电控配气系统分析

刘浩岳、陈华艳、徐道发

（北京吉利学院 102202)

0 引言

在汽车动力性、燃油经济性和排放性能方面，电控配气系统明显优于传统配气系统。比如，本田的i-VTEC、丰田的i-VVT、宝马的Valvetronic等，各自都在电控配气系统领域有所建树。具体的优化有进排气系统的配气正时、可变气门升程等。

1 常见的电控配气系统

1.1 VVT-i（Variable Valve Timing-intelligent）技术

可变气门正时技术（VVT-i）是一种智能可变配气定时系统，为了适应内燃机工作情况的变化而使凸轮轴与曲轴的相对位置可以连续改变，以控制配气相位达到最佳状态，由此改善发动机的动力性、排放性和经济性（图1）。ECU可以根据当前的运行条件，向油压控制阀发出控制指令，调整至最佳的配气相位。油压控制阀根据ECU的指令向VVT-i带轮传送油压，带轮在该油压的作用下改变凸轮轴与曲轴之间的相对相位[1]。目前该技术已经被众多汽车厂商所使用，如丰田A25A、9NR-FTS、8ZR-FXE等发动机系列，同时也包括吉利和铃木等厂商。

图1 VVT-i凸轮轴正时链条端

1.2 本田的VTEC-i技术

VTEC-i采用了高低速2段式或高中低3段式电控可变配气相位的控制机构，其主要由高（中）低速凸轮、与之相对应的摇臂、摇臂轴及油压控制系统等组成（图2）。摇臂轴与驱动气门的传动杆采用刚性连接，高低速凸轮分别位于传动杆两侧（中速位于中间），并始终与各自的凸轮相接触，并随凸轮的旋转而上下摆动。在摇臂和摇臂轴之间设有控制柱塞、控制油道及回位弹簧，摇臂轴和摇臂的传动靠此柱塞完成。当柱塞连接时，摇臂和摇臂轴变为整体同步摆动；松开时，摇臂可在摇臂轴上进行空转。此系统根据ECU对车辆行驶工况的判断接收指令来制柱塞的连接状态，以选择高（中）低速凸轮中的1个介入工作，从而达到配气相位和气门升程可调的目的[2]。目前此技术搭载于本田2.0自吸发动机及L15B2发动机上。

图1 VVT-i凸轮轴正时链条端

1.3 液压控制式可变配气机构

1.3.1 有凸轮轴驱动的液压控制式可变配气机构

凸轮与气门的传递途中设有一段油路，油路内设有液压柱塞。在凸轮工作时，通过摇臂控制凸轮升程液压柱塞的位移量，由此产生的液压传动来控制气门开启，之后通过电磁阀控制液压腔内的压力来控制气门的升程，通过改变摇臂支点位置达到配气相位调节的目的。

1.3.2 无凸轮轴液压式可变配气机构

无凸轮轴液压式可变配气机构主要由高压共轨油压室、低油压室、三向阀、电磁阀、液压柱塞和位移传感器等组成。其工作方式是，由电磁阀将高压共轨油压室内的油量进行必要的分配来控制液压柱塞位置，从而控制气门的升程及相位。为了达到对气门的精确控制，还专门设计了气门升程传感器，并由低油压系统确保高油压系统所需的工作油压[3]（图3）。

1.4 宝马可变气门升程技术（Valvetronic）

宝马的Valvetronic技术是在气门摇臂上方加入中间推杆、偏心轴及步进电机，通过步进电机带动偏心轴转动，并使中间推杆位置发生偏移，从而使气门升程在一定范围内达到无级调节[4]（图4）。

图4 宝马可变气门升程技术

1.5 保时捷VarioCam技术

通过与VVT-i类似的正时链条驱动壳与凸轮轴角度的相对位移来改变气门正时，同时在气门顶盖与气门柱之间可以发生相对位移。气门顶盖与气门柱之间可以由杆连接来取消两者之间的相对位移，在需要较低升程时使杆移出气门，由凸轮轴中的低速凸轮驱动。由于气门顶盖与气门杆可以发生相对位移，高速凸轮带动气门顶盖进行空转，在高速时，杆接入气门顶盖与气门杆之间，取消相而实现无级调整气门正时及两级调整气门升程的目的[5]。目前技术在保时捷Cayanna S及GTS等车型上有所应用。

图5 保时捷VarioCam技术

1.6 菲亚特MultiAir技术

通过保留排气侧凸轮轴的形式，获得凸轮轴位置信号来控制进气侧的电磁阀，从而调节油压，实现无级调节气门正时及升程。如图6中所示，红色区域为电磁阀及油路[6-7]。

图6 菲亚特MultiAir技术

2 电控配气机构对比

2.1 根据控制形式进行分析

目前的电控配气机构主要有电机控制、液压控制及机械控制（为方便分析，本文章把VTEC-i等类似的结构列为机械控制）。例如，液压控制的有VVT-i、MultiAir、FreeValve等，电机控制的有Valvetronic等，机械控制的有VTEC-i等，VarioCam为机械及液压控制结合的方式。

2.1.1 液压控制分析

目前使用液压控制技术的主要是VVT-i技术，此技术在保证了相对较低的成本同时，还达到了可变配气相位的目的，从而使生产商可以以较低的成本，将更加环保的发动机交到顾客手中。同为液压控制的Freevalve及MultiAir，则由于其颠覆了传统配气机构形式，同时需要高集成度、高控制逻辑复杂性，以及更加复杂的缸盖结构，导致其研发及生产成本变高，目前也只有MultiAir实现了量产。如果同时取消进排气两侧凸轮，则需要重新设计飞轮或通过其他方法以达到监测气缸活塞位置的目的，这样不仅增加了研发成本，同时也增加了制造成本。MultiAir则通过保留排气侧的凸轮轴来简化其控制逻辑，降低生产及研发成本。

