理想可变配气相位技术分析

张 文

（山东华宇职业技术学院 山东 德州 253034）

汽车新技术正朝着提高汽车经济性、安全性、舒适性和环保性方向快速发展。大量电子控制技术的应用，使汽车对经济性、安全性、舒适性和环保性等性能变化可以进行精确的控制，使汽车的各种性能可随发动机工况变化而更加合理的精确的进行变化。例如，电控燃油喷射系统、点火正时、怠速控制等技术的发展，实现了对可燃混合气浓度的精确控制，使可燃混合气可以完全燃烧，提高了经济性，减少环境污染。可变配气相位技术虽在很大程度上提高了发动机的动力性能。但都没有完全实现理想的可变配气相位变化。

1 发动机动力性能对配气相位的理想要求

1.1 影响充气系数的主要因素

（1）压缩比

提高压缩比，使气缸余隙容积相对减少，气缸内残余废气量相对减少，进气初期废气膨胀后所占空间减少，新鲜混合气所占空间增大，从而增大了进气量，充气系数提高。

（2）进气终了参数

1）进气终了压力

进气终了压力是指进气行程末期气缸内的可燃混合气压力，提高进气末期气缸内的压力，相对增大了缸内可燃混合气的密度，增大了进气量，使充气系数增加。

2）进气终了温度

新鲜混合气在进入气缸的过程中和在气缸中，总要受高温机件和残余废气加热的影响，混合气受热越多，温度升高越多，气体的密度越小，充气系数就越小。降低进气终了温度，可提高充气系数。

（3）排气终了压力

由于排气系统阻力的存在，排气终了时缸内残余废气的压力总要高于大气压力。排气终了时缸内压力高、密度大，废气量多，残余废气系数就大，充气系数下降。残余废气的压力，主要取决于排气系统的阻力，特别是排气门处的阻力。降低排气阻力，可提高充气系数。

（4）负荷

汽油机的功率调节属于量调节，是靠调节节气门的开度来调节负荷的大小，负荷小，节气门开度小，节气门处节流损失增加，使进气阻力增大，进气终了压力减小，充气系数减小。

（5）转速

气体流动阻力除了与进排气系统的结构有关外，还取决于气体的流速。气体流动阻力与流速的平方成正比，而流速与转速成正比。所以气体流动阻力与发动机转速成正比，转速升高，气体流速增高，流动阻力增大，充气系数减少。

1.2 各配气相位角的变化对充气系数的影响

气门的形状结构尺寸及气门升程对进气过程形成的进气阻力，相比与以上几种因素形成的进气阻力都要大。在气门的形状结构不变的情况下，气门升程和相位角的变化对进气效率的影响就是最大的了。

（1）进气提前角

进气提前角主要影响了进气初期气门开启程度。在发动机转速不变的情况下，提前角减小，气门开启时刻迟后，气门开启程度减小。提前角增大，则气门开启时刻提前，使进气初期进气门开启程度增大。发动机的转速对充气效率有直接的影响，气门的开启程度对充气效率也有直接的影响。要求进气提前角要随发动机转速的变化而变化。即发动机转速升高，进气提前角增大，转速降低，进气提前角减小。

（2）进气迟后角

进气迟后角的大小直接影响到了进气行程末期利用惯性进气增压的效果。在发动机转速不变的情况下，如进气迟后角减小，气门提早关闭，不能充分利用气体运动惯性，达到增加进气量的目的。如果迟后角过大，则会产生进气倒流的现象。而活塞运动速度决定了气体流动的速度。为了更好的利用气体流动惯性。要求进气迟后角随发动机转速的改变而改变。转速低时，迟后角要相应的减小。转速升高时，迟后角相应的增大。

（3）排气提前角

排气提前角小，可使因排气门提前打开而引起的膨胀功损失小，但相对应的将导致活塞上行推动废气所消耗的压缩功增大。反之，排气提前角大，膨胀功损失大，压缩功的损失减小。最有利的排气提前角是使膨胀功和压缩功损失之和最小。

