可变配气相位.docx

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可变配气相位

可变配气相位

4h1P%_*i.O'c+X  N,r发动机的转速变化范围较大固定的配气相位和气门升程不能将发动机的性能发挥到最佳。

这就要求发动机具有可变配气机构，而各种的可变气门技术原理是一致的无非是气门正时可变或气门升程可变两种。

各自的特点无非就是实现的机构不同有的是机械式的、有的是液压式、有的是电子式的辅以液压类构件。

可变配气相位气门驱动

可变正时气门是通过使凸轮轴和曲轴相位改变一个角度来实现的，各种正时气门机构的主要差异在于实现凸轮轴调相的方式不同。

（1）液压驱动方式  

发动机曲轴3{1?

%o5Q）G8T;T4B正时齿正时齿轮之间采用齿形带轮与凸轮轴传!

Y2w!

c.k6]6n0p4T*E动，机构需要用张紧轮张紧，在张紧轮基础上，8u（C#R（w7b*J（Q%{%k（x外加一个调整惰轮。

通过调整惰轮，可以改变`齿形带两端的长度。

当一边变长而另一边变短时，会使凸轮轴相对曲轴发生角位移，实现配气相位的改变。

该机构的优点是结构较为简单，对原发动机的改动小。

目前国内外已有个别发动机配气机构采用了液压张紧器，如德国奥迪和大众公司已将液压张紧器可变配气相位机构用于其实际产品中。

/N;N#h*]  L7y&r"s

（2）电子驱动方式

'D5D）x6`2s.C:

F另外一种典型的凸轮轴调相机构是通过谐!

x,B!

v2|  R'K*\"q._）y波传动实现。

谐波传动调相机构主要

!

T5`9R  \5f!

z7K有刚轮、柔轮和波发生器3个构件，柔轮是易变形的薄壁外齿圈，刚轮是刚性内齿轮，波发生2U,s#L.v0o9f2d器由椭圆盘和柔性轴承组成。

3个构件中任何一,个都可作为主动件，其余两个一个为固定件，"H5V9a%o"N7q'Z一个为从动件；亦可以任意两个为主动件，其

0b-l3J/Q:

s0}0G,e  u$z余一个从动。

它通过使波发生器转动，使柔轮$X$q:

D-H:

_"y$I*y  v及凸轮轴相对于刚轮及正时皮带轮转过一定角（S3H8`+|+d;J度，而达到调相的目的。

Nelson／Elrod和清华

%z4i5\1}8P4b:

v+@大学都进行过这种凸轮轴调相机构的研究。

可变升程气门驱动  6X0Y5O"N5~9v

5f;M7C:

O'z为一种通过改变摇臂比而可变气门驱动机构示意图。

这种机构通过改变摇臂绞接点的位置来改变摇臂比，仅可改变气

4e#k%n1|/q门升程，而不能改变气门正时和开启持续期。

本机构的优点是结构简单，缺点是气门正时未得到优化。

  h7V6U%S）C*t  c）Z变配气相位和升程气门驱动

7B+B.q"Z0[3P.l配气相位可变气门驱动机构能提高中低速转矩，改善低速稳定性，但由于最大气门升程仍保持不变，所以燃油经济性的改善很小。

变配气相位和升程气门驱动机构能同时调节气门正时和气门升程，并对高转速与低转速、大负荷与小负荷以及工况转换点同时进行优化，能使发动机在整个转速范围内获得良好的性能。

配气相位、气门升程可变方式已逐渐成为可变气门研究应用的主流。

*n*c/r-F*R8v气门驱动系统按驱动方式不同可分为凸轮驱动系统和无凸轮驱动系统两大类。

凸轮驱动可变气门系统研究时间相对较长，系统相对简单可靠，在汽车上已有应用。

随着微电脑技术的发展，无凸轮驱动可变气门系统成为最近20a来研究的新领域，由于其涉及液压、电磁、电子等多个领域，结构较为复杂，目前多用于大型低速船用发动机。

'j（Z*R:

