許悅

（杭州市市級機關(guān)汽車修理服務(wù)中心 310004)

奧迪氣門升程控制系統(tǒng)AVS原理與診斷

許悅

（杭州市市級機關(guān)汽車修理服務(wù)中心 310004)

通過以Audi汽車公司的BDX發(fā)動機為例，介紹了氣門升程控制系統(tǒng)AVS的原理、結(jié)構(gòu)及工作形式。對各個分系統(tǒng)進行了詳細的剖析，描述了系統(tǒng)的工作過程，解釋了電路結(jié)構(gòu)，說明了系統(tǒng)自診斷功能和故障運行模式，總結(jié)了該系統(tǒng)的優(yōu)缺點。

氣門升程控制系統(tǒng)；AVS；凸輪塊；滑槽；導銷；電磁閥；測量數(shù)據(jù)塊；波形

近二十年來，隨著越來越嚴格的排放法規(guī)實施和動力需求的提高，車用發(fā)動機的機械結(jié)構(gòu)（尤其是缸蓋、配氣機構(gòu)）發(fā)生了很大的改變，傳統(tǒng)的固定氣門交疊角、氣門升程的配氣機構(gòu)，已經(jīng)無法滿足車輛對發(fā)動機的性能需要。各大汽車公司在缸蓋結(jié)構(gòu)與配氣機構(gòu)方面的研發(fā)改進是發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的主要形式之一，由此出現(xiàn)了多種機構(gòu)形式。

在氣門交疊角控制方面一般是以VVT方式為主流，雖然各家公司叫法不同，但最早成熟推向市場的是豐田公司開發(fā)的VVT技術(shù)。在氣門升程控制方面，目前分為升程全可控和階段可控兩種，由于專利限制、研發(fā)困難且成本較高，所以投入市場應(yīng)用的種類并不多。全可控技術(shù)比較有代表性的是寶馬公司的Valvetronic技術(shù)，日產(chǎn)公司的VVEL可變氣門升程技術(shù)。而階段性可控最著名的就是本田公司的VTEC技術(shù)，本文所要介紹的Audi的氣門升程控制也屬于這一類[1]。

Audi公司推出的氣門升程階段可控技術(shù)簡稱AVS，該系統(tǒng)通過進氣凸輪軸上低速和高速兩種凸輪實現(xiàn)升程的控制，達到低速時良好的經(jīng)濟性及平順性，高速時擁有更好的動力性。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在多款大眾與奧迪車型上，本文以奧迪的2.8 L排量FSI V6發(fā)動機BDX為例對該系統(tǒng)的原理功能進行闡述，并對系統(tǒng)的維修診斷進行介紹。

1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示在進氣凸輪軸前部是用于可變氣門正時控制的凸輪軸相位調(diào)節(jié)器，與其他發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和功能類似，而氣門升程控制依靠可在凸輪軸上滑動的凸輪塊來實現(xiàn)。每個凸輪塊上都有對應(yīng)氣門所需的大小凸輪，以實現(xiàn)對氣門升程的控制。

傳統(tǒng)型的凸輪與凸輪軸由于沒有可調(diào)能力，凸輪與凸輪軸是過盈配合連接或是整體加工而成[2]。為了要實現(xiàn)大小凸輪的切換，凸輪塊必須能夠移動，所以凸輪塊與凸輪軸表面采用了花鍵連接，以使凸輪塊在凸輪軸上滑動從而實現(xiàn)氣門升程的切換。在該款發(fā)動機上凸輪塊可移動約7.0 mm。后部三角形凸輪則是FSI發(fā)動機的高壓油泵驅(qū)動凸輪。

圖1 進氣凸輪軸結(jié)構(gòu)

2 凸輪塊結(jié)構(gòu)和大小凸輪

圖2 AVS機構(gòu)示意圖

如圖2所示，凸輪塊的移動是依靠兩個金屬導銷來實現(xiàn)的，這兩個金屬導銷布置在氣門室蓋上，導銷的伸出是由電磁閥來控制的，導銷與電磁閥一體構(gòu)成完整的電動控制器。對應(yīng)兩個金屬導銷，凸輪塊上有兩條螺旋形滑槽，在某一時刻只有一個導銷能夠?qū)驶燮鹗级?，電磁閥不通電時兩個導銷均在縮回狀態(tài)，凸輪塊保持一個穩(wěn)定運行狀態(tài)。

