第五节　发动机可变气门正时技术

传统的发动机都配备了气门式配气机构，按照发动机的动作顺序和工作循环，定时的开启、关闭进排气门，以使得新鲜混合气及时充满气缸，废气得以及时排除气缸外，如图1-29所示。它不具备气门调节技术，发动机高负荷或者低负荷运转时都保持相同进气量和重叠角，无法根据工况来进行适当的调整，也就谈不上降低能耗。

进气量的多少直接关系到发动机的功率和转矩。发动机不同转速需要的配气定时也不同。这是因为当发动机转速改变时，进气流和排气流也随着改变，所以一直采用不变的气门开关时间将会影响燃料的燃烧效率。一般情况下，随着转速的升高，气门重叠角和气门升程随之增加，有利于获得更好的发动机性能，以便更好的提高发动机的动力输出。为保证进气量足够多，排气干净，需要在配气这个环节采用一些新技术。

一、可变气门正时技术

可变气门正时（Variable Valve Timing，VVT）技术是在特定的发动机工况下，通过控制进气门开启角度提前和延迟来调节进排气量和时刻及改变气门重叠角的大小，来实现增大进气量和效率，更好地组织进气涡流，调节气缸爆发压力与残余废气量，来获得发动机功率、转矩、排放、燃油经济性、舒适性等综合性能的改善，从而解决传统固定配气相位发动机的各项性能指标之间相互制约的技术矛盾。

可变气门正时系统主要由VVT油路系统、相位调节器、机油控制阀、各种传感器等组成，相位调节器为该系统的执行器，而机油控制阀为该系统的控制器，如图1-30所示。

发动机管理系统根据节气门开度传感器、发动机水温传感器、转速传感器、空气流量计等传来的信号，查找MAP图（点火控制曲线图），计算出发动机在各工况下所需气门正时角，即目标位置；同时，发动机管理系统根据曲轴位置传感器和凸轮位置传感器传来的反馈信号计算得出凸轮轴的实际位置，将目标位置和实际位置进行比较，并根据其控制策略，向机油控制阀发出作动信号，改变控制阀中阀芯的位置，从而改变油路中机油流向和流量大小，把提前、滞后、保持不变等信号以油压方式反馈至相位调节器空腔内，实现相位调节器内部定子和外部转子之间的相对转动，调节凸轮轴的正时角度，从而达到调整进气（排气）量和气门开闭时间的目的。

VVT系统有液压式和电子式两种。液压式VVT系统需要再建立一定的解锁油压后才能介入工作，对发动机气门正时进行调节，意味着多数情况下发动机怠速时VVT不能工作；而且液压式VVT系统调节角度有限，通常最大调节角度在35°凸轮轴转角。电子式VVT系统依靠直流电机通过齿轮箱带动凸轮轴转动，不依赖发动机机油油压，只要供电便可立即参与调节，而且360°可调。电子式VVT系统的安装要求与中置式VVT系统相似度极高，是未来可变气门技术的发展趋势。

图1-31所示为宝马发动机电子式VVT系统结构示意图，主要通过电动机进行气门升程的控制。当在高速时，通过电动机控制机构，增大气门开度，获得更多的进气量，满足动力的需要；反之同理。

二、连续可变气门正时技术

连续可变气门正时（Continue Variable Valve Timing，CVVT）技术是在可变气门正时技术基础上增加了连续性的概念，其主要设计原理是通过电子控制系统改变凸轮轴打开进气门的时间早晚，从而控制所需的气门重叠角。这项技术着重强调根据发动机的工作状况连续变化，实时控制气门重叠角的大小，从而改变气缸进气量。当发动机低速小负荷运转时，如怠速状态下，应延迟进气门打开时间，减小气门重叠角，以稳定燃烧状态。当发动机低速大负荷运转时，如起步、加速、爬坡，应使进气门打开时间提前，增大气门重叠角，以获得更大的转矩。当发动机高速大负荷运转时，如高速行驶，也应延迟进气门打开时间，减小气门重叠角，从而提高发动机工作效率。当发动机处于中等工况时，如中速匀速行驶，CVVT也会相对延迟进气门打开时间，减小气门重叠角，此时的目的是减少燃料消耗，降低污染排放。

CVVT系统通常包括油压控制阀、进气凸轮齿盘、曲轴位置传感器、凸轮位置传感器、油泵、ECU等。

对于可变气门正时技术，许多厂家都已经掌握，只不过名称和具体实施细节略有不同。例如，丰田叫作VVT-i，本田叫作i-VTEC，奥迪叫作AVS，三菱叫作MIVEC，日产叫作CVTC，马自达叫作S-VT等。

丰田的可变气门正时系统VVT-i已广泛应用，其主要原理是在凸轮轴上加装一套液力机构，通过ECU的控制，在一定角度范围内对气门的开启、关闭时间进行调节，或提前或延迟或保持不变，其示意图如图1-32所示。凸轮轴的正时齿轮的外转子与正时链条（皮带）相连，内转子与凸轮轴相连。外转子可以通过液压油间接带动内转子，从而实现一定范围内的角度提前或延迟。

本田的i-VTEC可变气门升程是在原来的基础上加了第三根摇臂和第三个凸轮轴，通过三根摇臂的分离与结合一体，来实现高低角度凸轮轴的切换，从而改变气门的升程，如图1-33所示。

当发动机处于低负荷时，三根摇臂处于分离状态，低角度凸轮两边的摇臂来控制气门的开闭，气门升程量小；当发动机处于高负荷时，三根摇臂结合为一体，由高角度凸轮驱动中间摇臂，气门升程量大。

奥迪的AVS可变气门升程系统，主要通过切换凸轮轴上两组高度不同的凸轮来实现改变气门的升程，其原理与本田的i-VTEC非常相似，只是AVS系统是通过安装在凸轮轴上的螺旋沟槽套筒，来实现凸轮轴的左右移动，进而切换凸轮轴上的高低凸轮，如图1-34所示。

发动机处于高负荷时，电磁驱动器使凸轮轴向右移动，切换到高角度凸轮，从而增大气门的升程；当发动机处于低负荷时，电磁驱动器使凸轮轴向左移动，切换到低角度凸轮，以减少气门的升程。

三、进排气双连续可变气门正时技术

采用进排气双连续可变气门正时（Dual Variable Valve Timing，DVVT）技术的发动机，通过控制发动机燃烧室中的汽油与空气混合气体达到最合适的空燃比，有效提升动力性，同时可明显改善怠速稳定性从而获得较好的舒适性。DVVT发动机比目前市场上较多采用的进气门正时技术的发动机更高效、节能、环保。

DVVT发动机是VVT的延续和发展，是目前气门可变正时系统技术中最高级的形式。DVVT发动机采用的是与VVT发动机类似的原理，利用一套相对简单的液压凸轮系统实现功能。不同的是，VVT的发动机只能对进气门进行调节，而DVVT发动机可实现对进排气门同时调节，具有低转速大转矩、高转速高功率的优异特性，技术上处于领先地位。

以往，DVVT技术主要在中高级车型中采用，如宝马325DVVT、318i1.8DVVT等，目前也有部分紧凑型车型开始配备此项技术，如奇瑞新A31.6DVVT、雪弗兰科鲁兹1.6DVVT等。

图1-35所示为采用DVVT技术的奇瑞新A3发动机，最大功率为93kW，最大转矩为160N·m，升功率高达58kW/L，动力性提升12％。