電控配氣系統(tǒng)分析

劉浩岳、陳華艷、徐道發(fā)

（北京吉利學(xué)院 102202)

0 引言

在汽車動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能方面，電控配氣系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)配氣系統(tǒng)。比如，本田的i-VTEC、豐田的i-VVT、寶馬的Valvetronic等，各自都在電控配氣系統(tǒng)領(lǐng)域有所建樹。具體的優(yōu)化有進排氣系統(tǒng)的配氣正時、可變氣門升程等。

1 常見的電控配氣系統(tǒng)

1.1 VVT-i（Variable Valve Timing-intelligent）技術(shù)

可變氣門正時技術(shù)（VVT-i）是一種智能可變配氣定時系統(tǒng)，為了適應(yīng)內(nèi)燃機工作情況的變化而使凸輪軸與曲軸的相對位置可以連續(xù)改變，以控制配氣相位達到最佳狀態(tài)，由此改善發(fā)動機的動力性、排放性和經(jīng)濟性（圖1）。ECU可以根據(jù)當前的運行條件，向油壓控制閥發(fā)出控制指令，調(diào)整至最佳的配氣相位。油壓控制閥根據(jù)ECU的指令向VVT-i帶輪傳送油壓，帶輪在該油壓的作用下改變凸輪軸與曲軸之間的相對相位[1]。目前該技術(shù)已經(jīng)被眾多汽車廠商所使用，如豐田A25A、9NR-FTS、8ZR-FXE等發(fā)動機系列，同時也包括吉利和鈴木等廠商。

圖1 VVT-i凸輪軸正時鏈條端

1.2 本田的VTEC-i技術(shù)

VTEC-i采用了高低速2段式或高中低3段式電控可變配氣相位的控制機構(gòu)，其主要由高（中）低速凸輪、與之相對應(yīng)的搖臂、搖臂軸及油壓控制系統(tǒng)等組成（圖2）。搖臂軸與驅(qū)動氣門的傳動桿采用剛性連接，高低速凸輪分別位于傳動桿兩側(cè)（中速位于中間），并始終與各自的凸輪相接觸，并隨凸輪的旋轉(zhuǎn)而上下擺動。在搖臂和搖臂軸之間設(shè)有控制柱塞、控制油道及回位彈簧，搖臂軸和搖臂的傳動靠此柱塞完成。當柱塞連接時，搖臂和搖臂軸變?yōu)檎w同步擺動；松開時，搖臂可在搖臂軸上進行空轉(zhuǎn)。此系統(tǒng)根據(jù)ECU對車輛行駛工況的判斷接收指令來制柱塞的連接狀態(tài)，以選擇高（中）低速凸輪中的1個介入工作，從而達到配氣相位和氣門升程可調(diào)的目的[2]。目前此技術(shù)搭載于本田2.0自吸發(fā)動機及L15B2發(fā)動機上。

圖1 VVT-i凸輪軸正時鏈條端

1.3 液壓控制式可變配氣機構(gòu)

1.3.1 有凸輪軸驅(qū)動的液壓控制式可變配氣機構(gòu)

凸輪與氣門的傳遞途中設(shè)有一段油路，油路內(nèi)設(shè)有液壓柱塞。在凸輪工作時，通過搖臂控制凸輪升程液壓柱塞的位移量，由此產(chǎn)生的液壓傳動來控制氣門開啟，之后通過電磁閥控制液壓腔內(nèi)的壓力來控制氣門的升程，通過改變搖臂支點位置達到配氣相位調(diào)節(jié)的目的。

1.3.2 無凸輪軸液壓式可變配氣機構(gòu)

無凸輪軸液壓式可變配氣機構(gòu)主要由高壓共軌油壓室、低油壓室、三向閥、電磁閥、液壓柱塞和位移傳感器等組成。其工作方式是，由電磁閥將高壓共軌油壓室內(nèi)的油量進行必要的分配來控制液壓柱塞位置，從而控制氣門的升程及相位。為了達到對氣門的精確控制，還專門設(shè)計了氣門升程傳感器，并由低油壓系統(tǒng)確保高油壓系統(tǒng)所需的工作油壓[3]（圖3）。

1.4 寶馬可變氣門升程技術(shù)（Valvetronic）

寶馬的Valvetronic技術(shù)是在氣門搖臂上方加入中間推桿、偏心軸及步進電機，通過步進電機帶動偏心軸轉(zhuǎn)動，并使中間推桿位置發(fā)生偏移，從而使氣門升程在一定范圍內(nèi)達到無級調(diào)節(jié)[4]（圖4）。

圖4 寶馬可變氣門升程技術(shù)

1.5 保時捷VarioCam技術(shù)

