向明朗

摘 要：可變氣門正時（Variable Valve Timing 簡稱VVT）技術(shù)是汽車發(fā)動機提升性能，降低排放和油耗的重要技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用到當前汽車發(fā)動機上，它可以根據(jù)發(fā)動機動態(tài)工況需求，適時調(diào)節(jié)氣門開閉時刻到最佳位置，從而降低泵氣損失、提高進氣效率、改變膨脹比及內(nèi)部EGR率，達到提高發(fā)動機功率、扭矩、降低油耗和排放的目的。本文回顧了液壓VVT技術(shù)的基本原理和發(fā)展演進歷程，介紹了新型電動VVT技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)原理和最新研發(fā)情況，對未來VVT技術(shù)發(fā)展趨勢做出了判斷。

關(guān)鍵詞：可變氣門正時;VVT;電動VVT;EVVT;OCV;VCP

1 引言

20世紀80年代，汽車燃油經(jīng)濟性和排放要求開始加嚴，可變氣門技術(shù)成為一個研究的熱點，早期的汽車發(fā)動機氣門只有一個固定的開閉時刻和升程，難以根據(jù)實時工況的需要提供最佳進排氣，使發(fā)動機在提升性能、改善油耗和排放方面受限，為解決這一問題，馬自達、本田、菲亞特、豐田、寶馬及通用等汽車公司都推出了相應(yīng)的可變氣門技術(shù)，這些技術(shù)可以改變氣門的開閉時刻或氣門升程，但基于性價比、可靠性等原因，以液壓控制的可變凸輪相位技術(shù)發(fā)展成為主流，它可以根據(jù)發(fā)動機動態(tài)工況需求，適時調(diào)節(jié)氣門開閉時刻到最佳位置，能有效提高發(fā)動機功率、扭矩，降低油耗和排放，液壓可變氣門正時技術(shù)經(jīng)過近40年的升級和發(fā)展，其功能和性能都有了較大的提升，成本也大幅下降，在發(fā)動機已得到廣泛應(yīng)用，但隨著發(fā)動機效率、排放和油耗要求的進一步提高，更高性能的電動可變氣門正時技術(shù)已被研發(fā)出來，未來會在高性能內(nèi)燃機發(fā)動機上普遍應(yīng)用，對可變氣門正時技術(shù)發(fā)展趨勢的關(guān)注和研究仍然有重要價值，而基于無凸輪的液壓可變氣門和電磁可變氣門技術(shù)，因非主流，不在本文分析之中。

2 可變氣門正時技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理和重要作用

可變氣門正時技術(shù)：指的是發(fā)動機氣門開閉時刻可以適時改變的一項技術(shù)。它的基本結(jié)構(gòu)是在凸輪軸前端安裝一個可以在一定角度內(nèi)來回轉(zhuǎn)動的凸輪相位調(diào)節(jié)器，相位器的轉(zhuǎn)子與凸輪軸固定，定子通過正時帶或正時鏈與曲軸連接，在發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中設(shè)置液壓油路與相位調(diào)節(jié)器相連，油路上設(shè)置有電磁式的機油控制閥（簡稱OCV），機油控制閥通過線束與發(fā)動機ECU連接?；驹硎前l(fā)動機ECU通過曲軸相位傳感器和凸輪相位傳感器采集并計算當前氣門開閉實際時刻，ECU將發(fā)動當前工況需要的最佳的氣門開閉時刻與實際值之差轉(zhuǎn)換為控制OCV動作電信號，OCV通過改變通往相位調(diào)節(jié)器的油的流量和流向，實現(xiàn)對相位調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動角度的控制，相位調(diào)節(jié)器執(zhí)行相位調(diào)節(jié)后，適時的氣門開閉時刻又被曲軸相位傳感器和凸輪相位傳感器采集到ECU，ECU再次計算相位的差值，發(fā)出下一步調(diào)節(jié)信號，從而實現(xiàn)閉環(huán)的動態(tài)控制。

