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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，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)動凸輪軸，此時凸輪軸商凸輪的旋轉(zhuǎn)推動氣門進行上下往復運動，從而控制氣門的開啟和閉合。而我們今天要關(guān)注的，其實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氣、壓縮、做功、排氣4個沖程完成，我們關(guān)注的是氣門開啟程度對引擎進氣的問題。氣缸進氣的基本原理是“負壓”，也就是氣缸內(nèi)外的氣體壓強差。在引擎低速運轉(zhuǎn)時，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，負壓減小，從而進氣不夠充分，對于氣門的工作而言，這個“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)速動輒5000rpm，倘若氣門依然羞羞答答不肯打開，引擎的進氣必然受阻，所以，我們需要長行程的氣門升程。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，到頭來引擎高速沒功率，低速缺扭矩…… 所以在這樣的情況下，就需要一種對氣門升程進行調(diào)節(jié)的裝置，也就是我們要說的“可變氣門正時技術(shù)”。該技術(shù)既能保證低速高扭矩，又能獲得高速高功率，對引擎而言是一個極大的突破。 80年代，諸多企業(yè)開始投入了可變氣門正時的研究，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)計思想?yún)s極為相似。可變氣門正時技術(shù)之一：保時捷Variocam 保時捷911跑車引擎采用的可變氣門正時技術(shù)Variocam 通過氣門我們可以發(fā)現(xiàn)其兩個位置，圖中每個進氣門分別有2種最大行程，綠色位置顯然是高速時氣門能夠達到的最大行程。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。當引擎在低轉(zhuǎn)速工況時，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)動氣門座向下行程而不能帶動整個氣門動作，整個氣門由低速凸輪驅(qū)動氣門頂向下行程，這樣獲得的氣門開度就較小。反之當發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速工況時，控制活塞在液壓的驅(qū)動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)動氣門座時就能帶動氣門向下行程獲得較大的氣門開度。可變氣門正時技術(shù)之二：本田VTEC 與保時捷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，所以不能像保時捷一樣緊湊?？刂聘叩退偻馆喦袚Q的是一組結(jié)構(gòu)復雜的搖臂，通過傳感器測出引擎轉(zhuǎn)速，傳送到ECU進行控制，并由ECU發(fā)出指令控制搖臂。簡單地說，就是這套搖臂能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速不同自動選取1進1排的2氣門工作或者2進2排的4氣門工作，從而讓發(fā)動機在高低速工況下都能順暢自如。通常，轉(zhuǎn)速低于3500rpm時，各有一支進氣、排氣凸輪工作，此時發(fā)動機近似為一臺2氣門發(fā)動機，這樣的好處是，能夠增加負壓，利于進氣；轉(zhuǎn)速超過3500rpm時，液壓系伺服系統(tǒng)接到發(fā)動機中央控制器ECU指令，對搖臂內(nèi)機油加壓，壓力機油推動定時柱塞移動，使得同步柱塞將高速搖臂與主副搖臂剛性連接，此時低速凸輪雖然轉(zhuǎn)動，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)高速運轉(zhuǎn)。可變氣門正時技術(shù)之三：寶馬Valvetronic 與保時捷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)，在氣門行程進行變化的一刻會感覺到頓挫感。由此，寶馬對氣門行程的調(diào)節(jié)煞費苦心，開發(fā)了一套可以連續(xù)可變的氣門正時技術(shù)，目前號稱最具科技含量的氣門正時技術(shù)。與眾不同的是，寶馬采用的是電機驅(qū)動的方式，電機的周相運動通過蝸桿傳動齒輪，準變?yōu)閾u臂的控制角度變化，然后在凸輪軸的驅(qū)動下由搖臂帶動氣門運動。通過改變搖臂的角度即可改變氣門的行程。由于采用了電機控制，在ECU指令下電機能夠“無極”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，也更能有針對性地對每個轉(zhuǎn)速范圍進行細致的配氣分析。