常見連續(xù)可變配氣正時(shí)及氣門升程控制系統(tǒng)詳解

◆文/吉林 武忠

一、相位角及其功用

進(jìn)、排氣門相對(duì)于上、下止點(diǎn)早開、晚關(guān)的四個(gè)角度叫做進(jìn)、排氣相位角。它們的取值關(guān)系到增大進(jìn)氣充量、減小換氣損失和阻力等性能的優(yōu)化。圖1為用于表示四個(gè)相位角的相位圖，在一定條件下使發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率最大的相位角稱為最佳相位角。圖內(nèi)部數(shù)值為自然吸氣型發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳相位角范圍，圖外部數(shù)值為增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)的相位角范圍，各最佳相位角在該范圍內(nèi)隨轉(zhuǎn)速增加而增加。

圖2 氣門升程

二、氣門升程及功用

氣門口是進(jìn)氣流道中截面最小，流速最高之處，而且截面隨氣門升程急劇變化，對(duì)進(jìn)氣損失和充氣效率影響最大，氣門升程如圖2所示。為此采用多氣門及氣門升程控制，可以減小進(jìn)氣損失，提高充氣效率。在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)一定的條件下，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而提高氣門升程，可獲得更高的充氣效率。

三、連續(xù)可變配氣相位控制

圖3(a)所示為奧迪V6發(fā)動(dòng)機(jī)可變配氣正時(shí)調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)器安裝在凸輪軸的前端部，它能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元控制信號(hào)調(diào)節(jié)凸輪軸的正時(shí)，調(diào)節(jié)器由液壓操縱通過(guò)油道與發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油路相連?？刂葡浒惭b在汽缸蓋上，通往調(diào)節(jié)器的油道位于控制箱上，進(jìn)排氣正時(shí)調(diào)節(jié)閥位于控制箱上，它們根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元信號(hào)控制到調(diào)節(jié)器的油壓。

進(jìn)氣凸輪軸正時(shí)調(diào)節(jié)閥負(fù)責(zé)進(jìn)氣凸輪軸的調(diào)節(jié)，排氣凸輪軸正時(shí)調(diào)節(jié)閥負(fù)責(zé)排氣凸輪軸的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示，主要由內(nèi)轉(zhuǎn)子外轉(zhuǎn)子和其上的油道組成。

可變進(jìn)氣工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元控制可變的配氣正時(shí)，它需要有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度、負(fù)何、溫度和曲軸、凸輪軸的位置信號(hào)。為了調(diào)節(jié)凸輪軸，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元激勵(lì)電磁閥N205和N318。兩閥隨后打開控制箱的的油道，機(jī)油流經(jīng)控制箱和凸輪軸進(jìn)入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)按控制單元要求調(diào)節(jié)凸輪軸正時(shí)。

為了排氣再循環(huán)及增加發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，進(jìn)氣凸輪軸被設(shè)置在上止點(diǎn)前開啟，為了改變其位置，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元激勵(lì)進(jìn)氣凸輪軸調(diào)節(jié)閥N205，調(diào)節(jié)閥受激勵(lì)后移動(dòng)位置。在控制箱中，配氣提前油道控制按照調(diào)節(jié)程度開啟。隨后機(jī)油在壓力作用下流過(guò)控制箱進(jìn)入凸輪軸的環(huán)形油道，然后機(jī)油流經(jīng)凸輪軸前端的五個(gè)油孔進(jìn)入調(diào)節(jié)器的提前油室，機(jī)油推壓內(nèi)轉(zhuǎn)子的葉片，內(nèi)轉(zhuǎn)子相對(duì)外轉(zhuǎn)子(曲軸)帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪軸相對(duì)曲軸向前轉(zhuǎn)動(dòng)使進(jìn)氣門提前打開，如圖3(c)所示。

圖3 奧迪連續(xù)可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)