氣門開啟或關(guān)閉時刻可以隨發(fā)動及工況需求適時改變后，它能有效降低泵氣損失，提高進氣效率、優(yōu)化膨脹比、調(diào)節(jié)內(nèi)部廢氣再循環(huán)（EGR）率、優(yōu)化燃燒溫度等，從而起到提升發(fā)動低速扭矩、功率、提高熱效率、降低排放和油耗的效果，對發(fā)動機性能提升有重要作用。

3 可變氣門正時技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

3.1 早期可變氣門正時技術(shù)

早期的可變氣門正時技術(shù)產(chǎn)品在上世紀80年代初開始應(yīng)用于阿爾法羅密歐、奧迪和大眾的部分車型上，主要有兩種結(jié)構(gòu)：用于阿爾法羅密歐的凸輪相位調(diào)節(jié)器是一組斜齒輪，液壓通過推動齒輪的軸向滑動實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)相位的改變，而用于奧迪和大眾的VVT系統(tǒng)，是采用一個液壓缸來調(diào)節(jié)正時鏈條緊邊和松邊的長度，實現(xiàn)相位的提前和遲后的，他們的共同特點是調(diào)節(jié)位置是分級的，可調(diào)相位角度小，響應(yīng)速度慢。

之后豐田汽車公司推出了新的VVT 技術(shù)，在相位調(diào)節(jié)器的設(shè)計上采用了多葉片式轉(zhuǎn)子與定子配合形成提前和遲后兩組不相通的油腔，分別與OCV的兩條油路連通，OCV也從開關(guān)閥變成了比例閥，通過OCV比例控制提前和遲后腔的油壓平衡，使VCP在設(shè)定的角度范圍內(nèi)可以受控地停在任意位置，硬件上實現(xiàn)了角度的連續(xù)可調(diào)， ECU內(nèi)植入了事先標定好的各種工況下的相位控制策略程序，通過有比例調(diào)節(jié)功能OCV實現(xiàn)對VCP的動態(tài)閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)氣門正時的智能無極可調(diào)，此技術(shù)被豐田命名為VVT-i，業(yè)內(nèi)也稱為CVVT，其產(chǎn)品主要由日本電裝公司生產(chǎn)并供應(yīng)豐田，包括了機油控制閥OCV、凸輪相位調(diào)節(jié)器VCP及其控制部件ECU，因VVT-i具備可變氣門正時技術(shù)的主要功能，對發(fā)動的功率、扭矩提升、油耗降低效果顯著，加上電裝和豐田強大的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力，到上世紀90年代初，VVT-i在豐田汽車發(fā)動機上已廣泛應(yīng)用。同期發(fā)展的寶馬Vanos技術(shù)與VVT-i技術(shù)原理相同，這一代VVT技術(shù)的特點是相位連續(xù)無極可調(diào)，液壓閥為比例閥，智能閉環(huán)控制。

3.2 中期可變氣門正時技術(shù)