四沖程汽油機的工作原理。進氣沖程，發(fā)動機進氣門開，排氣門閉，活塞下行將空氣吸入汽缸；壓縮沖程，進排氣門關(guān)閉，活塞上行，將混合燃氣壓縮；做功沖程，進排氣門關(guān)閉，火花塞點火將燃氣點燃，高壓燃氣將活塞向下推動；排氣沖程，進氣門閉，排氣門開，活塞上行將廢氣擠出汽缸。就這么周而復始的活塞上下往復運動，通過連桿連接到曲軸，轉(zhuǎn)變成為圓周運動，源源不斷地傳輸動力…… 如果，事情就這么簡單就好了，工程師們也就不用費盡心思設(shè)計配氣機構(gòu)了。可是，空氣在汽缸里的運動并非想象中那么規(guī)規(guī)矩矩，巨大的運動慣量和復雜的熱運動讓燃氣的脾氣變得錯綜復雜。進氣門和排氣門的工作也并非嚴格按照上述的時刻開啟和關(guān)閉。在排氣形成接近終了，活塞即將達到上止點前，進氣門就開啟。這是為了保證進氣行程開始時進氣門已經(jīng)開大，新鮮空氣可以順利充入汽缸；進氣沖程結(jié)束，直到活塞過了下止點又上行開始壓縮沖程，進氣門才關(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氣。同樣，排氣門也在作功行程末，活塞達到下止點前即開啟，此時汽缸內(nèi)雖然有0.3-0.5Bar的氣壓，但是對作功作用并不大，索性打開排氣門，將其排出汽缸。排氣門的關(guān)閉點也在排氣過程末，進氣沖程開始后?；钊幱谏现裹c時，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。這個特征當然需要在配氣機構(gòu)得以體現(xiàn)，那么控制氣門開啟和關(guān)閉的任務(wù)當然就交給了凸輪軸。凸輪軸設(shè)計了進排氣提前和延時的角度，這個角度統(tǒng)稱為配氣正時角。配氣正時可變發(fā)動機技術(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，氣門開啟關(guān)閉的時刻需要與轉(zhuǎn)速匹配。在低轉(zhuǎn)速時，進氣速度慢，所以氣門重疊角可以相對大一些，應(yīng)該應(yīng)該讓進氣門提前打開和延時關(guān)閉的時間更長一些，以保證充分進氣；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關(guān)閉的時間減短，這樣才不會造成進排氣干涉。發(fā)動機才能在保證不發(fā)生進排氣干涉的情況下，讓其在各個工況都能得到充分的進氣，從而提高了發(fā)動機的工作效率，也讓發(fā)動機在低轉(zhuǎn)時能有充分的扭力輸出，高轉(zhuǎn)速時能有更強大的功率輸出，讓發(fā)動機扭力輸出得更平穩(wěn)，特性曲線更線性。為了達到這種“可變”的效果，各家企業(yè)都有自己的一套手段來對配氣正時進行調(diào)整。可變氣門正時技術(shù)之一：保時捷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，曲軸動力通過正時鏈條傳遞到帶輪，并進一步輸送到凸輪軸上，以控制凸輪軸角度，進而控制配氣正時角。保時捷在凸輪軸同步齒形帶輪上設(shè)置了一個液壓裝置，當ECU接收位于曲軸的傳感器的訊息，并進行處理后，將該轉(zhuǎn)速下的配氣正時角轉(zhuǎn)變成為電信號傳送到液壓裝置，由液壓裝置加壓，使凸輪軸同步齒形帶輪能夠順、逆時針在紅色和蘭色位置之間自由轉(zhuǎn)動，達到控制配氣正時角的目的。可變氣門正時技術(shù)之二：本田VTEC 下圖是本田VTEC系統(tǒng)，該發(fā)動機匹配的是單VTEC系統(tǒng)，其配氣正時角的調(diào)整只設(shè)置于進氣門，而對排氣門并無此作用。齒形皮帶驅(qū)動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，通過液壓對該角度進行調(diào)整，從而控制凸輪軸偏擺的位置，達到改變配氣正時角的目的。可變氣門正時技術(shù)之三：雷諾—日產(chǎn)CVTC 雷諾、日產(chǎn)合并之后，多項技術(shù)都在集團內(nèi)部進行共用。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，從而改變配氣正時角。在凸輪軸與正時齒輪之間有高壓油區(qū)和低壓油區(qū)。只要調(diào)節(jié)兩個油區(qū)之間的壓力差，就能改變配氣正時角了。兩個油區(qū)的油壓通過油壓控制閥調(diào)節(jié)的。當高壓油路（圖中紅色的通道）接通時，整個油室處于加壓狀態(tài)，凸輪軸順時針偏轉(zhuǎn)一定角度，配氣正時被推遲，重疊角增大，適用于低轉(zhuǎn)速；當電磁閥控制黃色區(qū)域壓力高于紅色區(qū)域壓力時，凸輪軸逆時針偏轉(zhuǎn)一定角度，配氣正時被提前，這樣重疊角減小，適用于高轉(zhuǎn)速。: 回答者：網(wǎng)友

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