一种新型发动机可变配气相位与气门升程机构的设计

陈建华 高志贤

CHEN Jian-hua, GAO Zhi-xian

(邯郸职业技术学院，邯郸 056001）

0 引言

汽车发动机配气相位和气门升程对发动机性能有很大影响。随着发动机转速和负荷的不同，对配气相位和气门升程的要求也不同。但在传统的发动机配气机构中，气门驱动凸轮的形状、凸轮轴与曲轴的相对位置是固定的，在发动机运转时配气相位和气门升程都不能改变，导致发动机性能就不能在各种工况下均能得到最佳优化。为解决上述问题，汽车发动机可变配气相位与可变气门升程装置应运而生。可变配气相位(Variable Valve Timing，简称VVT)机构能使气门正时、气门开启持续时间及气门升程等参数中的一个或多个随发动机的工况变化实时进行调节，从而获得更好的燃油经济性、更优异的扭矩和功率特性，提高怠速稳定性和降低排放。

1 可变配气相位技术的研究现状

可变配气相位机构按结构特点和驱动方式的不同，可分为凸轮驱动机构和无凸轮驱动机构两大类。凸轮驱动可变配气相位机构研究时间相对较长，机构相对简单可靠，在汽车上已获广泛应用。随着微电脑技术的发展，无凸轮驱动可变配气相位机构成为近年来研究的新领域，由于其涉及液压、电磁、电子等多个领域，结构较为复杂，目前正处于研究及试用阶段。

1.1 可变配气相位技术在各工况下的实现功能

1）低温、起动、低负荷、低速

如图1（a）所示，延迟进气门的打开时刻，提前排气门的关闭时刻，可减少气门重叠，以减少废气逆吹入进气管，从而达到稳定怠速、提高燃料经济性和起动性能。

2）中等负荷、高负荷中低速

如图1（b）所示，提前进气门的打开时刻，推迟排气门的关闭时刻，可增加气门重叠，以增加EGR率以及降低泵气损失，从而改善了排放控制和燃料消耗率。此外，提前进气门的关闭时刻可减少进气被逆吹回进气管，改善了充气效率。

3）高负荷、高速

如图1（c）所示，提前排气门的打开时刻，可以减少泵气损失；延迟进气门的关闭时刻，可以利用惯性增压提高充气效率，从而提高发动机的输出功率。

4）废气再循环（EGR）功能

通过提前打开进气门，让部分废气流至进气管，起到废气再循环（EGR）的作用，从而降低NOx的排放。

（a） (b) (c)图1 各工况下的配气相位图

1.2 凸轮驱动可变配气相位机构

1）改变凸轮轴相角的可变配气相位机构

该类机构利用凸轮轴调相原理，凸轮曲线是固定的，而凸轮轴相对曲轴的转角是可变的。属于这种原理的机构很多，各机构主要的差异在于实现凸轮轴调相的方式不同。其主要代表为丰田可变气门正时系统（VVT-i），它是利用发动机润滑油的油压来调整凸轮轴相对于正时齿轮的转角，执行元件液压控制器有螺旋槽式和叶片式两种类型。此类机构结构原理简单，可以保持原发动机气门系统不变，只用一套额外的机构来改变凸轮轴相角，对原机改动较小，便于采用；其缺点是不能改变气门升程和气门开启持续时间。

2）变换凸轮曲线的可变配气相位机构

这类机构可以提供两种以上凸轮曲线，在不同转速和负荷下采用不同的凸轮曲线驱动气门。如本田公司的可变配气相位与气门升程(VTEC)机构，就能根据发动机运行工况的变化，通过变换驱动气门的凸轮，来实现对配气相位及升程的控制。但此种机构可变配气相位与可变气门升程不是连续变化的，而只是分成两个阶段，因此，还是不能满足所有工况变化的需要。

3）既改变凸轮轴相角又变换凸轮曲线的可变配气相位机构

丰田公司的智慧型可变气门正时及升程控制系统（VVTL-i）由两部分组成。一部分由VVT-i液压控制器和液压控制阀组成，用来改变进气凸轮轴与其带轮的相对位置，控制进气门的配气相位；另一部分由VVTL-i液压控制阀、进气凸轮轴和摇臂总成等组成，用来变换驱动进气门的凸轮，以改变进气门升程。

1.3 无凸轮轴可变配气相位机构

1）电控液压驱动可变配气相位机构

电控液压气门驱动是将气门与一个液压活塞相连，通过电磁阀控制液压缸内高低压油液的流入和流出来控制气门的运动。主要的开发公司分别为Ford和Lucas公司。Ford公司开发的可变配气相位机构取消了气门回位弹簧；Lucas公司开发的可变配气相位机构保留了气门回位弹簧。

2）电磁铁驱动可变配气相位机构

电磁铁驱动可变配气相位机构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。

2 一种新型发动机可变配气相位与气门升程机构的设计

本机构属凸轮驱动的可变配气相位机构，其控制原理如图2所示。凸轮轴凸轮曲线与普通凸轮轴凸轮曲线不同，它是能满足发动机所有工况要求的配气相位和气门升程的连续变化的曲线，凸轮轴轴向位置由步进电机驱动，步进电机由发动机电脑（ECU）控制。步进电机控制原理如图3所示。发动机电脑主要根据转速、负荷、水温、节气门开度等信号综合分析、计算，通过控制ISC1、ISC2、ISC3、ISC4的搭铁顺序及次数，就可控制步进电机的转动方向及步数，进而精确控制丝杆伸出或缩短的长度。丝杆伸出，推动凸轮轴向左移动，改变了凸轮与气门挺杆的接触位置，也就改变了该气门的配气相位与气门升程。丝杆缩短，则由回位弹簧控制使其自动向右，同样使该气门的配气相位与气门升程得到了精确的控制。

1-回位弹簧支架； 2-凸轮轴； 3-回位弹簧；4轴颈；5-凸轮；6-丝杆；7-步进电机；8-插头图2 汽车发动机可变配气相位与可变气门升程控制系统原理图

图3 步进电机控制电路图

该机构的控制系统可直接在发动机电脑（ECU）上扩展而成，不需单独的控制系统。且能对进、排气门的配气相位和气门升程都实行精确、连续的控制，很方便就能实现发动机的废气再循环（EGR）功能，大大降低NOX的排放。

3 结束语

无凸轮轴可变配气相位机构由于去掉了凸轮系统，由电脑（ECU）控制，能对气门正时的所有因素进行控制，在各种工况下获取最佳气门正时；另外，还能关闭部分气缸的气门，实现可变排量，因此，它是未来的主要发展方向，但该技术目前还有待于进一步完善与发展。本设计能克服原有的凸轮驱动的可变配气相位机构的缺点，能方便实现对进、排气门的配气相位及气门升程的全范围控制，且原结构没有大的变化，技术已经成熟。

[1] 陈勤学,崔可润,朱国伟.可变气门系统的研究与发展[J].车用发动机,2002,（3）.

[2] 苏岩,李理光,肖敏,曾朝阳.国外发动机可变配气相位研究进展-机构篇[J].汽车技术,1999,（6）.

[3] 陈高路.汽车发动机控制系统检测与维修工作页[M].人民交通出版社,2007.

[4] 张西振.汽车发动机电控技术[M].机械工业出版社,2009.