可变气门技术

可变气门技术 李祖庆20132645
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重庆大学

可变气门技术
发动机构造课程论文

姓名：李祖庆
班级：车辆5班
学号：20132645
汽车工程学院
2015年9月17日
可变气门技术 李祖庆20132645
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可变气门技术

一、当前市面上可变气门技术。
可变气门正时技术几乎已成为当今发动机的标准配置，为了进一步挖掘传统内燃机的潜
力，工程人员又在此基础上研发出可变气门升程技术，当二者有效的结合起来时，则为发动
机在各种工况和转速下提供了更高的进、排气效率。提升动力的同时，也降低了油耗水平。
在此我调研查阅了各个汽车公司目前正在使用的可变气门技术。

1.保时捷的Variocam
保时捷911跑车引擎采用的可变气门正时技术Variocam通过气门我们可以发现其有两
个位置，每个进气门分别有2种最大行程。控制气门行程变化的，是两组凸轮控制，一组是
高速凸轮，既红色部分的凸轮；另一组是低速凸轮，既高速凸轮之间的凸轮。
当引擎在低转速工况时，气门座顶端的黄色的控制活塞落在气门座内。这样高速凸轮只
能驱动气门座向下行程而不能带动整个气门动作，整个气门由低速凸轮驱动气门顶向下行程，
这样获得的气门开度就较小。反之当发动机在高转速工况时，控制活塞在液压的驱动下从气
门座推入到气门顶中，把气门座和气门刚性的连接，高速凸轮驱动气门座时就能带动气门向
下行程获得较大的气门开度。

2. 宝马的Valvetronic
宝马的Valvetronic，实际上就是一种用于进气门的可变气门升程技术。相比于其他的凸
轮轴—摇臂结构，Valvetronic则在凸轮轴和每根摇臂之间设置了一个中间摇臂，用以将凸轮
轴的运动轨迹转化在气门摇臂上。这个中间摇臂引入了电子控制与电机执行系统，系统有一
支与传统式引擎一样的凸轮轴，而且有还有一支偏心轴与滚轴及顶杆的机构，并由步进马达
所带动著，藉由接收来自油门位置的信号，步进马达改变偏心凸轮的偏移量，通过控制电机
旋转一定角度，带动螺纹杆的移动，从而改变中间摇臂接触凸轮轴和气门摇臂的角度，来实
现一个凸轮轨迹转换成可变升程的气门开闭过程。
与传统式的双凸引擎来比较，Valvetronic 利用一支附加的偏心轴、步进马达和一些中置
摇臂，来控制气门的启开或关闭，假如摇臂压得深一点进气门就会有较高的升程，Valvetronic
就是有办法自由控制著气门升降，长进气就是大的气门升程，短进气就是小的气门升程。

3.本田的VTEC
本田的可变气门升程系统的结构和工作原理并不复杂，工程师利用第三根摇臂和第三个
凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化。
当发动机在中、低转速时，三根摇臂处于分离状态，普通凸轮推动主摇臂和副摇臂来控
制两个进气门的开闭，气门升量较小。此时虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间
是分离的，所以两边的摇臂不受它控制，也不会影响气门的开闭状态。

4.雷诺日产的CVTC
CVTC（连续可变气门正时系统）是日产的独有技术，在装载的CVTC系统的车辆上，
发动机管理系统会在行驶的过程中，实时将发动机负荷的大小、行驶的路况、油门开启的变
化程度以及发动机对加速的反应等等信息，传送到高智能型引擎监控系统（ECU），经由ECU
的计算机程序持续不断地进行精密的计算之后，计算机会依据引擎转速去决定进气门在开启
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与关闭时的最佳时间点，而改变CVTC连续汽门正时控制的开闭位置，并且对凸轮轴的驱
动机构进行控制来提升燃烧室的进气效率，并且让废气完全的自汽缸中排出，以在各种转速
之下，提供最佳的燃烧效率。

