1.1电控发动机辅助控制系统教案

课次：

课题：电控发动机辅助控制系统

教学目标：了解和掌握可变配气相位控制系统作用及工作过程教学步骤

一、学习目标及技能要求

掌握可变配气相位控制系统作用及工作过程

二、教学重点

掌握可变配气相位控制系统检测

三、课前准备

1.VTEC发动机

2.万用表或诊断仪

3.机油压力表

4.PGM

四、教学方法

（1）理论辅导（2）示范操作（3）巡回指导

五、教学过程

如何提高进气效率是提高发动机动力性、经济性及改善排放的重要课题。进、排气门的开闭时刻直接影响发动机的动力性、经济性及发动机的排放和平顺性，但进、排气门最佳开闭时刻不是固定不定的，它随发动机的工况变化而变化。采用可变配气相位就可满足发动机各种工况对气门准确开闭时刻的要求，改善发动机在低、中转速下的扭矩输出，大大提高驾驶的操纵灵活性。

可变配气相位控制系统包括可变气门正时系统和可变气门升程系统二大类。

一．可变气门正时系统

1.可变气门正时系统的组成及功用

ECU根据发动机转速和负荷等传感器信号来控制凸轮轴调整机构的机油压力，从而改变进、排气门的开启和关闭时刻，这样的系统称为可变气门正时系统。它主要包括可变气门正时控制器，凸轮轴正时机油控制阀，凸轮轴位置传感器，曲轴位置传感器等。

（1）可变气门正时控制器

1）螺旋齿轮式控制器

由螺旋齿轮、直齿轮、活塞、回位弹簧、齿毂等组成，螺旋齿轮与凸轮轴固定连接。

2）叶片式控制器

由定时链条驱动的外壳、固定在凸轮轴上的叶片组成。

油压使控制器的叶片沿圆周方向旋转，带动凸轮连续不断地转动，从而改变进气门正时。当发动机停止时，进气凸轮轴被调整到最大延迟状态以维持启动性能。在发动机启动后，油压并未立即传到控制器时，锁销便锁定控制器的动作机械部件以防撞击产生噪声。叶片式控制器是目前内部摩擦力最小，使用最广泛的一种控制器。

3）链式控制器

它是在进、排气凸轮轴之间安装的一个链传动机构。排气凸轮轴由曲轴通过链条直接驱动，进气凸轮轴通过链轮和链条由排气凸轮轴

驱动。机油压力作用在活塞上，活塞推动链条张紧器上下移动，改变进气凸轮轴的转动角度。

（2）凸轮轴正时机油控制阀

由发动机ECU 进行占空比控制的，用于控制滑阀位置和分配可变气门正时控制器流到提前侧或延迟侧的油压。发动机停止时，进气门正时是处于最大延迟角的位置。凸轮轴正时机油控制阀结构如上图所示。

（3）凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器。可变气门正时系统利用曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器来感知凸轮轴转动变化量，从而获知凸轮轴转动方向及转动量。

2.典型的可变气门正时系统

（1）奔驰的可变气门正时系统（VANOS）

（2）丰田的可变气门正时系统（VVT－i）

（3）大众可变气门正时系统

合理选择配气正时，保证最好的充气效率hv，是改善发动机性能极为重要的技术问题。分析内燃机的工作原理，不难得出这样的结论：在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变对充气效率hv影响最大。进气门迟闭角改变对充气效率hv和发动机功率的影响关系可以通过图1进一步给以说明。

图1中每条充气效率hv曲线体现了在一定的配气正时下，充气效率hv随转速变化的关系。如迟闭角为40°时，充气效率hv是在约1800r/min的转速下达到最高值，说明在这个转速下工作能最好地利用

气流的惯性充气。当转速高于此转速时，气流惯性增加，就使一部分本来可以利用气流惯性进入汽缸的气体被关在汽缸之外，加之转速上升，流动阻力增加，所以使充气效率hv下降。当转速低于此转速时，气流惯性减小，压缩行程初始时就可能使一部分新鲜气体被推回进气管，充气效率hv也下降。

图中不同充气效率hv曲线之间，体现了在不同的配气正时下，充气效率hv随转速变化的关系。不同的进气迟闭角与充气效率hv曲线最大值相当的转速不同，一般迟闭角增大，与充气效率hv曲线最大值相当的转速也增加。迟闭角为40°与迟闭角为60°的充气效率hv曲线相比，曲线最大值相当的转速分别为1800r/min和2200r/min 。由于转速增加，气流速度加大，大的迟闭角可充分利用高速的气流惯性来增加充气。