_,I'U5w目前国外高级轿车普遍使用电控可变配气机构（VVT-i）功率性，经济性、安全性、排放性均达到欧洲四号标准。

电控可变配气机构（VVT-i），其作用是随发动机的转速及负荷的变化，自动改变配气相位及气门升程，以提高气缸的充气量和选择适合的气门重叠角。

使发动机在较大的转速范围内获得更大的转矩和最低耗油量。

气门可变升程的作用是：

最小升程用于怠速及小负荷时，低速时进气流慢，由于升程小，便于形成进气涡流，使混合气更充分，均匀混合，最大升程用于高转速、大负荷时以减小气门处的进气阻力，获得最大的充气量。

/Q$J.i8g;D$F2o%Y#P这类系统通过对凸轮轴传动、摇臂比、顶柱或正时皮带的调节达到改变气门正时或升程的目的，其与可变惯性充气系统机构不同，它由可变配气相位和可变升程的凸轮、转速传感器、节气门位置传感器、水温传感器、ECU及液压电磁阀、油缸组成，关键零件是可变配气相位凸轮轴，该机构是由电脑ECU控制，当发动机转速传感器和节气门位置传感器及水温传感器把发动机转速信号，节气门位置信号及水温温度信号输入ECU，ECU根据这些信号控制液压电磁阀，液压油进入油缸，克服凸轮轴顶端弹簧弹力，驱动凸轮轴作轴向移动，凸轮顶起气门，气门打开进气，其之所以能自动改变配气相位及气门升程，关键在凸轮轮廓线经过特殊加工，轴线呈斜坡，形成可变升程，可以改变气门的升程，和开度，从而改变配气相位，选择合适的气门重叠角提高充气量。

其工作过程是：

发动机处于怠速或小负荷低速工况时，进气流慢，这时的气门升程小，气门开度小，重叠角小，于形成进气涡流，使混合气充分均匀混合，随着转速升高，负荷增大，气门升程也随之改变气门开度，使其相应增大，重叠角度大，进气流阻力减小，形成气流惯性，在气缸进气行程进行到活塞到下止点后，仍可利用进气气流的惯性继续充气，增加充气量，达到进气充分。

ECU根据进气量，节气门开度，及其他修正信号或参数，配以精确的喷油量，形成最佳空燃比可燃混合气。

与之相配套的点火系统精确地点燃可燃混合气，达到燃烧完全，爆炸力强，从而获得更大的转矩。

这种电控可变配气获得的转矩特性曲线比普通发动机转矩特性曲线平缓，减少了换挡次数，同时耗油也量达到最低程度。

发动机在设计过程中，通过台架试验，可获得转速及负荷与之相应的进气量的特性曲线和进气量与之相应的气门升程和配气相位特性曲线，电脑依照这两条曲线提供的数据进行编程，从而达到上述作用。

&k  B;h!

k'w%I为了提高气缸的充气量，还在进气管的设计上采用了各种特殊结构形式。

比如采用加长进气管并具有较大的弧度，可充分利用进气管内的空气动力效应，进一步提高各种转速工况下的进气量，达到精确空燃比，燃烧完全，增加发动机的动力输出，7s;s8i:

H!

E8P（B）J,f!

Q并改善扭矩输出特性，燃油消耗量和排放性降至最低，达到

7u,z-V2R!

n.D;[0N;P*m欧洲四号标准。

  W8q-e8p6A*u3T）e有凸轮驱动方式

'Z!

@$u/x/@8z

（1）机械变化方式  

9X!

w,x-N%[2G"C所谓机械变化方式是指控制系统通过操纵一个机械装置的动作使进气门行程改变，从而实现配气相位的改变。

例如：

宝马公司的进气门行程可变技术。

在宝马轿车上使用的是叫作阀门子（Valvetronic）的进气门行程可变技术，使进气门行程变化的机构是一个可绕旋转轴转动的中间连杆，进气凸轮通过中间连杆来驱动进气门摇臂（图4）。

由于形状的原因，当中问连杆围绕旋转轴偏转一个角度时，气门行程就会发生变化：

中间连杆的旋转则是由步进电机通过涡轮涡杆传动机构带动的偏心轮推动的。

其进气门行程改变的过程为：

电机在发动机控制系统电恼的控制信号作用下转动一个适当的角度，涡杆（电机的输出轴）带动涡轮转动，固定在涡轮上的偏心轮一起转动，并推动中间连杆绕其旋转轴偏转一个角度，从而使进气门的行程发生改变。

3\4R（[  m%q8w$e.Y!

