连续可变气门正时系统 是什么?

2020-06-03 汽车 101阅读
现代引擎多采用DOHC的缸盖设计,两根凸轮轴被设置在引擎顶部,通过齿形带轮或链条从曲轴端取力,并以2:1的速度驱动凸轮轴,此时凸轮轴商凸轮的旋转推动气门进行上下往复运动,从而控制气门的开启和闭合。而我们今天要关注的,其实就是气门开合的问题。
什么是“可变气门行程”?
活塞式四冲程引擎都由进气、压缩、做功、排气4个冲程完成,我们关注的是气门开启程度对引擎进气的问题。气缸进气的基本原理是“负压”,也就是气缸内外的气体压强差。在引擎低速运转时,气门的开启程度切不可过大,这样容易造成气缸内外压力均衡,负压减小,从而进气不够充分,对于气门的工作而言,这个“小程度开启”需要短行程的方式加以控制;而高速恰恰相反,转速动辄5000rpm,倘若气门依然羞羞答答不肯打开,引擎的进气必然受阻,所以,我们需要长行程的气门升程。往往,工程师们既要兼顾引擎在低速区的扭矩特性,又想榨取高速区的功率特性,只能采取一条“折中”的思路,到头来引擎高速没功率,低速缺扭矩...
所以在这样的情况下,就需要一种对气门升程进行调节的装置,也就是我们要说的“可变气门正时技术”。该技术既能保证低速高扭矩,又能获得高速高功率,对引擎而言是一个极大的突破。
80年代,诸多企业开始投入了可变气门正时的研究,1989年本田首次发布了“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”,英文全称“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System,也就是我们常见的VTEC。此后,各家企业不断发展该技术,到今天已经非常成熟,丰田也开发了VVT-i,保时捷开发了Variocam,现代开发了DVVT……几乎每家企业都有了自己的可变气门正时技术。一系列可变气门技术虽然商品名各异,但其设计思想却极为相似。
可变气门正时技术之一:保时捷Variocam

保时捷911跑车引擎采用的可变气门正时技术Variocam.
当引擎在低转速工况时,气门座顶端的黄色的控制活塞落在气门座内。这样高速凸轮只能驱动气门座向下行程而不能带动整个气门动作,整个气门由低速凸轮驱动气门顶向下行程,这样获得的气门开度就较小。反之当发动机在高转速工况时,控制活塞在液压的驱动下从气门座推入到气门顶中,把气门座和气门刚性的连接,高速凸轮驱动气门座时就能带动气门向下行程获得较大的气门开度。
可变气门正时技术之二:本田VTEC

凸轮轴上依然布置有高速凸轮与低速凸轮,但由于本田引擎的气门由摇臂驱动,所以不能像保时捷一样紧凑。控制高低速凸轮切换的是一组结构复杂的摇臂,通过传感器测出引擎转速,传送到ECU进行控制,并由ECU发出指令控制摇臂。简单地说,就是这套摇臂能够根据转速不同自动选取1进1排的2气门工作或者2进2排的4气门工作,从而让发动机在高低速工况下都能顺畅自如。
通常,转速低于3500rpm时,各有一支进气、排气凸轮工作,此时发动机近似为一台2气门发动机,这样的好处是,能够增加负压,利于进气;转速超过3500rpm时,液压系伺服系统接到发动机中央控制器ECU指令,对摇臂内机油加压,压力机油推动定时柱塞移动,使得同步柱塞将高速摇臂与主副摇臂刚性连接,此时低速凸轮虽然转动,但处于空转状态,并不参与工作,从而4支活塞共同工作,以适应高速运转。
可变气门正时技术之三:宝马Valvetronic

