可控配气机构

fengyouguo

可根据发动机的运行状况，改变气门的正时、延续期及升程的配气机构，称为可控式配气机构，也称为可变气门机构。传统固定式配气机构气门的正时、延续期及升程，在发动机任何运行状况，始终是与曲轴转角保持不变的。因此两者的零件结构及工作原理也有所不同。
可控式配气机构其目的：通过改变气门的正时、延续期及升程，来增大发动机的扭矩，提高发动机的输出功率及改善燃油经济性，同时满足越来越严格的排放法规要求。目前，各中高轿车均广泛采用可控式配气机构。如大家比较熟悉的丰田车的VVT-i、本田车的VTEC、宝马车的VANOS和Valvefronic、奥迪的可变凸轮正时张紧器等等均属于可控式配气机构。随着汽车工业的发展，未来，可控式配气机构将最终取代固定式配气机构，成为汽车发动机配气机构主流。
1、按照控制参数的不同，可控式配气机构技术分为以下四类：
a  可变气门相位式可控配气机构：即在气门开启持续期和升程曲线不变的前提下，只改变气门的开启时刻和关闭时刻，如图6-13所示

                                 图6-13
b 可变气门相位与持续期式可控配气机构：即在改变气门正时的同时也改变了气门开启持续期，如图6-14所示

图6-14
c.气门升程单独可变式可控配气机构：即能在保持气门的正时和开启持续期不变的条件下，单独改变气门的最大升程，其气门升程曲线如图6-15所示。目前只有Lotus公司研制的电液驱动的气门机构能实现这种改变方式。


图6-15
d可变气门升程与正时式可控式配气机构：即在改变气门升程的同时改变了正时与开启的续期，其气门升程曲线如图6-16所示。
                           
                                    图6-16

2、各类可控式配气机构 ，按其结构方式又可根据有无凸轮轴分为有凸轮轴的可控配气机构和无凸轮轴的可控式配气机构2大类。
    a有凸轮轴的可控式配气机构又分为下列几种：
a.1可变凸轮型线
可变凸轮型线式可控配气机构：其作用能同时改变气门的正时、持续期和升程，目前有阶段式改变与连续式改变两种方式。Honda公司的VTEC、Mitsubishi公司的MIVEC以及Porsche公司的Varlo-Cam等均属于阶段式改变。
以VTEC为例：VTEC全称是可变气门正时和升程电子控制系统，是本田的专有技术。VTEC的可控配气机构是一个由车辆发动机管理系统操纵的液压和机械相结合的摇臂控制机构。主要是在2个进气门上采用了3个凸轮及3个摇臂，其结构如图6--17所示，
   
图6-17 Honda公司的VTEC机构
VTEC的可控配气机构工作原理：其中3个摇臂可独立运动也可连成一体运动。转速较低时，通过液压机构使主、次摇臂分别由主凸轮和次凸轮驱动，中间摇臂随中间凸轮运动，但是对气门不起作用，这样主、次进气门的升程曲线不同，可以形成涡流。转速较高时，通过液压机构使3个摇臂连成一体，并受中间凸轮驱动，以满足发动机高速的要求。但这种改变仍只能优化某些工况，不能实现全工况性能的优化。
   a.2可变凸轮轴相位
可变凸轮轴相位式可控配气机构：其作用只改变气门的正时，先后有螺旋齿式与叶片式及可变正时张紧器式等。如图6—18所示
                                                  
大众的可变正时张紧器式      宝马螺旋齿式VANOS      保时捷的叶片式可控配气机构
                               图6—18
目前叶片式的结构已逐步取代了螺旋齿式的结构。这种叶片式结构是目前高档车发动机上应用最广泛的可变气门机构，例如BMW745的双VANOS 、Toyota的VVT-I、Honda的I-VTEC、Ford的VCT、Delphi的VCP等都采用了这种可变正时机构。双顶置凸轮轴和可变气门正时技术一般是高性能发动机的标志。目前标致、大众、日产等厂家只是属于阶段式改变改变进气门正时；而宝马采用的双VANOS；现在丰田、凌志上应用的双VVT-I技术；奔驰的S3.50V6发动机等均属于连续式改变进气和排气的正时，这在节油、平顺性能改善、环保等方面起到了更积极的效果。
以BMW双VANOS为例：双VANOS即双可调式凸轮轴控制系统。VANOS可控配气机构是一个由车辆发动机管理系统操纵的液压和机械相结合的凸轮轴控制机构，有螺旋齿式结构与叶片式结构两种。双VANOS可控配气机构是指进气和排气凸轮轴都采用VANOS可控配气机构。图6--19为BMW的叶片式双VANOS结构

