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现代发动机配气正时相位与升程技术

发动机配气正时相位与升程技术

汽车类1003 马泽存

CVVT连续可变气门正时机构

CVVT是英文Continue Variable Valve Timing的缩写,翻译成中文就是连续可变气门正时机构,它是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的众多可变气门正时技术中的一种。例如:宝马公司叫做 Vanos,丰田叫做VVTI,本田叫做VTEC,但不管叫做什么,他们的目的都是给不同的发动机工作状况下匹配最佳的气门重叠角(气门正时),只不过所实现的方法是不同的。

韩国现代轿车所开发的CVVT是一种通过电子液压控制系统改变凸轮轴打开进气门的时间早晚,从而控制所需的气门重叠角的技术。这项技术着重于第一个字母C (Continue连续),强调根据发动机的工作状况连续变化,时时控制气门重叠角的大小,从而改变气缸进气量。当发动机低速小负荷运转时(怠速状态),这时应延迟进气门打开时间,减小气门重叠角,以稳定燃烧状态;当发动机低速大负荷运转时(起步、加速、爬坡),应使进气门打开时间提前,增大气门重叠角,以获得更大的扭矩;当发动机高速大负荷运转时(高速行驶),也应延迟进气门打开时间,减小气门重叠角,从而提高发动机工作效率;当发动机处于中等工况时(中速匀速行驶),CVVT也会相对延迟进气门打开时间,减小气门重叠角,此时的目的是减少燃油消耗,降低污染排放。

CVVT系统包含以下零件:油压控制阀、进气凸轮齿盘、曲轴为止感应器、凸轮位置感应器、油泵、引擎电子控制单元(ECU)。

进气凸轮齿盘包含:由时规皮带所带动的外齿轮、连接进气凸轮的内齿轮与一个能在内外齿轮间移动的控制活塞。当活塞移动时在活塞上的螺旋齿轮会改变外齿轮的位置,进而改变正时的效果。而活塞的移动量由油压控制阀所决定的,油压控制阀是一电子控制阀其机油压力由油泵所控制,。当电脑(ECU)接受到输入信号时,例如引擎转速、进气空气量、节气门位置、引擎温度等以决定油压控制阀的操作。电脑也会利用凸轮位置感应器及曲轴位置感应器,来决定实际的进气凸轮的气门正时。

当发动机启动或关闭时油压控制阀位置受到改变,而使得进气凸轮正时出于延后状态。当引擎怠速或低速负荷时,正时也是处于延后的位置,比增进引擎稳定的工作状态。当在中符合时则进气凸轮在提前的位置,当中低速高负荷时则处于提前角位置增加扭矩输出。而在高速符合时则处于延迟位置以利于高转速操作。当引擎温度较低时凸轮位置则处于延迟位置,稳定怠速降低油耗。

本田可变气门相位及升程控制系统VTEC技术

VTEC系统全称是可变气门正时和升程电子控制系统,英文全称“Variable Valve Timing and Valve Lift Electronic Control System”,是本田的专有技术,它能随发动机转速、负荷、水温等运行参数的变化,而适当地调整配气正时和气门升程,使发动机在高、低速下均能达到最高效率。在VTEC系统中,其进气凸轮轴上分别有三个凸轮面,分别顶动摇臂轴上的三个摇臂,当发动机处于低转速或者低负荷时,三个摇臂之间无任何连接,左边和右边的摇臂分别顶动

两个进气门,使两者具有不同的正时及升程,以形成挤气作用效果。此时中间的高速摇臂不顶动气门,只是在摇臂轴上做无效的运动。当转速在不断提高时,发动机的各传感器将监测到的负荷、转速、车速以及水温等参数送到电脑中,电脑对这些信息进行分析处理。当达到需要变换为高速模式时,电脑就发出一个信号打开VTEC电磁阀,使压力机油进入摇臂轴内顶动活塞,使三只摇臂连接成一体,使两只气门都按高速模式工作。当发动机转速降低达到气门正时需要再次变换时,电脑再次发出信号,打开VTEC电磁阀压力开头,使压力机油泄出,气门再次回到低速工作模式。

