可變氣門

簡介

基于提高汽車發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和降低排污的要求，許多國家和發(fā)動機(jī)廠商、科研機(jī)構(gòu)投入了大量的人力、物力進(jìn)行新技術(shù)的研究與開發(fā)。這些新技術(shù)和新方法，有的已在內(nèi)燃機(jī)上得到應(yīng)用，有些正處于發(fā)展和完善階段，有可能成為未來內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。

發(fā)動機(jī)可變氣門正時技術(shù)(VVT, Variable Valve Timing)是近些年來被逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代轎車上的新技術(shù)中的一種，發(fā)動機(jī)采用可變氣門正時技術(shù)可以提高進(jìn)氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動機(jī)的扭矩和功率可以得到進(jìn)一步的提高。

配氣相位機(jī)構(gòu)的原理和作用

發(fā)動機(jī)的配氣相位機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)向氣缸提供汽油燃燒做功所必須的新鮮空氣，并將燃燒后的廢氣排出，這一套動作可以看做是人體吸氣和呼氣的過程。

從工作原理上講，配氣相位機(jī)構(gòu)的主要功能是按照一定的時限來開啟和關(guān)閉各氣缸的進(jìn)、排氣門，從而實現(xiàn)發(fā)動機(jī)氣缸換氣補(bǔ)給的整個過程。將發(fā)動機(jī)的氣門比作是一扇門，門開啟的大小和時間長短，決定了進(jìn)出的人流量。門開啟的角度越大，開啟的時間越長，進(jìn)出的人流量越大，反之亦然。同樣的道理用于發(fā)動機(jī)上，就產(chǎn)生了氣門升程和正時的概念。氣門升程就好象門開啟的角度，氣門正時就好象門開啟的時間。以立體的思維觀點看問題，角度加時間就是一個空間的大小，它也決定了在單位時間內(nèi)的進(jìn)、排氣量。

可變氣門正時使發(fā)動機(jī)的“呼吸”

發(fā)動機(jī)的氣門通常由凸輪軸帶動，對于沒有可變氣門正時技術(shù)的普通發(fā)動機(jī)而言，進(jìn)、排氣們開閉的時間都是固定的，但是這種固定不變的氣門正時卻很難顧及到發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和工況時的需要。前面說過發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣的過程猶如人體的呼吸，不過固定不變的“呼吸”節(jié)奏卻阻礙了發(fā)動機(jī)效率的提升。

可變氣門正時理論

合理選擇配氣正時，保證最好的充氣效率hv，是改善發(fā)動機(jī)性能極為重要的技術(shù)問題。分析內(nèi)燃機(jī)的工作原理，不難得出這樣的結(jié)論：在進(jìn)、排氣門開閉的四個時期中，進(jìn)氣門遲閉角的改變對充氣效率hv影響最大。進(jìn)氣門遲閉角改變對充氣效率hv和發(fā)動機(jī)功率的影響。

每條充氣效率hv曲線體現(xiàn)了在一定的配氣正時下，充氣效率hv隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。如遲閉角為40°時，充氣效率hv是在約1800r/min的轉(zhuǎn)速下達(dá)到最高值，說明在這個轉(zhuǎn)速下工作能最好地利用氣流的慣性充氣。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于此轉(zhuǎn)速時，氣流慣性增加，就使一部分本來可以利用氣流慣性進(jìn)入汽缸的氣體被關(guān)在汽缸之外，加之轉(zhuǎn)速上升，流動阻力增加，所以使充氣效率hv下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于此轉(zhuǎn)速時，氣流慣性減小，壓縮行程初始時就可能使一部分新鮮氣體被推回進(jìn)氣管，充氣效率hv也下降。

不同充氣效率hv曲線之間，體現(xiàn)了在不同的配氣正時下，充氣效率hv隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。不同的進(jìn)氣遲閉角與充氣效率 hv曲線最大值相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速不同，一般遲閉角增大，與充氣效率hv曲線最大值相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速也增加。遲閉角為40°與遲閉角為60°的充氣效率hv曲線相比，曲線最大值相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速分別為1800r/min和2200r/min 。由于轉(zhuǎn)速增加，氣流速度加大，大的遲閉角可充分利用高速的氣流慣性來增加充氣。

