可變氣門機(jī)構(gòu)在轎車發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用及其檢修

林 平

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可變氣門機(jī)構(gòu)在轎車發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用及其檢修

林 平

福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車運(yùn)用與工程機(jī)械系

可變氣門機(jī)構(gòu)能使發(fā)動機(jī)的配氣相位和氣門升程隨發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況變化，在提高發(fā)動機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性、動力性、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，減少排放污染等方面效果明顯，因此目前被廣泛應(yīng)用在轎車發(fā)動機(jī)上。本文從可變氣門機(jī)構(gòu)的作用原理出發(fā)，歸納和分析了常見可變氣門機(jī)構(gòu)的類型、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，并重點(diǎn)介紹了可變氣門機(jī)構(gòu)的主要檢修內(nèi)容和方法。

可變氣門機(jī)構(gòu) 配氣相位 檢修

在傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)上，進(jìn)氣門和排氣門的配氣相位和氣門升程都是固定不變的，是根據(jù)發(fā)動機(jī)的常用工況由試驗(yàn)確定的。然而發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不同時，其進(jìn)排氣量、進(jìn)排氣流的流速、進(jìn)氣及排氣行程的持續(xù)時間、氣缸內(nèi)燃燒過程等都不一樣，對配氣相位和氣門升程的要求也不同。因此，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)所采用的固定配氣相位和氣門升程的設(shè)置無法讓發(fā)動機(jī)在所有工況下都具有良好的性能，只能根據(jù)其匹配車型的需求，選擇最優(yōu)化配置。

可變氣門機(jī)構(gòu)就是通過技術(shù)手段，使發(fā)動機(jī)的配氣相位和氣門升程能隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化而變化，始終保持最佳，從而保證發(fā)動機(jī)在任意轉(zhuǎn)速和負(fù)荷都有良好的燃料經(jīng)濟(jì)性、動力性、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，減少排放污染。

可變氣門機(jī)構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)型式，不同廠家、不同發(fā)動機(jī)的可變氣門機(jī)構(gòu)往往有很大的不同。按其控制內(nèi)容，有可變配氣相位機(jī)構(gòu)和可變氣門升程機(jī)構(gòu)2大類；按是否同時控制進(jìn)、排氣門，有只控制進(jìn)氣門的單可變氣門機(jī)構(gòu)和同時控制進(jìn)、排氣門的雙可變氣門機(jī)構(gòu)2種；按其控制過程，有分段可變和連續(xù)可變2種；按其結(jié)構(gòu)，有變換凸輪式、變換凸輪軸轉(zhuǎn)角式和變換搖臂支點(diǎn)式等幾種。

目前在技術(shù)上較為成熟并在轎車上應(yīng)用最為廣泛有變換凸輪式分段可變氣門機(jī)構(gòu)和變換凸輪軸轉(zhuǎn)角式連續(xù)可變氣門機(jī)構(gòu)，本文主要分析這2種機(jī)構(gòu)的構(gòu)造和工作原理。

1　變換凸輪式分段可變氣門機(jī)構(gòu)

變換凸輪式分段可變氣門機(jī)構(gòu)是在一根凸輪軸上布置2～3組凸輪，每組凸輪的大小、形狀、配氣相位和氣門升程都各不相同。其工作原理是：當(dāng)發(fā)動機(jī)處于不同的運(yùn)轉(zhuǎn)工況時，發(fā)動機(jī)的ECU利用液壓控制方式，通過搖臂上的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)來改變驅(qū)動氣門的凸輪，從而實(shí)現(xiàn)配氣相位和氣門升程的改變。采用這種方式的有本田汽車發(fā)動機(jī)的VTEC機(jī)構(gòu)、三菱發(fā)動機(jī)的MIVEC機(jī)構(gòu)等。

1.1 本田汽車發(fā)動機(jī)三段式VTEC可變氣門機(jī)構(gòu)