现代发动机配气正时相位与升程技术

现代发动机配气正时相位与升程技术

VTEC控制系统由控制部分、执行部分和传感器组成。其中控制部分包括发动机控制单元ECU和VTEC电磁阀;执行部分包括凸轮、摇臂和各个活塞等;传感器包括发动机转速传感器、车速传感器和冷却液温度传感器。发动机运转时,控制单元ECU根据各传感器的信号,判断是否需要改变配气相位和气门升程。但是VTEC系统对于配气相位的改变仍然是阶段性的,其改变配气相位只是在某一转速下的跳跃,而不是在一段转速范围内连续可变。为了改善VTEC系统的性能,本田推出了i-VTEC系统。i-VTEC系统是在VTEC系统的基础上,增加了一个称为VTC(Variable timing control“可变正时控制”)的装置——一组进气门凸轮轴正时可变控制机构,即i-VTEC=VTEC+VTC。此时,排气阀门的正时与开启的重叠时间是可变的,由VTC控制,VTC 机构的导入使发动机在大范围转速内都能有合适的配气相位,这在很

大程度上提高了发动机的性能。典型的VTC系统由VTC作动器、VTC 油压控制阀、各种传感器以及ECU组成。VTC作动器、VTC油压控制阀可根据ECU的信号产生动作,使进气凸轮轴的相位连续变化。VTC 令气门重叠时间更加精确,保证进、排气门最佳重叠时间,可将发动机功率提高20%。

VTC机构的导入,使得气门的配气相位能够“智能化地”适应发动机负荷的改变。VTC在发动机运转过程中配合VTEC系统的作用主要运用在三个方面。通过VTC的控制,以最适当的气门重叠角,同时配合VTEC系统的作用,使得发动机的输出扭矩最大限度地提高。另外,i-VTEC发动机采用进气歧管在前,排气歧管在后的布置。排气歧管缩短了长度,也就是缩短了与三元催化器之间的距离,使三元催化器更快进入适当的工作温度,能有效控制废气排放。由于发动机启动后i-VTEC系统就进入状态,不论低转速或者高转速VTC都在工作,也就消除了原来VTEC系统存在的缺陷。由于i-VTEC系统中VTC机构的导入,使得发动机的配气相位能够柔性地与发动机的负荷相匹配,在发动机的任何工况下,都能找到最佳的配气相位,以最佳的气门重叠角,实现中、低速时低油耗、低排放,高速时高功率、大扭矩,因此被形象地称之为“智能化”VTEC。

三菱MIVEC可变气门正时与升程

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三菱传统的MIVEC可气配气系统包括了气门正时与升程,而升程可变跟本田的VTEC原理是一样的,通过气门摇臂分两段变化,更偏重高转速的动力输出。在传统的SOHC单顶置凸轮轴上,四气门发动机的两个进气门上,MIVEC有一个辅助开关系统,分为低速和高速两种模式的凸轮,用于调节气门升程。在低转速状态下,进入气门的空

气量由于气门升程差而增大,同时设计成偏向于较低的燃油经济性、低排放和高扭矩。转速拉高后,由于进气门开启时间改变和升程增加,使得进气量明显增大,从而使输出功率随之提升。气门正时与其他可变气门正时技术原理相同,都是由专门的油压控制阀来做核心控制,ECU接收的各传感器信号来进行判断,通过机油的压力使活塞做横向移动,带动链轮相对阀壳体转动,使凸轮转角发生改变。

VVEL可变气门正程+C-VTC可变气门正时

日产的VVEL摇臂通过偏心轮套在控制轴上,可以在直流马达带动下可以旋转一定角度。当发动机在高转速或者大负荷时,直流马达带动螺杆转动,套在螺杆上的螺套向马达横向移动,与螺套联动的机构使得控制轴逆时针旋转一定角度。由于摇臂套在控制轴的偏心轮上,因此摇臂的旋转中心下移,也就相当于摇臂位置距离气门更近,所以,

