发动机可变气门正时技术原理及其发展探析

李 颖

(山东交通技师学院，山东 临沂 276004)

0 引言

近几十年来, 许多国家、发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力和精力对发动机气门正时新技术进行研发，目的就是为了提高发动机性能和降低排污。经过研究人员的不懈努力，有些科研新成果已在内燃机上广泛应用，有些还处于完善和发展阶段，有些可能成为内燃机技术今后发展的新趋势。本文主要是对汽车发动机可变气门正时技术展开分析和研究。通过分析可知,叶片式可变凸轮相位机构是目前可行性较强的技术途径。

1 可变气门正时技术(Variable Valve Timing，VVT)

采用可变气门正时技术可以最大限度提高发动机的充气效率，使进气更充分，排气更彻底，以提高发动机的扭矩和功率。该技术近些年来被逐渐应用于现代轿车上。

1.1 正时理论

选择合理的配气正时，保证最佳的充气效率ηv，是实现提高功率和降低油耗、减少排放的关键。据有关专业技术资料分析可知：在发动机进气门开闭、排气门开闭的四个工作行程中，充气效率ηv的最大影响因素是进气门迟闭角的改变。发动机功率和充气效率ηv受进气门迟闭角变化的影响关系如图1所示。

图1 功率、充气效率、转速与进气门迟闭角的关系

在一定的配气正时下，充气效率ηv随转速变化的关系可通过图1中的每条充气效率ηv曲线加以说明。一般充气效率ηv曲线最大值对应的转速随迟闭角增大而增大，如迟闭角由40°变为60°时，充气效率ηv曲线最大值对应的转速则由1 800 r·min-1增加为2 200 r·min-1，说明发动机在这两个转速下工作进气最充分，燃油经济性最好。因在这两个转速下工作能最好地利用气流的惯性充气，使进气更充分。当高于或低于此转速时，充气效率ηv都会随之下降。也就是说，发动机进气门迟闭角要随转速变化而改变，才能保证发动机充气效果最佳。即充气效率ηv和与之对应的转速要随进气门迟闭角的改变而改变，以满足不同工况的使用要求。

改变进气迟闭角可以改变充气效率ηv曲线随转速变化的趋向，以调整发动机扭矩曲线，满足不同的使用要求。更确切地说，加大进气门迟闭角，高转速时充气效率ηv增加有利于提高发动机最大功率，但对低速和中速性能则不利。减小进气迟闭角，能防止新鲜气体被推回进气管，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。

因此，理想的气门正时是发动机工况变化时气门正时也要随之变化，要有一定的灵活性。而传统的凸轮轴气门挺杆机构，因在工作中气门正时是不可变化的，也就是说达不到上述要求，这对发动机性能的进一步提高是非常不利的。

1.2 智能可变气门正时系统(Variable Valve Timing-intelligent，VVT-i )

在传统发动机上，由于凸轮轴与曲轴之间的位置关系是固定不变的，因此气门正时也是固定的，VVT-i系统能根据发动机工况对气门正时进行调整，该系统最大特点是进气凸轮轴的转角能按发动机工况的变化及时进行调整，即对配气时机进行优化，通过改变进气凸轮转角的大小和方向，实现最佳配气正时，以提高发动机的输出功率，改善燃油消耗和减少废气排放。

VVT-i系统由凸轮轴位置传感器、 发动机控制模块(ECU)和凸轮轴液压控制阀、相位控制器等部分组成。其原理是由节气门位置传感器、曲轴位置传感器、进气歧管空气压力传感器、凸轮轴位置传感器和水温传感器等采集的信息汇集到ECU，并与ECU预先储存的最佳气门正时参数值进行对比计算，将得出的修正参数值以信号方式发送到控制凸轮轴正时液压控制阀(电磁阀)，控制阀根据收到的ECU信号控制滑阀的位置(打开或关闭相关油道)，以此改变流入VVT-i系统中相位控制器不同油道上的液压油的流动方向及流量，实现气门正时的提前、滞后、保持，即产生不同的配气正时[1]。

VVT-i系统按相位控制器的结构不同可分为叶片式VVT-i系统和螺旋槽式VVT-i系统两种，分别安装在排气凸轮轴上和进气凸轮轴上，虽然二者在结构上有所不同，但其作用是一样的。而叶片式VVT-i系统可变凸轮相位机构是目前可行性较强的技术途径。由于发动机性能受进气门配气相位的影响比受排气门相位的影响大，为降低成本和简化发动机结构，VVT-i系统一般只对进气相位进行控制。该技术目前在国内生产的许多汽车上都得到广泛应用。