隨著以豐田VVT-i為代表的VVT技術(shù)的逐步成熟，日本、歐州和美國的其它主流汽車廠也開始重視VVT技術(shù)，但新的研發(fā)都是在VVT-i基本技術(shù)原理基礎(chǔ)之上，改進了結(jié)構(gòu)、增加了功能、提升了性能和開發(fā)了新的應(yīng)用方案，典型的如：早期的VVT只應(yīng)用在進氣一側(cè)，后面又增加應(yīng)用到排氣側(cè)上，稱之為雙VVT或DVVT，雙VVT能更大范圍控制氣門疊開角，可實現(xiàn)內(nèi)部EGR的功能，有效降低了排放;為了提高VVT系統(tǒng)的響應(yīng)速度和降低成本，德國的舍弗勒和美國博格華納等零部件公司將OCV閥的液壓閥體部分設(shè)計成為內(nèi)置油路的螺栓閥，裝配在凸輪軸與相位器中間，替代凸輪相位器安裝螺栓，OCV的電磁驅(qū)動部分設(shè)計成一個獨立的電磁鐵，同軸安裝在螺栓閥正前方的發(fā)動機罩蓋上，構(gòu)成一個分體式OCV，這一設(shè)計減短了OCV通往VCP的油路長度，減少了泄漏點，使VCP內(nèi)壓力平衡更快，這一設(shè)計也讓油路結(jié)構(gòu)更簡單，減少了加工，從而提高了VVT系統(tǒng)的響應(yīng)速度和降低了制造成本，這項技術(shù)被稱為中置式VVT; VVT系統(tǒng)響應(yīng)速度的提高能讓發(fā)動機在瞬態(tài)工況變化也能得到精準的正時跟隨，運行會更加平穩(wěn)，性能也更穩(wěn)定，為了進一步提高VVT系統(tǒng)的響應(yīng)速度和降低VVT系統(tǒng)對機油流量消耗的需求，以德國舍弗勒、海力特及美國博格華納等零部件公司在OCV的油路或VCP的油路上設(shè)計了單向閥功能，讓機油在OCV與VCP的提前和遲后油路之間快速調(diào)壓和平衡互補，進入提前和遲后油路的油只有較小的泄漏，有效提高了VVT系統(tǒng)的響應(yīng)速度和降低了機油流量的消耗。到2005年前后，VVT技術(shù)在國外市場已進化成熟，在日本、歐洲和美國品牌的汽車發(fā)動機上已普遍使用，中國自主品牌車企也開始引入VVT技術(shù)，零部企業(yè)也開始研發(fā)VVT產(chǎn)品，如富臨精工在2006年就開始了VVT產(chǎn)品研發(fā)。中期VVT技術(shù)產(chǎn)品的特點是雙VVT應(yīng)用，響應(yīng)速度等性能大幅提升。

3.3 當前可變氣門正時技術(shù)

近幾年來，高效率、高壓縮比的雙循環(huán)發(fā)動機開始應(yīng)用，它具備奧拓循環(huán)和阿特金森循環(huán)兩種模式，可自由切換，當工作在阿特金森循環(huán)下需要降低壓縮比時，就要求進氣有更大的相位遲后角，因液壓VVT系統(tǒng)在油壓低和油溫低時不能正常工作，為了保證發(fā)動機順利啟動，中期的VVT技術(shù)在發(fā)動機啟動時是將VCP的相位通過內(nèi)置的液壓鎖銷鎖止在一個預(yù)設(shè)的固定相位，進氣在最遲后，排氣在最提前，故導致了VVT可正常工作時，進氣不能再向遲后方向調(diào)節(jié)，排氣不能再性最提前方向調(diào)節(jié)的不足，為解決這一文件，電裝、舍弗勒、博格華納等汽車零部件公司研發(fā)了液壓中間鎖止VVT技術(shù)， VCP設(shè)計了更大的可調(diào)節(jié)角度，并在其中設(shè)計了特殊的鎖銷機構(gòu)，配合 OCV中設(shè)計了復(fù)雜的油路及新開發(fā)的控制策略，實現(xiàn)了發(fā)動機啟動或停機時，可以讓VCP鎖止在中間預(yù)設(shè)位置，正常工作時，進氣VCP還可向更遲后的相位調(diào)節(jié)，解決了更大遲后相位調(diào)節(jié)問題，此技術(shù)被稱為液壓中間鎖止式VVT，但此技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，性價比低，目前市場沒有太多應(yīng)用。