圖1為本田汽車發(fā)動機(jī)上采用的三段式VTEC（Variable valve Timing & lift Electronic Control system）可變氣門機(jī)構(gòu)。這是一種四氣門、單上置凸輪軸（SOHC）的可變進(jìn)氣門驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

1.凸輪軸　2.中搖臂　3.次搖臂　4、5、6.插銷　7.進(jìn)氣門　8.主搖臂　9.主凸輪　10.中凸輪　11.次凸輪

這種發(fā)動機(jī)的凸輪軸上對應(yīng)于每個氣缸有3個大小和形狀各不相同的進(jìn)氣凸輪：中間為高速凸輪，是以滿足按發(fā)動機(jī)高速、大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)需要而設(shè)計的，升程最大，并有較大的進(jìn)氣門遲后角和氣門疊開角；右邊為中速凸輪，是以滿足按發(fā)動機(jī)最常用工況的中速、中小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)需要而設(shè)計的，所以又稱為主凸輪，其升程次之，進(jìn)氣門遲后角和氣門疊開角也較??；左邊的凸輪升程最小，稱為次凸輪。

與3個進(jìn)氣凸輪相對應(yīng)的3個搖臂分別稱為中搖臂、主搖臂、次搖臂，3個搖臂內(nèi)有二組受油壓控制的插銷（上面一組插銷分為二段；下面一組插銷則分成三段），插銷的移動可控制3個搖臂是各自獨(dú)立運(yùn)動或互相連成一體運(yùn)動?？刂撇邃N移動的油壓來自發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)，并由發(fā)動機(jī)ECU通過電磁閥控制。

1.2 三段式VTEC可變氣門機(jī)構(gòu)的控制方式

當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低轉(zhuǎn)速或者低負(fù)荷時，3個搖臂互相分離。主凸輪和次凸輪分別驅(qū)動兩個進(jìn)氣門，使兩者具有不同的正時及升程（左邊由次凸輪驅(qū)動的氣門基本上沒有打開，只是有個微小的動作，以防止氣門在高溫下不動作而卡死，同時防止進(jìn)氣歧管壁上凝結(jié)的汽油聚集在進(jìn)氣門背面）。此時只有1個氣門進(jìn)氣，以形成擠氣作用效果，使進(jìn)氣氣流在汽缸內(nèi)產(chǎn)生渦流效果，促使燃燒完全。此時中搖臂沒有驅(qū)動氣門，只是在搖臂軸上做無效的運(yùn)動。

當(dāng)發(fā)動機(jī)處于中速、中負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況時，ECU通過電磁閥使發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的壓力機(jī)油進(jìn)入搖臂中上面一組插銷的油壓室，推動插銷移動，將左右兩邊的主、次搖臂相連，2個進(jìn)氣門同時受最右邊的主凸輪控制，都按中速模式開啟（圖2b）。此時中凸輪仍沒有起作用。

當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高到需要變換為高速模式時，ECU通過電磁閥使壓力機(jī)油同時進(jìn)入搖臂上、下面兩組的插銷的油壓室，下面一組插銷的移動將3個搖臂連接成一體，由于中間的凸輪較大，使其它兩個凸輪碰不到搖臂，故此時兩個氣門都受中間的高速凸輪軸控制（圖2(c)），氣門開啟的升程和時間都比中速模式大。

同理，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，ECU通過電磁閥將搖臂中油壓室內(nèi)的壓力機(jī)油泄出，使氣門回到中速或低速工作模式[2]。

1.氣門　2.搖臂　3.次凸輪　4.主凸輪　5.中凸輪　A、B.壓力機(jī)油

本田汽車公司開發(fā)的這種分段可變氣門機(jī)構(gòu)能根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況，自動改變氣門配氣相位和升程，從而達(dá)到增大功率、降低油耗及減少污染的目的。但由于其控制過程是分段有級的（早期只有2段，目前最新的也只有3段），當(dāng)控制模式從低速段轉(zhuǎn)換到高速段時，由于進(jìn)氣流量突然增大，使得發(fā)動機(jī)的輸出也突然增大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在整個轉(zhuǎn)速范圍段內(nèi)輸出功率的變化不夠柔和。