改变进气迟闭角可以改变充气效率hv曲线随转速变化的趋向，以调整发动机扭矩曲线，满足不同的使用要求。不过，更确切地说，加大进气门迟闭角，高转速时充气效率hv增加有利于最大功率的提高，但对低速和中速性能则不利。减小进气迟闭角，能防止气体被推回进

气管，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。因此，理想的气门正时应当是根据发动机的工作情况及时做出调整，应具有一定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构来说，由于在工作中无法做出相应的调整，也就难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。

排气凸轮轴安装在外侧，进气凸轮轴安装在内侧。曲轴通过齿形皮带首先驱动排气凸轮轴，排气凸轮轴通过链条驱动进气凸轮轴。

1.可变气门正时调节器

如图3所示，（a）图为发动机在高速状态下，为了充分利用气体进

入汽缸的流动惯性，提高最大功率，进气门迟闭角增大后的位置（轿车发动机通常工作在高速状态下，所以这一位置为一般工作位置）。（b）图为发动机

在低速状态下，为了提高最大扭矩，进气门迟闭角减少的位置。进气凸轮轴由排气凸轮轴通过链条驱动，两轴之间设置一个可变气门正时调节器，在内部液压缸的作用下，调节器可以上升和下降。

当发动机转速下降时，可变气门正时调节器下降，上部链条被放松，下部链条作用着排气凸轮旋转拉力和调节器向下的推力。由于排气凸轮轴在曲轴正时皮带的作用下不可能逆时针反旋，所以进气凸轮轴受到两个力的共同作用：一是在排气凸轮轴正常旋转带动下链条的

拉力；二是调节器推动链条，传递给排气凸轮的拉力。进气凸轮轴顺时针额外转过θ角，加快了进气门的关闭，亦即进气门迟闭角减少θ度。

当转速提高时，调节器上升，下部链条被放松。排气凸轮轴顺时针旋转，首先要拉紧下部链条成为紧边，进气凸轮轴才能被排气凸轮轴带动旋转。就在下部链条由松变紧的过程中，排气凸轮轴已转过θ角，进气凸轮才开始动作，进气门关闭变慢了，亦即进气门迟闭角增大θ度。

2.二种工作状态

从图2和图3不难看出，该发动机左侧和右侧的可变气门正时调节器操作方向始终要求相反。当发动机的左侧可变气门正时调节器向下运动时，右侧可变气门正时调节器向上运动，左侧链条紧边在下边，右侧链条紧边在上边。调节器向下移动时，紧边链条都是由短变长。

当Passat B5轿车发动机转速高于1000r/min时，要求进气门关闭得较早，如图4(a)所示。左列缸对应的可变气门正时调节器向下运动，上部链条由长变短，下部链条由短变长。右列缸对应的可变气门正时

调节器向上运动，上部链条由短变长，下部链条由长变短。左右列缸对应的进气凸轮轴在两个力的共同作用下都顺时针额外转过θ角，加快了进气门的关闭，满足了低速进气门关闭较早，可提高最大扭矩的要求。

当Passat B5轿车发动机转速为3700r/min时，要求进气门关闭得较迟，如图4(b)所示。左列缸对应的可变气门正时调节器向上运动，上部链条由短变长，下部链条由长变短。右列缸对应的可变气门正时调节器向下运动，上部链条由长变短，下部链条由短变长。在左列缸的下部链条，右列缸的上部链条同时由长变短的过程中，排气凸轮轴已转过θ角，进气凸轮才开始动作，进气门关闭变慢了，满足了高速，进气门关闭较迟，可提高最大功率的要求。

可变气门升程：可以使发动机在不同的转速提供不同的气门升程，低转速时使用较小的气门升程，有利于缸内气流的合理混合，增加发动机的低速输出扭矩；在高速时使用较大的升程，可以提高发动机的进气量，从而提高功率输出。本田公司的i-VTEC是目前使用最广泛的可变气门升程系统（i-VTEC拥有连续可变气门正时、分段可调气门升程

技术）。

本田

VTEC：分级可变气门升程+分级可变气门正时

i－VTEC：分级可变气门升程+连续可变气门正时（进、排气）

丰田

VVT-i：连续可变气门正时（进气门）

Dual VVT-i：智能连续可变气门正时(进、排气门分别独立控制，有2个气门开启时刻）

VVTL-i：分级可变气门升程+连续可变气门正时（进、排气门）

宝马

Valvetronic 连续可变气门升程（省去“节气门”部件）

Double VANOS：连续可变气门正时(进、排气门分别独立控制）

现代

CVVT：连续可变气门正时（进气门）

日产

C-VTC：连续可变气门正时（日产的“VQ”发动机上使用，技术类似丰

田）

标致

VTCS：可变涡流控制阀

1、VVT-i原理：当发动机由低速向高速转换时，电子计算机（ECU）通过分析就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60度的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。VVT-i系统是通过调整凸轮轴转角配气正时进行优化，从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性，降低尾气的排放。 VVT－i系统由传感器、ECU和凸轮轴液压控制阀、控制器等部分组成。