   
图6-19 BMW 叶片式双Vanos机构结构图
Vanos的工作过程：转子7通过螺栓与凸轮轴固定在一起，壳体1通过链条与曲轴连接。停机时，锁止销6以无压力的方式嵌入凹口锁止槽中，保证每次启动时凸轮轴随壳体1一起运动，使凸轮轴有确定的初始相位。调节相位时，润滑油首先进入凹口锁止槽中，将锁止销压回并释放转子。供油油路与液压腔11相通，向该腔中供油，回油油路与液压腔12相通，向外泄油，转子叶片9在压力差的作用下带动凸轮轴相对于壳体1转动，从而改变相位。反向调节时，供油及泄油与上述方向相反。由电磁阀控制供、泄油的方向，可在60°曲轴转角范围内连续调节凸轮轴相位。
图6-20与图6-21中以排气凸轮的VANOS机构为例，通过油压分布说明工作过程。油压分布用粉色箭头走向表示，回流管路（无压区域）用兰色的虚箭头表示。


图6-20 排气侧VANOS机构调节的示意图


图6-21 排气侧VANOS机构逆向调节的示意图
a.3可变凸轮从动件
可变凸轮从动件式可控配气机构：这类机构保持凸轮型线不变，通过改变凸轮轴与气门之间从动件(如推杆，摇臂等)的运动规律，实现气门运动的可变。按照从动件的类型分为液压式和机械式两类。
    a.3.1液压式可变凸轮从动件可控配气机构：Siemens／Hyundai开发的EVT(Electronic Valve Timing)系统就属于液压式， 该系统已应用于Hyundai2.0L DOHC发动机。其结构如图6--22所示。当电磁阀关闭时，润滑油被封闭在液压腔内，由于液体的不可压缩性，气门按照凸轮型线运动；当电磁阀打开时，凸轮虽然继续驱动从动件，但润滑油会通过电磁阀流出液压腔，从而改变了气门的运动。由ECU控制电磁阀开启与关闭的时刻，就能实现对气门正时和升程的控制。

    　                   图6--22 Siemens／Hyundai公司EVT系统结构示意

        a.3.2机械式可变凸轮从动件可控配气机构：Delphi、BMW等公司开均发出了该类控制自由度较大的机械式连续可变气门升程机构。其中BMW  Valvetronic连续可变气门升程机构是较为典型的，已经广泛应用于BMW发动机。
以BMW  Valvetronic气门升程调节机构为例：其机械式可变气门升程调节机构，是通过一个控制摇臂将凸轮轴、偏心轴与滚轮-摇臂连接起来的从动件机构。见图6--23
  

                         图6—23 BMW Valvetronic气门升程调节机构
该机构在凸轮轴与气门之间增加了一个控制摇臂，并且在缸盖上增加了偏心轴，在偏心轴上设计了偏心轴齿轮，回位弹簧使得控制摇臂的小滚轮与偏心轴齿轮始终保持接触、大滚轮与进气凸轮始终保持接触，这样控制摇臂的运动由凸轮轴与偏心轴共同控制。凸轮轴通过控制摇臂的弧线面驱动滚轮-摇臂，进而控制气门运动。当偏心轴相位不变时，控制摇臂在进气凸轮轴的驱动下围绕某一个中心支点运作，控制摇臂弧线面发生作用的为弧线面的某一段区域。当伺服电机通过涡轮蜗杆机构驱动偏心轴旋转一定角度后，控制摇臂中心支点的位置就会发生变化，从而改变了控制摇臂弧线面发生作用的区域，进而改变了气门升程。
    偏心轴可在0°-170°内连续调节，并且在偏心轴上安装了位置传感器，因此Valvetronic能准确地控制偏心轴的旋转角度，可在0.3-9.85mm范围内连续调节气门的升程。同时，可以用升程的变化实现对负荷的控制，实现无节气门的负荷控制方式，降低泵吸损失。
目前，宝马公司已经把这套机构年装备到了他的主流发动机机上，如以宝马745i,530i,330i为代表的直列6缸发动机及V型8缸发动机都装备了该机构，并与宝马双Vanos相互配合，成为以组合的方式对进气门正时和升程都可连续调节的可控式配气机构。新款本田的I –VTEC和新款丰田、凌志的VVTL-I也是以组合的方式，既可改变气门升程又可连续改变气门正时的，但i-VTEC和VVTL-I对气门升程的改变也只有两级变化，不能做到连续可变。