通過與VVT-i類似的正時鏈條驅(qū)動殼與凸輪軸角度的相對位移來改變氣門正時，同時在氣門頂蓋與氣門柱之間可以發(fā)生相對位移。氣門頂蓋與氣門柱之間可以由桿連接來取消兩者之間的相對位移，在需要較低升程時使桿移出氣門，由凸輪軸中的低速凸輪驅(qū)動。由于氣門頂蓋與氣門桿可以發(fā)生相對位移，高速凸輪帶動氣門頂蓋進行空轉(zhuǎn)，在高速時，桿接入氣門頂蓋與氣門桿之間，取消相而實現(xiàn)無級調(diào)整氣門正時及兩級調(diào)整氣門升程的目的[5]。目前技術(shù)在保時捷Cayanna S及GTS等車型上有所應(yīng)用。

圖5 保時捷VarioCam技術(shù)

1.6 菲亞特MultiAir技術(shù)

通過保留排氣側(cè)凸輪軸的形式，獲得凸輪軸位置信號來控制進氣側(cè)的電磁閥，從而調(diào)節(jié)油壓，實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)氣門正時及升程。如圖6中所示，紅色區(qū)域為電磁閥及油路[6-7]。

圖6 菲亞特MultiAir技術(shù)

2 電控配氣機構(gòu)對比

2.1 根據(jù)控制形式進行分析

目前的電控配氣機構(gòu)主要有電機控制、液壓控制及機械控制（為方便分析，本文章把VTEC-i等類似的結(jié)構(gòu)列為機械控制）。例如，液壓控制的有VVT-i、MultiAir、FreeValve等，電機控制的有Valvetronic等，機械控制的有VTEC-i等，VarioCam為機械及液壓控制結(jié)合的方式。

2.1.1 液壓控制分析

目前使用液壓控制技術(shù)的主要是VVT-i技術(shù)，此技術(shù)在保證了相對較低的成本同時，還達到了可變配氣相位的目的，從而使生產(chǎn)商可以以較低的成本，將更加環(huán)保的發(fā)動機交到顧客手中。同為液壓控制的Freevalve及MultiAir，則由于其顛覆了傳統(tǒng)配氣機構(gòu)形式，同時需要高集成度、高控制邏輯復(fù)雜性，以及更加復(fù)雜的缸蓋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其研發(fā)及生產(chǎn)成本變高，目前也只有MultiAir實現(xiàn)了量產(chǎn)。如果同時取消進排氣兩側(cè)凸輪，則需要重新設(shè)計飛輪或通過其他方法以達到監(jiān)測氣缸活塞位置的目的，這樣不僅增加了研發(fā)成本，同時也增加了制造成本。MultiAir則通過保留排氣側(cè)的凸輪軸來簡化其控制邏輯，降低生產(chǎn)及研發(fā)成本。

液壓控制在汽車配氣機構(gòu)中的應(yīng)用還具有傳動平穩(wěn)、質(zhì)量小、體積小、轉(zhuǎn)矩大及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[8]。但液壓傳動也存在缺點，比如液壓管路存在泄露的隱患，液壓介質(zhì)會隨溫度變化而導(dǎo)致其粘度及體積等發(fā)生改變，油液中若混入空氣則會影響其工作性能并產(chǎn)生噪聲，相比電機控制會有延遲的情況[9]。

在無凸輪軸液壓式配氣機構(gòu)中，存在的問題就是在高溫環(huán)境下，液壓管路內(nèi)可能造成空穴現(xiàn)象。隨著溫度的上升會促使液壓油發(fā)生變質(zhì)，并且溫度越高，其壽命周期就越短。液壓油變質(zhì)就會造成液壓油的氣化形成空穴，同時可能形成沉淀物，極易在較為細小的配氣機構(gòu)管路中造成堵塞，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)工作不正常。由于機構(gòu)的設(shè)計需要足夠緊湊，油路上很有可能會出現(xiàn)一些急轉(zhuǎn)彎，所以在設(shè)計時要盡量避免急轉(zhuǎn)彎的出現(xiàn)，以防止空穴現(xiàn)象的形成。

在油液動力原件的選擇上，使用油液泵輸送會更加穩(wěn)定和連貫，而且質(zhì)量也較輕，從而實現(xiàn)在油路內(nèi)任何工況下都有著穩(wěn)定的油路壓力，保證在發(fā)動機以較高轉(zhuǎn)速運行時，油路內(nèi)油壓也可以得到保持。在電磁閥的選用上，要遵循耐高溫、耐低溫、耐振、防塵和防潮，氣缸蓋要做好對電磁閥的保護，保證電磁閥可以在理想環(huán)境下工作。

