常见连续可变配气正时及气门升程控制系统详解

◆文/吉林 武忠

一、相位角及其功用

进、排气门相对于上、下止点早开、晚关的四个角度叫做进、排气相位角。它们的取值关系到增大进气充量、减小换气损失和阻力等性能的优化。图1为用于表示四个相位角的相位图，在一定条件下使发动机充气效率最大的相位角称为最佳相位角。图内部数值为自然吸气型发动机的最佳相位角范围，图外部数值为增压型发动机的相位角范围，各最佳相位角在该范围内随转速增加而增加。

图2 气门升程

二、气门升程及功用

气门口是进气流道中截面最小，流速最高之处，而且截面随气门升程急剧变化，对进气损失和充气效率影响最大，气门升程如图2所示。为此采用多气门及气门升程控制，可以减小进气损失，提高充气效率。在发动机结构一定的条件下，随发动机转速升高而提高气门升程，可获得更高的充气效率。

三、连续可变配气相位控制

图3(a)所示为奥迪V6发动机可变配气正时调节装置，调节器安装在凸轮轴的前端部，它能根据发动机控制单元控制信号调节凸轮轴的正时，调节器由液压操纵通过油道与发动机润滑油路相连。控制箱安装在汽缸盖上，通往调节器的油道位于控制箱上，进排气正时调节阀位于控制箱上，它们根据发动机控制单元信号控制到调节器的油压。

进气凸轮轴正时调节阀负责进气凸轮轴的调节，排气凸轮轴正时调节阀负责排气凸轮轴的调节。调节器内部结构如图3(b)所示，主要由内转子外转子和其上的油道组成。

可变进气工作时，发动机控制单元控制可变的配气正时，它需要有关发动机的速度、负何、温度和曲轴、凸轮轴的位置信号。为了调节凸轮轴，发动机控制单元激励电磁阀N205和N318。两阀随后打开控制箱的的油道，机油流经控制箱和凸轮轴进入调节器，调节器转子转动按控制单元要求调节凸轮轴正时。

为了排气再循环及增加发动机扭矩，进气凸轮轴被设置在上止点前开启，为了改变其位置，发动机控制单元激励进气凸轮轴调节阀N205，调节阀受激励后移动位置。在控制箱中，配气提前油道控制按照调节程度开启。随后机油在压力作用下流过控制箱进入凸轮轴的环形油道，然后机油流经凸轮轴前端的五个油孔进入调节器的提前油室，机油推压内转子的叶片，内转子相对外转子(曲轴)带动凸轮轴转动，凸轮轴相对曲轴向前转动使进气门提前打开，如图3(c)所示。

图3 奥迪连续可变配气正时机构

推迟开启过程与提前开启过程相反。排气门的调节原理与进气门调节过程相同。

这种通过液压机构连续调整凸轮轴与凸轮轴正时轮相对位置实现可变正时的连续调整的方式被现代轿车发动机广泛采用。

四、奥迪分段式可变气门升程控制

奥迪气门升程系统开始应用于奥迪2.8L和3.2L发动机上。可变气门控制系统可实现更好的驾驶舒适性，且消耗更少的燃油。该气门升程系统采用两级控制(即大升程和小升程)，凸轮轴直接操纵气门升程系统。

奥迪气门升程系统主要部件是所谓的“凸轮块”，这些凸轮块通过花键装在进气凸轮轴上，可以轴向移动。凸轮块上有紧密相邻的两个外形不同的凸轮，一个升程小，一个升程大。改变凸轮块在凸轮轴上的位置，使气门摇臂在两个凸轮上转换，就可以按负荷状态来控制进气门升程，其结构如图4所示。

图4 奥迪气门升程系统结构

凸轮块的纵向移动是通过两个金属销来实现的，这两个金属销垂直于凸轮轴布置在缸盖中，可由电磁执行元件来拉出，下沉的金属销伸到凸轮块端部的螺旋形滑槽内，在凸轮块转动过程中，螺旋形的槽曲线使得凸轮块轴向移动。在移动结束处，已断电的执行元件上的金属销被相应形状的槽底形状又推回到初始位置。

