汽车发动机的可变气门技术初探

鲁春山

(吉林机电工程学校，吉林 吉林 132101)



汽车发动机的可变气门技术初探

鲁春山

(吉林机电工程学校，吉林 吉林 132101)

目前，汽车发动机几乎都在应用可变气门技术，此系统会对发动机凸轮的相位和气门的升程起到调节作用，从而对汽车发动机配气过程起到一定的优化作用。阐述了发动机可变气门的作用及发展历史，对目前主流车型上应用的发动机正时技术和可变气门升程技术进行了对比。

汽车发动机；可变气门技术；正时技术

解决燃油经济性和排放性能之间的矛盾，是汽车发动机技术提升的关键点。发动机可变气门正时技术直接解决了这个问题，从早期的可变技术到现在的可变气门技术，无论是哪款车型，都在力求推出更节能环保、更具经济性的发动机设备系统，这样才能在竞争激烈的市场中站稳脚跟。

1 发动机可变气门的作用

1.1 气门正时技术

气门正时技术是当气门在活塞运动中运行到某个位置，才会开启气门的一种控制技术。我们可以理解为，在活塞从上止点开始活动时，进气门打开，而向下活动到达下止点时，气门关闭。活塞从下止点开始运行，排气升程时气门开启，当到达上止点时，排气门关闭，并完成排气过程。因为空气惯性的原因，在排气进气行程中，会出现气门叠加的情况，这时曲轴转过的角度就是气门叠加角，如图所示。

图1 配气相位图Fig.1 Value timing diagram

1.2 发动机可变气门正时技术的作用

发动机在运行过程中，有高转速、低转速等多种工况，而固定不变的气门正时无法同时满足这些工况的需求。发动机可变气门正时技术的作用就在于，它能改变发动机气门开启和闭合时间，以及气门开启持续时间，从而满足发动机在不同工况下的需求，因此很多车型都会采用单可变气门正时技术，有些车型发动机还会应用双可变气门正时技术。

1.3 可变气门升程技术的作用

喷油量的多少直接决定着发动机的动力性能，单位时间内进入气罐的空气量越多，喷油量也会越大。发动机可变气门正时技术只能控制时间，无法改变单位时间内的进气量。但是可变气门升程技术可直接解决该问题，它会直接改变发动机气门开启的深度，也就是气门升程，从而提供发动机转速所需要的空气量，直接满足燃烧所需的氧气。

2 可变气门发展史

2.1 早期可变气门技术

本田公司在20世纪80年代中期推出了VTEC发动机，在混合动力汽车快速发展的形势下，变换动力模式时，降低内燃机的污染度成为了重要的研究方向，最早是宝马和丰田公司研究的。

本田VTEC(可变气门正时及升程电子控制系统)技术是1989年推出的，它会根据发动机的转速、负荷和水温等参数变化，进行配气正时和气门升程上的调整，其气门驱动凸轮有两组，可以通过电子控制系统的自动操纵进行中低速用和高速用之间的自动转换。VTEC系统保证了发动机在任何速率下都能达到最佳的动力性、经济性和低排放性。

宝马VANOS(可变凸轮轴控制系统)是一个调整进气凸轮轴与曲轴相对位置的系统。1992年，BMW5系列的M50发动机是最先应用该系统设计的。目前的双VANOS是在排气凸轮轴上增加了调整机制。

丰田VVT-i系统是近年来普遍应用的新技术之一，采用了发动机可变气门正时技术，提高了进气量，并且可以连续调节气门正时，但不能调节气门升程。发动机从低速转换成高速时，电子计算机会将机油压入凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，使其旋转，凸轮轴会在60°的范围内前后旋转，改变进气门的开启时间，最终实现连续调节气门正时的目的。

VTEC系统是由ECU(发动机电子控制单元)控制，处理转速、水温和进气压力等参数后，输出相应的控制信号，从而根据发动机的情况，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，调节进气门的开度和时间。

VANOS系统调整进气凸轮轴，根据发动机的转速和加速踏板位置的不同进行操作。发动机转速变低时，进气门将会开启，从而改善怠速质量和平稳性。处于中等转速时，进气门提前开启，让废气在燃烧室内循环燃烧，从而减少废气及燃油量。发动机转速变高时，进气门开启延迟，保证最大功率运转。

