可变配气正时与气门升程机构

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1、3.4 可变配气正时与气门升程机构气门的开闭决定了配气正时(进排气门开闭的时间)与气门升程(气门打开的程度) 这两个参数是影响发动机性能和充气效率的重要因素。发动机运转过程中，高速和低速时 对配气正时的要求是不同的，低速时应采用小的气门重叠角和升程，防止缸内新鲜空气倒 流，以便增加低速扭矩，提高燃油经济性；而高速时却希望有大的气门升程和气门重叠角， 以便进入更多的混合气以满足高速时的动力性要求。在普通的发动机上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的，气门叠加角也是固定 不变的，是根据试验而取得的最佳配气正时，在发动机运转过程中是不能改变的。发动机 只能根据其匹配车型的需求，选择最优化的固定的气

2、门叠加角。例如车用发动机大都采用 适中的气门叠加角，同时兼顾高速和低速时的动力输出要求，但在低转速和高转速时会损 失很多动力。利用可变配气系统调整配气正时与气门升程，保证了发动机中低速与高速不 同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何种转速运转都达到动力性、经济性与低 排放的较佳状态。目前各种可变配气执行机构被习惯称为VVA (Variable Valve Actuation)技术，有的 仅仅配气正时可变，有的仅仅气门升程可变，而有的则是两者都可变。尽管 VVT 技术的实 现手段和技术名称各不相同，但是目的都只有一个，就是使发动机在不同转速下有不同的 气门重叠角或者气门升程，进而使得发动机

3、高低转速的表现都趋近于完美。VVT技术大致 可归纳为以下几种类型：可变配气正时VVT (Variable Valve Time)。包括分级可变配气正时和连续可变配气正时 CVVT(Continuous Variable Valve Time)，如 Passat B5 轿车 2.8L V6 发动机 VVT、 丰田VVT-i(Variable Valve Time -Intake)，均为连续可变配气正时。可变气门升程 VTEC( Variable Valve Timing and Lifting Electronic Control )。如本田 VTEC、三菱 MIVEC(Mitsubishi I

4、nnovative Valve-timing-and-lift Engine Control)。主要应用 变凸轮的可变气门技术，通过使用不同形状的凸轮作用于气门摇臂，达到在不同的发动机 转速工况下，控制相对应的气门升程及打开持续时间，来优化发动机的动力和油耗表现。配气正时与气门升程均可变。如丰田 VVTL-i(Variable Valve Timing and Lifting with Intelligence)、本田i-VTEC(Intelligence- VTEC)均为连续可变配气相位及分级可变气门 升程；本田A-VTEC(Advanced VTEC)和宝马Valvetronic均为连续可

5、变配气相位及连续 可变气门升程。双可变配气相位D-VVT(Double- VVT)。如宝马的Double Vanos系统，在进气和排 气凸轮轴都分别装有可变正时系统，能达到更深入的进排气重叠及更强的换气效果。3.4.1 本田 VTEC/i-VTEC/A-VTEC1本田 VTEC本田公司的“可变配气正时和气门升程电子控制系统”(简称VTEC)，可以使发动 机在高速时改变配气正时和气门升程，在ECU的控制下，还可以改变高速时进、排气门的 “重叠角”，使发动机在高速范围由于VTEC作用而输出更大的功率。 2 汽车构造VTEC 机构的组成如图3.30所示。同一缸的两个进气门有主、次之分，即主进气门和

6、次进气门。每个进气门通过单独的摇臂驱动，驱动主进气门的摇臂称为主摇臂，驱动次进 气门的摇臂称为次摇臂，在主、次摇臂之间装有一个中间摇臂，中间摇臂不与任何气门直 接接触，三个摇臂并列在一起组成进气摇臂总成。凸轮轴上相应有三个不同升程的进气凸轮分别驱动主摇臂、中间摇臂和次摇臂，凸轮 轴上的凸轮也相应分为主凸轮、中间凸轮和次凸轮；在凸轮形状设计上，中间凸轮的升程 最大，次凸轮的升程最小，主凸轮的形状适合发动机低速时单气门工作的配气相位要求， 中间凸轮的形状适合发动机高速时双进气门工作的配气相位要求。可变配气正时控制系统的功能是：根据发动机转速、负荷等变化来控制VTEC机构工 作，改变驱动同一气缸两进