凸轮轴旋转时气门的开启角度也就更大。

现代发动机配气正时相位与升程技术

当发动机中、低转速或者低负荷时,ECU会下达命令,令马达驱使螺套做远离的横向移动,联动机构使控制轴顺时针方向旋转,偏心轮圆心上移,摇臂旋转中心跟着上移,于是摇臂距离气门的距离变远,凸轮轴旋转时气门的开启角度也就随之变小。由于马达的转动是线性的,它可以控制气门在最大升程和最小升程之间连续变化,因此,这种设计可以让发动机动力输出平滑,不会有突兀感。再配合C-VTC可

变气门正时,发动机在保证线性输出的基础上,可以令低转更平顺,高转则能达到更大的功率输出。

宝马的VANOS技术

宝马的VANOS系统是一个由车辆发动机管理系统操纵的液压和机械相结合的凸轮轴控制设备。VANOS系统基于一个能够调整进气凸轮轴与曲轴相对位置的调整机构。双VANOS则增加了对进排气凸轮轴的调整机构。

VANOS系统根据发动机转速和加速踏板位置来操作进气凸轮轴。在发动机转速达到最低时,进气门将随后开启以改善怠速质量及平稳度。发动机处于中等转速时,进气门提前开启以增大扭矩并允许废气在燃烧室中进行再循环从而减少耗油量和废气的排放。最后,当发动机转速很高时,进气门开启将再次延迟,从而发挥出最大功率。

VANOS系统极大增强了尾气排放管理能力,增加了输出和扭矩,提供了更好的怠速质量和燃油经济性。VANOS系统的最新版是双

VANOS,该技术于1992年被首次应用于宝马5系车型的M50发动机上。

现代发动机配气正时相位与升程技术

在顶置凸轮轴发动机中,凸轮轴通过一根皮带或者链条和齿轮与曲轴相连。在宝马VANOS系统发动机内有一根链条和一些链轮。曲轴驱动排气凸轮上的链轮,排气凸轮链轮被螺栓固定于排气凸轮上,第二套齿轮驱动穿过进气凸轮的第二根链条,进气凸轮上的大链轮没有固定在凸轮上,因为其中间有个大孔,孔内有一套螺旋形的齿,在凸轮的一端有一个外侧也是螺旋形的齿轮,但它太小,无法与大链轮内侧的齿轮相连接。有一小块杯状带有螺旋形齿轮的金属,其内侧与凸轮相配合,外侧与链轮配合。VANOS系统的可变性就是源于齿轮的螺旋形。杯状装置由作用于受DME(数字式电子发动机管理系统)控制依靠油压的液压机构驱动。

怠速时,凸轮正时延迟。在非怠速状态下,DME为电磁线圈通电控制油压推动杯状齿轮,在中等转速下推动凸轮提前12.5度,然后在

5000转/分时,允许其回到初始位置。中速运转时推力越大气缸充气越好,扭矩也就越大。我们听到的噪声是因公差而造成的杯状装置进出时链轮的轻微摆动声音。

在油门踏板位置和发动机转速的作用下,进排气凸轮轴的气门正时根据发动机所需的功率进行了调整,双VANOS系统(双可变凸轮轴控制)以此使扭矩得到了显著提升。在多数使用单VANOS系统的宝马发动机中,进气凸轮正时仅在两个明显的转数点变化。而双VANOS系统中,进气和排气凸轮的正时在大部分转数范围内持续变化。使用双VANOS系统,气门升程增加了0.9毫米,使得进气门的开启时间因而延迟了12度。为迅速而精确的调整凸轮轴,双VANOS系统需要非常高的油压,以确保在发动机低转速下能提供更大的扭矩,在高转速时有更大的功率。随着不完全燃烧气体的减少,发动机怠速得到了改善。预热阶段的特殊发动机管理控制系统能帮助催化转化器更快地达到

工作温度。

双VANOS系统改善了低转速功率,使扭矩曲线趋于平缓并能为该组凸轮轴扩展功率带。双VANOS系统发动机的扭矩峰值比单VANOS低450转,功率峰值高200转/分,1500-3800转/分下的扭矩曲线也得到了改善。同时,扭矩下降的速度不会超过功率峰值。双VANOS系统的优点在于在各种工作状态下,系统能够单独控制热的废气流入进气歧管。这被称为“内部”废气再循环,使得废气中的可用成分得以进行再循环。

