劉浩岳、陳華艷、徐道發(fā)

（北京吉利學院 102202)

0 引言

在汽車動力性、燃油經濟性和排放性能方面，電控配氣系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)配氣系統(tǒng)。比如，本田的i-VTEC、豐田的i-VVT、寶馬的Valvetronic等，各自都在電控配氣系統(tǒng)領域有所建樹。具體的優(yōu)化有進排氣系統(tǒng)的配氣正時、可變氣門升程等。

1 常見的電控配氣系統(tǒng)

1.1 VVT-i（Variable Valve Timing-intelligent）技術

可變氣門正時技術（VVT-i）是一種智能可變配氣定時系統(tǒng)，為了適應內燃機工作情況的變化而使凸輪軸與曲軸的相對位置可以連續(xù)改變，以控制配氣相位達到最佳狀態(tài)，由此改善發(fā)動機的動力性、排放性和經濟性（圖1）。ECU可以根據當前的運行條件，向油壓控制閥發(fā)出控制指令，調整至最佳的配氣相位。油壓控制閥根據ECU的指令向VVT-i帶輪傳送油壓，帶輪在該油壓的作用下改變凸輪軸與曲軸之間的相對相位[1]。目前該技術已經被眾多汽車廠商所使用，如豐田A25A、9NR-FTS、8ZR-FXE等發(fā)動機系列，同時也包括吉利和鈴木等廠商。

圖1 VVT-i凸輪軸正時鏈條端

1.2 本田的VTEC-i技術

VTEC-i采用了高低速2段式或高中低3段式電控可變配氣相位的控制機構，其主要由高（中）低速凸輪、與之相對應的搖臂、搖臂軸及油壓控制系統(tǒng)等組成（圖2）。搖臂軸與驅動氣門的傳動桿采用剛性連接，高低速凸輪分別位于傳動桿兩側（中速位于中間），并始終與各自的凸輪相接觸，并隨凸輪的旋轉而上下擺動。在搖臂和搖臂軸之間設有控制柱塞、控制油道及回位彈簧，搖臂軸和搖臂的傳動靠此柱塞完成。當柱塞連接時，搖臂和搖臂軸變?yōu)檎w同步擺動；松開時，搖臂可在搖臂軸上進行空轉。此系統(tǒng)根據ECU對車輛行駛工況的判斷接收指令來制柱塞的連接狀態(tài)，以選擇高（中）低速凸輪中的1個介入工作，從而達到配氣相位和氣門升程可調的目的[2]。目前此技術搭載于本田2.0自吸發(fā)動機及L15B2發(fā)動機上。

圖1 VVT-i凸輪軸正時鏈條端

1.3 液壓控制式可變配氣機構

1.3.1 有凸輪軸驅動的液壓控制式可變配氣機構

凸輪與氣門的傳遞途中設有一段油路，油路內設有液壓柱塞。在凸輪工作時，通過搖臂控制凸輪升程液壓柱塞的位移量，由此產生的液壓傳動來控制氣門開啟，之后通過電磁閥控制液壓腔內的壓力來控制氣門的升程，通過改變搖臂支點位置達到配氣相位調節(jié)的目的。

1.3.2 無凸輪軸液壓式可變配氣機構

無凸輪軸液壓式可變配氣機構主要由高壓共軌油壓室、低油壓室、三向閥、電磁閥、液壓柱塞和位移傳感器等組成。其工作方式是，由電磁閥將高壓共軌油壓室內的油量進行必要的分配來控制液壓柱塞位置，從而控制氣門的升程及相位。為了達到對氣門的精確控制，還專門設計了氣門升程傳感器，并由低油壓系統(tǒng)確保高油壓系統(tǒng)所需的工作油壓[3]（圖3）。

1.4 寶馬可變氣門升程技術（Valvetronic）

寶馬的Valvetronic技術是在氣門搖臂上方加入中間推桿、偏心軸及步進電機，通過步進電機帶動偏心軸轉動，并使中間推桿位置發(fā)生偏移，從而使氣門升程在一定范圍內達到無級調節(jié)[4]（圖4）。

