可变配气相位

VVTI-概况

VVTI

VVT-i是Variable Valve Timing-intelligent的缩写，它代表的含义就是智能正时可变气门控制系统。这一装置提高了进气效率，实现了低、中转速范围内扭矩的充分输出，保证了各个工况下都能得到足够的动力表现。另一个先进之处在于全铝合金缸体带来的轻量化，不仅减小了质量，也降低了发动机的噪声。可变配气正时可变配气正时控制机构的主要目的是在维持发动机怠速性能情况下，改善全负荷性能。这种机构是保持进气门开启持续角不变，改变进气门开闭时刻来增加充气量。（1）凌志LS400汽车可变配气正时控制机构(VVT-i) VVT-i系统用于控制进气门凸轮轴在50°范围内调整凸轮轴转角，使配气正时满足优化控制发动机工作状态的要求，从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、经济性和降低尾气的排放。VVT-i系统由VVT-i控制器、凸轮轴正时机油控制阀和传感器三部分组成，如下图所示。其中传感器有曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器和VVT传感器。LS400汽车的发动机是8缸V型排列4气门式的，有两根进气凸轮轴和两根排气凸轮轴。在工作过程中，排气凸轮轴由凸轮轴齿形带轮驱动，其相对于齿形带轮的转角不变。曲轴位置传感器测量曲轴转角，向ECU提供发动机转速信号；凸轮轴位置传感器测量齿形带轮转角；VVT传感器测量进气凸轮轴相对于齿形带轮的转角。它们的信号输入ECU，ECU根据转速和负荷的要求控制进气凸轮轴正时控制阀，控制器根据指令使进气凸轮轴相对于齿形带旋转一个角度，达到进气门延迟开闭的目的，用以增大高速时的进气迟后角，从而提高充气效率。1)结构VVT-i控制器的结构如下图所示，它包括由正时带驱动的外齿轮和与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮，以及一个内齿轮、外齿轮之间的可动活塞。活塞的内、外表面上有螺旋形花键。活塞沿轴向的移动，会改变内、外齿轮的相对位置，从而产生配气相位的连续改变。VVT外壳通过安装在其后部的剪式齿轮驱动排气门凸轮轴。凸轮轴正时控制阀根据ECU的指令控制阀轴的位置，从而将油压施加给凸轮轴正时带轮以提前或推迟配气正时。发动机停机时，凸轮轴正时控制阀处于最延迟的位置，如下图（b）所示。2)工作原理根据发动机ECU的指令，当凸轮轴正时控制阀位于图（a）所示时，机油压力施加在活塞的左侧，使得活塞向右移动。由于活塞上的旋转花键的作用，进气凸轮轴相对于凸轮轴正时带轮提前某一角度。当凸轮轴正时控制阀位于图（b）位置时，活塞向左移动，并向延迟的方向旋转。进而，凸轮轴正时控制阀关闭油道，保持活塞两侧的压力平衡，从而保持配气相位，由此得到理想的配气正时。提高充气效率是提高发动机动力性能的重要措施。除了增压以外，合理选择配气相位且能随发动机转速不同而变化，以及利用进气的惯性及谐振效应是提高充气效率的重要途径。进气惯性及谐振效应是随着发动机转速、进气管长度及管径大小的变化而变化。在不同转速下，进气管长度应有所不同，方能获得良好的进气惯性效应。并且，只有采用可变配气相位，可变进气系统才能适应不同发动机转速下的要求，才能较全面地提高发动机性能。可变进气系及配气相位改善发动机的性能，主要体现在以下几方面：①能兼顾高速及低速不同工况，提高发动机的