當需要切換大小凸輪時，初始狀態(tài)為左側(cè)導銷對準滑槽（左側(cè)滑槽起始端圖上不可見，右側(cè)導銷對準的是滑槽后半段，所以圖示是大凸輪工作狀態(tài)），發(fā)動機ECU控制左側(cè)電磁閥通電，左側(cè)導銷彈出，插入到螺旋形滑槽中。由于導銷是固定的，而凸輪軸在旋轉(zhuǎn)，導銷對螺旋滑槽產(chǎn)生推力，從而迫使凸輪塊向左側(cè)移動，螺旋滑槽在接近末端時是逐漸變淺直至消失的，最終與滑槽外沿直徑相同。旋轉(zhuǎn)至滑槽末端時將導銷推回原位（此時電磁閥已斷電），從而完成了一次凸輪塊移動，此時右側(cè)導銷對準了右側(cè)滑槽，為下一次向右移動做好了準備，而左側(cè)導銷則無法對準滑槽。

通過兩個導銷和凸輪塊上的滑槽的配合，從而實現(xiàn)凸輪塊的左右移動，完成大小凸輪的切換。從導銷插入到被推回，只有在非工作狀態(tài)時才能完成凸輪切換，所以AVS系統(tǒng)需要精確的轉(zhuǎn)角控制，否則會導致金屬銷撞擊凸輪塊，干擾正常的氣門工作，或?qū)е乱莆粫r機械撞擊甚至鎖死，損壞調(diào)節(jié)機構(gòu)。

3 凸輪塊鎖定與凸輪外形

圖3 凸輪塊鎖止機構(gòu)

如圖3所示在凸輪軸內(nèi)有一個彈簧加載的鋼球，配合凸輪塊內(nèi)側(cè)的凹洞來鎖定凸輪塊，在凸輪塊左右移動時，壓迫鋼球下沉，移動到位后鋼球頂起實現(xiàn)鎖定。凸輪塊上的軸向軸承同時也有限位作用。

圖4 凸輪軸軸向示意圖

每個氣門分別對應(yīng)兩個凸輪，如圖4所示一個凸輪塊上有兩對凸輪，分別對應(yīng)一個缸的兩個氣門，通過切換，能夠在中低負荷時使用小升程凸輪實現(xiàn)平穩(wěn)性和經(jīng)濟性，大負荷時使用大升程凸輪實現(xiàn)大功率。兩組凸輪的型線也分別是針對兩種工況設(shè)計的，以滿足不同工況的需求。

這款發(fā)動機有一個特點，在小升程時兩個氣門的開啟是不對稱的，兩個氣門升程分別是5.7 mm和2.0 mm，同時兩個氣門的開啟時間也不相同，兩個小凸輪的工作角度也存在不同，而較小升程的凸輪與較大升程凸輪的開啟時刻是一致的，但關(guān)閉時刻較大行程的晚一些，所以兩者型線也不同。

小凸輪之所以要這樣設(shè)計，是可以在中低負荷時使吸入燃燒室的氣體呈高流速和旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，通過與FSI活塞頂面的特殊形狀配合，可以形成圓筒狀運動（滾流進氣），使噴出的燃油獲得更好的混合效果。這款發(fā)動機通過這種設(shè)計，取消了進氣歧管翻板，簡化了進氣歧管結(jié)構(gòu)。從大小凸輪型線也可以看出，大小凸輪的切換只是改變了氣門升程而沒有改變氣門交疊角，氣門交疊角的改變是依靠凸輪軸頂端的相位調(diào)整器來實現(xiàn)的，這也是該系統(tǒng)與本田VTEC系統(tǒng)在功能上的區(qū)別[3]。

通過不同的凸輪設(shè)計，可以使AVS在不同場合發(fā)揮不同的功能。比如在渦輪增壓發(fā)動機上，AVS被首先使用在排氣側(cè)，通過大小凸輪轉(zhuǎn)換可以提高低轉(zhuǎn)速時的排氣速度，使渦輪增壓器能夠有更好的低轉(zhuǎn)速響應(yīng)性。在大排量發(fā)動機上，可以使用AVS系統(tǒng)的切換來實現(xiàn)閉缸技術(shù)，從而減少排放、提高經(jīng)濟性。

