汽车发动机配气相位机构
可变配气相位机构
由于发动机进气的循环进行，导致进气管内的气体波动，以致汽缸进气量的忽高忽低，进而出现发动机工作的不稳定，动力性下降，而且随着转速的提高越加严重。为此，现代许多发动机设有可变配气机构、可变进气管等装置。
一、可变配气机构
许多发动机的配气相位通常是兼顾发动机各种工况下性能而采用一种折衷办法，其结果是发动机性能没有得到充分发挥。随着轿车汽油机的高速化和废气排放法规的日趋严格，配气相位固定不变的缺点显得越来越突出。因此，可变配气机构的研究和应用引起了人们的高度重视。 由于高速汽油机配气相位的设置通常偏重于高转速，进气门关闭角较大，而发动机在低速运行时，汽缸内的混合气会反窜至进气管中，致使汽缸内燃烧不稳定，功率下降，怠速不稳定。采用可变配气相位机构后，发动机的进气门关闭角在低速时自动减小，可消除上述现象，改善低速和怠速性能 。
可变配气相位机构是发动机设计的新技术，近十几年发展迅速。可变配气相位机构主要有电磁式、液压式和机械式三大类。国外研制的此机构有数10种，每种形式都有能改变发动机配气相位的功能，但均有各自优缺点。
可变气门配气相位和气门升程电子控制系统
图1所示为日本本田公司90年代初开发的一种可变气门配气相位和气门升程电子控制系统，称为“VTEC”机构。它是既可以改变配气定时，又能改变气门运动规律的可变配气定时一升程的控制机构。其配气凸轮轴上布置了高速和低速两种凸轮轴，采用了设计特殊的摇臂，根据发动
机转速的高低，自动切换凸轮，使摇臂分别被高速凸轮或低速凸轮驱动。由于凸轮的更换，从而实现了配气定时和气门运动规律均可变化的目的。其工作原理为：凸轮轴9上的高速凸轮11处在中摇臂2的位置，左右各自有一个低速凸轮10和12，分别处在主摇臂8和3的位置，在三个摇臂内装有同步柱塞4和5、定时柱塞6以及阻挡柱塞13。在转速低于6 000r/min时（图1 b），同步柱塞不移动同，主动摇臂驱动两个气门。当转速高于6 000r/min时（图1 c）在压力机油的作用下，定时柱塞6移动，并推动同步柱塞4和5移动，将中摇臂锁在一起，3个摇臂一道在高速凸轮的驱动下驱动气门，而高速凸轮两边的低速凸轮随凸轮轴空转。这种机构在本田D18C型1.8L四缸直列式轿车汽油机上得到了应用。
a b c d
图1
1-定时板；2-中摇臂；3-次摇臂；4，5-同步柱塞；6-定时柱塞；7-进气门；8-主摇臂；9-凸轮轴；10、12-低速凸轮；11-高速凸轮；13-阻挡柱塞；14-机油流
二、可变气门正时机构
1、可变气门正时调节器
如图2a发动机在高速状态下，为了充分利用气体进入气缸的流动惯性，提高最大功率，进气门迟后角增大后的位置（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）。 如图2b
发动机在低速
状态下，为了提高最大转矩，进气门迟后角减少的位置。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。
图2
a）发动机在高速状态 b）发动机在低速状态
1-排气凸轮轴；2-进气凸轮轴；3-可变气门正时调节器
当发动机转速下降时，可变气门正时调节器下降，上部链条放松，下部链条作用着排气凸轮旋转示拉力和调节器向下的推力。由于排气凸轮轴在曲轴正时针转动的皮带的作用下不可能逆时会旋转，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；二是调节器储运链条传递给排气凸轮的拉力。进气凸轮轴顺时针额外转动过θ度，满足了低速进气门关闭较早可提高最大转矩的要求。
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，即进气门迟后角增大θ度，满足了高速进气门关闭较迟可提高最大功率的要求。
2、 链条式可变气门正时机构的控制
可变气门正时机构的控制是由发动机控制单元进行控制的。发动机控制单元根据转速传感器、车速传感
器、冷却液温度传感器、节气门位置
传感器等信号，控制左右列汽缸上的
正时阀中阀体动作，使之处于不同的
位置，从而改变通往调节器内的液压
缸油路，使得调节器上升或下降，以致于进气门获得不同的迟后角，如图3，一般可调整
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后角，但是气门叠开角却减小，这是它的缺点。
3、 丰田车系统智能可变气门正时系统（VVT-i系统）
VVT-i（Variable Vable Timing intelligent）系统用来控制进气凸轮轴在40°曲轴转角范围内，保持最侍的气门正时，以适应发动机工作状况，从而实现在所有速度范围提高转矩和燃油经济性，减少废气排放量。这种结构只是改变进气门开、关时间的早晚，配气相位角值不变（时间平移——即早开、早关；晚开、晚关），不改变进气门升程的大小。该机构的相位角调节范围宽，工作可靠，功率可提高10﹪20﹪，油耗可降低3﹪-5﹪。其中VVT-i系统结构原理，如图4和图5。
