汽车发动机的可变气门技术探讨

汽车发动机的可变气门技术探讨

张国棋刘晓利张庆

长城汽车股份有限公司河北保定071000

摘要：汽车发动机可变气门技术是当今汽车发动机普遍配置的设备系统。该系统可以对发动机凸轮的相位或者气门的升程进行有效的调节，从而使汽车发动机的配气过程得到优化。因为汽车发动机在高转速和低转速状态下，气门的正时角对发动机的经济性以及动力有所影响，从而提高进气量以及扫气效率，如今的汽车普遍应用这项技术。

关键词：汽车发动机；可变气门；技术探讨

1引言

在汽车发动机的运行过程中，如果发动机在运行过程中，随着发动机气门数量的增多和发动机转速的提高，气门正时和气门升程不能随之改变，那么当汽车发动机处于转速过低、转速过高或者功率输出的状况下，就很难保证燃油的消耗问题。如果汽车发动机使用的是单个气门，在对燃油供给方进行控制时，对这个问题解决起来就会很难。但是如果换一种方式，如使用“可变性能”对其进行“综合处理”，那么这样的问题就很容易被解决。

2发动机可变气门技术的应用的重要性

2.1发动机可变气门正时技术的作用

固定不变的气门正时很难同时满足发动机高转速、低转速等多种工况的需求。可变气门正时技术的功能是改变发动机气门开启时间、闭合时间和气门开启持续时间，以满足发动机不同工况下的需求。多数发动机可变气门正时系统可以实现进气门可变正时，即单可变气门正时技术；而少数发动机还在排气门配备了可变气门正时系统，即双可变气门正时技术。

2.2发动机可变气门升程技术的作用

发动机的动力性大小取决于喷油量的多少，而喷油量的多少与单位时间内进入气缸内的空气量多少有关。发动机可变气门正时技术只能改变气门开启、闭合时间和气门开启持续时间，却不能显著改变单位时间内的进气量，而可变气门升程技术就能满足这个需求。可变气门升程技术的功能主要是改变发动机气门开启的深度即气门升程，以达到根据发动机转速的需求提供空气量，从而使燃烧更充分效率更高，从而提高汽车经济性能。

3典型的可变气门升程技术控制为主的发动机技术

3.1本田汽车的“VTEC”系统

“VTEC”可以同时对发动机气门开度和气门开启时间进行控制的系统，对“VTEC”进行控制的系统主要是“ECU”，它通过发动机中各个传感器，其中包括气缸进气压力传感器、发动机转速传感器、车辆行驶速度传感器、水温传感器等，根据其产生的信号，进行相应指令的发送，同时可以控制凸轮在特定的范围内运转，以此对气门的开闭时间和开闭开度进行合理控制。一般的汽车发动机中，每个汽缸只配备一个凸轮对其进行驱动，但是本田汽车中VTEC系统发动机内含有两个凸轮对其进行驱动，即中低速、高度运转两个组合，通过对电子系统的运用，使其自行进行操纵，从而达成自动转换目标。本田汽车发动机中利用的VTEC系统，可以同时对发动机的低速运转和高速运转中气门的开闭进行时间和开度的控制，这样就能同时达成汽车的动力性和经济性。

本田“VTEC”与其他汽车发动机不同的地方主要是凸轮和摇臂的数目和控制方法。其是世界上第一个能够对气门的开闭时间以及升程两个性能同时控制的气门控制系统。其系统通过计算机对气门的正时和升程进行控制，可以在很大程度上提高汽车燃油效率，本田公司几乎在所有车档中均运用了“VTEC”系统。

3.2奥迪AVS可变气门升程系统

奥迪AVS可变气门升程系统的凸轮轴上安装有螺旋沟槽套筒，并且每个进气门对应了两组不同角度的凸轮。螺旋沟槽套筒的作用是可以切换两组不同的凸轮，从而改变进气门的升程，它由其上方的电磁驱动器进行控制，当发动机低转速工况运行时，奥迪AVS可变气门升程系统将凸轮推至左侧，采用低角度凸轮驱动气门。当发动机高转速工况运行时，奥迪AVS可变气门升程系统则将螺旋沟槽套筒向右推动，采用高角度凸轮驱动气门。