7、气门工作的凸轮，以调整进气门的配气相位及升程，并实现单 进气门工作和双进气门工作的切换。发动机低速运转时，电磁阀不通电使油道关闭，机油压力不能作用在正时活塞上，在 次摇臂油缸孔内的弹簧和阻挡活塞作用下，正时活塞和同步活塞A回到主摇臂油缸孔内， 与中间摇臂等宽的同步活塞B停留在中间摇臂的油缸孔内，三个摇臂彼此分离，如图3.30 (a)所示。此时，主凸轮通过主摇臂驱动主进气门，中间凸轮驱动中间摇臂空摆(不起作 用),次凸轮的升程非常小，通过次摇臂驱动次进气门微量开闭，其目的是防止次进气门附近 积聚燃油。配气机构处于单进、双排气门工作状态，单进气门由主凸轮驱动。中聲凸陀主气门EH AtA同- B斶步

8、活事当发动机高速运转，且发动机转速、负荷、冷却液温度及车速达到设定值时， ECU 向 VTEC 电磁阀供电，使电磁阀开启，来自润滑油道的机油压力作用在正时活塞一侧，由正 时活塞推动两同步活塞 A、 B 和阻挡活塞移动，两同步活塞分别将主摇臂与中间摇臂、次 摇臂与中间摇臂插接成一体，成为一个同步工作的组合摇臂，如图3.30 (b)所示。此时， 由于中间凸轮升程最大，组合摇臂受中间凸轮驱动，两个进气门同步工作，进气门配气相 位和升程与发动机低速时相比，气门的升程、提前开启和迟后关闭角度均增大。(a)低速工况(b)高速工况图 3.30 VTEC 的结构原理本田VTEC的控制系统由传感器、控制部分和执

9、行部分组成，如图3.31所示。执行部 分由VTEC机构中的凸轮、摇臂和同步活塞等组成;控制部分由ECU、VTEC电磁阀、VTEC 压力开关等组成。在发动机运转过程中，各传感器不断地向ECU输入转速、负荷、车速以及水温信号， 由ECU判断何时能改变气门正时和升程。当发动机转速为 23003200r/min、车速超过 10km/h、冷却水的温度超过10C和根据进气岐管压力判断发动机负荷较大时，ECU操纵 VTEC 电磁阀打开油路，使从机油泵输出的压力油推动同步活塞把三个摇臂连锁起来，实 行 VTEC 配气正时和气门升程变动，以改变进气量，增加发动机功率。如果不符合以上转 换条件，ECU将VTEC电

10、磁阀断电，切断油路，不实行VTEC控制。FTI电 娠艮運匣号卑遲厲号图 3.31 VTEC 的控制系统2. 本田 i-VTEC本田i-VTEC为连续可变配气相位及分级可变气门升程。在VTEC切换凸轮的基础上,i-VTEC增加了 VTC（valve overlap control），利用和丰田VVT-i类似的方式来“连续式” 转动凸轮轴，从而达到配气正时和气门重叠角的控制。进、排气阀门的正时与开启的重叠时间的可变是由电控液压系统控制的VTC,使进气凸轮轴转动一些角度，如图3.32所示。 VTC 控制进气凸轮向右进而提早驱动气门的开关，VTC 控制进气凸轮向左进而延迟驱动气门的开关。以满足不同转速

11、下配气正时及气门重叠 角的需要。a. 提早驱动气门的开关 b. 延迟驱动气门的开关图 3.32 i-VTEC 的 VTC1-链轮 2-VTC 壳体 3-VTC 轴（与凸轮轴一体） 4-进气凸轮3. 本田 A-VTECA-VTEC 可以实现气门升程的连续可变。为了能实现发动机气门升程和气门正时的连 续可变，可变气门执行装置（如图3.33a）包括了以下部分：由发动机缸盖固定部分所支撑 着的凸轮轴8，和常规凸轮轴一样可以旋转，并且只包含有一种形状的凸轮7；主气门摇臂 9也是通过摇臂轴32固定好的；主摇臂的气门侧有一滑块12，控制气门杆6，一个半开放 的凸轮轴壳11固定在缸盖上，包裹着部分的凸轮轴，并