（1） 部件结构。配气
相位调节机构VVT-i
由外壳、四齿转子、锁
销、控制油道、电磁控
制阀组成。
① 其外壳与正时齿轮固定连接，四
齿转子进气凸轮轴固接。四齿式转子
与外壳的隔墙，形成8个控制油腔，
4个油腔充油，4个油腔泄油，在进
气凸轮轴上的提前或滞后油路传送
机油压力，使VVT-i齿转子沿圆周方
向旋转， 图5
连续改变进气门正时。VVT-i结构图，
如图6。
② 当发动机停机时。进气凸轮轴
多处在滞后状态，以确保起动性能。
液压没有传递至VVT-I调节机构，锁
销会锁止VVT-I调节机构，以防止产
生回火。 图6
③ 电磁控制阀——凸轮轴正时机油电磁控制阀，根据发动机ECU负荷的变化，改变控制滑阀的位置，从而分配液压控制至提前和滞后侧。当发动机停机时，凸轮轴正时机油电磁
控制阀即处在滞后位置。电磁控制阀结
构图，见图7所示。
（2） 控制原理
根据来自发动机ECU的提前、滞后或
保持信号，凸轮轴正时机油电磁控制
阀，选择控制通路。即ECU
是用不同
的电流值，调节滑阀的位置，随发动机工况的变化，有保持、提前、滞后等状态，故称“智能化”配气正时机构。
① 提前——在中等负荷工况，根据来自发动机ECU的提前信号，凸轮轴正时机油电磁控制阀的电流值最大，
使滑阀在图8的所示位置，总油压作用
到正时提前转子油腔，使凸轮轴向正时
提前方向转动，改善缸内废气排出性能，
提高功率。
② 滞后——在怠速和大负荷工况，根据
来自发动机ECU的滞后信号，电磁控
制阀断电，使滑阀处在图9所示位置，
总油压作用到正时滞后转子油腔，使凸
轮轴向正时滞后方向转动，防止回火，
提高充气效率和转矩。
③ 保持——发动机ECU根据移动状况
计算出预定的正时角，预定正时被设置
三、BMW的VALVETRONIC介绍
讲到车坛上的引擎科技，自然不会把这蓝天白云mark的BMW车厂给遗忘，那简易的机置即作到连续性的可变气门引擎，原理是简单却原创性十足，那就是它的得力之作Variable Camshaft Control，叫作“可变凸轮轴控制系统”-VANOS，而Toyota的VVT-i，就是采用BMW这类似的装置；以前，VANOS只被M3等超性能跑车使用，但是，日益严格的环保标准，加上科技的平民化，如今VANOS系统，那怕是双-VANOS也都被广泛地使用在BMW的全车系，这代表可变气门的科技已经慢慢地平民化，而大量使用!BMW的VANOS是连续性的可变气门正时与重叠时间，但是由于没有变化进、排气阀门的“升程”，使得它总是有那么点点的缺憾，特别Toyota与Honda都已经克服这样的问题，那么以引擎科技傲视全球的BMW车厂怎会就此罢休呢？
VANOS系统根据发动机转速和加速踏板位置来操作进气凸轮轴。Valvetronic电子气门是具有可变进气门升程控制功能的气门驱动系统，发动机的进气完全由无级可变进气门升程控制，不再需要以往对于内燃式汽油发动机来讲必不可少的节气门。在发动机转速达到最低时，进气门将随后开启以改善怠速质量及平稳度。发动机处于中等转速时， 进气门提前开启以增大扭矩并允许废气在燃烧室中进行再循环从而减少耗油量和废气的排放。最后，当发动机转速很高时，进气门开启将再次延迟，从而发挥出最大功率。
在油门踏板位置和发动机转速的作用下，进排气凸轮轴的气门正时根据发动机所需的功率进行了调整，双VANOS系统（双可变凸轮轴控制）以此使扭矩得到了显著提升。在多数使用单VANOS系统的宝马发动机中，进气凸轮正时仅在两个明显的转数点变化。而双VANOS系统
中，进气和排气凸轮的正时在大部分转数范围内持续变化。
使用双VANOS系统，气门升程增加了0.9毫米，使得进气门的开启时间因而延迟了12度。为迅速而精确的调整凸轮轴，双VANOS系统需要非常高的油压，以确保在发动机低转速下能提供更大的扭矩，在高转速时有更大的功率。随着不完全燃烧气体的减少，发动机怠速得到了改善。预热阶段的特殊发动机管理控制系统能帮助催化转化器更快地达到工作温度。
四、总结
其实以目前的以上的可变气门引擎来讲，已经都作的越来越像了，原本各车厂都保有各自在VVT-i，VANOS上的优点，之后各家或多或少地解决自己不足的地方。除了商业上的竞争外，不就是对我们生存的空间-地球，许下科技与环保共存的允诺，所以，我们才需要一具既符合我们的动力期待，又能低油耗与低排污的引擎，而今天介绍的这进气引擎VVTL-i，Valvetronic正是我们刚进入21世纪时，献给大自然与全人类的代表作！
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