2、VTEC原理：在VTEC系统中，其进气凸轮轴上分别有三个凸轮面，分别顶动摇臂轴上的三个摇臂，当发动机处于低转速或者低负荷时，三个摇臂之间无任何连接，左边和右边的摇臂分别顶动两个进气门，使两者具有不同的正时及升程，以形成挤气作用效果。此时中间的高速摇臂不顶动气门，只是在摇臂轴上做无效的运动。当转速在不断提

高需要变换为高速模式时，电脑就发出一个信号打开VTEC电磁阀，使压力机油进入摇臂轴内顶动活塞，使三只摇臂连接成一体，并且由时间最长、升程最大的进气凸轮来驱动气门，使两只气门都按高速模式工作。当发动机转速降低到气门正时需要再次变换时，电脑再次发出信号，打开VTEC电磁阀压力开头，使压力机油泄出，气门再次回到低速工作模式（分段性的）。i-VTEC系统与VTEC相比就是在VTEC引擎上加入VTC（Variable timing control），它也是利用到跟VANOS与VVT-i 类似的方式来连续式地转动凸轮轴的开与关，达到了所谓的"气门重叠角的控制"，这就是进、排气阀门的正时与开启的重叠时间的可变是由油压控制的VTC，使凸轮轴转动些角度(向右，向左)，进而提早或延迟阀门的开或关的时间，达到连续调节气门正时的作用。

3、CVVT原理：英文全称Continue Variable Valve Timing，就是连续可变气门正时机构。韩国现代轿车所开发的CVVT是一种通过电子液压控制系统控制打开进气门的时间早晚，从而控制所需的气门重叠角的技术。它的特点是能够稳定燃烧状态，提高发动机工作效率，降低污染排放，提高燃油经济性；可见CVVT只是在发动机进气门加以控制。

4、D-CVVT原理：进、排气双连续可变气门正时。气门开启相位有两个时刻，可以在位置1开启或者位置2开启，可以根据转速、负荷进行调整。与CVVT相比，由于进气量的的加大，也使得汽油的燃烧更加完全，更省油，它可以说是目前气门可变正时系统技术中最高级的形式。（D-VVT没有连续可变）

5、VTCS原理：可变涡流控制阀系统。在发动机上采用涡流控制阀系统，通过节流门的控制，使发动机在不同工况下的进气形成不同的“进气涡流”；发动机小负荷或以低于某一转速运转时，受ECU控制的真空电磁阀关闭，真空度不能进入涡流控制阀上部的真空气室，涡流控制阀关闭。由于进气通道变小，产生一个强大涡流，这就提高了燃烧效率，从而可节约燃油。当发动机负荷增大或以高于某一转速运转时，ECU根据转速、温度、进气量等信号将真空电磁阀电路接通，真空电磁阀打开，真空进入涡流控制阀，将涡流控制阀打开，进气通道变大，提高进气效率，从而改善发动机输出功率。

进、排气门提前（迟闭）角

当发动机达到一定的转速后，为了保证发动机气缸的进气充分、排气彻底，要求气门具有尽可能大的通过能力，因此发动机的进、排气门实际开启和关闭并不恰好在活塞的上、下止点，而是适当的提前和迟后。

进气门提前开启的目的：是为了保证新鲜气体或可燃混合气能顺利、充分地进入气缸；

进气门晚关的目的：是为了在压缩行程开始时，利用气缸内的压力暂低于大气或环境压力，靠进气气流的惯性使新鲜气体或可燃混合气仍可能继续进入气缸。这样，进气门开启持续时间内的曲轴转角实际上就大于了180o。

排气门早开的目的：是当活塞做功行程接近下止点时，可燃混合气的燃烧膨胀已基本结束，但气缸内的气体压力仍然较高，利用此压力可使气缸内的废气迅速地排出；

排气门迟关的目的：是由于活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，利用排气流的惯性可使废气继续排出。这样，排气门开启持续时间内的曲轴转角实际上也就大于了180o。

由于进气门早开和排气门晚关，就会出现有一段时间进、排气门同时开启的现象。进气门和排气门同时开启的那一段时间或曲轴转角，我们就把它称之为气门重叠时间或气门重叠角，气门重叠角的大小等于进气门早开角与排气门晚关角之和。