图5 奥迪气门升程系统结构

在发动机启动，怠速等工况，所需要的力矩很小且转速小于4000r/min时，电控单元给低速电磁执行元件发出一个电压脉冲，其金属销伸出进入凸轮块左侧的螺旋槽，凸轮轴旋转时，在金属销和螺旋槽的导向下凸轮块左移，凸轮块旋转一周后，滑槽的轮廓形状将金属销压回到初始位置，同时气门摇臂滚轮移到小升程的凸轮上，气门升程变小，如图5(a)所示；发动机转速高于4000/min或者超过一定的扭矩值时，电控单元给高速电磁执行元件发出上个电压脉冲，其金属销将凸轮块导向右侧，气门摇臂滚轮移到大升程的凸轮上，气门升程变大，如图5(b)所示。

五、连续可变气门升程控制

1.宝马公司((BMW)

BMW最早采用连续可变气门升程系统，称之为Valvetronic，该系统的目标是为了减少油耗而不时增加发动机功率，它可按照油门踏板的位置连续调节气门升程，这样节气门装置可以通过对节气门禁用功能以减少进气泵气损失。

与传统动发动机相比，Valvetronic系统增加了电动马达、偏心轴及每个进气阀配有中间推杆，进气凸轮轴通过滚子轴承作用在中间推杆中部，中间推杆上部由槽板和偏心轴定位，并可由偏心轴槽向推动，中间推杆的下部通过斜面作用在进气摇臂的滚轮上，并可由弹簧回位。其结构布置及构造如图6所示。

当发动机低转速运转时，电机通过涡杆、涡轮机构带动偏心轴逆时针转动，如图7(a)所示。偏心轴凸起逐渐离开中间杆上端，中间轴在回位弹簧作用下其中部以凸轮轴凸轮为支点向逆时针摆动，由于中间轴下端为斜面，使得中间轴在凸轮轴一定位置时压向气门摇臂的行程减小，则气门开启升程减小。

当驾驶员要求提高功率时，电动马达反向转动偏心轴，偏心轴推动中间推杆，中间推杆通过摇臂推开气门使气门开度变大，如图7(b)所示。

图6 宝马发动机的连续可变气门升程机构

图7 气门升程机构原理

尽管Valvetronic系统在部分负荷下有效的降低的油耗，在大功率却时无益的，因为副件导致磨摩的惯性增加，限至了发动机的变速能力。

2.日产汽车公司

日产的可变气门升程系统，简称为VVEL，第一次应用在英菲尼迪G37轿车的VQ37VHR V6的发动机上。与BMW的Valvetronic系统相比尼桑的系统结构紧凑，参与的部件少，能量损失小。所以适用于高性能的发动机。

如图8(a)为其内部局部结构，它看上去与传统的配气机构完全不同，该系统并没有使用传统的凸轮轴，每个气门由一个输出凸轮驱动，输出凸轮支撑在凸轮轴上并可在轴上转动。传统的凸轮是与凸轮轴一起转动的，VVEL中的输出凸轮是上、下往复摆动的。这就是为什么它不需要对称叶型。凸轮经过一系列组件驱动其运动，即通过偏心轮(与凸轮轴固定)、连接A、摇臂和连接B，其传动机构如图8(b)所示。