_

（2）液压变化方式

以菲亚特汽车使用的可变气门技术为例，其进气门行程的变化主要是通过液压装置实现。

气门驱动机构由凸轮驱动的推杆、封闭3{"]'m;s,j5d的液压腔及推动气门的柱塞组成。

发动'S）u/x2f#h"?

!

Z:

m$Z,i机工作时，凸轮转动而驱动推杆，推杆通过:

s#J8M+w8L0W液压腔的液压油推动柱塞，由柱塞的移动推5I2}9t/g4B  Z:

n动气门。

2?

6d1a4E（U/C.U（B$I这种结构形式通过改变液压腔内的液压油量来改变柱塞的行程，也就是改变了进气门的行程，发动机控制系统电脑通过液量调节电磁阀实现对液压腔内液压油量的调节。

液压腔内的液压油量可以连续变化，因此进气门行程的改变量也可以是连续的。

液压变化方式的机械结构相对比9O;|5F）M%M较简单，但增加了液压控制装置。

由于液压油8W,[8d8q+o3S（l"e2I具有一定的可压缩性及液压系统的密封问题，使高精确度的进气门行程控制难度相对较大。

^（v+W3d3s;a9F#q为液压式可变气门机构原理图。

电磁阀不通电时，其推杆堵住了油道，凸$a#U6D/^"K:

d轮的推动力通过挺台、油腔里的油、缓存体作2x0m3r）O4]#T用到气门，气门随凸轮而运动，此时得到标准的升程曲线。

如果气门在上升的过程中，电磁阀突然通电打开，油腔里的油在压差的作用下就流人储油室，这时气门在气门弹簧的作用下就开始回落，尽管此时凸轮还继续向下运动。

这样就可以得到部分负荷时的气门升程曲线。

不同的电磁阀打开时刻就产生不同的气门升程曲线。

由于这类机构结构复杂，能耗高．可靠性差和造价高等原因，至今未有产品出现。

.N:

k7_;F1x#c'T$_/\）E!

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%~）^（3）机械液压式

例如：

本田研制并推出的汽车发动机新技术“可变配气相位和气门生程电子控制系统”，英文全称“VariableValveTimingandValveLifeHectronicControlSystem”缩写成VTEC。

。

VTEC发动机有中低速和高速两组不同的气门驱动机构，并根据行驶工况通过电子控制系统自动调节进气门的开启时间和提升程度，同时也改变了高速时进排气门开启的“重叠角度”，即改变了进气量和排气量，从而使发动机输出更大的功率，也达到了降低油耗和减少污染的目的。

!

Y  R4B（t&_○1VTEC机构组成：

VTEC机构主要有气门（每缸2进2排）、凸轮、摇臂、同步活塞（A、B）和正时活塞等组成。

4p2Y&R0G:

Z+j&c○2VTEC控制系统的组成及工作过程：

:

~$X,O2J,A）L8M%mVTEC控制系统由传感器、电控单元、液压控制阀和控制器等部分组成。

%z#b6~（u1F.r+y其功能是电控单元根据发动机不同转速工况下各传感器（包括发动机转速传感器、进气压力传感器、车速传感器、水温传感器等）信号，输出相应的控制信号，通过电磁阀来调节摇臂活塞液压系统。

执行部分由VTEC机构中的凸轮、摇臂和同步活塞等组成。

控制部分由发动机ECM电控组件、VTEC电磁阀、VTEC压力开关等组成。

在发动机运转过程中，各传感器不断地向ECM输入转速、负荷、车速以及水温信号由ECM判断何时改变气门正时和升程。

当转换条件符合后，ECM操纵VTEC电磁阀打开油路，使从机油泵输出的压力油推动同步活塞把3个摇臂连锁起来，实行VTEC气门正时和升程变动，以改变进气量，增加发动机功率。

如果转换条件不符合，ECM将VTEC电磁阀断电，切断油路。

不实行VTEC控制。

;

○3VTEC工作原理：

&r+B1~6d9P7]）Q6l"?