由于采用了凸輪塊滑動切換凸輪，總行程只有7.0 mm左右，造成凸輪的寬度變小，所以相應(yīng)的搖臂滾子寬度也變小，但氣門驅(qū)動負荷并沒有變。所以必須對搖臂滾子進行加強，增大滾針軸承直徑和滾針直徑，加厚軸承外圈的厚度，以應(yīng)對增加的負荷。

4 凸輪塊的調(diào)節(jié)機構(gòu)

凸輪塊在凸輪軸上的滑動是依靠導銷插入凸輪塊上的螺旋滑槽來實現(xiàn)的，導銷作為主要作動元件是依靠電磁閥來推動的，導銷的插入是有時序和位置要求的，要求導銷進入滑槽的速度足夠快，因此對這個電磁閥也提出了特別的要求，這就使AVS電磁閥與普通電磁閥有不同之處。

如圖5所示，AVS電磁閥沒有使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其移動機構(gòu)使用了帶有永磁鐵的電樞片，其質(zhì)量比傳統(tǒng)銜鐵減輕不少，取消了回位彈簧，同時使用了低電阻電磁線圈，激發(fā)時產(chǎn)生的電磁場更強大，能夠?qū)崿F(xiàn)導銷更快的運動速度。在電磁線圈激發(fā)時，導銷的加速度可達到100 g，伸出時間為18～22 ms。為了保護電樞片撞擊底座時不把磁鐵震碎，在電樞片和永磁鐵之間有一個軟質(zhì)阻尼環(huán)實現(xiàn)緩沖。

在AVS電磁閥通電時，產(chǎn)生的磁場與永磁鐵的磁場是相反的，與電樞片上的感應(yīng)磁場也是相反的，這樣能夠加快金屬銷的推出速度。當金屬銷推出以后，發(fā)動機ECU就斷開了電磁閥的通電，金屬銷的位置依靠永磁鐵吸附在電磁閥的底座上。隨著凸輪塊的旋轉(zhuǎn),導槽的后段利用機械力將金屬銷頂回，電磁閥實現(xiàn)回位，永磁鐵與電磁閥芯部吸引，保證導銷不會滑落。在這個過程中由于永磁鐵在線圈中的移動從而在電磁線圈中產(chǎn)生電壓，該電壓被發(fā)動機ECU檢測到，用來判斷凸輪塊的移動是否已經(jīng)完成。

圖5 電磁閥工作狀態(tài)示意圖

圖6 電磁閥電壓波形

如圖6所示為AVS電磁閥工作時的電壓波形圖，根據(jù)圖片我們可以將整個工作分為以下幾個階段。

(1)圖中1位置為發(fā)動機電腦控制電磁閥導通。

(2)圖中2位置為電磁閥關(guān)閉。

(3)圖中3位置顯示，因為快速關(guān)斷電磁閥，從而在電磁線圈中產(chǎn)生了反沖電壓。

(4)圖中4位置為反沖電壓被耗散完后歸于正常電壓。

(5)圖中5-7位置是導銷被滑槽末段頂回原位的過程，到圖中6位置時即已回到原點。

(6)發(fā)動機ECU依靠檢測圖中5-6位置過程中的電壓變化實現(xiàn)對整個過程的檢測，圖中6-7是導銷被推回時產(chǎn)生的電壓在線圈中耗散的過程。

5 電路控制部分

蓄電池電壓通過Montronic繼電器J271給AVS電磁閥供電，如圖7所示可以看出，電源經(jīng)主繼電器后通過116和118兩個共接點分到左右缸線束供給各缸電磁閥，各電磁閥通過發(fā)動機控制單元J623控制接地。該電磁閥為低阻型，觸發(fā)電流可達3 A。各氣缸氣門升程切換按照點火順序逐個觸發(fā)，所以總電流并不大。

6 自診斷

AVS系統(tǒng)具有自診斷功能，可對系統(tǒng)的狀態(tài)與運行做出自診斷，并做出相應(yīng)的控制。系統(tǒng)可產(chǎn)生故障存儲器內(nèi)的故障記錄，無法進行執(zhí)行元器件的診斷（無法單獨觸動元器件），可進行基本設(shè)定（測量數(shù)據(jù)塊155如表1所示），更換或維修后無需編碼，有可被觀測的測量數(shù)據(jù)塊（測量數(shù)據(jù)塊155）。