2.2 现代可变气门技术

从VVT-i到VVTL-i，是在原来的凸轮轴上增加了一个可以切换大小不同角度的凸轮，利用摇臂位置决定定到什么角度的凸轮，从而连续改变发动机正时、重叠时间进气门和两段式的升程。VVTL-i结合VVT-i的连续可变正时与重叠角，与VTEC式凸轮轴进行了切换，这是一个非常完美的系统。

在丰田公司推出VVTL-i后，VTEC技术已经无法满足市场需求，因此，本田公司就推出了i-VTEC系统。这个系统是在原有的VTEC系统上加了一个VTC(可变正时控制)系统，在VTC的控制下，排气阀门的正时和开启的重叠时间是可变的，使发动机在任何转速时都能有合适的配气相位。VTC系统能保证进气门和排气门的最佳重叠时间，通过发动机负荷情况，直接智能改变气门配气相位。与原有的发动机功率相比，VTC系统可以将发动机功率提高20%，从而实现了与VVTL-i媲美的可变气门发动机。VTEC与VTC的结合成为了i-VTEC，最佳怠速区域内VTC不会运作，只运作VTEC，会出现强大的涡流，保证发动机怠速工作的稳定性。在最佳耗油和排气控制区域，VTEC运作产生的涡流能让可燃混合气混合得更均匀，VTC一同工作，气门重叠角会变得更大，一部分废气会重新进入缸内，从而达到最佳耗油和排气控制。在最佳扭矩控制区域内，需要通过VTC控制，配合VTEC系统，以提高发动机的输出扭矩。因为在i-VTEC中，排气管变短，可让三元催化器温度提升变快，以更好地控制废气的排放。发动机启动，i-VTEC系统工作，无论什么转速下VTC都在运转，所以很大程度上解决了VTEC系统的缺陷。

从VANOS到Valvetronic，比VVTL-i和i-VTEC更有优势的方面是：第一，Valvetronic系统中并没有节气阀，所以空气进入发动机时会更通顺。它是根据踏油门的深浅，采用了电子式的可变电阻来决定进气量。第二，Valvetronic具有可连续变化气门正时、可连续性微调气门升程。这个系统是宝马公司的理想之作，因为在其中加了一种额外的偏心轴和摇臂系统，这个多出来的摇臂与气门摇臂的接触角度由附加的偏心轴的相位来决定，而中国相位的调整要由一个ECU控制下的调节装置来决定，以改变附加摇臂的角度，因此，同样的凸轮运动，气门摇臂的反应是不同的，气门的升程也会有一定的变化。

3 结语

在汽车发动机可变气门技术中，气门正时和气门升程是两个不同系统，但却具有关联性。可变气门技术目前已经被普遍应用到汽车发动机系统中，可变气门技术还需要不断改进，不仅要满足发动机在不同工况下的需求，还要不断探究如何更好地提高发动机的经济性、节能性、动力性和排放性等，促进社会经济发展。

[1] 黄国媛，沈恩华，王孟轲，汽车发动机可变气门升程的驱动装置：中国，CN201510119778.9 [P]．2015.

[2] 丁树栋．基于可变气门控制为主的汽车发动机特有技术研究[J]．科研，2017，(02)：145-146.

[3] 周玲，卢帅.发动机可变气门正时系统冷试检测原理及应用[J]．装备制造技术，2015，(09)：67-69.

Researchonvariablevalvetechnologyofautomobileengine

LUChun-shan

(JilinMechanicalandElectricalEngineeringSchool,Jilin132101,China)

At present, the application of variable valve technology has been almost applied to all of automobile engines, and the system can play a regulatory role in engine cam phase and valve lift with the optimizing function in gas distribution process of automobile engine. The role and development history of engine variable valve are expounded, and the engine timing technology and variable valve lift technology applied in the mainstream vehicle models are compared.

Automobile engine; Variable valve technology; Timing technology

2016-12-29

鲁春山(1974-)，男，中级讲师，本科。

TK

A

1674-8646(2017)04-0122-02