推遲開啟過(guò)程與提前開啟過(guò)程相反。排氣門的調(diào)節(jié)原理與進(jìn)氣門調(diào)節(jié)過(guò)程相同。

這種通過(guò)液壓機(jī)構(gòu)連續(xù)調(diào)整凸輪軸與凸輪軸正時(shí)輪相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)可變正時(shí)的連續(xù)調(diào)整的方式被現(xiàn)代轎車發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用。

四、奧迪分段式可變氣門升程控制

奧迪氣門升程系統(tǒng)開始應(yīng)用于奧迪2.8L和3.2L發(fā)動(dòng)機(jī)上?？勺儦忾T控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更好的駕駛舒適性，且消耗更少的燃油。該氣門升程系統(tǒng)采用兩級(jí)控制(即大升程和小升程)，凸輪軸直接操縱氣門升程系統(tǒng)。

奧迪氣門升程系統(tǒng)主要部件是所謂的“凸輪塊”，這些凸輪塊通過(guò)花鍵裝在進(jìn)氣凸輪軸上，可以軸向移動(dòng)。凸輪塊上有緊密相鄰的兩個(gè)外形不同的凸輪，一個(gè)升程小，一個(gè)升程大。改變凸輪塊在凸輪軸上的位置，使氣門搖臂在兩個(gè)凸輪上轉(zhuǎn)換，就可以按負(fù)荷狀態(tài)來(lái)控制進(jìn)氣門升程，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 奧迪氣門升程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

凸輪塊的縱向移動(dòng)是通過(guò)兩個(gè)金屬銷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這兩個(gè)金屬銷垂直于凸輪軸布置在缸蓋中，可由電磁執(zhí)行元件來(lái)拉出，下沉的金屬銷伸到凸輪塊端部的螺旋形滑槽內(nèi)，在凸輪塊轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，螺旋形的槽曲線使得凸輪塊軸向移動(dòng)。在移動(dòng)結(jié)束處，已斷電的執(zhí)行元件上的金屬銷被相應(yīng)形狀的槽底形狀又推回到初始位置。

圖5 奧迪氣門升程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，怠速等工況，所需要的力矩很小且轉(zhuǎn)速小于4000r/min時(shí)，電控單元給低速電磁執(zhí)行元件發(fā)出一個(gè)電壓脈沖，其金屬銷伸出進(jìn)入凸輪塊左側(cè)的螺旋槽，凸輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在金屬銷和螺旋槽的導(dǎo)向下凸輪塊左移，凸輪塊旋轉(zhuǎn)一周后，滑槽的輪廓形狀將金屬銷壓回到初始位置，同時(shí)氣門搖臂滾輪移到小升程的凸輪上，氣門升程變小，如圖5(a)所示；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于4000/min或者超過(guò)一定的扭矩值時(shí)，電控單元給高速電磁執(zhí)行元件發(fā)出上個(gè)電壓脈沖，其金屬銷將凸輪塊導(dǎo)向右側(cè)，氣門搖臂滾輪移到大升程的凸輪上，氣門升程變大，如圖5(b)所示。

五、連續(xù)可變氣門升程控制

1.寶馬公司((BMW)

BMW最早采用連續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)，稱之為Valvetronic，該系統(tǒng)的目標(biāo)是為了減少油耗而不時(shí)增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率，它可按照油門踏板的位置連續(xù)調(diào)節(jié)氣門升程，這樣節(jié)氣門裝置可以通過(guò)對(duì)節(jié)氣門禁用功能以減少進(jìn)氣泵氣損失。

