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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構、工作原理能否拿一兩種舉例，和幾種車型來說明？？: 問提問者：網友 | 2017-03-11

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現代引擎多采用DOHC的缸蓋設計，兩根凸輪軸被設置在引擎頂部，通過齒形帶輪或鏈條從曲軸端取力，并以2：1的速度驅動凸輪軸，此時凸輪軸商凸輪的旋轉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”，也就是氣缸內外的氣體壓強差。在引擎低速運轉時，氣門的開啟程度切不可過大，這樣容易造成氣缸內外壓力均衡，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的扭矩特性，又想榨取高速區的功率特性，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節的裝置，也就是我們要說的“可變氣門正時技術”。該技術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，諸多企業開始投入了可變氣門正時的研究，1989年本田首次發布了“可變氣門配氣相位和氣門升程電子控制系統”，英文全稱“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System，也就是我們常見的VTEC。此后，各家企業不斷發展該技術，到今天已經非常成熟，豐田也開發了VVT-i，保時捷開發了Variocam，現代開發了DVVT……幾乎每家企業都有了自己的可變氣門正時技術。一系列可變氣門技術雖然商品名各異，但其設計思想卻極為相似。可變氣門正時技術之一：保時捷Variocam 保時捷911跑車引擎采用的可變氣門正時技術Variocam 通過氣門我們可以發現其兩個位置，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。當引擎在低轉速工況時，氣門座頂端的黃色的控制活塞落在氣門座內。這樣高速凸輪只能驅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動氣門頂向下行程，這樣獲得的氣門開度就較小。反之當發動機在高轉速工況時，控制活塞在液壓的驅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動，所以不能像保時捷一樣緊湊。控制高低速凸輪切換的是一組結構復雜的搖臂，通過傳感器測出引擎轉速，傳送到ECU進行控制，并由ECU發出指令控制搖臂。簡單地說，就是這套搖臂能夠根據轉速不同自動選取1進1排的2氣門工作或者2進2排的4氣門工作，從而讓發動機在高低速工況下都能順暢自如。通常，轉速低于3500rpm時，各有一支進氣、排氣凸輪工作，此時發動機近似為一臺2氣門發動機，這樣的好處是，能夠增加負壓，利于進氣；轉速超過3500rpm時，液壓系伺服系統接到發動機中央控制器ECU指令，對搖臂內機油加壓，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動，但處于空轉狀態，并不參與工作，從而4支活塞共同工作，以適應高速運轉。可變氣門正時技術之三：寶馬Valvetronic 與保時捷Variocam、本田VTEC相同的技術還有很多，例如豐田VVT-i，通用ECOtec系列引擎的VVT等等，這些技術能夠改變氣門升程，但是局限性在于，這些技術都只有“兩段式”可調，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節煞費苦心，開發了一套可以連續可變的氣門正時技術，目前號稱最具科技含量的氣門正時技術。與眾不同的是，寶馬采用的是電機驅動的方式，電機的周相運動通過蝸桿傳動齒輪，準變為搖臂的控制角度變化，然后在凸輪軸的驅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，進排氣門關閉，活塞上行，將混合燃氣壓縮；做功沖程，進排氣門關閉，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計配氣機構了。可是，空氣在汽缸里的運動并非想象中那么規規矩矩，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開大，新鮮空氣可以順利充入汽缸；進氣沖程結束，直到活塞過了下止點又上行開始壓縮沖程，進氣門才關閉。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。排氣門的關閉點也在排氣過程末，進氣沖程開始后。活塞處于上止點時，汽缸內廢氣壓力依然高于大氣壓，加之排氣具有慣性，晚關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得以體現，那么控制氣門開啟和關閉的任務當然就交給了凸輪軸。凸輪軸設計了進排氣提前和延時的角度，這個角度統稱為配氣正時角。配氣正時可變發動機技術發展到今天，民用車轉速范圍已經拓展到6000rpm乃至9000rpm，低速和高速時，氣門開啟關閉的時刻需要與轉速匹配。在低轉速時，進氣速度慢，所以氣門重疊角可以相對大一些，應該應該讓進氣門提前打開和延時關閉的時間更長一些，以保證充分進氣；在高轉速情況下，由于混合氣流速很快，那么氣門重疊角就應變小，讓氣門提前開啟和延時關閉的時間減短，這樣才不會造成進排氣干涉。發動機才能在保證不發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，從而提高了發動機的工作效率，也讓發動機在低轉時能有充分的扭力輸出，高轉速時能有更強大的功率輸出，讓發動機扭力輸出得更平穩，特性曲線更線性。為了達到這種“可變”的效果，各家企業都有自己的一套手段來對配氣正時進行調整。可變氣門正時技術之一：保時捷Variocam 如上圖可以發現，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，將該轉速下的配氣正時角轉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動，達到控制配氣正時角的目的。可變氣門正時技術之二：本田VTEC 下圖是本田VTEC系統，該發動機匹配的是單VTEC系統，其配氣正時角的調整只設置于進氣門，而對排氣門并無此作用。齒形皮帶驅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。可變氣門正時技術之三：雷諾—日產CVTC 雷諾、日產合并之后，多項技術都在集團內部進行共用。其中就包括日產潛心研究的CVTC連續可變氣門正時系統。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和低壓油區。只要調節兩個油區之間的壓力差，就能改變配氣正時角了。兩個油區的油壓通過油壓控制閥調節的。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，凸輪軸順時針偏轉一定角度，配氣正時被推遲，重疊角增大，適用于低轉速；當電磁閥控制黃色區域壓力高于紅色區域壓力時，凸輪軸逆時針偏轉一定角度，配氣正時被提前，這樣重疊角減小，適用于高轉速。: 回答者：網友

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