如图7所示，VTEC机构中的凸轮有3个，它们的线型不同。

高速凸轮位于中央叫中间凸轮，它的升程最大；另2个低速凸轮，凸轮较高的一个叫主凸轮，较低的一个叫次凸轮。

与这3个凸轮相对应的摇臂分别为中间摇臂、主摇臂和次摇臂，2个气门分别安装在主、次摇臂上。

在3个摇臂内有一孔道，内装有正时活塞，A、B同步活塞和定位活塞。

每个汽缸的2个进气门上都装有这样一套VTEC机构。

VTEC控制系统的工作可分为低速状态和高速状态两个工作过程.;z;X-W9C6L&p8t,[/d:

N*7W-j2W8T7*N5I2l*H）o  ].F5X+z.C/c-}&Z7V  F

  @1H8D7O5L（:

•低速状态

发动机在低速运转时，凸轮轴油道内设有机油压力，活塞在回位弹簧的作用下处于左端，这时A、B两同步活塞正好处于主摇臂和中间摇臂内，3个摇臂各自独立运动，互不干涉。

这时的2个进气门分别由主、次凸轮驱动，主摇臂驱动主气门，次摇臂驱动副气门。

由于主凸轮升程长，因而气门开度大，次凸轮升程短而使气门开启很小，因而进入发动机汽缸的混合气也相对少。

中间摇臂虽然受中间凸轮驱动，但对气门动作无影响。

因此，发动机在低速时，VTEC不起作用。

#|4_#w-m&C'w!

X1V•高速状态:

随着发动机转速的升高，当达到转换条件时，压力油注入凸轮轴油道内，推动A、B同步活塞克服回位弹簧弹力逐渐贯穿3个摇臂，VTEC进入工作状态。

这时A、B活塞贯穿3个摇臂使3个摇臂同时动作。

由于高速凸轮升程高，由高速凸轮驱动的2个进气门的开启时间及升程均增加这样，就延长了进、排气门同时开启的“气门重叠”时间，使发动机功率和扭矩得到提高。

而当发动机转速下降时，油压降低，凸轮轴孔内的机油开始卸荷，正时活塞在回位弹簧作用下回位，3个摇臂又脱离连接而各自独立运动。

无凸轮轴驱动方式

"{8b*A"|%q.D2[0K%y取消凸轮，直接由电磁、液压等方式驱动气门。

系统设有电控单元，以检测发动机的工况，接受处理传感器的信号并根据MAP图发出控制信号，控制气门的开启与关闭。

由于系统调节不受凸轮型线的制约，气门参数调节相当灵活。

可实现按工况的变化全程调整气门的运动参数，即实现对气门升程、气门运动速度、气门开启持续时间和配气相位的灵活独立控制。

从而更好的优化发动机的性能。

（1）电磁驱动可变气门系统

（Z1~  f4H:

j0n!

g0f这种系统由电磁线圈直接驱动气门，通过改变线圈的通电和断电时刻控制气门的开启始点和开启持续期。

气门动作调节灵活，响应迅速，调节能力强。

许多专利都述及电子控制系统。

%H/T$V'p;|1U○1电磁气门驱动技术的原理及研究进展

$~#P5B7e/]-^7[%L9v电磁气门驱动（electromagneticvalveacmatlon）是利用电磁铁产生的电磁力驱动气门。

早期试验的电磁气门驱动装置中没有起能量回收作用的弹簧或只有回收部分能量的单弹簧，导致能耗过大并有严重的气门落座冲击。

AuraSystems公司、FEV公司和通用汽车公司分别提出了工作原理基本相同的采用双弹簧双电磁铁气门驱动方案，并进行了多年的研究。

目前，AuraSystems和FEV公司的电磁气门驱动机构已经装车试用。

-C&h+F+k9]3M（K$g#Q3[而国内对电磁气门驱动技术的研究尚在起步阶段，清华大学根据双弹簧、双电磁铁气门原理，设计制作了试验研究用电磁气门驱动装置及其开环控制系统，并进行了电磁铁静吸力特性试验和电磁气门驱动动态特性试验。

浙江大学在对双弹簧、双电磁铁气门驱动机构综合分析的基础,^%S,I8z（c2?

%v-Y上，建立了一套完整的电磁气门驱动机构的物*g  M9@9t:

K9e&k理模型，并利用该模型对自行开发的电磁气门驱动机构进行了仿真计算，结果表明，通过优!

L+]9A  a.P3?

2Z%X!

