可变气门升程技术教学探讨

李铭

摘要：本文介绍了气门升程系统和可变气门正时系统，不断改进发动机的配气相位以及进排气系统，使发动机的实际性能不断提高。要达到更高的充气效率，就需要延长发动机的吸气和排气时间。发动机的设计都会选择一个折衷的方案，不可能在两种截然不同的工况下都达到最优状态。

关键词：汽车可变气门正时；故障；维修

中图分类号：G718 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2017）04-0184-01

传统的VVT技术通过合理的分配气门开启的时间确实可以有效提高发动机的效率和燃油经济性，但是这项技术也有局限性和自身的瓶颈。发动机实质的动力表现是取决于单位时间内气缸的进气量。前面说过，气门正时代表了气门开启的时间，而气门升程则代表了气门开启的大小。从原理上看，可变气门正时技术也是通过改变进气量来改善动力表现的，但是气门正时只能提前或者推迟气门开启的时间，并不能有效改善气缸内单位时间的进气量，因此对于发动机动力性的帮助是有限的。如果气门升程大小也可以针对发动机不同的工况和转速实时调节的话，那么就能提升发动机在各种情况下的动力性能。

1.可变气门升程技术的作用

可变气门升程技术可以在发动机不同转速下匹配合适的气门升程，使得低转速下扭矩充沛，而高转速时马力强劲。低转速时系統使用较小的气门升程，这样有利于增加缸内紊流提高燃烧速度，增加发动机的低速扭矩，而高转速时使用较大的气门升程则可以显著提高进气量，进而提升高转速时的功率输出。

2.可变气门升程技术的应用

（1）本田I-VTEC。本田是最早将气门升程技术应用到车载发动机的厂商，本田的可变气门升程系统的结构和工作原理并不复杂，工程师利用第三根摇臂和第三个凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化。

VTEC发动机的每个气缸都有与普通气门一样动作的4个气门（1个主进气门，1个副进气门，2个排气门），凸轮轴除原有控制2个气门的一对凸轮外，还增设了1个高位凸轮，3个凸轮的轮廓各不相同，中凸轮按双进、双排气门最佳工况设计，升程最大；主凸轮按单进、双排气门开闭，低速工况设计，升程小于中间凸轮；次凸轮按怠速工况设计，升程最小，稍高于基圆，由次摇臂控制。气门摇臂也分成并列排在一起的主摇臂、中间摇臂和辅助摇臂。主摇臂内有一油道与摇臂轴油道相通主摇臂腔内有一正时活塞，辅助摇臂腔内有同步活塞A和B，由油压控制。在正时活塞和同步活塞之间有一正时弹簧，主摇臂上设有一个正时板。VTEC发动机的控制系统主要由电控单元ECM、VTEC电磁阀总成和压力开关等组成。

在中、低转速时，三根摇臂处于分离状态，普通凸轮推动主摇臂和副摇臂来控制两个进气门的开闭，气门升量较小。此时虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间是分离的，所以两边的摇臂不受它控制，也不会影响气门的开闭状态。

I-VTEC的设计就像采用了两根不同的凸轮轴，一根用于中低转速，一根用于中高转速，但是VTEC发动机的不同之处就在于将这样两种不同的凸轮轴设计在了一根凸轮轴上。本田发动机在进气凸轮轴中，除了原有控制两个气门的一对凸轮（主凸轮和次凸轮）和一对摇臂（主摇臂和次摇臂）外，还增加了一个较高的中间凸轮和相应的摇臂（中间摇臂），三根摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞。发动机低速时，小活塞在原位置上，三根摇臂分离，主凸轮和次凸轮分别推动主摇臂和次摇臂，控制两个进气门的开闭，气门升量较少。虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间已分离，其他两根摇臂不受它的控制，所以不会影响气门的开闭状态。发动机达到某一个设定的高转速时，电脑即会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成一体，一起由中间凸轮驱动，由于中间凸轮比其他凸轮都高，升程大，所以进气门开启时间延长，升程也增大了。当发动机转速降低到某一个设定的低转速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位，三根摇臂分开。

整个VTEC系统由发动机电子控制单元（ECU）控制，ECU接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速和水温等）的参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阔调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。

（2）奥迪AVS。奥迪的AVS可变气门升程系统在设计理念上与本田的I-VTEC有着异曲同工之妙，只是在实施手段上略有不同。这套系统为每个进气门设计了两组不同角度的凸轮，同时在凸轮轴上安装有螺旋沟槽套筒，如图2-5所示。螺旋沟槽套筒由电磁驱动器加以控制，用以切换两组不同的凸轮，从而改变进气门的升程。

发动机在高负载的情况下，AVS系统将螺旋沟槽套筒向右推动，使角度较大的凸轮得以推动气门程可达到11毫米，以提供燃烧室最佳的进气流量和进气流速，实现更加强劲的动力输出。当发动机在低负载的情况下，为了追求发动机的节油性能，此时AVS系统则将凸轮推至左侧，以较小的凸轮推动气门。

奥迪AVS可变气门升程系统在发动机700至4000转之间工作，当发动机处于中间转速区域进行定速巡航时，AVS系统可以为车辆提供很好的节油效果。

相比两段式的气门升程系统，气门升程无级可调技术则更为先进，其最大优势就是可以利用气门升程来控制进气量，这样节气门的作用就被弱化，大大降低了泵气损失，同时发动机进气迟滞的现象也会减轻，直接提升了发动机的响应速度。由于进气不存在迟滞，因此发动机的点火正时和配气正时的配合也更为精确，最终发动机的效率得到提升。

参考文献：

[1] 张葵葵.电控发动机原理与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 杨忠敏，陆刚.汽车检测与维修[M].北京：科学技术文献出版社，2006.