可变气门正时技术详解
1、概述
近几十年来,基于提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污的要求,许多国家和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力进行新技术的研究与开发.目前,这些新技术和新方法,有的已在内燃机上得到应用,有些正处于发展和完善阶段,有可能成为未来内燃机技术的发展方向.
发动机可变气门正时技术(VVT, Variable Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种,发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量,使充量系数增加,发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高.
2、可变气门正时理论
合理选择配气正时,保证最好的充气效率hv,是改善发动机性能极为重要的技术问题.分析内燃机的工作原理,不难得出这样的结论：在进、排气门开闭的四个时期中,进气门迟闭角的改变对充气效率hv影响最大.进气门迟闭角改变对充气效率hv和发动机功率的影响关系可以通过图1进一步给以说明.
图1中每条充气效率hv曲线体现了在一定的配气正时下,充气效率hv随转速变化的关系.如迟闭角为40°时,充气效率hv是在约1800r/min的转速下达到最高值,说明在这个转速下工作能最好地利用气流的惯性充气.当转速高于此转速时,气流惯性增加,就使一部分本来可以利用气流惯性进入汽缸的气体被关在汽缸之外,加之转速上升,流动阻力增加,所以使充气效率hv下降.当转速低于此转速时,气流惯性减小,压缩行程初始时就可能使一部分新鲜气体被推回进气管,充气效率hv也下降.
图中不同充气效率hv曲线之间,体现了在不同的配气正时下,充气效率hv随转速变化的关系.不同的进气迟闭角与充气效率hv曲线最大值相当的转速不同,一般迟闭角增大,与充气效率hv曲线最大值相当的转速也增加.迟闭角为40°与迟闭角为60°的充气效率hv曲线相比,曲线最大值相当的转速分别为1800r/min和2200r/min .由于转速增加,气流速度加大,大的迟闭角可充分利用高速的气流惯性来增加充气.
改变进气迟闭角可以改变充气效率hv曲线随转速变化的趋向,以调整发动机扭矩曲线,满足不同的使用要求.不过,更确切地说,加大进气门迟闭角,高转速时充气效率hv增加有利于最大功率的提高,但对低速和中速性能则不利.减小进气迟闭角,能防止气体被推回进气管,有利于提高最大扭矩,但降低了最大功率.因此,理想的气门正时应当是根据发动机的工作情况及时做出调整,应具有一定程度的灵活性.显然,对于传统的凸轮挺杆气门机构来说,由于在工作中无法做出相应的调整,也就难于达到上述要求,因而限制了发动机性能的进一步提高.
3、在Passat B5轿车上的应用
3.1 可变气门正时的结构与传动
Passat B5轿车最新选用2.8升V6发动机,该发动机对可变气门正时进行了特别设计.从俯视观察,其传动方式以及进排气凸轮轴分布如图2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.
3.2 可变气门正时调节器
如图3所示,（a）图为发动机在高速状态下,为了充分利用气体进入汽缸的流动惯性,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）.（b）图为发动机
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,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.
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θ角,加快了进气门的关闭,亦即进气门迟闭角减少θ度.
当转速提高时,调节器上升,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θ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θ度.
3.3 两种工作状态
从图2和图3不难看出,该发动机左侧和右侧的可变气门正时调节器操作方向始终要求相反.当发动机的左侧可变气门正时调节器向下运动时,右侧可变气门正时调节器向上运动,左侧链条紧边在下边,右侧链条紧边在上边.调节器向下移动时,紧边链条都是由短变长.
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4(a)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θ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.
当Passat B5轿车发动机转速为3700r/min时,要求进气门关闭得较迟,如图4(b)所示.左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.右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.在左列缸的下部链条,右列缸的上部链条同时由长变短的过程中,排气凸轮轴已转过θ角,进气凸轮才开始动作,进气门关闭变慢了,满足了高速,进气门关闭较迟,可提高最大功率的要求.
4、可变气门正时的微机控制
Passat B5轿车2.8升V6发动机的可变气门正时系统由Motronic M3.8.2发动机控制单元进行控制.微机控制关系如图5所示.
左右列缸对应的可变气门正时机构均设置了一个可变气门正时电磁阀,如图6所示.发动机在获得转速传感器的信息后,对左右列缸对应的可变气门正时电磁阀的控制方式做出正确选择并控制阀体动作.当获得不同阀体位置时,通往可变气门正时调节器内的液压缸油路变换,使得可变气门正时调节器上升或下降,以至于左右列缸对应的进气门获得不同的迟闭角.
5、结束语
以上所述发动机可变气门正时系统,是通过微机控制可变气门调节器上升和下降获得齿形皮带轮与进气凸轮（进气门）的相对位置变化,这种结构属于凸轮轴配气相位可变结构,一般可调整20.～30.曲轴转角.由于这种机构的凸轮轴、凸轮形线及进气持续角均不变,虽然高速时可以加大进气迟闭角,但是气门叠开角却减小,这是它的缺点.
总体来看,发动机可变气门正时技术已相对成熟,将来会有越来越多的高性能汽油发动机采用这一技术.
http://www.nnauto.cn/auto/carstory/2006/5_VVT/VVT.htm