图8 英菲尼迪发动机的连续可变气门升程机构

通过控制摇臂内的偏心轴转动可实现气门的升程控制。通过转动偏心控制轴，偏心轴的回转中心位置发生变化，摇臂的位置发动改变，从而改变了连接A和连接B的几何形状。当发动机高转速时，电机通过涡杆涡轮顺时针转动控制轴，在凸轮轴位置一定时，控制轴偏心轮回转中心D与凸轮轴回转中心C接近，由于摇臂5、连接A、连接B和输出凸轮13组成的四边形(即CGHI)边长不可改变，而只能改变角度，使四边形CGHI被压扁，输出凸轮13向下摆一定角度，气门升程变大，如图9(a)。当发动机低转速时，电机转动控制轴逆转，控制轴偏心轮回转中心D远离凸轮轴回转中心，四边形CGHI伸张，输出凸轮13向上摆一定角度，气门升程变小，如图9(b)所示。

图9 气门升程机构原理

3.丰田公司

丰田连续可变气门升程系统也称为Valvematic。与BMW和日产的可变气门升程技术相比优势明显，机构相对简单，结构紧凑，不增加发机高度，更重要的是它几乎不增加摩擦和惯性，因此不会影响最大功率。

如图10(a)所示，Valvematic利用中间轴1完成连续气门升程调节，中间轴与滑动器由螺栓固定，滑动器上有三个一体的斜齿轮，斜齿轮与每个缸的执行元件啮合，每个缸的执行元件由两个气门推爪元件6、8与一个滚子轴承元件7组成，如图10(b)所示，两个气门推爪上斜齿轮与滚轮上斜齿轮方向相反，中间轴的端部装有电动马达可轴向移动中间轴。因为滚轮齿轮的齿向与气门推爪中间轴滑动器齿轮的齿向相反，当中间轴向移转动时，则滚轮元件和推爪元件转动相反，使它们相近或相离。

图10 丰田发动机的连续可变气门升程机构

如图11(a)所示，当发动机转速低时，电动马达转动带动中间轴及滑动器向左移动，滑动器左移时与之配合的气门推爪、滚轮元件相向转动，气门推爪相对滚子元件的轴线夹角变 小，此时凸轮在一定位置时，凸轮通过滚轮元件中、中间轴及推爪推动气气门升程减小，如图11(b)所示；当发动机高转速运转时，电动马达反向转动带动中间轴及滑动器抽右移动，如图11(c)所示，气门推爪、滚轮元件反向转动，气门推爪相对滚子元件的轴线夹角变大，气门升程增加，如图11d所示。Valvematic机构就是通过调节气门推爪相对滚轮夹角的大小来实现气门升程的调节的。

图11 丰田发动机的连续可变气门升程机构工作原理

什么是“可变气门行程”？

活塞式四冲程发动机都由进气、压缩、做功、排气4个冲程完成，我们关注的是气门开启程度对发动机进气的问题。汽缸进气的基本原理是“负压”，也就是汽缸内外的气体压强差。在发动机低速运转时，气门的开启程度切不可过大，这样容易造成汽缸内外压力均衡，负压减小，从而进气不够充分，对于气门的工作而言，这个“小程度开启”需要短行程的方式加以控制；而高速恰恰相反，转速动辄5000r/min，倘若气门依然不能打开，发动机的进气必然受阻，所以，我们需要长行程的气门升程。往往，工程师们既要兼顾发动机在低速区的扭矩特性，又想榨取高速区的功率特性，只能采取一条“折中”的思路，到头来发动机高速没功率，低速缺扭矩。

所以在这样的情况下，就需要一种对气门升程进行调节的装置，也就是我们要说的“可变气门正时技术”。该技术既能保证低速高扭矩，又能获得高速高功率，对发动机而言是一个极大的突破。

80年代，诸多汽车企业开始投入了可变气门正时的研究，1989年本田首次发布了“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”，英文全称“VariableValveTimingandValveLifeElectronicControlSystem，也就是我们常见的VTEC。此后，各家汽车企业不断发展该技术，到今天已经非常成熟，丰田也开发了VVT-i，保时捷开发了Variocam，现代开发了DVVT。几乎每家汽车企业都有了自己的可变气门正时技术。一系列可变气门技术虽然商品名各异，但其设计思想却极为相似。