与保时捷Variocam、本田VTEC相同的技术还有很多,例如丰田VVT-i,通用ECOtec系列引擎的VVT等等,这些技术能够改变气门升程,但是局限性在于,这些技术都只有“两段式”可调,在气门行程进行变化的一刻会感觉到顿挫感。由此,宝马对气门行程的调节煞费苦心,开发了一套可以连续可变的气门正时技术,目前号称最具科技含量的气门正时技术。
与众不同的是,宝马采用的是电机驱动的方式,电机的周相运动通过蜗杆传动齿轮,准变为摇臂的控制角度变化,然后在凸轮轴的驱动下由摇臂带动气门运动。通过改变摇臂的角度即可改变气门的行程。由于采用了电机控制,在ECU指令下电机能够“无极”变化角度,使得气门升程的改变并不影响引擎工作,没有顿挫感,也更能有针对性地对每个转速范围进行细致的配气分析。
四冲程汽油机的工作原理。进气冲程,发动机进气门开,排气门闭,活塞下行将空气吸入汽缸;压缩冲程,进排气门关闭,活塞上行,将混合燃气压缩;做功冲程,进排气门关闭,火花塞点火将燃气点燃,高压燃气将活塞向下推动;排气冲程,进气门闭,排气门开,活塞上行将废气挤出汽缸。就这么周而复始的活塞上下往复运动,通过连杆连接到曲轴,转变成为圆周运动,源源不断地传输动力……
如果,事情就这么简单就好了,工程师们也就不用费尽心思设计配气机构了。可是,空气在汽缸里的运动并非想象中那么规规矩矩,巨大的运动惯量和复杂的热运动让燃气的脾气变得错综复杂。进气门和排气门的工作也并非严格按照上述的时刻开启和关闭。在排气形成接近终了,活塞即将达到上止点前,进气门就开启。这是为了保证进气行程开始时进气门已经开大,新鲜空气可以顺利充入汽缸进气冲程结束,直到活塞过了下止点又上行开始压缩冲程,进气门才关闭。在压缩冲程开始阶段,活塞上行速度缓慢,气流惯性与活塞内外压力差依然能够让汽缸进气。同样,排气门也在作功行程末,活塞达到下止点前即开启,此时汽缸内虽然有0.3-0.5Bar的气压,但是对作功作用并不大,索性打开排气门,将其排出汽缸。排气门的关闭点也在排气过程末,进气冲程开始后。活塞处于上止点时,汽缸内废气压力依然高于大气压,加之排气具有惯性,晚关排气门有利于更彻底的排气。
这个特征当然需要在配气机构得以体现,那么控制气门开启和关闭的任务当然就交给了凸轮轴。凸轮轴设计了进排气提前和延时的角度,这个角度统称为配气正时角。
配气正时可变
发动机技术发展到今天,民用车转速范围已经拓展到6000rpm乃至9000rpm,低速和高速时,气门开启关闭的时刻需要与转速匹配。
在低转速时,进气速度慢,所以气门重叠角可以相对大一些,应该应该让进气门提前打开和延时关闭的时间更长一些,以保证充分进气;在高转速情况下,由于混合气流速很快,那么气门重叠角就应变小,让气门提前开启和延时关闭的时间减短,这样才不会造成进排气干涉。发动机才能在保证不发生进排气干涉的情况下,让其在各个工况都能得到充分的进气,从而提高了发动机的工作效率,也让发动机在低转时能有充分的扭力输出,高转速时能有更强大的功率输出,让发动机扭力输出得更平稳,特性曲线更线性。
为了达到这种“可变”的效果,各家企业都有自己的一套手段来对配气正时进行调整。
可变气门正时技术之一:保时捷Variocam
在凸轮轴左边有一凸轮轴同步齿形带轮,曲轴动力通过正时链条传递到带轮,并进一步输送到凸轮轴上,以控制凸轮轴角度,进而控制配气正时角。保时捷在凸轮轴同步齿形带轮上设置了一个液压装置,当ECU接收位于曲轴的传感器的讯息,并进行处理后,将该转速下的配气正时角转变成为电信号传送到液压装置,由液压装置加压,使凸轮轴同步齿形带轮能够顺、逆时针在红色和兰色位置之间自由转动,达到控制配气正时角的目的。
可变气门正时技术之二:本田VTEC
其配气正时角的调整只设置于进气门,而对排气门并无此作用。齿形皮带驱动白色部分凸轮轴同步齿形带轮,而凸轮轴与图中兰色部分相连,兰色部分为凸轮轴末端,其位置与凸轮轴同步齿形带轮存在一定的夹角,通过液压对该角度进行调整,从而控制凸轮轴偏摆的位置,达到改变配气正时角的目的。
可变气门正时技术之三:雷诺—日产CVTC
雷诺、日产合并之后,多项技术都在集团内部进行共用。其中就包括日产潜心研究的CVTC连续可变气门正时系统。其原理与本田VTEC接近,也是采用液压作用改变凸轮轴同步齿形带轮与凸轮轴末端的夹角,从而改变配气正时角。
在凸轮轴与正时齿轮之间有高压油区和低压油区。只要调节两个油区之间的压力差,就能改变配气正时角了。两个油区的油压通过油压控制阀调节的。当高压油路(图中红色的通道)接通时,整个油室处于加压状态,凸轮轴顺时针偏转一定角度,配气正时被推迟,重叠角增大,适用于低转速;当电磁阀控制黄色区域压力高于红色区域压力时,凸轮轴逆时针偏转一定角度,配气正时被提前,这样重叠角减小,适用于高转速。
这里另外说一下,大众公司相似的技术是 “Variable Valve Timing”,中文叫做“可变进气相位(正时)”。其原理与本田的VTEC 相似,不过相对较简单,少了升程控制系统,对气门的控制没有VTEC精确。但在ea888上的1.8t fsi采用的是新一代的可变正时控制系统,也是液压控制,比以前的老引擎上的控制系统要精确,响应更加敏捷,但也只是进气门正时控制,并没有实现对排气门的正时控制。大众好像没有采用气门升程控制技术,因此不能控制气门升程大小,不知道为什么,是不是因为在进气歧管上已经有变截面技术来控制气流了?
本田
VTEC 分级可变气门升程 分级可变配气正时
i-VTEC 分级可变气门升程 连续可变配气正时
丰田
vvt-i 连续可变配气正时
dual vvti 连续可变配气正时(进排气门分别独立控制)
vvtl-i 分级可变气门升程 连续可变配气正时
bmw
Valvetronic 连续可变气门升程
Double VANOS 连续可变配气正时(进排气门分别独立控制)
vw
Variable Valve Timing 连续可变配气正时(进气门)
好像audi有款 fsi发动机又已经采用了包括可变气门升程,连续可变进气门,排气门配气正时技术
三菱
MIVEC 分级可变气门升程 连续可变配气正时
马自达
s-vt 分级可变气门升程 连续可变配气正时
日产
CVTC 连续可变配气正时
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