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汽車上的可變氣門與可變配氣相位的工作原理是什么？

可變氣門與可變配氣相位的結(jié)構(gòu)、工作原理能否拿一兩種舉例，和幾種車型來說明？？: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-03-11

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現(xiàn)代引擎多采用DOHC的缸蓋設(shè)計(jì)，兩根凸輪軸被設(shè)置在引擎頂部，通過齒形帶輪或鏈條從曲軸端取力，并以2：1的速度驅(qū)動(dòng)凸輪軸，此時(shí)凸輪軸商凸輪的旋轉(zhuǎn)推動(dòng)氣門進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而控制氣門的開啟和閉合。而我們今天要關(guān)注的，其實(shí)就是氣門開合的問題。什么要“可變氣門行程”？活塞式四沖程引擎都由進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣4個(gè)沖程完成，我們關(guān)注的是氣門開啟程度對(duì)引擎進(jìn)氣的問題。氣缸進(jìn)氣的基本原理是“負(fù)壓”，也就是氣缸內(nèi)外的氣體壓強(qiáng)差。在引擎低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣門的開啟程度切不可過大，這樣容易造成氣缸內(nèi)外壓力均衡，負(fù)壓減小，從而進(jìn)氣不夠充分，對(duì)于氣門的工作而言，這個(gè)“小程度開啟”需要短行程的方式加以控制；而高速恰恰相反，轉(zhuǎn)速動(dòng)輒5000rpm，倘若氣門依然羞羞答答不肯打開，引擎的進(jìn)氣必然受阻，所以，我們需要長(zhǎng)行程的氣門升程。往往，工程師們既要兼顧引擎在低速區(qū)的扭矩特性，又想榨取高速區(qū)的功率特性，只能采取一條“折中”的思路，到頭來引擎高速?zèng)]功率，低速缺扭矩…… 所以在這樣的情況下，就需要一種對(duì)氣門升程進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置，也就是我們要說的“可變氣門正時(shí)技術(shù)”。該技術(shù)既能保證低速高扭矩，又能獲得高速高功率，對(duì)引擎而言是一個(gè)極大的突破。 80年代，諸多企業(yè)開始投入了可變氣門正時(shí)的研究，1989年本田首次發(fā)布了“可變氣門配氣相位和氣門升程電子控制系統(tǒng)”，英文全稱“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System，也就是我們常見的VTEC。此后，各家企業(yè)不斷發(fā)展該技術(shù)，到今天已經(jīng)非常成熟，豐田也開發(fā)了VVT-i，保時(shí)捷開發(fā)了Variocam，現(xiàn)代開發(fā)了DVVT……幾乎每家企業(yè)都有了自己的可變氣門正時(shí)技術(shù)。一系列可變氣門技術(shù)雖然商品名各異，但其設(shè)計(jì)思想?yún)s極為相似。可變氣門正時(shí)技術(shù)之一：保時(shí)捷Variocam 保時(shí)捷911跑車引擎采用的可變氣門正時(shí)技術(shù)Variocam 通過氣門我們可以發(fā)現(xiàn)其兩個(gè)位置，圖中每個(gè)進(jìn)氣門分別有2種最大行程，綠色位置顯然是高速時(shí)氣門能夠達(dá)到的最大行程。控制氣門行程變化的，是兩組凸輪控制，一組是高速凸輪，既紅色部分的凸輪；另一組是低速凸輪，既高速凸輪之間的凸輪。當(dāng)引擎在低轉(zhuǎn)速工況時(shí)，氣門座頂端的黃色的控制活塞落在氣門座內(nèi)。這樣高速凸輪只能驅(qū)動(dòng)氣門座向下行程而不能帶動(dòng)整個(gè)氣門動(dòng)作，整個(gè)氣門由低速凸輪驅(qū)動(dòng)氣門頂向下行程，這樣獲得的氣門開度就較小。反之當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況時(shí)，控制活塞在液壓的驅(qū)動(dòng)下從氣門座推入到氣門頂中，把氣門座和氣門剛性的連接，高速凸輪驅(qū)動(dòng)氣門座時(shí)就能帶動(dòng)氣門向下行程獲得較大的氣門開度。可變氣門正時(shí)技術(shù)之二：本田VTEC 與保時(shí)捷Variocam略有相同，本田的VTEC原理接近，而控制方式不同。凸輪軸上依然布置有高速凸輪與低速凸輪，但由于本田引擎的氣門由搖臂驅(qū)動(dòng)，所以不能像保時(shí)捷一樣緊湊?？刂聘叩退偻馆喦袚Q的是一組結(jié)構(gòu)復(fù)雜的搖臂，通過傳感器測(cè)出引擎轉(zhuǎn)速，傳送到ECU進(jìn)行控制，并由ECU發(fā)出指令控制搖臂。