在发动机加热过程中,VANOS系统改善了油/气混合气,并有助于快速将催化转化器加热至正常工作温度。当发动机怠速时,系统能够保持怠速转速的平稳和连贯,这归功于废气再循环被减少到了最低程度。在部分负载条件下,废气再循环提高到更高水平,允许发动机在更大的蝶形气门开启角度下工作以获得更佳的燃油经济性。全负荷件下,系统恢复较低的再循环容量以为各缸提供尽可能多的氧气。

丰田VVT-i

VVT是英文缩写,全称是“Variable Valve Timing”,中文意思是“可变气门正时”,由于采用电子控制单元(ECU)控制,因此丰田起了一个好听的中文名称叫“智慧型可变气门正时系统”。该系统主要控制进气门凸轮轴,又多了一个小尾巴“i”,就是英文“Intake”(进气)的代号。这些就是“VVT-i”的字面含义了。VVT -i是一种控制进气凸轮轴气门正时的装置,它通过调整凸轮轴转角配气正时进行优化,从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性,降低尾气的排放。

VVT-i系统由传感器、ECU和凸轮轴液压控制阀、控制器等部分组成。ECU储存了最佳气门正时参数值,曲轴位置传感器、进气歧管空气压力传感器、节气门位置传感器、水温传感器和凸轮轴位置传感器等反馈信息汇集到ECU并与预定参数值进行对比计算,计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀,控制阀根据ECU指令控制机油槽阀的位置,也就是改变液压流量,把提前、滞后、保持不

变等信号指令选择输送至VVT-i控制器的不同油道上。

现代发动机配气正时相位与升程技术

VVT-i系统视控制器的安装部位不同而分成两种,一种是安装在排气凸轮轴上的,称为叶片式VVT-i,丰田PREVIA(大霸王)安装此款。另一种是安装在进气凸轮轴上的,称为螺旋槽式VVT-i,丰田凌志400、430等高级轿车安装此款。两者构造有些不一样,但作用是相同的。

现代发动机配气正时相位与升程技术

现代发动机配气正时相位与升程技术

叶片式VVT-i控制器由驱动进气凸轮轴的管壳和与排气凸轮轴相耦合的叶轮组成,来自提前或滞后侧油道的油压传递到排气凸轮轴上,导致VVT-i控制器管壳旋转以带动进气凸轮轴,连续改变进气正时。当油压施加在提前侧油腔转动壳体时,沿提前方向转动进气凸轮轴;当油压施加在滞后侧油腔转动壳体时,沿滞后方向转动进气凸

轮轴;当发动机停止时,凸轮轴液压控制阀则处于最大的滞后状态。

螺旋槽式VVT-i控制器包括正时皮带驱动的齿轮、与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮,以及一个位于内齿轮与外齿轮之间的可移动活塞,活塞表面有螺旋形花键,活塞沿轴向移动,会改变内、外齿轮的相位,从而产生气门配气相位的连续改变。当机油压力施加在活塞的左侧,迫使活塞右移,由于活塞上的螺旋形花键的作用,进气凸轮轴会相对于凸轮轴正时皮带轮提前某个角度。当机油压力施加在活塞的石侧,迫使活塞左移,就会使进气凸轮轴延迟某个角度。当得到理想的配气正时,凸轮轴正时液压控制阀就会关闭油道使活塞两侧压力平衡,活塞停止移动。

现在,先进的发动机都有“发动机控制模块”(ECM),统管点火、燃油喷射、排放控制、故障检测等。丰田VVT-i发动机的ECM在各种行驶工况下自动搜寻一个对应发动机转速、进气量、节气门位置和冷却水温度的最佳气门正时,并控制凸轮轴正时液压控制阀,并通过各个传感器的信号来感知实际气门正时,然后再执行反馈控制,补偿系统误差,达到最佳气门正时的位置,从而能有效地提高汽车的功率与性能,尽量减少耗油量和废气排放。