與傳統(tǒng)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，Valvetronic系統(tǒng)增加了電動(dòng)馬達(dá)、偏心軸及每個(gè)進(jìn)氣閥配有中間推桿，進(jìn)氣凸輪軸通過(guò)滾子軸承作用在中間推桿中部，中間推桿上部由槽板和偏心軸定位，并可由偏心軸槽向推動(dòng)，中間推桿的下部通過(guò)斜面作用在進(jìn)氣搖臂的滾輪上，并可由彈簧回位。其結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)造如圖6所示。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)通過(guò)渦桿、渦輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)偏心軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7(a)所示。偏心軸凸起逐漸離開中間桿上端，中間軸在回位彈簧作用下其中部以凸輪軸凸輪為支點(diǎn)向逆時(shí)針擺動(dòng)，由于中間軸下端為斜面，使得中間軸在凸輪軸一定位置時(shí)壓向氣門搖臂的行程減小，則氣門開啟升程減小。

當(dāng)駕駛員要求提高功率時(shí)，電動(dòng)馬達(dá)反向轉(zhuǎn)動(dòng)偏心軸，偏心軸推動(dòng)中間推桿，中間推桿通過(guò)搖臂推開氣門使氣門開度變大，如圖7(b)所示。

圖6 寶馬發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu)

圖7 氣門升程機(jī)構(gòu)原理

盡管Valvetronic系統(tǒng)在部分負(fù)荷下有效的降低的油耗，在大功率卻時(shí)無(wú)益的，因?yàn)楦奔?dǎo)致磨摩的慣性增加，限至了發(fā)動(dòng)機(jī)的變速能力。

2.日產(chǎn)汽車公司

日產(chǎn)的可變氣門升程系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為VVEL，第一次應(yīng)用在英菲尼迪G37轎車的VQ37VHR V6的發(fā)動(dòng)機(jī)上。與BMW的Valvetronic系統(tǒng)相比尼桑的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，參與的部件少，能量損失小。所以適用于高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)。

如圖8(a)為其內(nèi)部局部結(jié)構(gòu)，它看上去與傳統(tǒng)的配氣機(jī)構(gòu)完全不同，該系統(tǒng)并沒有使用傳統(tǒng)的凸輪軸，每個(gè)氣門由一個(gè)輸出凸輪驅(qū)動(dòng)，輸出凸輪支撐在凸輪軸上并可在軸上轉(zhuǎn)動(dòng)。傳統(tǒng)的凸輪是與凸輪軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，VVEL中的輸出凸輪是上、下往復(fù)擺動(dòng)的。這就是為什么它不需要對(duì)稱葉型。凸輪經(jīng)過(guò)一系列組件驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，即通過(guò)偏心輪(與凸輪軸固定)、連接A、搖臂和連接B，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖8(b)所示。

圖8 英菲尼迪發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu)

通過(guò)控制搖臂內(nèi)的偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)氣門的升程控制。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心控制軸，偏心軸的回轉(zhuǎn)中心位置發(fā)生變化，搖臂的位置發(fā)動(dòng)改變，從而改變了連接A和連接B的幾何形狀。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)通過(guò)渦桿渦輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)控制軸，在凸輪軸位置一定時(shí)，控制軸偏心輪回轉(zhuǎn)中心D與凸輪軸回轉(zhuǎn)中心C接近，由于搖臂5、連接A、連接B和輸出凸輪13組成的四邊形(即CGHI)邊長(zhǎng)不可改變，而只能改變角度，使四邊形CGHI被壓扁，輸出凸輪13向下擺一定角度，氣門升程變大，如圖9(a)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制軸逆轉(zhuǎn)，控制軸偏心輪回轉(zhuǎn)中心D遠(yuǎn)離凸輪軸回轉(zhuǎn)中心，四邊形CGHI伸張，輸出凸輪13向上擺一定角度，氣門升程變小，如圖9(b)所示。

圖9 氣門升程機(jī)構(gòu)原理

3.豐田公司

豐田連續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)也稱為Valvematic。與BMW和日產(chǎn)的可變氣門升程技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)明顯，機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，不增加發(fā)機(jī)高度，更重要的是它幾乎不增加摩擦和慣性，因此不會(huì)影響最大功率。