（4）排气迟后角

排气迟后角小，导致排气终了气缸压力增高，降低充气系数。过小可导致废气倒流入进气歧管，引起回火现象。排气迟后角大，可充分利用废气流动惯性，将废气排除的更彻底，增大充气系数。但过大将导致排气管内的废气倒流入气缸内。

因此，选择适当的配气相位，可获得较高的充气系数。

1.3 发动机对配气相位的理想要求

发动机功况是不断变化的，为使发动机的性能时刻保持在最佳状态，达到即能实现高速、大功率，又不牺牲低速转矩特性，同时还可燃油消耗率保持在最低水平，在更大程度上减少排气污染。这就要求充气系数需随发动机功况的变化而实时变化。因此，配气相位也应能随发动机的变化而实时变化。理想的配气相位和气门升程的变化规律是：随发动机转速的升高，进排气提前角、迟后角要同时增大。即同时增大进、排气门的开启持继角及增大气门升程。反之，转速降低，进排气的提前角和迟后角均应减小，即同时减小进、排气门的开启持继角及减小气门升程。且各种变化过程均应是连续的变化过程。采用凸轮驱动配气机构，要满足这一变化规律的要求，则凸轮的轮廓线必须随发动机工作状态变化而变化。

目前，采用钢性凸轮配气相位技术是无法满足这一要求的，钢性凸轮的轮廓线是无法改变的。它只能保证在一种状态下使发动机性能达到最佳状态。如设定在高速状态时，在低速时充气效率必将下降。反之，在低速状态设定为最佳值时，则高速时的充气效率必将下降。而现阶段采用的可变配气相位技术也只能是部分满足发动机工况变化的要求。

2 现行可变配气相位技术的特点

2.1 MIVEC 方式

为高、低速2段式配气相位和气门升程可变的控制机构。高、低速凸轮的轮廓线不同，使各相位角和气门升程也不同。只能在两种工况下满足理想变化规律的要求。但在两级外的工况中，还不能满足要求，必然存在一定的功率损失。

2.2 VVT 方式

此种技术的特点是进、排气门提前和迟后角及气门的升程在一定范围内可实现连续变化，即气门重叠角是实时连续变化。而进、排气气门的开启持续角还是无法改变的，不能实现理想的可变配气变化要求。

2.3 MultiAir系统

此种技术的特点是，实现了持续角和升程多级变化。以上几种技术，在很大程度上实现了相位和升程的可变性，提高了发动机动力性能。由于采用凸轮驱动气门的控制方式，均未能实现持续角和升程实时连续的变化。要想实现理想的可变配气技术，必须打破凸轮轮廓线的约束，即采用无凸轮驱动方式。

3 无凸轮驱动技术分析

3.1 电磁阀控制气门方式

这种驱动方式的基本结构是由上、下电磁阀和上、下气门弹簧及气门和衔铁组成。上电磁阀控制气门配气相位，下电磁阀控制气门升程，电磁线圈通电状况不同，持续角和升程可连续变化。结构简单，控制灵活。但气门运动规律不能精确控制，会受到气门落座的冲击；电磁机构效率低，消耗功率大；尺寸大，成本高；电磁铁有升温现象，会影响驱动力的控制。如解决了以上技术难点，则为最理想的可变相位技术。

3.2 电液控制气门

液压活塞与气门相连，通过电磁法控制液压缸内高低压液体的运动控制活塞，活塞带动气门在液压腔中做上下往复运动。活塞上端面的控制室与高压源和低压源相连，下端面的液压腔始终与高压源相通，压力保持恒定。由于液压作用面积不同，使上、下端面产生压力差驱动气门向下运动。通过控制高、低压电磁阀的开启与关闭，改变控制室的压力，就可以实现气门运动的可变。电液式控制的自由度更大，能控制气门运行的速度，但是其动态响应速度却比电磁式要差。

4 结束语

发动机工况的变化，对配气相位的要求是：不但相位角要随之变化，且持续角和升程也要随之变化。而采用凸轮控制气门技术，无法同时满足这些要求，只有采用无凸轮控制气门技术，才能实现理想的工况要求。