簡(jiǎn)單地說，就是這套搖臂能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速不同自動(dòng)選取1進(jìn)1排的2氣門工作或者2進(jìn)2排的4氣門工作，從而讓發(fā)動(dòng)機(jī)在高低速工況下都能順暢自如。通常，轉(zhuǎn)速低于3500rpm時(shí)，各有一支進(jìn)氣、排氣凸輪工作，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)近似為一臺(tái)2氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣的好處是，能夠增加負(fù)壓，利于進(jìn)氣；轉(zhuǎn)速超過3500rpm時(shí)，液壓系伺服系統(tǒng)接到發(fā)動(dòng)機(jī)中央控制器ECU指令，對(duì)搖臂內(nèi)機(jī)油加壓，壓力機(jī)油推動(dòng)定時(shí)柱塞移動(dòng)，使得同步柱塞將高速搖臂與主副搖臂剛性連接，此時(shí)低速凸輪雖然轉(zhuǎn)動(dòng)，但處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，并不參與工作，從而4支活塞共同工作，以適應(yīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。可變氣門正時(shí)技術(shù)之三：寶馬Valvetronic 與保時(shí)捷Variocam、本田VTEC相同的技術(shù)還有很多，例如豐田VVT-i，通用ECOtec系列引擎的VVT等等，這些技術(shù)能夠改變氣門升程，但是局限性在于，這些技術(shù)都只有“兩段式”可調(diào)，在氣門行程進(jìn)行變化的一刻會(huì)感覺到頓挫感。由此，寶馬對(duì)氣門行程的調(diào)節(jié)煞費(fèi)苦心，開發(fā)了一套可以連續(xù)可變的氣門正時(shí)技術(shù)，目前號(hào)稱最具科技含量的氣門正時(shí)技術(shù)。與眾不同的是，寶馬采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，電機(jī)的周相運(yùn)動(dòng)通過蝸桿傳動(dòng)齒輪，準(zhǔn)變?yōu)閾u臂的控制角度變化，然后在凸輪軸的驅(qū)動(dòng)下由搖臂帶動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)。通過改變搖臂的角度即可改變氣門的行程。由于采用了電機(jī)控制，在ECU指令下電機(jī)能夠“無(wú)極”變化角度，使得氣門升程的改變并不影響引擎工作，沒有頓挫感，也更能有針對(duì)性地對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行細(xì)致的配氣分析。四沖程汽油機(jī)的工作原理。進(jìn)氣沖程，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門開，排氣門閉，活塞下行將空氣吸入汽缸；壓縮沖程，進(jìn)排氣門關(guān)閉，活塞上行，將混合燃?xì)鈮嚎s；做功沖程，進(jìn)排氣門關(guān)閉，火花塞點(diǎn)火將燃?xì)恻c(diǎn)燃，高壓燃?xì)鈱⒒钊蛳峦苿?dòng)；排氣沖程，進(jìn)氣門閉，排氣門開，活塞上行將廢氣擠出汽缸。就這么周而復(fù)始的活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過連桿連接到曲軸，轉(zhuǎn)變成為圓周運(yùn)動(dòng)，源源不斷地傳輸動(dòng)力…… 如果，事情就這么簡(jiǎn)單就好了，工程師們也就不用費(fèi)盡心思設(shè)計(jì)配氣機(jī)構(gòu)了?？墒牵諝庠谄桌锏倪\(yùn)動(dòng)并非想象中那么規(guī)規(guī)矩矩，巨大的運(yùn)動(dòng)慣量和復(fù)雜的熱運(yùn)動(dòng)讓燃?xì)獾钠庾兊缅e(cuò)綜復(fù)雜。進(jìn)氣門和排氣門的工作也并非嚴(yán)格按照上述的時(shí)刻開啟和關(guān)閉。在排氣形成接近終了，活塞即將達(dá)到上止點(diǎn)前，進(jìn)氣門就開啟。這是為了保證進(jìn)氣行程開始時(shí)進(jìn)氣門已經(jīng)開大，新鮮空氣可以順利充入汽缸；進(jìn)氣沖程結(jié)束，直到活塞過了下止點(diǎn)又上行開始?jí)嚎s沖程，進(jìn)氣門才關(guān)閉。在壓縮沖程開始階段，活塞上行速度緩慢，氣流慣性與活塞內(nèi)外壓力差依然能夠讓汽缸進(jìn)氣。同樣，排氣門也在作功行程末，活塞達(dá)到下止點(diǎn)前即開啟，此時(shí)汽缸內(nèi)雖然有0.3-0.5Bar的氣壓，但是對(duì)作功作用并不大，索性打開排氣門，將其排出汽缸。排氣門的關(guān)閉點(diǎn)也在排氣過程末，進(jìn)氣沖程開始后?；钊幱谏现裹c(diǎn)時(shí)，汽缸內(nèi)廢氣壓力依然高于大氣壓，加之排氣具有慣性，晚關(guān)排氣門有利于更徹底的排氣。這個(gè)特征當(dāng)然需要在配氣機(jī)構(gòu)得以體現(xiàn)，那么控制氣門開啟和關(guān)閉的任務(wù)當(dāng)然就交給了凸輪軸。