保时捷VarioCam升级版可变气门的正时和升程调节

文/浙江 濮君强

随着汽车技术的不断发展，发动机的气门开始增多、转速增高，发动机的气门升程和正时如果不随之变化，在一些工况下就会出现难以解决的问题，例如，如何保证低转速时的扭矩输出和高转速时的功率输出，以及在这些工况下的燃油消耗等问题，用单个节气门控制的燃油供给方式是难以完满解决的，最好的方式就是采用多种可变化的形式进行“综合治理”。因此，就由可变进气管道、可变压缩比、可变气门升程和正时来解决这个问题，其中可变气门的升程和正时也就是可变式气门驱动机构，是目前汽车常见的一种新技术。为了省油，大多汽车会在气门升程和正时这两个方面改进。

一、可变气门正时基本原理

发动机可变气门正时技术原理是根据发动机的运行情况，调整进气(排气)的量和气门开合时间及角度，使进入的空气量达到最佳，提高燃烧效率。合理选择配气正时，保证最好的充气效率，是改善发动机性能极为重要的技术问题。而在进、排气门开闭的四个进程中，进气门迟闭角的改变又是对充气效率影响最大的因素之一。

保时捷VarioCam升级版是在进气侧将可变气门正时与两级气门升程相结合的控制方式。其带来的好处包括能够获得更强劲的动力和更高的扭矩，令发动机运转更加平稳，燃油经济性更好并且废气排放更低。

二、凸轮轴调整机构

保时捷VarioCam在凸轮轴同步齿形带轮上设置了一个液压装置，当ECU接收位于曲轴传感器的信号并进行处理后，将该转速下的配气正时角转变成为电信号传送到液压装置，由液压装置加压，使凸轮轴同步齿形带轮能够顺、逆时针转动，达到控制配气正时角的目的。使用受机油压力控制的凸轮轴调整系统，可以根据需要调整进气凸轮轴，从而实现小气门重叠或大气门重叠。

如图1所示，圆柱形部件(1)的螺旋滑动齿轮安装在凸轮轴齿轮(2)和凸轮轴连接轴(3)之间，正是该部件使凸轮轴调整成为可能。凸轮轴连接轴与凸轮轴之间通过紧固螺钉(4)连接。圆柱形部件的内外两侧均有螺旋传动装置。外侧传动装置与内侧传动装置在凸轮轴连接轴上接合。内侧传动装置与匹配传动装置在凸轮轴齿轮上接合。圆柱形部件用于调整进气凸轮轴，使用该部件可调整气门重叠。

如果圆柱形部件在机油压力的作用下向远离凸轮轴的方向移动，则会引起大气门重叠。这只用于节气门上部半开阶段和节气门全开阶段，以实现最高扭矩和最大功率输出。在怠速期间，圆柱形部件会朝凸轮轴方向移动，从而引起小气门重叠，这样就可以较大地改进冷启动阶段，从而使燃油消耗量和排放量最多可降低10%，同时还显著提高了怠速质量。

三、气门冲程控制

凸轮轴的设计亮点在于有两种形式的凸轮和可调节平底挺杆，如图2所示。气门冲程可切换为3 mm或10 mm，由三位两通电液转换阀进行切换。每个挺杆由两个同心挺杆组成，它们可以锁在一起形成一个单元或相互独立地运动。内挺杆由一个小型凸轮操纵，外挺杆由两个较大的凸轮操纵。这些挺杆可通过一个销进行液压互锁，如果被锁住，大凸轮就可以工作，如果没有被锁住，小凸轮就工作。

这种设计可以使发动机在使用小气门冲程的情况下，车辆速度最高可达148km/h。而在使用大气门冲程，且以功率为出发点的发动机正时条件下，车辆速度最高可达297km/h。

四、各种工况时保时捷VarioCam升级版的工作情况

1.怠速

通过将气门冲程转换到3mm的小凸轮，并将发动机正时转换为小气门重叠(圆柱形部件在右侧)，可对怠速进行优化。

DME (车用电脑控制单元)通过驱动一个电磁阀来调节发动机正时，通过增加机油压力使圆柱形部件向凸轮轴侧移动，使用小气门冲程可减少摩擦；由于气门打开时间非常短，可以显著增强进气运动；在燃烧室中预先燃烧可以降低排放。这可使燃油消耗量和排放量最多降低10%，同时显著提高怠速质量。

2.节气门半开

在部分负荷阶段保持气门冲程的怠速设置和发动机正时的怠速调节。在节气门上部半开阶段转换为大气门重叠，逐步形成的压力会推动圆柱形部件向远离凸轮轴的方向移动。但为了减少燃油消耗量和摩擦损失，仍旧使用小气门冲程。

3.节气门全开

在节气门全开的情况下，一方面节气门几乎不需要任何变化就可以实现高扭矩和最大功率输出；另一方面凸轮廓线的设计并没有牺牲10 mm的最大气门冲程，同时还相应地调节了打开和闭合点。

节气门全开，在逐步形成的机油压力的作用下，圆柱形部件仍然保持在“大气门重叠”位置处，但是气门冲程控制系统转换，使得外侧平底挺杆与内侧平底挺杆通过液压调节销锁定。

五、DME控制单元

DME控制单元监控保时捷VarioCam升级版的两个独立系统，所以针对这些要求专门设计了处理器高输出。对VarioCam升级版进行控制需要以下数据：①发动机转速(单位：r/min)；②油门踏板位置；③发动机机油温度和冷却液温度；④档位。

这些数据会不断与已保存的简况进行比较，在千分之一秒内，就可以确定保时捷VarioCam升级版应该进行的操作。此时驾驶舱仍然会很安静，在驾驶员没有注意到的情况下，发动机中已经发生了巨大变化。从本质上来讲，可以说保时捷VarioCam升级版将一个发动机变成了两个，并按照驾驶员输入指令的变化在两者之间实现无缝切换，所有的操作都由发动机管理系统控制，以确保加速更迅速，运转更平稳。

六、维修案例

案例1

保时捷Cayanna S V8发动机怠速时有轻微的抖动，握住方向盘有发麻的感觉，而在踩下油门踏板后发动机抖动现象消失。在修理厂检修时，做了清洗节气门之类的简单处理，但没能排除故障。后来到杭州保时捷维修中心用专用电脑检测，故障内容为气缸组1和凸轮轴调整电磁阀故障，怀疑问题出在气缸组1的凸轮轴调整上(电磁阀有油污或调整机构发卡)。于是维修技师清洗了气缸组1的凸轮轴调整电磁阀，并与气缸组2的电磁阀进行了调换，装好后试车，还是存在抖动现象。最后根据怠速时的控制情况，维修技师判断为凸轮轴调整机构怠速时存在发卡问题，因为机构无法进行修理，只得将整个调整机构更换，随后故障排除。

案例2

保时捷Cayanna GTS V8发动机故障指示灯亮，怠速及加速时发动机都有抖动现象，读取数据发现6缸工作不良。维修技师首先从电路查起，6缸跳火正常，火花塞因为最近刚换过也没有发现问题。故怀疑为油路上的问题，随后将喷油器与其它缸调换，还是没有解决问题。油电均正常，再可以影响到单缸的就是凸轮轴的机械部分了。于是维修技师打开气门室盖检查6缸气门弹簧及挺杆，未发现异常，但拆开凸轮轴拿下液压挺杆检查发现，内挺杆和外挺杆之间用手按压有发卡现象，对比其它缸都没有此问题。最后，维修技术认为是挺杆发卡造成6缸气门开启程度受到影响，从而出现抖动现象。更换此挺杆后，故障排除。