叶片式VVT-i系统中控制器由驱动进气凸轮轴的管壳和与排气凸轮轴相偶合并带有叶片的内转子组成，叶片宽度比其槽稍窄，每个叶片将槽分成两个密闭腔室，即提前室和延迟室。凸轮轴液压控制阀通过ECM传来的信号控制两腔室的油压，推动叶片随内转子转动，此油压传递到排气凸轮轴上，使VVT-i系统中控制器管壳旋转并带动进气凸轮轴转动，实现连续改变进气正时。当油压施加在提前室转动壳体时，进气凸轮轴就沿提前方向转动；反之当油压施加在延迟室使壳体转动时，则进气凸轮轴沿延迟方向转动；当两腔室油压相等时，壳体及进气凸轮轴都不转动，相位保持不变；当发动机熄火时，凸轮轴液压控制阀则处于最大的滞后状态，以确保启动性能[2]。

凸轮轴液压控制阀，由滑阀、线圈、柱塞及回位弹簧等组成，其结构如图2所示。ECM通过占空比控制液压控制阀。工作中，发动机ECM接收各传感器传来的信号，经分析、计算后发出指令，控制凸轮轴液压控制阀，以此控制滑阀的位置，通过滑阀移动，使液压控制阀打开或关闭相关油道，对相位控制器内部转子叶片两侧油腔的油压进行调节，使定子与转子产生相对运动，从而达到连续调节气门正时的目的。当占空比大于1/2，柱塞推动滑阀左移，使高压油流入VVT-i系统中相位控制器的提前室，使进气凸轮轴沿提前方向转动；当占空比小于1/2，其情况相反，柱塞带动滑阀右移，使进气凸轮轴沿延迟方向转动；当占空比等于1/2，则提前室和延迟室油压相等，进气凸轮轴不转动，相位保持不变。

1.3 双可变气门正时系统(Dual Variable Valve Timing，DVVT )

DVVT系统是VVT系统的延续和发展，通过它解决了VVT发动机不能同时调节进、排气相位的技术难题，是目前高性能发动机优先采用的双可变气门正时技术。

DVVT系统特点是发动机ECU可根据其转速、负荷、温度及车速信号发出指令，控制进、排气凸轮轴的位置，使其通过油压相对于正时链条转动一定角度，以获得最佳配气正时，从而在全速范围内提高动力、节能减排。DVVT系统在进、排气凸轮轴上都安装了正时调整系统，分别调整进、排气门的正时，使发动机性能得到进一步提高[3]。发动机采用DVVT技术后，在高效、节能、环保方面具有更大优势。采用DVVT技术可降低油耗5%，同时动力提高10%，废气排放达到国家Ⅳ级标准；还能使发动机燃烧室内的混合气体达到合适的空燃比，明显改善怠速稳定性，从而获得较好的舒适性[4]。

图2 叶片式VVT-i系统的液压控制阀

2 汽车可变气门正时技术发展趋势与展望

随着科学技术的飞速发展和社会对环保节能的认识深入，高效、低能耗、低排放的汽车发动机新技术成为未来发展方向。目前，可变气门正时技术已被广泛应用， 但为进一步挖掘传统内燃机的潜力， 工程技术人员又在此基础上研发出可变气门升程技术，并把二者有机地结合起来，能使发动机在各种工况下进气更充分，排气更彻底。可变气门机构大致可分为传统凸轮轴可变气门机构和无凸轮轴可变气门机构。在前者中，因凸轮型线性制约了气门的运动规律，因而也就制约了发动机综合性能的进一步提高。而无凸轮轴可变气门机构是迄今最有潜力、自由度最大的可变气门配气机构，因气门开启持续、升程、运动规律是完全柔性可调，其中有ECM控制的电磁、电控液力气门驱动机构也更有发展前景，其有望成为今后发展的趋势，控制技术及执行机构是今后发展的重点。即高效低成本的气门正时技术将成为未来发动机发展的方向。

采用可变气门正时技术，应用不同的配气策略可以在全转速范围内改善传统汽油机的性能 。此技术虽在汽油机上的应用效果比柴油机上好, 但用在柴油机上也能降低氮氧化物的排放、提高转矩和冷启动性能。近些年，通过众多内燃机科研团队和从业人员不断地努力, 经过大量研究和实践应用，目前凸轮轴可变气门正时机构已经得到了充足的发展，但也遇到了凸轮型线的限制，很难再有大的突破性发展，而无凸轮式的柔性可调的可变气门机构可以弥补其不足，未来有望得到长足的发展[5]。

3 结语

总之，可变气门正时技术与传统气门正时系统相比在发动机动力性，燃油经济性及减排方面都有明显优势，目前已普遍应用于各种现代车型。随着这一技术的不断发展完善及成本降低，将会有更高性能可变气门正时技术应用到发动机上，为发动机性能的提高及节能减排发挥更大作用。

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