凸輪軸設(shè)計(jì)了進(jìn)排氣提前和延時(shí)的角度，這個(gè)角度統(tǒng)稱為配氣正時(shí)角。配氣正時(shí)可變發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展到今天，民用車轉(zhuǎn)速范圍已經(jīng)拓展到6000rpm乃至9000rpm，低速和高速時(shí)，氣門開啟關(guān)閉的時(shí)刻需要與轉(zhuǎn)速匹配。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，進(jìn)氣速度慢，所以氣門重疊角可以相對(duì)大一些，應(yīng)該應(yīng)該讓進(jìn)氣門提前打開和延時(shí)關(guān)閉的時(shí)間更長(zhǎng)一些，以保證充分進(jìn)氣；在高轉(zhuǎn)速情況下，由于混合氣流速很快，那么氣門重疊角就應(yīng)變小，讓氣門提前開啟和延時(shí)關(guān)閉的時(shí)間減短，這樣才不會(huì)造成進(jìn)排氣干涉。發(fā)動(dòng)機(jī)才能在保證不發(fā)生進(jìn)排氣干涉的情況下，讓其在各個(gè)工況都能得到充分的進(jìn)氣，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，也讓發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)時(shí)能有充分的扭力輸出，高轉(zhuǎn)速時(shí)能有更強(qiáng)大的功率輸出，讓發(fā)動(dòng)機(jī)扭力輸出得更平穩(wěn)，特性曲線更線性。為了達(dá)到這種“可變”的效果，各家企業(yè)都有自己的一套手段來對(duì)配氣正時(shí)進(jìn)行調(diào)整。可變氣門正時(shí)技術(shù)之一：保時(shí)捷Variocam 如上圖可以發(fā)現(xiàn)，在凸輪軸左邊有一凸輪軸同步齒形帶輪，曲軸動(dòng)力通過正時(shí)鏈條傳遞到帶輪，并進(jìn)一步輸送到凸輪軸上，以控制凸輪軸角度，進(jìn)而控制配氣正時(shí)角。保時(shí)捷在凸輪軸同步齒形帶輪上設(shè)置了一個(gè)液壓裝置，當(dāng)ECU接收位于曲軸的傳感器的訊息，并進(jìn)行處理后，將該轉(zhuǎn)速下的配氣正時(shí)角轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)傳送到液壓裝置，由液壓裝置加壓，使凸輪軸同步齒形帶輪能夠順、逆時(shí)針在紅色和蘭色位置之間自由轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到控制配氣正時(shí)角的目的。可變氣門正時(shí)技術(shù)之二：本田VTEC 下圖是本田VTEC系統(tǒng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的是單VTEC系統(tǒng)，其配氣正時(shí)角的調(diào)整只設(shè)置于進(jìn)氣門，而對(duì)排氣門并無(wú)此作用。齒形皮帶驅(qū)動(dòng)白色部分凸輪軸同步齒形帶輪，而凸輪軸與圖中蘭色部分相連，蘭色部分為凸輪軸末端，其位置與凸輪軸同步齒形帶輪存在一定的夾角，通過液壓對(duì)該角度進(jìn)行調(diào)整，從而控制凸輪軸偏擺的位置，達(dá)到改變配氣正時(shí)角的目的。可變氣門正時(shí)技術(shù)之三：雷諾—日產(chǎn)CVTC 雷諾、日產(chǎn)合并之后，多項(xiàng)技術(shù)都在集團(tuán)內(nèi)部進(jìn)行共用。其中就包括日產(chǎn)潛心研究的CVTC連續(xù)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)。其原理與本田VTEC接近，也是采用液壓作用改變凸輪軸同步齒形帶輪與凸輪軸末端的夾角，從而改變配氣正時(shí)角。在凸輪軸與正時(shí)齒輪之間有高壓油區(qū)和低壓油區(qū)。只要調(diào)節(jié)兩個(gè)油區(qū)之間的壓力差，就能改變配氣正時(shí)角了。兩個(gè)油區(qū)的油壓通過油壓控制閥調(diào)節(jié)的。當(dāng)高壓油路（圖中紅色的通道）接通時(shí)，整個(gè)油室處于加壓狀態(tài)，凸輪軸順時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定角度，配氣正時(shí)被推遲，重疊角增大，適用于低轉(zhuǎn)速；當(dāng)電磁閥控制黃色區(qū)域壓力高于紅色區(qū)域壓力時(shí)，凸輪軸逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定角度，配氣正時(shí)被提前，這樣重疊角減小，適用于高轉(zhuǎn)速。: 回答者：網(wǎng)友

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