只要气门重叠角取得合适，就不会产生废气倒流进气管和新鲜气体随废气排出等问题。发动机的结构不同、转速不同，配气相位也就不同。

诠释：

如果在活塞越过下止点一定角度，开始压缩冲程之后再关闭进气门，会怎么样呢？直观的感觉是，这时活塞已经开始上升，刚刚吸入的可燃混合汽岂不是又要被排出去一部分，性能会不会下降？答案也是不一定的；只要时机适当，这样做反而可以增加吸气量，改善性能。因为在吸气冲程可燃混合汽被活塞抽入汽缸，进气门附近的气流速度可以高达每秒两百多米，而在下止点附近活塞的垂直运动相对很慢，汽

缸内体积变化并不大，此时进气岐管内的可燃混合汽靠惯性继续冲入气缸的趋势还是占了上风，吸气量会增加。

如果比活塞到达下止点前，提前开启排气门会怎么样呢？从直觉上，这时废气仍可推动活塞做功，如果打开排气门开始排气，此时气缸内的压强就会降低，能量的利用率也就降低了，发动机性能也会随之下降，但是答案是不一定的；我们知道，排气时活塞会压迫废气从而反过来对废气做功，这个过程会消耗一部分发动机已经获得的能量，如果在缸内压强相对较高时提前开始排气，排气过程就会更顺畅，从而在排气冲程减少了能量消耗，但是考虑到活塞在下止点附近一定角度内垂直运动距离其实非常短，其实发动机略微提前打开排气门效果会更好一些。

如果排气门也在活塞越过上止点一定角度之后再关闭，虽然活塞已经开始下降，排气门附近的废气仍就会继续排出，此时进气门已经开启了，废气难道不会涌入进气岐管吗？道理也是一样的；事实上，这又是个时机问题，燃烧室内的废气涡流的方向决定了废气短时间内是不会流向排气门对侧的进气门的，由于大部分废气在排气冲程中前期就已排出，并且在排气岐管中形成了高密度的高速气流，冲向排气管方向，这部分废气越是远离气缸，对于缸内尚未排出的废气来说，其需要填充的体积就越大，而且此时进气管的气流速度很快，远大于废气的流动速度，于是，一边进气一边排气的局面是完全可以实现的；同理，其实进气门在一定时间内也可以提前开启，以增大气缸进气量（其实这就达到“气门重叠”了）.

课次：

课题：电控发动机辅助控制系统

教学目标：了解和掌握可变配气相位控制系统作用及工作过程教学步骤

一、学习目标及技能要求

掌握可变配气相位控制系统作用及工作过程

二、教学重点

掌握可变配气相位控制系统检测

三、课前准备

1.VTEC发动机

2.万用表或诊断仪

3.机油压力表

4.PGM

四、教学方法

（1）理论辅导（2）示范操作（3）巡回指导

五、教学过程

二、可变气门升程系统

1.可变气门升程系统概述

气门升程是受凸轮轴转角长度控制的，在普通的发动机上，凸轮轴的转角的长度固定，气门升程也是固定不变的。赛车发动机采用长升程设计，以获得高转速时强大的功率输出，但在低转速时会工作不稳定；普通民用车则采用兼顾高低转速的气门升程设计，但会在高低转速区域损失动力。

而采用可升程控制系统的发动机，气门升程能随发动机转速的改变而改变。可变气门升程系统采用凸轮转换机构，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，及时调整进、排气的升程和开启持续时间。为了更好的提高发动机转速和获得更高的输出，可变气门升程系统对气门开启得关闭时刻进行了优化，大大提高了燃油经济性。当发动机处于低-中转速时，由凸轮轴上的低-中速凸轮驱动摇臂，便进、排气门动作。一旦发动机高转速运行，来自传感器的信号就使ECU控制机油控制阀动作，调节摇臂活塞液压系统，使高速凸轮工作。

可变配气相位图

从配气相位图上可以看出活塞从上止点移到下正点的进气过程中（绿色），进气门会提前开启（α）和延迟关闭（β）。当发动机作功完毕，活塞从下止点移到上止点的排气过程中（桔色），排气门会提前开启（γ）和延迟关闭（δ）。

十分明显，这种延长气门开启时间的做法，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻，配气相位上称为“重叠阶段”，可能会造成废气倒流。这种现象在发动机的转速仅1000转以下的怠速时候最明显（怠速工作下的“重叠阶段”时间是中等速度工作条件下的7倍）。这容易造成怠速工作不畅顺，振动过大，功率下降等现象。尤其是采用四气门的发动机，由于“帘区”值大，“重叠阶段”更容易造成怠速运转不畅顺的现象。设计师为了消除这一缺陷，就以“变”对“变”，采用了“可变式”的气门驱动机构。