2　變換凸輪軸轉(zhuǎn)角式連續(xù)可變氣門機(jī)構(gòu)

這種可變氣門機(jī)構(gòu)是通過使凸輪軸和曲軸的相位改變一個角度，從而使該凸輪軸所決定的所有配氣相位角同時提前或推遲，達(dá)到配氣相位的連續(xù)可變。

常見的連續(xù)可變氣門機(jī)構(gòu)有2種，分別采用可變正時齒輪控制器和可變正時鏈條控制器來控制氣門的正時。

2.1 可變正時齒輪控制器

可變正時齒輪控制器位于凸輪軸的前端（圖3），它利用發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的壓力機(jī)油來工作，可使凸輪軸與其前方的正時鏈輪（或帶輪）之間的相對角度發(fā)生連續(xù)的變化?？勺冋龝r齒輪控制器的殼體與正時鏈輪結(jié)合為一體，殼體中有一呈十字型的葉片式轉(zhuǎn)子與凸輪軸連接（圖4）。轉(zhuǎn)子的每個葉片與殼體的內(nèi)腔之間形成2個封閉的油壓室，分別稱為提前油壓室和延遲油壓室。發(fā)動機(jī)的ECU通過安裝在氣缸蓋上的氣門正時控制電磁閥控制發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的壓力機(jī)油，使之通過凸輪軸上的油道進(jìn)入或流出2個油壓室，以改變2個油壓室的壓力，從而使轉(zhuǎn)子與殼體之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，使該凸輪軸所決定的配氣相位發(fā)生變化。

轉(zhuǎn)子中鎖銷的作用是在發(fā)動機(jī)熄火后機(jī)油壓力消失時自動將轉(zhuǎn)子和殼體相互連接（圖4），使發(fā)動機(jī)起動時的配氣相位能保持為某一固定的角度，防止起動時因機(jī)油壓力不足而使氣門正時失去控制[3]。

1.曲軸正時鏈輪　2.進(jìn)氣可變正時齒輪控制器　3.進(jìn)氣凸輪軸 4.排氣凸輪軸　5.排氣可變正時齒輪控制機(jī)構(gòu)　6.正時鏈條

圖4 可變正時齒輪控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)[3]

采用可變正時齒輪控制器的連續(xù)可變配氣相位機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，布置方便的特點(diǎn)。根據(jù)不同發(fā)動機(jī)的具體設(shè)計要求，可以進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸上都設(shè)置可變正時齒輪控制器，使進(jìn)氣門和排氣門的配氣相位同時可變（圖3，稱為雙可變氣門機(jī)構(gòu)），使發(fā)動機(jī)的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性都得到最大的改善。也可以僅在進(jìn)氣凸輪軸上設(shè)置可變正時齒輪控制器，只對進(jìn)氣門的配氣相位進(jìn)行控制（稱為單可變氣門機(jī)構(gòu)），在不增加太多成本的情況下獲得較大的性能改善。

2.2 可變正時鏈條張緊器

可變正時鏈條張緊器布置在進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸之間，采用這種結(jié)構(gòu)時，發(fā)動機(jī)曲軸只通過正時鏈條驅(qū)動排氣凸輪軸，進(jìn)氣凸輪軸由排氣凸輪軸通過另一根鏈條驅(qū)動。該鏈條的長度比正常的長度要長幾節(jié)，用可變正時鏈條張緊器保持張緊（圖5a）。該張緊器在使鏈條保持張緊的狀態(tài)下還可以在壓力機(jī)油的控制下作整體的上下移動，使進(jìn)、排氣凸輪軸之間兩側(cè)鏈條的長度發(fā)生變化，以改變兩凸輪軸之間的相對角度，從而達(dá)到使進(jìn)氣凸輪軸的配氣相位角發(fā)生變化的目的（圖5b、c）。這種結(jié)構(gòu)只能在1個凸輪軸上（通常為進(jìn)氣凸輪軸）實(shí)現(xiàn)配氣相位的變化，而且變化的角度范圍較為有限。