@化线圈电流、通电时间和脉冲信号占空比等，可以实现气门的开闭且落座速度降到1m\s，但9U,V2p+L8p7W"[7X是无法实现气门软着陆。

.H7q（O2m%w'J8t电磁气门驱动机构主要由两个相同的;电磁铁（共用一个衔铁）、两个相同的弹簧和气门组成。

发动机不工作时，激磁线圈l和线圈2均不通电，气门半开半闭；发动机启动时，气门驱动装置初始化，控制系统根据曲轴转角判定气门在这一时刻应有的开、关状态，使线圈1或线圈2通电，电磁力克服弹簧力，将气门关闭或开启气门处于开启状态时，线圈1不通电，线圈2则必须通电，使电磁力等于或大于弹簧力以保持气门开启。

要关闭气门时，线圈2断电，衔铁和气门在弹簧力的作用下向上运动；在气门接近关闭位置时，线圈1通电．电磁力帮助气门（衔铁）快速运动至关闭位置；此后线圈l继续通电，使气门保持在关闭状态。

需要开启时，线圈1断电，衔铁和气门在弹簧力作用下向下运动。

如此循环往复。

5r*Z%M*S-@:

zAura公司的电磁气门驱动装置在转速为10000r／min的汽油机上演示时，气门由关闭位置至最大升程位置（或反方向）的过渡时间为3ms，气门落座速度为0.1m/s；初始化时线圈电流为15A～25A，气门保持在关闭或最大升程位置时线圈电流为1.5A～4.0A；汽油机怠速时每个气门上的能量消耗为35W，6000r／rain时为135w；柴油机转速在2000r/min时为185W。

Aura公司称，采用其电磁气门驱动机构使发动机油耗降低7％～lO％，功率增加l4％～l6％，扭矩增加l6％，HC，CO和NO，排放分别降低34％～37％，33％和50％，但没有关于发动机参数及比较基础的详细说明。

1996年SAE年会车展展出了装有采用Aura公司电磁气门驱动装置的汽油机的轻型卡车。

3d;K:

b2L;r8P*K据FEV公司介绍，汽油机采用电磁气门驱动可降低HP循环油耗l5％，HC和NO排放可分别减少5％～10％和40％～60％，但也没有详细说明。

通用汽车公司用电磁气门驱动机构进行了以进气门晚关控制发动机负荷的研究，他们在电磁气门驱动机构中还采用了永磁铁，目的是为气门在关闭或最大开启位置时提供克服弹簧力的保持力，减小电能消耗。

7A-a$d#z&d!

N○2电磁气门驱动技术的问题分析

从理论上说，电磁气门驱动控制方便，结构较为简单，是最容易想到的无凸轮轴气门驱动方式。

它的主要问题是气门落座冲击，电磁响应速度不够高，能量消耗及尺寸过大。

7G;O）y6R$j0S$T气门落座冲击是由电磁驱动的特点所决定的。

如前所述，气门接近关闭位置时，线圈1通电，电磁力使气门快速落座，在这一过程中，衔铁与铁芯气隙越来越小，而电磁力却越来越大，必然产生气门落座冲击，导致气门疲劳损坏和强烈噪声。

因此．必须在电磁气门驱动机构的结构设计和控制策略上采取措施，限制气门落座速度。

Aura和FEV等公司都未说明他们是如何降低气门落座速度的，各种文献认为可通过实时控制线圈电流大小实现气门落座软着陆。

气门驱动要求电磁铁做到高速、强力、大行程并且体积足够小，而要同时完全满足这4方面的要求是很困难的。

在电磁驱动装置满足气门升程的情况下，又要求它具有足够高的响应速度（在最高转速时发动机能正常工作），就必须增大弹簧刚度和预紧力，以提高质量一弹簧振动系统的振动频率；这又要求电磁驱动装置在初始化时有足够大的电磁力使气门就位（关闭或开启最大），在气门关闭和最大开启位置有能克服弹簧力的较大的电磁力使气门保持在这两个位置。