如圖10(a)所示，Valvematic利用中間軸1完成連續(xù)氣門升程調(diào)節(jié)，中間軸與滑動(dòng)器由螺栓固定，滑動(dòng)器上有三個(gè)一體的斜齒輪，斜齒輪與每個(gè)缸的執(zhí)行元件嚙合，每個(gè)缸的執(zhí)行元件由兩個(gè)氣門推爪元件6、8與一個(gè)滾子軸承元件7組成，如圖10(b)所示，兩個(gè)氣門推爪上斜齒輪與滾輪上斜齒輪方向相反，中間軸的端部裝有電動(dòng)馬達(dá)可軸向移動(dòng)中間軸。因?yàn)闈L輪齒輪的齒向與氣門推爪中間軸滑動(dòng)器齒輪的齒向相反，當(dāng)中間軸向移轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則滾輪元件和推爪元件轉(zhuǎn)動(dòng)相反，使它們相近或相離。

圖10 豐田發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu)

如圖11(a)所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，電動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)中間軸及滑動(dòng)器向左移動(dòng)，滑動(dòng)器左移時(shí)與之配合的氣門推爪、滾輪元件相向轉(zhuǎn)動(dòng)，氣門推爪相對(duì)滾子元件的軸線夾角變 小，此時(shí)凸輪在一定位置時(shí)，凸輪通過(guò)滾輪元件中、中間軸及推爪推動(dòng)氣氣門升程減小，如圖11(b)所示；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)馬達(dá)反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)中間軸及滑動(dòng)器抽右移動(dòng)，如圖11(c)所示，氣門推爪、滾輪元件反向轉(zhuǎn)動(dòng)，氣門推爪相對(duì)滾子元件的軸線夾角變大，氣門升程增加，如圖11d所示。Valvematic機(jī)構(gòu)就是通過(guò)調(diào)節(jié)氣門推爪相對(duì)滾輪夾角的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)氣門升程的調(diào)節(jié)的。

圖11 豐田發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu)工作原理

什么是“可變氣門行程”？

活塞式四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)都由進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣4個(gè)沖程完成，我們關(guān)注的是氣門開啟程度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的問(wèn)題。汽缸進(jìn)氣的基本原理是“負(fù)壓”，也就是汽缸內(nèi)外的氣體壓強(qiáng)差。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣門的開啟程度切不可過(guò)大，這樣容易造成汽缸內(nèi)外壓力均衡，負(fù)壓減小，從而進(jìn)氣不夠充分，對(duì)于氣門的工作而言，這個(gè)“小程度開啟”需要短行程的方式加以控制；而高速恰恰相反，轉(zhuǎn)速動(dòng)輒5000r/min，倘若氣門依然不能打開，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣必然受阻，所以，我們需要長(zhǎng)行程的氣門升程。往往，工程師們既要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)在低速區(qū)的扭矩特性，又想榨取高速區(qū)的功率特性，只能采取一條“折中”的思路，到頭來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)高速?zèng)]功率，低速缺扭矩。

所以在這樣的情況下，就需要一種對(duì)氣門升程進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置，也就是我們要說(shuō)的“可變氣門正時(shí)技術(shù)”。該技術(shù)既能保證低速高扭矩，又能獲得高速高功率，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)而言是一個(gè)極大的突破。

80年代，諸多汽車企業(yè)開始投入了可變氣門正時(shí)的研究，1989年本田首次發(fā)布了“可變氣門配氣相位和氣門升程電子控制系統(tǒng)”，英文全稱“VariableValveTimingandValveLifeElectronicControlSystem，也就是我們常見的VTEC。此后，各家汽車企業(yè)不斷發(fā)展該技術(shù)，到今天已經(jīng)非常成熟，豐田也開發(fā)了VVT-i，保時(shí)捷開發(fā)了Variocam，現(xiàn)代開發(fā)了DVVT。幾乎每家汽車企業(yè)都有了自己的可變氣門正時(shí)技術(shù)。一系列可變氣門技術(shù)雖然商品名各異，但其設(shè)計(jì)思想?yún)s極為相似。