基于汽车发动机可变正时系统工作原理和排放的研究

严景明 李俊杰

摘 要：该文通过介绍汽车发动机可变正时系统常见类型，针对不同类型的可变正时系统加以分析比较，其在发动机功率的提升，以及降低发动机尾气有害成分的排放等方面有着明显的优势。因此，越来越多的汽车制造商都在加速发动机可变正时系统的研究。

关键词：可变正时 工作原理 排放 汽车发动机

中图分类号：U472 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0115-02

我国汽车保有量的日趋增多，随之而来的环保问题和能源危机，使得对汽车经济性和排放变得严格，汽车制造商对汽车发动机功率及汽车排气污染物的净化提出了新的要求，其中发动机可变正时系统使用己极为普及，它能促进汽车有害气体减排，提升发动机功率。在特定的发动机工况下，通过控制进气门开启角度提前或延迟来调整进排气量和改变进排气门重叠角，来实现增大进气充量和效率，更好地组织进气涡流，调节气缸爆发压力与残余废气量，以改善发动机功率、扭矩、排放、燃油经济性、舒适性等综合性能。

1 可变正时常见类型和控制原理

大多数轿车上都可以看见VVT-i、VTE、CVVL、VVTL-i等标志，其含义就是可变配气正时技术。VVT是连续可变气门正时系统，是丰田车系的简称，该系统可以在一定角度范围内，连续地改变气门正时，以提高发动机动力并且降低油耗；i-VTEC是本田车系智能可变气门正时及升程系统简称，和VVT相比，i-VTEC系统不但能够连续的改变气门正时，还能分两级改变进气门的升程。

1.1 本田可变气门正时的结构和控制原理

（1）本田是世界上第一个做到气门正式和升程控制同时进行的汽车厂家，它采用了不同角度的3个凸轮，分别带动3个摇臂，而这3个摇臂可以在控制器的控制下，既可以独立地打开气门，也可以连为一体打开气门，使得发动机无论是高速还是低速，都能得到最佳的配气相位。

VTEC结构如图1。

（2）可变气门正时的控制原理。本田的i-VTEC可变气门升程系统的结构和工作原理并不复杂，可以看作在原来的基础上加了第三根摇臂和第三个凸轮轴。它是怎样实现改变气门升程的呢？可以简单地理解为，通过3根摇臂的分离与结合一体，来实现高低角度凸轮轴的切换，从而改变气门的升程。

①VTEC控制进气气门的凸轮轴有两组不同角度的凸轮，凸轮轴不直接控制气门，而是通过多段式摇臂来推动气门，此摇臂内有2个受油压控制的插销，经由此2个插销的移动可控制此摇臂是分成多段移动还是整个移动。（见图2）

②在低速时让较大角度凸轮对应的摇臂空转，以较小角度的凸轮轴推动气门；当转速到达设定的临界点，插销移动，固定整个摇臂，让较大角度的凸轮轴推动整个摇臂，而较小角度的凸轮轴空转，以达到两段式控制气门正时和升程的目的。

1.2 丰田可变正时系统

（1）丰田VVT-i是可变配气技术的代表系统之一，目前在我国生产的丰田皇冠、凯美瑞、卡罗拉、威驰等车型上都广泛应用该技术。它根据发动机的转速与负荷，操纵油压来调整进气凸轮轴（有些车型还可以调整排气凸轮轴）相对正时齿轮的转角，经过调整凸轮轴转角配气正时进行优化，从而提高发动机在一定转速范围内的动力性、燃油经济性，降低尾气的排放。

丰田VVT-i的结构与安装位置（见图3）。

丰田可变系统由：VVT-i控制单元、凸轮轴正时控制阀体、VVT传感器和车身电脑模块（ECU）等组成。

（2）工作原理。

丰田VVT-i能根据驾驶状况来实时调节进排气门达到最佳状态，由车身电脑（ECU）控制，VVT-i控制器能够平滑、流畅地切换气门的开闭时机，使得气缸内的混合气无论发动机是在高转速，还是在低转速，都能够最有效地利用，达到低油耗、低排放、强动力输出的效果。

1.3 大众可变正时系统

人们对燃烧式发动机的需求不断增加，一方面，客户要求更高的功率和扭矩；另一方面又不能对燃油经济型和日益严格的排放法规视而不见。就气门正时而言，它意味着根据发动机的转速和负载对进气凸轮轴和排气凸轮轴进行调整是必不可少的。

1.4 宝马可变正时系统

宝马汽车公司VANOS（Variable camshaft control）是可变凸轮轴控制系统的简称。VANOS系统根据发动机转速、进气量、节气门位置来不断调整凸轮轴的位置对进排气门的开启时刻。

怠速时：当发动机在怠速工况时，对凸轮轴进行设置使得进气凸轮轴较晚打开，并且较晚关闭。排气凸轮轴被设置成在上止点之前完全关闭。高速时：当在很高的发动机转速时，为了获得较高的输出功率，必须使得排气门较晚打开。

（1）电子气门的结构。

宝马汽车电子气门的构成如图4所示。为了确定最佳的气缸气量，需要电子气门来调节气门的行程。其中，1为伺服电动机；2为蜗杆；3为扭转弹簧；4为固定架；5为进气凸轮轴；6为斜台；7为HVA；8为进气门；9为排气门；10为滚子式气门压杆；11为HVA；12为滚子式气门压杆；13为中间推杆；14为偏心轴；15为蜗轮；16为排气凸轮轴。

（2）可变气门正时控制机构VANOS的工作原理。

宝马的Valvetronic可变气门升程系统，主要是通过在其配气机构上增加偏心轴、伺服电机和中间推杆等部件来改变气门升程。当电动机工作时，蜗轮蜗杆机构会驱动偏心轴发生旋转，再通过中间推杆和摇臂推动气门。偏心轮旋转的角度不同，凸轮轴通过中间推杆和摇臂推动气门产生的升程也不同，从而实现对气门升程的控制。

2 可变正时与发动机排放的关系

发动机可变气门正时系统是近年来被逐步应用于轿车上的新技术。现代发动机采用可变气门正时系统，除了在一定程度上改善了废气排放之外，也能提高发动机扭矩等，满足人们的需求。传统的气门正时系统因为是不可变的，所以只能按照某一种工况来设定配气正时，也就是说，仅仅在该种工况下可以获得最理想的充气系数、最佳的动力输出，而在别的工况下因为充气系数降低，发动机的功率输出也相应降低。

3 结语

随着节能减排要求日益严格，对于汽车经济性和排放性能控制变得日益重要，汽车发动机可变正时系统与传统气门正时系统相比，在发动机动力性、燃油经济性及排放性方面有着明显的优势，所以有必要对汽车发动机可变正时系统加以探索研究。

参考文献

[1]李红，唐健.汽车发动机VVT技术探讨[J].成都纺织高等专科学校学报，2009（1）：29-30.

[2]彭福宏.377MV发动机VVT系统仿真设计研究[D].华中科技大学，2009.

[3]牛文博.发动机配气机构多体动力学建模与分析[D].天津大学，2008.