动力性和经济性；②降低发动机的排放；③改善发动机怠速及低速时的性能及稳定性。这里首先介绍可变进气系统，至于可变配气相位以后会以不同的方式再作介绍。可变进气系统分为两类：(1)多气门分别投入工作；(2)可变进气道系统。其目的都是为了改变进气涡流强度、提高充气效率；或者为了形成谐振及进气脉冲惯性效应，以适应低速及中高速工况都能提高性能的需要。1．多气门分别投入工作实现多气门分别投入工作的结构方案有如下两种：第一，通过凸轮或摇臂控制气门按时开或关；第二，在气道中设置旋转阀门，按需要打开或关闭该气门的进气通道，其结构如图3-94a)所示，这种结构比用凸轮、摇臂控制简单。a)涡轮控制阀示意图 b)低速、小负荷工况 c)高速、大负荷工况图3-94 多气门分别投入工作示意图当发动机在节气门部分开度工作时，涡流控制阀关闭(见图3-94b)，混合气通过主要螺旋进气道进入气缸。节流的气道促进混合加速，并沿着切线方向进入气缸，这样可以形成较强的进气涡流，对于低速工况及燃烧稀混合气是有利的。当发动机转速及负荷增加时，仅由主气道进入气缸的混合气不能满足发动机的需要，于是副进气道中的阀门开启，增加进入缸内的混合气(见图3-94c)，而且抑制了进气道中进气涡流强度，这对于提高发动机高速工况时的容积效率及燃烧效率、减少能量损失是有利的。2．可变进气道系统可变进气道系统是根据发动机不同转速，使用不同长度及容积的进气管向气缸内充气，以便能形成惯性充气效应及谐振脉冲波效应，从而提高充气效率及发动机动力性能。(1)双脉冲进气系统双脉冲进气系统由空气室及两根脉冲进气管组成，如图3-95所示。空气室的入口处设置节气门，并与两根直径较大的进气管相连接，其目的在于防止两组(每组三缸)进气管中谐振空气柱的互相干扰。每根脉冲管子成为形成谐振空气波的通道，分别连接两组气缸。将六缸机的进气道分成前后两组，这就相当于两个三缸机的进气管，每个气缸有240°的进气冲程，各气缸之间不会有进气脉冲波的互相干扰。上述可变进气系统的效果在于：每个气缸都会产生空气谐振波的动力效应，而直径较大的空气室、中间的产生谐振空气波的通道同支管一起，形成脉冲波谐振循环系统。图3-95 双脉冲进气系统示意图a)低速段（n﹤4400r/min）；b)高速段（n﹥4400r/min）当进气管中动力阀关闭时(见图3-95a)，可变进气管容积及总长大约为70cm的进气管，能在发动机转速n＝3300r/min时，形成谐振进气压力波，提高了充气效率，使转矩达到最大值。当发动机转速大于4000r/min时，进气管中便不能形成有效的进气压力波，于是动力阀门打开(见图3-95b)，两个中间进气通道便连接成一体。优化选择在每个气缸与总管连接的支管容积后，能形成高速(如：n＝4400r/min)下谐振进气脉冲波，使转矩值达到较高值。于是在n＝1500～5000r/min的范围内，转矩曲线变化平缓，如图3-96所示。图3-96 采用可变进气系统后的转矩特性（六缸发动机）(2)四气门二阶段进气系统该进气系统由弯曲的长进气管和短的直进气管与空气室相连接，并分别连接到缸盖的两个进气门上，如图3-97所示。在发动机低、中速工况时由长的弯曲管向发动机供气；而在高速时，短进气管也同时供气(动力阀打开)，提高了发动机功率。在发动机低、中速工况(n﹤3800r/min)，动力阀关闭短进气管的通道(见图3-97a)。空气通过长的弯曲气道，使气流速度增加，并且形成较强的涡流，促进良好混合气的形成。此外，进气管的长度能够在进气门即将关闭时，形成较强的反射压力波峰，使进入气缸的空气增加。这都有助于提高发动机低速时的转矩。在发动机高速工况(n﹥3800r／min)，动力阀打开(见图3-97b)，额外的空气从空气室经过短进气管进入气缸，改善了容积效率，并且由另一气门进入气缸的这股气流，将低、中速工况形成的涡流改变成滚流运动，更能满足高速高负荷时改善燃烧的需要。图3-97 四气门二阶段进气系统a)低速段；b)高速段(3)三阶段进气系统该进气系统由末端连在一起的两根空气室管组成，并布置在V形夹角之间。每根空气室通过3根单独的脉冲管连接到左侧或者右侧的气缸上。每一侧气缸形成独立的三缸机，各缸的进气冲程相位为均匀隔开的240°。

两根空气室的人口处有各自的节流阀，在两根空气室中部有用阀门控制的连接通道，在空气室末端U形连接管处布置有两个蝶式阀门，如图3-98所示。图3-98 三阶段进气系统a)低速（n﹤4000r/min）；b)中速（n﹥4000r/min）；c)高速（n﹥5000r/min）在发动机低速工况(n﹤4000r/min)(见图3-98a)，两空气室管之间的阀及高速工况用阀关闭。每根空气室管及与其相连接的3根脉冲进气管形成完整的谐振系统，将在一定转速工况下(如：n＝3500r/min)，将惯性及波动效应综合在一起，从而使充气效率及转矩达到峰值。当发动机转速高于3500r/min时，谐振压力波的波幅值变小，因此可变系统的效果也变差，相应地每个气缸的充气效率也变小。当发动机转速处于4000～5000r/min之间，即中速工况时(见图3-98b)，连接两根空气室的阀门打开，因此部分损坏了低速工况谐振压力波频率，然而却在转速为4500r/min的工况下，形成新的谐振压力波峰，从而使更多的空气或混合气进入气缸。当发动机转速进一步提高，如：达到5000r/min以上，于是短进气道中蝶阀打开(见图3-98c)，在两个空气室之间的短的及直接通道的空气流动，影响了第二阶段的惯性及脉冲效应。然而在高速范围(5000～6000r/min)内，通过各缸进气管的脉冲及谐振作用，建立了新的脉冲压力波及效果。于是三阶段的可变进气系统在三段转速范围内都能形成一个高的转矩峰值，从而提高了整个转速范围内的转矩，使转矩特性更平坦，数值更高。