基于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變正時(shí)系統(tǒng)工作原理和排放的研究

嚴(yán)景明 李俊杰

摘 要：該文通過(guò)介紹汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變正時(shí)系統(tǒng)常見類型，針對(duì)不同類型的可變正時(shí)系統(tǒng)加以分析比較，其在發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提升，以及降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣有害成分的排放等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，越來(lái)越多的汽車制造商都在加速發(fā)動(dòng)機(jī)可變正時(shí)系統(tǒng)的研究。

關(guān)鍵詞：可變正時(shí) 工作原理 排放 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：U472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0115-02

我國(guó)汽車保有量的日趨增多，隨之而來(lái)的環(huán)保問(wèn)題和能源危機(jī)，使得對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性和排放變得嚴(yán)格，汽車制造商對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率及汽車排氣污染物的凈化提出了新的要求，其中發(fā)動(dòng)機(jī)可變正時(shí)系統(tǒng)使用己極為普及，它能促進(jìn)汽車有害氣體減排，提升發(fā)動(dòng)機(jī)功率。在特定的發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，通過(guò)控制進(jìn)氣門開啟角度提前或延遲來(lái)調(diào)整進(jìn)排氣量和改變進(jìn)排氣門重疊角，來(lái)實(shí)現(xiàn)增大進(jìn)氣充量和效率，更好地組織進(jìn)氣渦流，調(diào)節(jié)氣缸爆發(fā)壓力與殘余廢氣量，以改善發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩、排放、燃油經(jīng)濟(jì)性、舒適性等綜合性能。

1 可變正時(shí)常見類型和控制原理

大多數(shù)轎車上都可以看見VVT-i、VTE、CVVL、VVTL-i等標(biāo)志，其含義就是可變配氣正時(shí)技術(shù)。VVT是連續(xù)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)，是豐田車系的簡(jiǎn)稱，該系統(tǒng)可以在一定角度范圍內(nèi)，連續(xù)地改變氣門正時(shí)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力并且降低油耗；i-VTEC是本田車系智能可變氣門正時(shí)及升程系統(tǒng)簡(jiǎn)稱，和VVT相比，i-VTEC系統(tǒng)不但能夠連續(xù)的改變氣門正時(shí)，還能分兩級(jí)改變進(jìn)氣門的升程。

1.1 本田可變氣門正時(shí)的結(jié)構(gòu)和控制原理

（1）本田是世界上第一個(gè)做到氣門正式和升程控制同時(shí)進(jìn)行的汽車廠家，它采用了不同角度的3個(gè)凸輪，分別帶動(dòng)3個(gè)搖臂，而這3個(gè)搖臂可以在控制器的控制下，既可以獨(dú)立地打開氣門，也可以連為一體打開氣門，使得發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論是高速還是低速，都能得到最佳的配氣相位。

VTEC結(jié)構(gòu)如圖1。

（2）可變氣門正時(shí)的控制原理。本田的i-VTEC可變氣門升程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理并不復(fù)雜，可以看作在原來(lái)的基礎(chǔ)上加了第三根搖臂和第三個(gè)凸輪軸。它是怎樣實(shí)現(xiàn)改變氣門升程的呢？可以簡(jiǎn)單地理解為，通過(guò)3根搖臂的分離與結(jié)合一體，來(lái)實(shí)現(xiàn)高低角度凸輪軸的切換，從而改變氣門的升程。

①VTEC控制進(jìn)氣氣門的凸輪軸有兩組不同角度的凸輪，凸輪軸不直接控制氣門，而是通過(guò)多段式搖臂來(lái)推動(dòng)氣門，此搖臂內(nèi)有2個(gè)受油壓控制的插銷，經(jīng)由此2個(gè)插銷的移動(dòng)可控制此搖臂是分成多段移動(dòng)還是整個(gè)移動(dòng)。（見圖2）

②在低速時(shí)讓較大角度凸輪對(duì)應(yīng)的搖臂空轉(zhuǎn)，以較小角度的凸輪軸推動(dòng)氣門；當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)設(shè)定的臨界點(diǎn)，插銷移動(dòng)，固定整個(gè)搖臂，讓較大角度的凸輪軸推動(dòng)整個(gè)搖臂，而較小角度的凸輪軸空轉(zhuǎn)，以達(dá)到兩段式控制氣門正時(shí)和升程的目的。

1.2 豐田可變正時(shí)系統(tǒng)