5. 三菱的MIVEC
装备MIVEC系统的发动机与普通发动机一样采用每缸四气门，两进两排的设计，但不
同的是它可以控制每缸两个进气门的开闭大小。如在低速行驶时，MIVEC系统发出指令此
时两个进气门中的其中一个升程很小，这时基本就相当于一台两气门发动机。由于只有一个
进气门工作，吸入的空气不会通过汽缸中心，所以能产生较强的进气涡流，对于低速行驶，
尤其是冷车怠速条件下能增大燃烧速率，使燃烧更充分从而也大大提高了经济性。在我们日
常行车中，经常会遇到这种情况，比如堵车时，这时装备了MIVEC系统的发动机比普通发
动机能节省不少的燃料。
而另一种情况就是当我们需要加速或高转速行驶时，这时MIVEC系统会让两个进气门
同时以同样的最大升程开启，这时的进气效率能显著提高，令发动机在高转速运转时能有充
足的储备。
当然MIVEC并不是只有这两种可变的工作状态，它可以根据各传感器传来的发动机工
况信号来适时调整最合理的配气正时，总而言之mivec可以令发动机时刻处在最佳燃烧状态。

6. 英菲尼迪的VVEL
工作原理与BMW的Valvetronic类似，但在结构上稍有不同。VVEL系统使用一套螺套
和螺杆的组合实现了气门升程的连续可调。在系统工作时，电机通过ECU信号控制螺杆和
螺套的相对位置，螺套则带动摇臂、控制杆等部件，最终改变气门升程的大小。
摇臂通过偏心轮套在控制杆上，而控制杆可以在电机的带动下旋转一定角度。当发动机
在高转速或者大负荷时，电机带动螺杆转动，套在螺杆上的螺套也会产生相应的横向移动，
与螺套联动的机构使得控制杆逆时针或顺时针发生旋转。由于摇臂套在控制杆的偏心轮上，
因此摇臂的旋转中心也会随之上升或下降，从而达到改变气门升程的目的。虽然整个机构看
起来比较复杂，摩擦副也相对较多，但由于系统中的摇臂，控制杆和螺套等都是刚性连接，
没有弹簧类的回位机构，使得VVEL系统即使在发动机高转速情况下也无需考虑惯性的问
题。

7. 奥迪的AVS
奥迪的AVS可变气门升程系统在设计理念上与本田的i-VTEC有着异曲同工之妙，只是
在实施手段上略有不同。这套系统为每个进气门设计了两组不同角度的凸轮，同时在凸轮轴
上安装有螺旋沟槽套筒。螺旋沟槽套筒由电磁驱动器加以控制，用以切换两组不同的凸轮，
从而改变进气门的升程。
发动机在高负载的情况下，AVS系统将螺旋沟槽套筒向右推动，使角度较大的凸轮得以
推动气门。在此情况下，气门升程可达到11毫米，以提供燃烧室最佳的进气流量和进气流
速，实现更加强劲的动力输出。当发动机在低负载的情况下，为了追求发动机的节油性能，
此时AVS系统则将凸轮推至左侧，以较小的凸轮推动气门