3.3丰田汽车VVT-i智能可变气门系统

VVT-i系统是丰田汽车中发动机可变气门系统，当前这项技术已经在丰田汽车中普遍使用。VVT-i系统可以对发动机气门运动进行连续的正时调节，但是对气门的开度大小不能控制。这项技术的工作原理主要是：当汽车的运行速度由低到高运行时，“ECU”就会向凸轮控制下小涡轮内挤压机油，从而使小涡轮进行运转，其运转是相对凸轮进行的，这样就使得凸轮在60。范围内前后旋转，这样就会对气门的开启和闭合时间有所控制，从而实现气门的连续这时目标。这项技术的最大特点是，可以根据汽车发动机所处状态对凸轮进行合理控制，对凸轮轴的转角进行合理的调整，从而优化配气时机，保证对燃油的配气达到最佳状态，以此来帮助燃油充分燃烧，并且提高汽车扭矩，提升汽车的各项性能。

3.4保时捷Variocam可变气门升程系统

保时捷Variocam可变气门升程系统可实现每个进气门分别有2种气门升程。气门升程变化由两组凸轮控制，一组是两个高速凸轮，另一组是一个低速凸轮（既两个高速凸轮之间的凸轮）。当发动机高转速工况运行时，气门座顶端的控制活塞在液压的驱动下从气门座被推入到气门顶中，从而使气门和气门座之间实现了刚性的连接，低速凸轮空转不驱动气门，而高速凸轮驱动气门座并带动气门向下运动获得较大的气门升程，此时气门升程的大小取决于高速凸轮的升程。反之当发动机低转速工况运行时，控制活塞落在气门座内，低速凸轮驱动气门顶向下运动，从而获得较小的气门升程；而高速凸轮只能驱动气门座却不能带动整个气门运动，此时气门升程的大小取决于低速凸轮的升程。

4可变气门技术的发展趋势

在进、排气门开、闭的四个阶段中，进气门迟闭角和进、排气门叠开角对发动机的充气效率有较大的影响，以进气门迟闭角为例：当发动机转速较低时，进气门迟闭角过大，新鲜充量被向上止点运动的活塞推回到进气管，这是因为活塞到下止点时，缸内压力与进气管压力相近；当发动机转速高时，允许有较大的进气门迟闭角，这是因为活塞到下止点时缸内压力远低于进气管压力，可以获得较多的过后充量。为了实现配气机构的最大可能的多自由度的可变，利用电磁阀进行驱动的开发也在进行中，这种系统能对气门开启角实现各种角度的可变，将来也可能实现批量生产，但从成本方面来说，可能还不能完全取代现行的可变配气机构。目前大多数发动机使用机械式气门系，这种驱动形式的有效性、可靠性强，但是缺点也很明显：不能改变气门正时、延续时间和进气门升程。随着汽油直喷式发动机、混合动力发动机的不断推出以及排放法规的强化等，为了解决上述问题，可变配气机构得到了广泛的应用。伴随着发动机的高性能化，可变配气机构作为一个重要的手段正变得越来越必要和不可缺少，连续可变配气凸轮轴相对于传统可变配气技术凸轮轴。

4.1无凸轮驱动

无凸轮驱动可变配气相位机构可分为电磁驱动可变配气相位机构、电液驱动可变配气相位机构、电气驱动可变配气相位机构以及其他驱动方式的可变配气相位机构。

4.2电磁驱动

电磁驱动可变配气相位机构是利用电磁铁产生的电磁力驱动气门；电液驱动可变配气相位机构是利用一种压缩性较小流体的弹性特征对气门的开启和关闭起加速和减速的作用，对内燃机气门正时、气门升程和气门运动速度提供了连续的可变控制；电气驱动可变配气相位机构与前者的工作原理相似，只不过所用的介质是空气。

结语：

在汽车发动机可变气门技术中，升程系统主要控制气门的开度，而正时系统是控制气门开闭的时间。它们均决定了发动机进气量的大小，同属于汽车发送机可变气门控制系统。如今可变气门技术发展得越来越快，这项技术在汽车发动机中的使用可以说是汽车领域发展的一个里程碑，可以看出未来的汽车技术将向着越来越先进的方向发展。

参考文献:

[1]宋学忠，马丽娜.发动机可变气门升程技术概述[J].内燃机与配件，2013（01）：32-35.

[2]徐涛，詹樟松，吴学松，等.可变气门升程技术现状及发展趋势[J].内燃机，2013，（6）.