通過測量數(shù)據(jù)塊155的操作，可以按點火順序進氣凸輪升程切換（從進氣小凸輪切換到大凸輪或反之）。升程切換結(jié)果可通過以下步驟來檢查。

(1)功能04（基本設(shè)定）。

(2)輸入測量數(shù)據(jù)塊155。

(3)按壓“aktivieren”（檢測接通按鍵）來檢查。

(4)踩動油門踏板和制動踏板。

(5)發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動升到約1 000 r/min。

(6)待顯示區(qū)4顯示出“Syst i.O.”（系統(tǒng)正常）字樣，等待時間最短5 s，最長40 s。

表1 測量數(shù)據(jù)塊155顯示數(shù)值

在系統(tǒng)檢測到故障情況時，采取以下兩種故障運行模式。

(1)如果并非所有氣缸都能切換到大行程，那么所有氣缸就保持在小行程，此時發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速被限制在4 000 r/min以下，組合儀表上的EPC燈被點亮，另外可在駕駛員信息系統(tǒng)的顯示區(qū)看到轉(zhuǎn)速受限的提示，故障存儲器會記錄一個故障。

(2)如果并非所有氣缸都能切換到小行程，那么所有氣缸都切換到大升程，故障存儲器會記錄一個故障，轉(zhuǎn)速并不受限，EPC燈也不會點亮，駕駛員感覺不到功率的減小，但怠速可能會輕微不穩(wěn)。

7 結(jié)束語

Audi公司發(fā)動機裝備的這套氣門升程控制系統(tǒng)AVS以較簡單的結(jié)構(gòu)方式實現(xiàn)了階段氣門升程控制，使用小凸輪時可有效降低氣門驅(qū)動負荷、改善了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性[4]，在中低負荷時實現(xiàn)了較好的經(jīng)濟性與穩(wěn)定性，在大負荷時使用大凸輪實現(xiàn)動力性。兼顧了發(fā)動機不同工況下的氣門升程需求，有效改善了固定氣門升程發(fā)動機的固有缺點。

隨著缸蓋氣門配氣機構(gòu)的發(fā)展，配氣機構(gòu)復(fù)雜度不斷增加，體積卻不斷縮小，給氣門升程控制的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。AVS系統(tǒng)在實現(xiàn)方式上充分發(fā)揮了現(xiàn)代電控系統(tǒng)發(fā)展所帶來的強大能力，采用專門設(shè)計的控制器，使凸輪軸的機械結(jié)構(gòu)相對簡單，整體結(jié)構(gòu)慣性小、響應(yīng)性好、系統(tǒng)切換阻力小、結(jié)構(gòu)運行順滑。

該系統(tǒng)在實際運行中，運轉(zhuǎn)順暢可靠，故障率低。同時這套系統(tǒng)適裝性好，可用于不同的發(fā)動機上實現(xiàn)不同的目的，如提高在渦輪增壓發(fā)動機的排氣速度，或?qū)崿F(xiàn)大排量多缸發(fā)動機的閉缸功能。但與氣門升程全可控技術(shù)相比，這種方式仍然只能算是對傳統(tǒng)技術(shù)的一種改良，無法有效降低節(jié)氣門的節(jié)流損失，提高充氣效率，適應(yīng)工況的變化也只是兩階段，無法實現(xiàn)發(fā)動機全工況的連續(xù)調(diào)節(jié)和適應(yīng)[5]。

圖7 AVS系統(tǒng)電路圖

[1]李樹偉.發(fā)動機智能型氣門正時與氣門升程可變新技術(shù)一覽[J].汽車維修,2017,6:45-47.

[2]程曉章.汽車發(fā)動機原理[M].合肥:合肥工業(yè)大學出版社,2011.

[3]魯春山.汽車發(fā)動機的可變氣門技術(shù)初探[J].黑龍江科學,2017,2:122-123.

[4]班智博,謝暉,何宇.汽油機全可變氣門機構(gòu)的運行能耗[J].天津大學學報(自然科學與工程技術(shù)版),2014,8:665-671.

[5]楊翱,廖世勇,唐曉杰.發(fā)動機可變氣門升程技術(shù)淺析[J].移動電源與車輛,2015,2:37-42.

TP136.8文獻標示碼：A

許悅（1973—），男，本科，中級職稱，研究方向為汽車維修技術(shù)、教學及技術(shù)體系建設(shè)和管理。