    b  无凸轮轴的可变气门机构
b.1电磁驱动气门机构
图6-24为FEV公司的电磁驱动气门机构示意，该机构主要由电磁铁线圈1、2以及衔铁组成。线圈1、2均不通电时，气门在上、下弹簧的作用下保持半开半闭；如果线圈2通电而线圈1不通电，衔铁就会在线圈2电磁力的作用下带动气门克服弹簧的作用力向下运动，实现气门的开启；当线圈2断电后，气门在弹簧力的作用下向上运动，接近落座位置时，线圈1通电，以实现快速落座，此后线圈1继续通电，以保持气门的关闭。如此循环往复。该机构能实现气门正时、持续期和升程的独立控制，控制自由度较大。                                                      

                           图6-24 FEV公司电磁驱动式气门机构示意
     
    b.2电液驱动气门机构
图6-25为Ford公司的电液驱动气门机构示意。该系统有高压源和低压源，在气门杆顶端设计了液压活塞，活塞带动气门在液压腔中可以上下往复运动。活塞上端面的控制室与高压源和低压源相连，下端面的液压腔始终与高压源相通，压力保持恒定。虽然活塞上、下端面液压腔的高压源相同，但是由于液压作用面积不同，即使都是高压流体作用时，上、下端面仍会产生压力差驱动气门向下加速运动。通过控制高、低压电磁阀的开启与关闭，改变控制室的压力，就可以实现气门运动的可变。与电磁式气门机构相比，电液式控制的自由度更大，能控制气门运行的速度，但是其动态响应速度却比电磁式要差。

图6-25 Ford公司电液驱动式气门机构示意
    可控配气机构种类繁多，但均是不同程度地改变气门的运行参数，从而不同程度地改善汽油机燃油经济性和动力性，降低排放。目前，应用最广泛的是叶片式可变凸轮相位机构与有凸轮轴的可变气门机构，无凸轮的气门机构还未大量应用于车用发动机。

fengyouguo

第一次发帖，嘿嘿，看了就回一下

zysys_zaj

有个想法和大家交流一下，可以用液压驱动代替目前发动机普遍运用的机械驱动。
在发动机启动时由蓄电池驱动的电机驱动液压泵来开启气门，每个气门上装一个由电磁阀控制的液压缸，而电磁阀由发动机模块根据发动机的工况控制开启，气门闭合还是由气门弹簧来完成。在发动机成功启动后，发动机模块检测到发动机的正常转速，发出控制信号，切断液压泵驱动电机的电源。此时正常运转的发动机可驱动直接链接在发动机上的液压泵为气门开启提高液压能。
      这样发动机可以在任何工况下通过发动机模块对配气相位进行全时调整，使发动机达到最佳工况。
       这套系统可以运用到各种燃料的四冲程发动机上。由于可取消配气凸轮、气门摇臂等传动件，可以提高发动机转速，减少噪音，使发动机始终工作在最佳工况。
       BOSCH的柴油共轨系统就是使用了喷油器控制电磁阀替代了机械高压泵，使柴油机发动机转速得到提高，降低噪音，减少了排放。在轿车上的安装量不断增加。

多多多

这样的液压缸往复运动的速度是不是要求太高了

明春润花儿

有 想法就要去实现，不然永远不会成功的 啊 ！我支持你啊

classical_V

那液压缸是有滞后的吧，怎么考虑滞后的问题

zhao_985

可能是我的链接有问题 看不到图 谢谢了先

cn_xiaohei

很好的帖子！可惜图片看不到，要不然就收藏了。
FEV的无凸轮轴电磁阀气门机构，
优点：响应快；
缺点：驱动气门对应的驱动与电控系统，目前还是一大问题，无论从体积还是从功率消耗上都很难产品化。
我曾经在该试验台架上做过相关试验。

电液驱动是Ford的方法，与后面更贴的液体驱动也是同一概念。
缺点：响应滞后，因为是电控的液压，液压又驱动机械机构。
优点：可能就是柔性控制气门正时吧

所以，无凸轮技术要走向产品化还是比较缥缈的事情。目前还是致力于CVVT来提高一下气门正时的柔性吧。

裴云金

有前途，可以研究。