这样就得加大电磁气门驱动机构的尺寸和电能消耗，使电磁气门驱动机构在气缸盖上难于布置，并有可能使消耗的能量抵消了发动机所能获得的好处。

电磁气门驱动在响应速度、尺寸和能耗方面的矛盾只能通过选择台适的磁性材料和合理设计电磁铁的结构来得到折衷解决。

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（2）电液气门驱动系统1

电液气门驱动机构，可分为有回复弹簧式和无回复弹簧

'L6W*b*E&S"c.a5}-_'O,Q式两种。

前者由高压流体驱动8C8r%M*g'M"\0L气门开启，而由弹簧驱动气门的关闭；后者气门的启闭全由,H,G%H$R'X-X8j&z液压系统驱动。

回复弹簧式气门的优点是气门关闭可靠，因此目前是受到推荐的结构形式。

有回复弹簧式电液气门驱动系统。

整个系统由高压油源、电磁阀和气门机构等组成，图中的节流阀是为了实现气门落座时的“软着陆”，其中电磁阀是该系统的关键设备。

○1电液气门驱动技术的原理及研究进展

9U/Q）o!

p  L3I  B%b:

O电液气门驱动（electrohydraulicvalveactuation）的工作原理是将气门与一个液压活塞相连接，通过电磁阀控制液压缸内高压和低压液体的流人和流出，）从而控制液压活塞--气门的运动。

近20年来，有多家机构对电液气门驱动进行过或正在进行研究。

电液气门驱动系统的工作过程，可分为以下五个阶段：

8_8T5e8u*p2o-y气门控制腔充油过程开启阀得电，阀芯运动，使得高压油源与气阀的控制腔相通，而失电状态的关闭阀则在弹簧力的作用下，保持低压油源（储油缸）与控制腔隔离，高压流体在压力的作用下以一定的流量流入控制腔，向控制腔开始充油。

气门开启过程由于高压流体充入控制缸，控制腔的压力迅速上升，克服阻力（此时为弹簧力、气缸的废气压力和摩擦力等），使气门逐渐打开。

m%K/d;i）}-P4|2?

8g4K'Y+c气门定位过程开启阀失电，阀芯在弹簧力的作用下复位，将高压油源与气阀的控制腔隔离，此时低压油源也与控制腔隔离，气门在腔内流体压力的作用下，保持全开或某一中间位置，从而实现气缸内气体与外界交换。

气门控制腔卸油过程关闭阀得电，控制阀芯运动，使得低压油源与控制腔相通，由于控制腔的流体压力高于低压油源，实现卸油过程。

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8P"{3f*V"h（K:

b气门关闭过程随着流体流出控制腔，腔内压力逐渐减小，气门所受的弹簧力克服阻力（此时为控制腔油压、摩擦力等），气门逐渐关闭，直至气门行至关闭的限位，从而将气缸与外界隔离。

Richman等人在电机拖动的单缸机上对其电液气门驱动装置的试验表明，气门实际运动总是比程序规定的运动滞后。

在发动机转速小于1000r／min时，滞后量尚可接受，但随转速增加，滞后量增大，并且升程曲线也产生越来越严重的变形。

Griffiths等人的电液气门驱动系统可在发动机转速为3000r／min时保持稳定性和良好的气门运动精度。

Lotus公司的电液气门驱动系统能在发动机转速为4000r／min的情况下正常工作，在单缸机上进行过取消节气门以电液气门驱动控制负荷的研究。

Daimler---Benz公司的电液气门驱动系统与前述双弹簧双电磁铁的电磁气门驱动工作原理类似，该系统在液压活塞的两端各安置了一个弹簧，液压活塞及气门在气门关闭和气门全开这两个位置之间振动。

.B（I-W/Y']7}#t,Z而Fort公司的电液气门驱动工作原理。

液压活塞与气门相连，活塞上端面的液压腔可连通高、低压源．下端面的液压腔则只能连通高压源。

通过两个电磁阈的适时开、闭可实现气门的开启和关闭。

驱动单个气门的实验表明，该电液气门驱动系统可达到相当于发动机转速在8000r／min下的响应速度；在上液压腔增加一个缓冲室后，气门落座速度可降到0.1m/s以下。

但未见装在发动机上进行试验的报道。

2b,O4v0o$H8h○2电液气门驱动技术的问题分析电液气门驱动现仍然处于实验室研究阶段。

它的一个重要优点是除了气门正时

1`-J5]8Q（D+D）},`外，气门升程也可根据发动机工况需要而改变，这对取消节气门用进气门控制负荷尤其有利。

电液气门驱动机构的主要问题是响应速度不够高、气门落座冲击、能耗 过大和系统复杂等。

气门对