改變進(jìn)氣遲閉角可以改變充氣效率hv曲線隨轉(zhuǎn)速變化的趨向，以調(diào)整發(fā)動機(jī)扭矩曲線，滿足不同的使用要求。不過，更確切地說，加大進(jìn)氣門遲閉角，高轉(zhuǎn)速時充氣效率hv增加有利于最大功率的提高，但對低速和中速性能則不利。減小進(jìn)氣遲閉角，能防止氣體被推回進(jìn)氣管，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。因此，理想的氣門正時應(yīng)當(dāng)是根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作情況及時做出調(diào)整，應(yīng)具有一定程度的靈活性。顯然，對于傳統(tǒng)的凸輪挺桿氣門機(jī)構(gòu)來說，由于在工作中無法做出相應(yīng)的調(diào)整，也就難于達(dá)到上述要求，因而限制了發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)一步提高。

在轎車上的應(yīng)用

從俯視觀察，排氣凸輪軸安裝在外側(cè)，進(jìn)氣凸輪軸安裝在內(nèi)側(cè)。曲軸通過齒形皮帶首先驅(qū)動排氣凸輪軸，排氣凸輪軸通過鏈條驅(qū)動進(jìn)氣凸輪軸。Passat B5發(fā)動機(jī)所應(yīng)用的可變氣門正時系統(tǒng)，是通過微機(jī)控制可變氣門調(diào)節(jié)器上升和下降獲得齒形皮帶輪與進(jìn)氣凸輪（進(jìn)氣門）的相對位置變化，這種結(jié)構(gòu)屬于凸輪軸配氣相位可變結(jié)構(gòu)，一般可調(diào)整20°～30°曲軸轉(zhuǎn)角。由于這種機(jī)構(gòu)的凸輪軸、凸輪形線及進(jìn)氣持續(xù)角均不變，雖然高速時可以加大進(jìn)氣遲閉角，但是氣門疊開角卻減小，這是它的缺點。

“VTEC”技術(shù)，英文全稱“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System”，即“可變氣門配氣相位和氣門升程電子控制系統(tǒng)”，是世界上第一個能同時控制氣門開閉時間及升程的氣門控制系統(tǒng)。與普通4氣門發(fā)動機(jī)相比，VTEC發(fā)動機(jī)同樣是采用每缸4氣門（2進(jìn)2排），但卻有著自己鮮明的特點，即它并未采用慣用的雙凸輪軸結(jié)構(gòu)，而是仍然采用了單凸輪結(jié)構(gòu)，但在采用VTEC系統(tǒng)后，使得單凸輪軸原本簡單的結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜。

雖然同樣是采用凸輪軸和搖臂等元件，但凸輪與搖臂的數(shù)目及控制方法卻較其他發(fā)動機(jī)有很大不同。除了原有控制2個氣門的一對凸輪和和一對搖臂外，該系統(tǒng)增加了一個較高的中間凸輪及相應(yīng)的搖臂，3個搖臂內(nèi)部裝有由液壓控制移動的小活塞。發(fā)動機(jī)低速時，小活塞在原位置上3個搖臂分離，2個凸輪分別推動相應(yīng)的2個搖臂，控制2個進(jìn)氣門的開閉，氣門升程較小。雖然中間凸輪也推動中間搖臂，但由于搖臂之間已分離，其它2個搖臂不受它的控制，所以不會影響氣門的開閉狀態(tài)。但當(dāng)發(fā)動機(jī)達(dá)到某一設(shè)定的高轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機(jī)電腦會指令電磁閥啟動液壓系統(tǒng)，推動搖臂內(nèi)的小活塞，使3個搖臂連成一體，一起由中間凸輪驅(qū)動。由于中間凸輪比其它凸輪高，升程大，所以進(jìn)氣門開啟時間延長，升程隨之增大。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低到某一設(shè)定的低轉(zhuǎn)速時，搖臂內(nèi)的液壓也隨之降低，活塞在回位彈簧作用下退回原位，3個搖臂分開。

整個VTEC系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)電腦控制，發(fā)動機(jī)電腦接收轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、車速及冷卻液溫度等信息并進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)的控制信號，通過電磁閥調(diào)節(jié)搖臂活塞液壓系統(tǒng)，從而使發(fā)動機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速工況下由不同的凸輪控制，改變進(jìn)氣門的開度和時間。