為了保證液壓控制的高效，氣門旁設(shè)有氣門位移傳感器，以檢測液壓管路及壓力是否能夠控制氣門做出精確的動作。由于在發(fā)動機關(guān)閉后，各氣缸內(nèi)活塞的位置不固定，因此在起動發(fā)動機時，需要傳感器對活塞的位置進行檢測。筆者認為可以引用凸輪軸位置傳感器的原理，將類似齒輪布置在飛輪旁，各氣缸不同的上止點分別采用不同的齒寬，通過輸出信號的脈寬，識別哪些氣缸的活塞處于上止點。

就維修便利性和成本來講，傳統(tǒng)凸輪軸驅(qū)動方式采用皮帶驅(qū)動，需要定期進行正時皮帶的更換，若出現(xiàn)配氣機構(gòu)的機械問題，則需要對發(fā)動機進行較大規(guī)模拆解。而液壓控制式可變氣門正時系統(tǒng)，則不存在更換正時皮帶的問題，這從某種程度上節(jié)約了汽車的維護成本。可一旦電控單元受到損壞，則需要更高的維修成本來更換電控單元，同時該機構(gòu)可能還需要定期的進行液壓油的更換。

2.1.2 機械控制分析

機械控制式配氣機構(gòu)典型代表為VTEC-i，通過高低速凸輪的切換達到可變氣門正時及升程的目的。與VVT-i相比制造成本更高，但是延遲短，在凸輪軸切換時也會產(chǎn)生噪聲。在中高速凸輪切換時，會產(chǎn)生扭矩突變并造成沖擊，影響駕駛時的舒適性。因此，為了防止這個現(xiàn)象的發(fā)生，在處于同一節(jié)氣門開度時，選擇分別采用高速或低速凸輪內(nèi)燃機輸出轉(zhuǎn)矩相同的點，并在該點上進行高中低速運行模態(tài)切換。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度比VVT-i高，比Valvetronic低。

2.1.3 電機控制分析

寶馬的Valvetronic為電機控制式配氣機構(gòu)，由伺服電機控制其氣門升程。由電機控制的配氣機構(gòu)可以對氣門升程進行無級調(diào)節(jié)，但機構(gòu)比較復(fù)雜，與液壓控制及機械控制相比，具有更短的延遲。

2.2 根據(jù)配氣相位及氣門升程改變情況進行分析

VVT-i：無級改變配氣正時，不改變氣門升程。Valvetronic：不改變配氣正時，無級改變氣門升程。VTEC-i：有級（2或3級）改變配氣正時及升程。VarioCam：無級改變配氣正時，有級（2級）改變氣門升程。MultiAir：無級改變進氣側(cè)配氣正時及氣門升程。Freevalve：無級改變進排氣雙側(cè)配氣正時及升程。

3 改善方式

3.1 油壓及氣壓的溫度控制

可以通過冷卻液進行冷卻，保證系統(tǒng)的正常運行（圖7）。在選取油壓管路時，在考慮其強度的同時，也要具有較好的導(dǎo)熱性。

圖7 通過冷卻液進行溫度控制

3.2 緩解氣門回位時的沖擊載荷

首先在氣門需要開啟時，閥1打開，L1內(nèi)壓力升高，氣門打開。氣門關(guān)閉時，首先由閥2打開，閥3可以作為限流閥使用，控制泄壓油路的流速，達到減少氣門關(guān)閉時沖擊載荷過高的問題。可以根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制閥3的開啟大小，從而來匹配各轉(zhuǎn)速所需的氣門關(guān)閉速度（圖8）。

圖8 緩解氣門回位時的沖擊載荷

4 結(jié)束語

雖然純電動汽車在國內(nèi)的普及效果明顯，但是通過豐田的預(yù)測圖（圖9）可以看出，直到2025年左右，傳統(tǒng)內(nèi)燃機才會有大幅度的減少，并且插電混動（PHV）及混動汽車（HV）的數(shù)量仍會持續(xù)增加。根據(jù)其預(yù)測，直到2050年P(guān)HV和HV的數(shù)量將會占到汽車銷售量的60%左右，高于燃料電池汽車（FCV）和純電動汽車（EV）數(shù)量的總和。所以對內(nèi)燃機的技術(shù)突破仍然很重要。

圖9 豐田對未來的預(yù)測圖

相較于傳統(tǒng)電控配氣機構(gòu)，如VVT-i、VTEC-i等，與Freevalve及MultiAir這種具有較大調(diào)節(jié)范圍的，不受凸輪軸型線的方法，可以使氣門開閉更加靈活可控。但成本過高，對于升程控制的精度較差。不過隨著技術(shù)的不斷完善，無凸輪軸液壓式控制機構(gòu)成本的降低，將會有更多的車企運用這一技術(shù)，使車輛可以達到更好的動力性、經(jīng)濟性及排放性（圖10）。

圖10 目前電控配氣系統(tǒng)的使用范圍及特點