圖4 寶馬可變氣門升程技術

1.5 保時捷VarioCam技術

通過與VVT-i類似的正時鏈條驅動殼與凸輪軸角度的相對位移來改變氣門正時，同時在氣門頂蓋與氣門柱之間可以發(fā)生相對位移。氣門頂蓋與氣門柱之間可以由桿連接來取消兩者之間的相對位移，在需要較低升程時使桿移出氣門，由凸輪軸中的低速凸輪驅動。由于氣門頂蓋與氣門桿可以發(fā)生相對位移，高速凸輪帶動氣門頂蓋進行空轉，在高速時，桿接入氣門頂蓋與氣門桿之間，取消相而實現(xiàn)無級調整氣門正時及兩級調整氣門升程的目的[5]。目前技術在保時捷Cayanna S及GTS等車型上有所應用。

圖5 保時捷VarioCam技術

1.6 菲亞特MultiAir技術

通過保留排氣側凸輪軸的形式，獲得凸輪軸位置信號來控制進氣側的電磁閥，從而調節(jié)油壓，實現(xiàn)無級調節(jié)氣門正時及升程。如圖6中所示，紅色區(qū)域為電磁閥及油路[6-7]。

圖6 菲亞特MultiAir技術

2 電控配氣機構對比

2.1 根據控制形式進行分析

目前的電控配氣機構主要有電機控制、液壓控制及機械控制（為方便分析，本文章把VTEC-i等類似的結構列為機械控制）。例如，液壓控制的有VVT-i、MultiAir、FreeValve等，電機控制的有Valvetronic等，機械控制的有VTEC-i等，VarioCam為機械及液壓控制結合的方式。

2.1.1 液壓控制分析

目前使用液壓控制技術的主要是VVT-i技術，此技術在保證了相對較低的成本同時，還達到了可變配氣相位的目的，從而使生產商可以以較低的成本，將更加環(huán)保的發(fā)動機交到顧客手中。同為液壓控制的Freevalve及MultiAir，則由于其顛覆了傳統(tǒng)配氣機構形式，同時需要高集成度、高控制邏輯復雜性，以及更加復雜的缸蓋結構，導致其研發(fā)及生產成本變高，目前也只有MultiAir實現(xiàn)了量產。如果同時取消進排氣兩側凸輪，則需要重新設計飛輪或通過其他方法以達到監(jiān)測氣缸活塞位置的目的，這樣不僅增加了研發(fā)成本，同時也增加了制造成本。MultiAir則通過保留排氣側的凸輪軸來簡化其控制邏輯，降低生產及研發(fā)成本。

液壓控制在汽車配氣機構中的應用還具有傳動平穩(wěn)、質量小、體積小、轉矩大及結構簡單等優(yōu)點[8]。但液壓傳動也存在缺點，比如液壓管路存在泄露的隱患，液壓介質會隨溫度變化而導致其粘度及體積等發(fā)生改變，油液中若混入空氣則會影響其工作性能并產生噪聲，相比電機控制會有延遲的情況[9]。

在無凸輪軸液壓式配氣機構中，存在的問題就是在高溫環(huán)境下，液壓管路內可能造成空穴現(xiàn)象。隨著溫度的上升會促使液壓油發(fā)生變質，并且溫度越高，其壽命周期就越短。液壓油變質就會造成液壓油的氣化形成空穴，同時可能形成沉淀物，極易在較為細小的配氣機構管路中造成堵塞，導致液壓系統(tǒng)工作不正常。由于機構的設計需要足夠緊湊，油路上很有可能會出現(xiàn)一些急轉彎，所以在設計時要盡量避免急轉彎的出現(xiàn)，以防止空穴現(xiàn)象的形成。

在油液動力原件的選擇上，使用油液泵輸送會更加穩(wěn)定和連貫，而且質量也較輕，從而實現(xiàn)在油路內任何工況下都有著穩(wěn)定的油路壓力，保證在發(fā)動機以較高轉速運行時，油路內油壓也可以得到保持。在電磁閥的選用上，要遵循耐高溫、耐低溫、耐振、防塵和防潮，氣缸蓋要做好對電磁閥的保護，保證電磁閥可以在理想環(huán)境下工作。