圖5　可變正時鏈條張緊機(jī)構(gòu)

2.3 連續(xù)可變配氣相位的控制方式

連續(xù)可變配氣門機(jī)構(gòu)由發(fā)動機(jī)的ECU控制，ECU根據(jù)安裝在發(fā)動機(jī)上的各種傳感器檢測得的發(fā)動機(jī)工況，決定配氣相位的數(shù)值，以使控制效果達(dá)到最佳。通常按以下方式控制進(jìn)、排氣門的配氣相位：

①怠速、小負(fù)荷以及起動、暖機(jī)期間，將進(jìn)氣門配氣相位延遲，減小進(jìn)氣提前角；同時將排氣門配氣相位提前，減小排氣遲后角，從而減小或消除氣門疊開角，防止廢氣進(jìn)入進(jìn)氣道，以穩(wěn)定燃燒過程，提高怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低排放污染；

②中小負(fù)荷時，增大進(jìn)氣提前角和排氣遲后角，以增大氣門疊開角，產(chǎn)生缸內(nèi)廢氣再循環(huán)（這種設(shè)計可以取消EGR裝置），降低排放污染，并減小排氣行程后期和進(jìn)氣行程早期的泵氣損失；

③中低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷時，保持適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣遲后角，以充分利用進(jìn)氣慣性，提高充氣量；同時將排氣門配氣相位推遲，減小排氣提前角，以充分利用燃燒氣體的壓力作功，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；

④高速大負(fù)荷時，盡量增大進(jìn)氣遲后角，以充分利用進(jìn)氣慣性，提高充氣量；同時適當(dāng)增大排氣提前角，以減小排氣行程后期的泵氣損失，提高發(fā)動機(jī)的輸出功率。

3　可變氣門機(jī)構(gòu)的檢修

可變氣門機(jī)構(gòu)的檢修內(nèi)容主要有：正時控制電磁閥的檢測、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的檢測。下面以采用可變正時控制器的豐田轎車發(fā)動機(jī)為例，說明其檢修方法。

3.1 正時控制電磁閥的檢測

正時控制電磁閥的主要故障是電磁線圈短路或斷路、閥芯卡滯等?？赏ㄟ^測量電磁線圈的電阻和檢查電磁閥的動作等方式來檢測。

①電磁線圈電阻的檢測：檢查時，可將正時控制電磁閥從發(fā)動機(jī)上拆下，用萬用表測量電磁線圈的電阻，并與標(biāo)準(zhǔn)比較。如果測得的線圈電阻與維修手冊中的標(biāo)準(zhǔn)不符，或測得電磁線圈短路、斷路，均應(yīng)更換電磁閥。

圖6　正時控制電磁閥的檢測[4]

②電磁閥工作性能檢查：以進(jìn)氣凸輪軸正時控制電磁閥為例，從發(fā)動機(jī)上拆下正時控制電磁閥，清洗后，將電磁閥的接線端子與蓄電池連接，通過閥孔目視檢查閥芯的動作是否正常。當(dāng)電磁閥的兩個接線端子分別和蓄電池正、負(fù)極連接時，閥芯應(yīng)從最大延遲位置（圖6(a)中最右端）移動到一側(cè)的極限位置（圖6(b)，最大提前位置）；斷開電磁閥和蓄電池的接線后，閥芯應(yīng)回到最大延遲位置。