12、可由滚齿25和控制杆26控制而旋 转一定的角度；副摇臂10有两个推轮，第一推轮20和第二推轮21，都固定在凸轮轴壳之 上；位于主摇臂之上的摇臂滑轮22能使副摇臂和主摇臂啮合顺畅；凸轮轴在凸轮轴壳内旋 转，推动副摇臂，再由副摇臂推动主摇臂，驱动气门。凸轮轴和凸轮轴套及副摇臂的结构 见图 3.33b， 14 为固定于缸盖的凸轮轴套轴承。汽车构造图 3.33 A-VTEC 的可变气门执行装置1-可变气门执行装置 2-缸盖 3-气门座 4-气门密封 5-气门弹簧 6-气门杆 7-进气凸轮 8- 凸轮轴 9-主摇臂 10-副摇臂 11-凸轮轴壳 12-滑块 13-排气凸轮 14-轴承座 15-螺钉 16

13、、 18、24-凸轮轴套 17-凸轮轴孔 19-进气凸轮槽 20-第一推轮 21-第二推轮 22-摇臂滑轮 23- 排气凸轮槽 25-滚齿 26-控制杆 32-摇臂轴当发动机处于低转速状态时，发动机电控系统驱动控制杆顺时针旋转，带动凸轮轴壳 及副摇臂往左摆动，提早驱动进气门的开关，而且气门升程较小。如图3.34a所示。当发动机处于高转速状态时，发动机电控系统驱动控制杆逆时针旋转，带动凸轮轴壳及副摇臂往右摆动，延迟驱动进气门的开关，而且气门升程增大。如图 3.34a 所示。由于a. 发动机低转速状态b. 发动机高转速状态图 3.34 A-VTEC 的两种工作状态3.4.2 大众 VVT1. 大众

14、VVT的结构原理Passat B5轿车2.8升V6发动机VVT,其传动方式以及进排气凸轮轴分布如图3.35所 示，排气凸轮轴安装在外侧，进气凸轮轴安装在内侧。曲轴通过齿形皮带首先驱动排气凸 轮轴，排气凸轮轴通过链条驱动进气凸轮轴。nmssBURnooHSSOM1图 3.35 大众 VVT 凸轮轴传动如图 3.36a 为发动机在高速状态下，为了充分利用气体进入气缸的流动惯性，提高最 大功率，进气门迟闭角增大后的位置（轿车发动机通常工作在高速状态下，所以这一位置 为一般工作位置）。如图 3.36b 为发动机在低速状态下，为了提高最大扭矩，进气门迟闭角减少的位置。 进气凸轮轴由排气凸轮轴通过链条驱动

15、，两轴之间设置一个可变气门正时调节器，在内部 液压缸的作用下，调节器可以上升和下降。a. 发动机高速位置 b. 发动机低速位置图 3.36 大众 VVT 两个工作位置1-排气门 2-正时调节器 3-链条 4-进气门当发动机转速下降时，可变气门正时调节器下降，上部链条被放松，下部链条作用着 排气凸轮旋转拉力和调节器向下的推力。由于排气凸轮轴在曲轴正时皮带的作用下不可能 逆时针反旋，所以进气凸轮轴受到两个力的共同作用：一是在排气凸轮轴正常旋转带动下 链条的拉力；二是调节器推动链条，传递给排气凸轮的拉力。进气凸轮轴顺时针额外转过 e角，加快了进气门的关闭，亦即进气门迟闭角减少e度。当转速提高时，调节

16、器上升，下部链条被放松。排气凸轮轴顺时针旋转，首先要拉紧 下部链条成为紧边，进气凸轮轴才能被排气凸轮轴带动旋转。就在下部链条由松变紧的过 程中，排气凸轮轴已转过e角，进气凸轮才开始动作，进气门关闭变慢了，亦即进气门迟 闭角增大e度。2. 大众VVT的两种工作状态当 Passat B5 轿车发动机转速高于 1000r/min 时，要求进气门关闭得较早，如图 3.37a 所示。左列缸对应的可变气门正时调节器向下运动，上部链条由长变短，下部链条由短变 长。右列缸对应的可变气门正时调节器向上运动，上部链条由短变长，下部链条由长变短 左右列缸对应的进气凸轮轴在两个力的共同作用下都顺时针额外转过e角，加快了进气门 的关闭，满足了低速进气门关闭较早，可提高最大扭矩的要求。