀。

图6　正时控制电磁阀的检测[4]

②电磁阀工作性能检查：以进气凸轮轴正时控制电磁阀为例，从发动机上拆下正时控制电磁阀，清洗后，将电磁阀的接线端子与蓄电池连接，通过阀孔目视检查阀芯的动作是否正常。当电磁阀的两个接线端子分别和蓄电池正、负极连接时，阀芯应从最大延迟位置（图6(a)中最右端）移动到一侧的极限位置（图6(b)，最大提前位置）；断开电磁阀和蓄电池的接线后，阀芯应回到最大延迟位置。

如果以上检查有异常，应更换正时控制电磁阀。

3.2 可变正时齿轮控制器的性能检查

可变正时齿轮控制器的常见故障是转子不能正常转动、锁销不能正常锁止或松开。可通过施加压缩空气来检查其性能。其检测方法是：

①从气缸盖上拆下凸轮轴和可变正时齿轮控制器总成，将凸轮轴固定在台钳上。

②通过凸轮轴第一道轴颈上的提前油孔和延迟油孔，向可变正时齿轮控制器中施加约150kPa的气压（图7）。

③同时向提前油路和延迟油路中施加气压时，用手转动正时齿轮控制器总成，确认锁销已松开，正时齿轮控制器可以自由转动。

④在保持提前油路气压的状态下，将延迟油路减压，确认正时齿轮控制器总成向正时提前方向转动，并能到达最大提前位置。

⑤在正时齿轮控制器处于最大提前位置时，先释放施加在延迟油路上的气压，然后再释放施加在提前油路上的气压（注意：如果在延迟油路上的气压尚未释放的状态下将提前油路的气压释放，会使正时齿轮控制器突然转动到最大延迟侧，有可能造成锁销的损坏）。

图7　正时齿轮控制器的检测

⑥用手转动正时齿轮控制器，除最大延迟位置外，在转动范围内旋转正时齿轮控制器几次，检查是否能平滑转动。

⑦用手将正时齿轮控制器向延迟方向转动，确认锁销能将正时齿轮控制器锁紧在最大延迟位置上。

以上检查如有异常，应更换正时齿轮控制器。

4　结语

可变气门机构对提高发动机的动力性、燃油经济性，减少排放污染等方面效果明显，已成为当代汽车发动机特别是轿车发动机的标准配置。该机构工作可靠，故障率低，检修方法也不复杂。由于大部分可变气门机构的执行元件都是由发动机的润滑系统提供工作油压，在使用过程中还应注重对发动机润滑系统的维护工作，及时更换规定牌号的机油。在发动机维修中还要注意对可变气门控制器供油管路的清洗和疏通，以保证系统的正常工作。

[1] 刘涛.浅谈本田汽车VTEC技术[J].装备制造技术,2008(11)123-124.

[2] 王冰,艾曦峰,李德才.VTEC发动机与VVT－I发动机工作原理对比研究[J].黑龙江交通科技,2007(8):90-92..

[3] 丰田汽车公司.REIZ新车特征[M].一汽丰田汽车销售有限公司,2005.

[4] 马自达汽车公司.MAZDA6维修手册[M].一汽轿车销售有限公司,2005.

Application of Variable Valve Timing Mechanism in Automobile Motor and Its Maintenance

Lin Ping

(Vehicle Operation and Engineering Machinery Department, Fujian Communication Vocational College, Fuzhou 350007, China)

Variable valve timing mechanism allows the change of gas distribution phase position and valve lifting with the change of operation conditions of motor. It has favorable effects in improving the fuel economy, dynamics, and operation stability and reducing discharge, which is widely used in automobile motor. The working principle of the variable valve timing mechanism is described. Common types, structure and features of variable valve timing mechanism are discussed. The main maintenance content and methods of the variable valve timing mechanism are focused.

variable valve timing mechanism; gas-distribution phase position; maintenance