8. 菲亚特的Multiair
菲亚特的Multiair电控液压进气系统相比宝马的Valvetronic和英菲尼迪的VVEL的结构
来说比较复杂，而且复杂的配气机构也会在一定程度上增加制造成本。然而菲亚特的Multiair
电控液压进气系统却采用了一种相对独特的手段实现了气门升程的无级调节，在技术上可谓
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另辟蹊径。
Multiair最大的特点就是开创性的使用了电控液压控制系统来驱动气门的正时和升程，
虽然发动机为每缸4气门的结构，但是却取消了进气门一侧凸轮轴，排气门侧的凸轮轴通过
液压机构来驱动进气门。
Multiair系统的工作原理要直接得多，而且结构相对简单。进气门上方设计有活塞和液
压腔，液压腔一端与电磁阀相连，电磁阀则通过ECU信号，根据工况的不同适时调节流向
液压腔内的油量。由凸轮轴驱动的活塞通过推动液压腔内的油液，控制气门的开启。系统只
需要控制液压腔内的油量的多少即可以完成对气门升程的无级可调。
简单的结构不仅可以减小整个配气机构的惯性，而且在高速运转时，能量的损失也更小，
而且电控加液压的配合方式还让Multiair系统拥有极快的响应速度，因此可以实现在一个冲
程内多次开启气门的模式，使得在怠速和低负荷工况下拥有更高的燃烧效率。然而Multiair
最大的优势在于成本，由于配气机构相对简单，整套Multiair系统也不需要太高的成本，因
此这项技术可以更好的向中低端车型覆盖。

二、VB可变气门发展历程。

在气门的发展历史上，我们使用过活塞式气门、套筒式气门、旋转式气门，不过最终我
们还是使用了最为灵活实用的凸轮气门系统，因为在控制气门开合方面，这种形式是最有效
的，对气门的作用力比较简单。
不过随着对发动机表现要求的进一步提高，人们开始研究除了在进气和排气冲程开合气
门以外，还有没有更好的能够使油气混合的办法。为了增加更多的进气量，设计人员希望活
塞在抵达下止点的时候也不关闭进气门，也就是说，只要吸气行程依旧存在的话，就让进气
气门继续开启。因此，在活塞运行到了底部并再运行约60度曲轴角之后，才关闭进气气门。
同样的道理，我们也可以让排气气门的开启时间更早一些，也就是在活塞抵达下止点还剩
60度曲轴角之前就打开排气气门，因为，此时，排气歧管中的压力已经和气缸中废气的压
力相差不多了。虽然提早开启排气气门会损害一定的有用能量，但同时，过多的背压更会影
响车辆的性能表现（这也是为什么废气中有足够的能量来推动蜗轮运转的原因）。而在活塞
完成了第四个冲程之后，工程师们却依旧不会让排气气门闭合，从而使活塞在继续旋转了
15-20度曲轴角之后再闭合。同时，进气气门则在再次进行第一个冲程之前的10-20度就进
行开启，从而使更多的油气混合汽进入气缸。这样，大约有30-40度曲轴旋转的阶段是进气
和排气气门同时开启的。
这种进气和排气气门共同开启的阶段我们称为重叠阶段。通过这种设计，可以进一步提
高发动机的性能，尤其是对于一些高转速发动机来说，重叠阶段的角度甚至可以达到80度
左右。所以，从上述原理中，我们能够了解到对于气门正时技术而言，“妥协”是最为重要
的。在低转下表现出色的设计在高转下就未必有效，而重叠较多的发动机设计则在低转时的
扭矩输出方面表现欠佳，重叠少的发动机则是在牺牲了动力性能的前提下换来了发动机的平
顺性和高扭矩。因此，就需要在设计时，充分考虑到凸轮形状和正时的设计，从而优化发动
机的表现。因此，在相当长的一段时间内，发动机的设计一直比较中庸，没有任何一款机器
能够既保证高转的有效性，又保证低转的大扭矩。不过，在上世纪70年代初，出于减排目
的而开发的可变凸轮正时技术却给了发动机设计界一个重要的启示。在重叠阶段应用气门正
时调节可以通过废气来降低温度，从而减少NOx的排放。
因此，在上个世纪七十年代，废气外循环（EGR）技术在减少NOx方面的效果已经被
广泛接受，但是，如果能够形成内循环的话，发动机的设计将更为简单。所以，后来人们应
用了更长的重叠时间，从而使部分废气能够在进气冲程时进入气缸。不过，虽然这个问题得
到了解决，但是，怠速和低速的工作效果又受到了影响，并使发动机无法在起步阶段通过废