4 新型電動VVT技術(shù)研發(fā)進展情況

基于解決發(fā)動機低溫排放控制對VVT系統(tǒng)提出的低速低溫可調(diào)問題，解決高性能發(fā)動機匹配高響應(yīng)速度的渦輪增壓器對VVT系統(tǒng)要求更高的相位調(diào)節(jié)響應(yīng)速度問題，結(jié)合液壓中間鎖止式VVT技術(shù)的缺點，一種全新的電動VVT（即EVVT）技術(shù)逐步成熟，參與這一全新技術(shù)研發(fā)有電裝、舍弗勒、富臨精工、博格華納、愛信等知名汽車零部件企業(yè)，EVVT的基本結(jié)構(gòu)是將液壓VCP換成了一個小型齒輪減速器，OCV換成了一個電機，齒輪減速器輸入端與電機輸出軸連接，減速器輸出端相當于轉(zhuǎn)子與凸輪軸連接，減速器外殼體設(shè)計為正時齒輪，相當于液壓VCP的定子，通過正時鏈與曲軸連接，原理是ECU通過控制電機與凸輪軸保持一個轉(zhuǎn)速差，轉(zhuǎn)速差會作為減速器的輸入轉(zhuǎn)速經(jīng)減速增扭后傳給凸輪軸，實現(xiàn)相位調(diào)節(jié)和控制，EVVT技術(shù)的優(yōu)勢是：可調(diào)節(jié)角度大，因相位器因不需要在圓周上分成幾個腔，故可調(diào)節(jié)角度可設(shè)計更大，目前在應(yīng)用的主流為70—80°曲軸相位角（°CA），研究中已到140°CA，相比已知液壓式最大60°CA有了本質(zhì)的提升;響應(yīng)速度快，EVVT的響應(yīng)速度主要取決于減速比和電機與凸輪軸的轉(zhuǎn)速差，目前在應(yīng)用的產(chǎn)品的響應(yīng)速度為100—300°CA/s，研究中的產(chǎn)品已達到了500°CA/s以上，相比液壓式50—200°CA/s的響應(yīng)速度有極大進步;低溫低速可調(diào)節(jié)，EVVT的工作時，機油只起潤滑作用，不是可工作的必要條件，在低溫下不受油的流動性變差影響，低速時不受低油壓影響，故在低溫和低速下均可調(diào)節(jié)，基于目前試驗數(shù)據(jù)EVVT在-40℃環(huán)境下，可穩(wěn)定達到100°CA/s的響應(yīng)速度，一些大減速比的EVVT可以在發(fā)動機停機的狀態(tài)下調(diào)節(jié)相位，而當前液壓式VVT的可使用溫度一般在20℃以上;EVVT解決發(fā)動機啟動相位問題，發(fā)動機停機時將相位調(diào)至最遲后位置，在啟動時，發(fā)動機被起動機拖著轉(zhuǎn)動的過程中，EVVT可在0.3s內(nèi)將相位調(diào)節(jié)到可以點火啟動的相位上，使發(fā)動機順利啟動;EVVT只使用機油作潤滑，故降低了機油流量和壓力的要求，降低了機油泵負荷。

5 結(jié)語

液壓式VVT技術(shù)發(fā)展了近40年，目前已非常成熟，因其性價比極高，現(xiàn)已成為了汽油發(fā)動機的標配，未來數(shù)年仍會被大量使用;液壓中間鎖止式VVT因功能升級導致結(jié)構(gòu)過渡復(fù)雜、性能又受液壓系統(tǒng)固有的溫度、壓力局限，性價比較差，當前未在市場批量應(yīng)用，它極可能成為一種過渡性技術(shù);而EVVT具有幾乎滿足所有功能性能要求的技術(shù)優(yōu)勢，是跨越式的進步，已受到車廠的高度關(guān)注，特別是電氣化更高的用于新能源混合動力汽車的高效率發(fā)動機，更需要使用EVVT技術(shù)，國內(nèi)外VVT主流供應(yīng)商也已加入研發(fā)，日本豐田等車企已開始批量應(yīng)用，國內(nèi)以富臨精工為代表的VVT產(chǎn)品龍頭企業(yè)已與多家車企聯(lián)合研發(fā)多年，EVVT產(chǎn)品已到產(chǎn)業(yè)化開發(fā)階段，其性價比極高， EVVT將可能是未來主流可變氣門正時技術(shù)，會廣泛地應(yīng)用到新設(shè)計的發(fā)動機上。

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