液压控制在汽车配气机构中的应用还具有传动平稳、质量小、体积小、转矩大及结构简单等优点[8]。但液压传动也存在缺点，比如液压管路存在泄露的隐患，液压介质会随温度变化而导致其粘度及体积等发生改变，油液中若混入空气则会影响其工作性能并产生噪声，相比电机控制会有延迟的情况[9]。

在无凸轮轴液压式配气机构中，存在的问题就是在高温环境下，液压管路内可能造成空穴现象。随着温度的上升会促使液压油发生变质，并且温度越高，其寿命周期就越短。液压油变质就会造成液压油的气化形成空穴，同时可能形成沉淀物，极易在较为细小的配气机构管路中造成堵塞，导致液压系统工作不正常。由于机构的设计需要足够紧凑，油路上很有可能会出现一些急转弯，所以在设计时要尽量避免急转弯的出现，以防止空穴现象的形成。

在油液动力原件的选择上，使用油液泵输送会更加稳定和连贯，而且质量也较轻，从而实现在油路内任何工况下都有着稳定的油路压力，保证在发动机以较高转速运行时，油路内油压也可以得到保持。在电磁阀的选用上，要遵循耐高温、耐低温、耐振、防尘和防潮，气缸盖要做好对电磁阀的保护，保证电磁阀可以在理想环境下工作。

为了保证液压控制的高效，气门旁设有气门位移传感器，以检测液压管路及压力是否能够控制气门做出精确的动作。由于在发动机关闭后，各气缸内活塞的位置不固定，因此在起动发动机时，需要传感器对活塞的位置进行检测。笔者认为可以引用凸轮轴位置传感器的原理，将类似齿轮布置在飞轮旁，各气缸不同的上止点分别采用不同的齿宽，通过输出信号的脉宽，识别哪些气缸的活塞处于上止点。

就维修便利性和成本来讲，传统凸轮轴驱动方式采用皮带驱动，需要定期进行正时皮带的更换，若出现配气机构的机械问题，则需要对发动机进行较大规模拆解。而液压控制式可变气门正时系统，则不存在更换正时皮带的问题，这从某种程度上节约了汽车的维护成本。可一旦电控单元受到损坏，则需要更高的维修成本来更换电控单元，同时该机构可能还需要定期的进行液压油的更换。

2.1.2 机械控制分析

机械控制式配气机构典型代表为VTEC-i，通过高低速凸轮的切换达到可变气门正时及升程的目的。与VVT-i相比制造成本更高，但是延迟短，在凸轮轴切换时也会产生噪声。在中高速凸轮切换时，会产生扭矩突变并造成冲击，影响驾驶时的舒适性。因此，为了防止这个现象的发生，在处于同一节气门开度时，选择分别采用高速或低速凸轮内燃机输出转矩相同的点，并在该点上进行高中低速运行模态切换。其结构复杂程度比VVT-i高，比Valvetronic低。

2.1.3 电机控制分析

宝马的Valvetronic为电机控制式配气机构，由伺服电机控制其气门升程。由电机控制的配气机构可以对气门升程进行无级调节，但机构比较复杂，与液压控制及机械控制相比，具有更短的延迟。

2.2 根据配气相位及气门升程改变情况进行分析

VVT-i：无级改变配气正时，不改变气门升程。Valvetronic：不改变配气正时，无级改变气门升程。VTEC-i：有级（2或3级）改变配气正时及升程。VarioCam：无级改变配气正时，有级（2级）改变气门升程。MultiAir：无级改变进气侧配气正时及气门升程。Freevalve：无级改变进排气双侧配气正时及升程。

3 改善方式

3.1 油压及气压的温度控制

可以通过冷却液进行冷却，保证系统的正常运行（图7）。在选取油压管路时，在考虑其强度的同时，也要具有较好的导热性。

图7 通过冷却液进行温度控制

3.2 缓解气门回位时的冲击载荷

首先在气门需要开启时，阀1打开，L1内压力升高，气门打开。气门关闭时，首先由阀2打开，阀3可以作为限流阀使用，控制泄压油路的流速，达到减少气门关闭时冲击载荷过高的问题。可以根据发动机转速控制阀3的开启大小，从而来匹配各转速所需的气门关闭速度（图8）。

图8 缓解气门回位时的冲击载荷

4 结束语

虽然纯电动汽车在国内的普及效果明显，但是通过丰田的预测图（图9）可以看出，直到2025年左右，传统内燃机才会有大幅度的减少，并且插电混动（PHV）及混动汽车（HV）的数量仍会持续增加。根据其预测，直到2050年PHV和HV的数量将会占到汽车销售量的60%左右，高于燃料电池汽车（FCV）和纯电动汽车（EV）数量的总和。所以对内燃机的技术突破仍然很重要。

图9 丰田对未来的预测图

相较于传统电控配气机构，如VVT-i、VTEC-i等，与Freevalve及MultiAir这种具有较大调节范围的，不受凸轮轴型线的方法，可以使气门开闭更加灵活可控。但成本过高，对于升程控制的精度较差。不过随着技术的不断完善，无凸轮轴液压式控制机构成本的降低，将会有更多的车企运用这一技术，使车辆可以达到更好的动力性、经济性及排放性（图10）。

图10 目前电控配气系统的使用范围及特点