（1）豐田VVT-i是可變配氣技術(shù)的代表系統(tǒng)之一，目前在我國(guó)生產(chǎn)的豐田皇冠、凱美瑞、卡羅拉、威馳等車型上都廣泛應(yīng)用該技術(shù)。它根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷，操縱油壓來(lái)調(diào)整進(jìn)氣凸輪軸（有些車型還可以調(diào)整排氣凸輪軸）相對(duì)正時(shí)齒輪的轉(zhuǎn)角，經(jīng)過(guò)調(diào)整凸輪軸轉(zhuǎn)角配氣正時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，降低尾氣的排放。

豐田VVT-i的結(jié)構(gòu)與安裝位置（見圖3）。

豐田可變系統(tǒng)由：VVT-i控制單元、凸輪軸正時(shí)控制閥體、VVT傳感器和車身電腦模塊（ECU）等組成。

（2）工作原理。

豐田VVT-i能根據(jù)駕駛狀況來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)排氣門達(dá)到最佳狀態(tài)，由車身電腦（ECU）控制，VVT-i控制器能夠平滑、流暢地切換氣門的開閉時(shí)機(jī)，使得氣缸內(nèi)的混合氣無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)是在高轉(zhuǎn)速，還是在低轉(zhuǎn)速，都能夠最有效地利用，達(dá)到低油耗、低排放、強(qiáng)動(dòng)力輸出的效果。

1.3 大眾可變正時(shí)系統(tǒng)

人們對(duì)燃燒式發(fā)動(dòng)機(jī)的需求不斷增加，一方面，客戶要求更高的功率和扭矩；另一方面又不能對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)型和日益嚴(yán)格的排放法規(guī)視而不見。就氣門正時(shí)而言，它意味著根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載對(duì)進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸進(jìn)行調(diào)整是必不可少的。

1.4 寶馬可變正時(shí)系統(tǒng)

寶馬汽車公司VANOS（Variable camshaft control）是可變凸輪軸控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。VANOS系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量、節(jié)氣門位置來(lái)不斷調(diào)整凸輪軸的位置對(duì)進(jìn)排氣門的開啟時(shí)刻。

怠速時(shí)：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況時(shí)，對(duì)凸輪軸進(jìn)行設(shè)置使得進(jìn)氣凸輪軸較晚打開，并且較晚關(guān)閉。排氣凸輪軸被設(shè)置成在上止點(diǎn)之前完全關(guān)閉。高速時(shí)：當(dāng)在很高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，為了獲得較高的輸出功率，必須使得排氣門較晚打開。

（1）電子氣門的結(jié)構(gòu)。

寶馬汽車電子氣門的構(gòu)成如圖4所示。為了確定最佳的氣缸氣量，需要電子氣門來(lái)調(diào)節(jié)氣門的行程。其中，1為伺服電動(dòng)機(jī)；2為蝸桿；3為扭轉(zhuǎn)彈簧；4為固定架；5為進(jìn)氣凸輪軸；6為斜臺(tái)；7為HVA；8為進(jìn)氣門；9為排氣門；10為滾子式氣門壓桿；11為HVA；12為滾子式氣門壓桿；13為中間推桿；14為偏心軸；15為蝸輪；16為排氣凸輪軸。

（2）可變氣門正時(shí)控制機(jī)構(gòu)VANOS的工作原理。

寶馬的Valvetronic可變氣門升程系統(tǒng)，主要是通過(guò)在其配氣機(jī)構(gòu)上增加偏心軸、伺服電機(jī)和中間推桿等部件來(lái)改變氣門升程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)會(huì)驅(qū)動(dòng)偏心軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)中間推桿和搖臂推動(dòng)氣門。偏心輪旋轉(zhuǎn)的角度不同，凸輪軸通過(guò)中間推桿和搖臂推動(dòng)氣門產(chǎn)生的升程也不同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門升程的控制。

2 可變正時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)排放的關(guān)系

發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)是近年來(lái)被逐步應(yīng)用于轎車上的新技術(shù)?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變氣門正時(shí)系統(tǒng)，除了在一定程度上改善了廢氣排放之外，也能提高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等，滿足人們的需求。傳統(tǒng)的氣門正時(shí)系統(tǒng)因?yàn)槭遣豢勺兊?，所以只能按照某一種工況來(lái)設(shè)定配氣正時(shí)，也就是說(shuō)，僅僅在該種工況下可以獲得最理想的充氣系數(shù)、最佳的動(dòng)力輸出，而在別的工況下因?yàn)槌錃庀禂?shù)降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出也相應(yīng)降低。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著節(jié)能減排要求日益嚴(yán)格，對(duì)于汽車經(jīng)濟(jì)性和排放性能控制變得日益重要，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變正時(shí)系統(tǒng)與傳統(tǒng)氣門正時(shí)系統(tǒng)相比，在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，所以有必要對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可變正時(shí)系統(tǒng)加以探索研究。

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