如果以上檢查有異常，應(yīng)更換正時控制電磁閥。

3.2 可變正時齒輪控制器的性能檢查

可變正時齒輪控制器的常見故障是轉(zhuǎn)子不能正常轉(zhuǎn)動、鎖銷不能正常鎖止或松開?？赏ㄟ^施加壓縮空氣來檢查其性能。其檢測方法是：

①從氣缸蓋上拆下凸輪軸和可變正時齒輪控制器總成，將凸輪軸固定在臺鉗上。

②通過凸輪軸第一道軸頸上的提前油孔和延遲油孔，向可變正時齒輪控制器中施加約150kPa的氣壓（圖7）。

③同時向提前油路和延遲油路中施加氣壓時，用手轉(zhuǎn)動正時齒輪控制器總成，確認(rèn)鎖銷已松開，正時齒輪控制器可以自由轉(zhuǎn)動。

④在保持提前油路氣壓的狀態(tài)下，將延遲油路減壓，確認(rèn)正時齒輪控制器總成向正時提前方向轉(zhuǎn)動，并能到達(dá)最大提前位置。

⑤在正時齒輪控制器處于最大提前位置時，先釋放施加在延遲油路上的氣壓，然后再釋放施加在提前油路上的氣壓（注意：如果在延遲油路上的氣壓尚未釋放的狀態(tài)下將提前油路的氣壓釋放，會使正時齒輪控制器突然轉(zhuǎn)動到最大延遲側(cè)，有可能造成鎖銷的損壞）。

圖7　正時齒輪控制器的檢測

⑥用手轉(zhuǎn)動正時齒輪控制器，除最大延遲位置外，在轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)正時齒輪控制器幾次，檢查是否能平滑轉(zhuǎn)動。

⑦用手將正時齒輪控制器向延遲方向轉(zhuǎn)動，確認(rèn)鎖銷能將正時齒輪控制器鎖緊在最大延遲位置上。

以上檢查如有異常，應(yīng)更換正時齒輪控制器。

4　結(jié)語

可變氣門機(jī)構(gòu)對提高發(fā)動機(jī)的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放污染等方面效果明顯，已成為當(dāng)代汽車發(fā)動機(jī)特別是轎車發(fā)動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。該機(jī)構(gòu)工作可靠，故障率低，檢修方法也不復(fù)雜。由于大部分可變氣門機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件都是由發(fā)動機(jī)的潤滑系統(tǒng)提供工作油壓，在使用過程中還應(yīng)注重對發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的維護(hù)工作，及時更換規(guī)定牌號的機(jī)油。在發(fā)動機(jī)維修中還要注意對可變氣門控制器供油管路的清洗和疏通，以保證系統(tǒng)的正常工作。

[1] 劉濤.淺談本田汽車VTEC技術(shù)[J].裝備制造技術(shù),2008(11)123-124.

[2] 王冰,艾曦峰,李德才.VTEC發(fā)動機(jī)與VVT－I發(fā)動機(jī)工作原理對比研究[J].黑龍江交通科技,2007(8):90-92..

[3] 豐田汽車公司.REIZ新車特征[M].一汽豐田汽車銷售有限公司,2005.

[4] 馬自達(dá)汽車公司.MAZDA6維修手冊[M].一汽轎車銷售有限公司,2005.

Application of Variable Valve Timing Mechanism in Automobile Motor and Its Maintenance

Lin Ping

(Vehicle Operation and Engineering Machinery Department, Fujian Communication Vocational College, Fuzhou 350007, China)

Variable valve timing mechanism allows the change of gas distribution phase position and valve lifting with the change of operation conditions of motor. It has favorable effects in improving the fuel economy, dynamics, and operation stability and reducing discharge, which is widely used in automobile motor. The working principle of the variable valve timing mechanism is described. Common types, structure and features of variable valve timing mechanism are discussed. The main maintenance content and methods of the variable valve timing mechanism are focused.

variable valve timing mechanism; gas-distribution phase position; maintenance