可變氣門升程技術教學探討

李銘

摘要：本文介紹了氣門升程系統和可變氣門正時系統，不斷改進發動機的配氣相位以及進排氣系統，使發動機的實際性能不斷提高。要達到更高的充氣效率，就需要延長發動機的吸氣和排氣時間。發動機的設計都會選擇一個折衷的方案，不可能在兩種截然不同的工況下都達到最優狀態。

關鍵詞：汽車可變氣門正時；故障；維修

中圖分類號：G718 文獻標識碼：B 文章編號：1672-1578（2017）04-0184-01

傳統的VVT技術通過合理的分配氣門開啟的時間確實可以有效提高發動機的效率和燃油經濟性，但是這項技術也有局限性和自身的瓶頸。發動機實質的動力表現是取決于單位時間內氣缸的進氣量。前面說過，氣門正時代表了氣門開啟的時間，而氣門升程則代表了氣門開啟的大小。從原理上看，可變氣門正時技術也是通過改變進氣量來改善動力表現的，但是氣門正時只能提前或者推遲氣門開啟的時間，并不能有效改善氣缸內單位時間的進氣量，因此對于發動機動力性的幫助是有限的。如果氣門升程大小也可以針對發動機不同的工況和轉速實時調節的話，那么就能提升發動機在各種情況下的動力性能。

1.可變氣門升程技術的作用

可變氣門升程技術可以在發動機不同轉速下匹配合適的氣門升程，使得低轉速下扭矩充沛，而高轉速時馬力強勁。低轉速時系統使用較小的氣門升程，這樣有利于增加缸內紊流提高燃燒速度，增加發動機的低速扭矩，而高轉速時使用較大的氣門升程則可以顯著提高進氣量，進而提升高轉速時的功率輸出。

2.可變氣門升程技術的應用

（1）本田I-VTEC。本田是最早將氣門升程技術應用到車載發動機的廠商，本田的可變氣門升程系統的結構和工作原理并不復雜，工程師利用第三根搖臂和第三個凸輪即實現了看似復雜的氣門升程變化。

VTEC發動機的每個氣缸都有與普通氣門一樣動作的4個氣門（1個主進氣門，1個副進氣門，2個排氣門），凸輪軸除原有控制2個氣門的一對凸輪外，還增設了1個高位凸輪，3個凸輪的輪廓各不相同，中凸輪按雙進、雙排氣門最佳工況設計，升程最大；主凸輪按單進、雙排氣門開閉，低速工況設計，升程小于中間凸輪；次凸輪按怠速工況設計，升程最小，稍高于基圓，由次搖臂控制。氣門搖臂也分成并列排在一起的主搖臂、中間搖臂和輔助搖臂。主搖臂內有一油道與搖臂軸油道相通主搖臂腔內有一正時活塞，輔助搖臂腔內有同步活塞A和B，由油壓控制。在正時活塞和同步活塞之間有一正時彈簧，主搖臂上設有一個正時板。VTEC發動機的控制系統主要由電控單元ECM、VTEC電磁閥總成和壓力開關等組成。

在中、低轉速時，三根搖臂處于分離狀態，普通凸輪推動主搖臂和副搖臂來控制兩個進氣門的開閉，氣門升量較小。此時雖然中間凸輪也推動中間搖臂，但由于搖臂之間是分離的，所以兩邊的搖臂不受它控制，也不會影響氣門的開閉狀態。

I-VTEC的設計就像采用了兩根不同的凸輪軸，一根用于中低轉速，一根用于中高轉速，但是VTEC發動機的不同之處就在于將這樣兩種不同的凸輪軸設計在了一根凸輪軸上。本田發動機在進氣凸輪軸中，除了原有控制兩個氣門的一對凸輪（主凸輪和次凸輪）和一對搖臂（主搖臂和次搖臂）外，還增加了一個較高的中間凸輪和相應的搖臂（中間搖臂），三根搖臂內部裝有由液壓控制移動的小活塞。發動機低速時，小活塞在原位置上，三根搖臂分離，主凸輪和次凸輪分別推動主搖臂和次搖臂，控制兩個進氣門的開閉，氣門升量較少。雖然中間凸輪也推動中間搖臂，但由于搖臂之間已分離，其他兩根搖臂不受它的控制，所以不會影響氣門的開閉狀態。發動機達到某一個設定的高轉速時，電腦即會指令電磁閥啟動液壓系統，推動搖臂內的小活塞，使三根搖臂鎖成一體，一起由中間凸輪驅動，由于中間凸輪比其他凸輪都高，升程大，所以進氣門開啟時間延長，升程也增大了。當發動機轉速降低到某一個設定的低轉速時，搖臂內的液壓也隨之降低，活塞在回位彈簧作用下退回原位，三根搖臂分開。

整個VTEC系統由發動機電子控制單元（ECU）控制，ECU接收發動機傳感器（包括轉速、進氣壓力、車速和水溫等）的參數并進行處理，輸出相應的控制信號，通過電磁闊調節搖臂活塞液壓系統，從而使發動機在不同的轉速工況下由不同的凸輪控制，影響進氣門的開度和時間。

（2）奧迪AVS。奧迪的AVS可變氣門升程系統在設計理念上與本田的I-VTEC有著異曲同工之妙，只是在實施手段上略有不同。這套系統為每個進氣門設計了兩組不同角度的凸輪，同時在凸輪軸上安裝有螺旋溝槽套筒，如圖2-5所示。螺旋溝槽套筒由電磁驅動器加以控制，用以切換兩組不同的凸輪，從而改變進氣門的升程。

發動機在高負載的情況下，AVS系統將螺旋溝槽套筒向右推動，使角度較大的凸輪得以推動氣門程可達到11毫米，以提供燃燒室最佳的進氣流量和進氣流速，實現更加強勁的動力輸出。當發動機在低負載的情況下，為了追求發動機的節油性能，此時AVS系統則將凸輪推至左側，以較小的凸輪推動氣門。

奧迪AVS可變氣門升程系統在發動機700至4000轉之間工作，當發動機處于中間轉速區域進行定速巡航時，AVS系統可以為車輛提供很好的節油效果。

相比兩段式的氣門升程系統，氣門升程無級可調技術則更為先進，其最大優勢就是可以利用氣門升程來控制進氣量，這樣節氣門的作用就被弱化，大大降低了泵氣損失，同時發動機進氣遲滯的現象也會減輕，直接提升了發動機的響應速度。由于進氣不存在遲滯，因此發動機的點火正時和配氣正時的配合也更為精確，最終發動機的效率得到提升。

參考文獻：

[1] 張葵葵.電控發動機原理與檢測技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2] 楊忠敏，陸剛.汽車檢測與維修[M].北京：科學技術文獻出版社，2006.