為了保證液壓控制的高效，氣門旁設有氣門位移傳感器，以檢測液壓管路及壓力是否能夠控制氣門做出精確的動作。由于在發(fā)動機關閉后，各氣缸內活塞的位置不固定，因此在起動發(fā)動機時，需要傳感器對活塞的位置進行檢測。筆者認為可以引用凸輪軸位置傳感器的原理，將類似齒輪布置在飛輪旁，各氣缸不同的上止點分別采用不同的齒寬，通過輸出信號的脈寬，識別哪些氣缸的活塞處于上止點。

就維修便利性和成本來講，傳統(tǒng)凸輪軸驅動方式采用皮帶驅動，需要定期進行正時皮帶的更換，若出現(xiàn)配氣機構的機械問題，則需要對發(fā)動機進行較大規(guī)模拆解。而液壓控制式可變氣門正時系統(tǒng)，則不存在更換正時皮帶的問題，這從某種程度上節(jié)約了汽車的維護成本?？梢坏╇娍貑卧艿綋p壞，則需要更高的維修成本來更換電控單元，同時該機構可能還需要定期的進行液壓油的更換。

2.1.2 機械控制分析

機械控制式配氣機構典型代表為VTEC-i，通過高低速凸輪的切換達到可變氣門正時及升程的目的。與VVT-i相比制造成本更高，但是延遲短，在凸輪軸切換時也會產生噪聲。在中高速凸輪切換時，會產生扭矩突變并造成沖擊，影響駕駛時的舒適性。因此，為了防止這個現(xiàn)象的發(fā)生，在處于同一節(jié)氣門開度時，選擇分別采用高速或低速凸輪內燃機輸出轉矩相同的點，并在該點上進行高中低速運行模態(tài)切換。其結構復雜程度比VVT-i高，比Valvetronic低。

2.1.3 電機控制分析

寶馬的Valvetronic為電機控制式配氣機構，由伺服電機控制其氣門升程。由電機控制的配氣機構可以對氣門升程進行無級調節(jié)，但機構比較復雜，與液壓控制及機械控制相比，具有更短的延遲。

2.2 根據配氣相位及氣門升程改變情況進行分析

VVT-i：無級改變配氣正時，不改變氣門升程。Valvetronic：不改變配氣正時，無級改變氣門升程。VTEC-i：有級（2或3級）改變配氣正時及升程。VarioCam：無級改變配氣正時，有級（2級）改變氣門升程。MultiAir：無級改變進氣側配氣正時及氣門升程。Freevalve：無級改變進排氣雙側配氣正時及升程。

3 改善方式

3.1 油壓及氣壓的溫度控制

可以通過冷卻液進行冷卻，保證系統(tǒng)的正常運行（圖7）。在選取油壓管路時，在考慮其強度的同時，也要具有較好的導熱性。

圖7 通過冷卻液進行溫度控制

3.2 緩解氣門回位時的沖擊載荷

首先在氣門需要開啟時，閥1打開，L1內壓力升高，氣門打開。氣門關閉時，首先由閥2打開，閥3可以作為限流閥使用，控制泄壓油路的流速，達到減少氣門關閉時沖擊載荷過高的問題?？梢愿鶕l(fā)動機轉速控制閥3的開啟大小，從而來匹配各轉速所需的氣門關閉速度（圖8）。

圖8 緩解氣門回位時的沖擊載荷

4 結束語

雖然純電動汽車在國內的普及效果明顯，但是通過豐田的預測圖（圖9）可以看出，直到2025年左右，傳統(tǒng)內燃機才會有大幅度的減少，并且插電混動（PHV）及混動汽車（HV）的數量仍會持續(xù)增加。根據其預測，直到2050年PHV和HV的數量將會占到汽車銷售量的60%左右，高于燃料電池汽車（FCV）和純電動汽車（EV）數量的總和。所以對內燃機的技術突破仍然很重要。

圖9 豐田對未來的預測圖

相較于傳統(tǒng)電控配氣機構，如VVT-i、VTEC-i等，與Freevalve及MultiAir這種具有較大調節(jié)范圍的，不受凸輪軸型線的方法，可以使氣門開閉更加靈活可控。但成本過高，對于升程控制的精度較差。不過隨著技術的不斷完善，無凸輪軸液壓式控制機構成本的降低，將會有更多的車企運用這一技術，使車輛可以達到更好的動力性、經濟性及排放性（圖10）。

圖10 目前電控配氣系統(tǒng)的使用范圍及特點