关于汽车发动机可变气门正时技术的思考

向明朗

绵阳富临精工机械股份有限公司 四川省绵阳市 621000

1 引言

20世纪80年代，汽车燃油经济性和排放要求开始加严，可变气门技术成为一个研究的热点，早期的汽车发动机气门只有一个固定的开闭时刻和升程，难以根据实时工况的需要提供最佳进排气，使发动机在提升性能、改善油耗和排放方面受限，为解决这一问题，马自达、本田、菲亚特、丰田、宝马及通用等汽车公司都推出了相应的可变气门技术，这些技术可以改变气门的开闭时刻或气门升程，但基于性价比、可靠性等原因，以液压控制的可变凸轮相位技术发展成为主流，它可以根据发动机动态工况需求，适时调节气门开闭时刻到最佳位置，能有效提高发动机功率、扭矩，降低油耗和排放，液压可变气门正时技术经过近40年的升级和发展，其功能和性能都有了较大的提升，成本也大幅下降，在发动机已得到广泛应用，但随着发动机效率、排放和油耗要求的进一步提高，更高性能的电动可变气门正时技术已被研发出来，未来会在高性能内燃机发动机上普遍应用，对可变气门正时技术发展趋势的关注和研究仍然有重要价值，而基于无凸轮的液压可变气门和电磁可变气门技术，因非主流，不在本文分析之中。

2 可变气门正时技术的结构原理和重要作用

可变气门正时技术：指的是发动机气门开闭时刻可以适时改变的一项技术。它的基本结构是在凸轮轴前端安装一个可以在一定角度内来回转动的凸轮相位调节器，相位器的转子与凸轮轴固定，定子通过正时带或正时链与曲轴连接，在发动机润滑系统中设置液压油路与相位调节器相连，油路上设置有电磁式的机油控制阀（简称OCV），机油控制阀通过线束与发动机ECU连接。基本原理是发动机ECU通过曲轴相位传感器和凸轮相位传感器采集并计算当前气门开闭实际时刻，ECU将发动当前工况需要的最佳的气门开闭时刻与实际值之差转换为控制OCV动作电信号，OCV通过改变通往相位调节器的油的流量和流向，实现对相位调节器转动角度的控制，相位调节器执行相位调节后，适时的气门开闭时刻又被曲轴相位传感器和凸轮相位传感器采集到ECU，ECU再次计算相位的差值，发出下一步调节信号，从而实现闭环的动态控制。

气门开启或关闭时刻可以随发动及工况需求适时改变后，它能有效降低泵气损失，提高进气效率、优化膨胀比、调节内部废气再循环（EGR）率、优化燃烧温度等，从而起到提升发动低速扭矩、功率、提高热效率、降低排放和油耗的效果，对发动机性能提升有重要作用。

3 可变气门正时技术的发展和应用

3.1 早期可变气门正时技术

早期的可变气门正时技术产品在上世纪80年代初开始应用于阿尔法罗密欧、奥迪和大众的部分车型上，主要有两种结构：用于阿尔法罗密欧的凸轮相位调节器是一组斜齿轮，液压通过推动齿轮的轴向滑动实现定转子之间的旋转实现相位的改变，而用于奥迪和大众的VVT系统，是采用一个液压缸来调节正时链条紧边和松边的长度，实现相位的提前和迟后的，他们的共同特点是调节位置是分级的，可调相位角度小，响应速度慢。

之后丰田汽车公司推出了新的VVT 技术，在相位调节器的设计上采用了多叶片式转子与定子配合形成提前和迟后两组不相通的油腔，分别与OCV的两条油路连通，OCV也从开关阀变成了比例阀，通过OCV比例控制提前和迟后腔的油压平衡，使VCP在设定的角度范围内可以受控地停在任意位置，硬件上实现了角度的连续可调， ECU内植入了事先标定好的各种工况下的相位控制策略程序，通过有比例调节功能OCV实现对VCP的动态闭环控制，从而实现气门正时的智能无极可调，此技术被丰田命名为VVT-i，业内也称为CVVT，其产品主要由日本电装公司生产并供应丰田，包括了机油控制阀OCV、凸轮相位调节器VCP及其控制部件ECU，因VVT-i具备可变气门正时技术的主要功能，对发动的功率、扭矩提升、油耗降低效果显著，加上电装和丰田强大的研发和产业化能力，到上世纪90年代初，VVT-i在丰田汽车发动机上已广泛应用。同期发展的宝马Vanos技术与VVT-i技术原理相同，这一代VVT技术的特点是相位连续无极可调，液压阀为比例阀，智能闭环控制。

3.2 中期可变气门正时技术

随着以丰田VVT-i为代表的VVT技术的逐步成熟，日本、欧州和美国的其它主流汽车厂也开始重视VVT技术，但新的研发都是在VVT-i基本技术原理基础之上，改进了结构、增加了功能、提升了性能和开发了新的应用方案，典型的如：早期的VVT只应用在进气一侧，后面又增加应用到排气侧上，称之为双VVT或DVVT，双VVT能更大范围控制气门叠开角，可实现内部EGR的功能，有效降低了排放；为了提高VVT系统的响应速度和降低成本，德国的舍弗勒和美国博格华纳等零部件公司将OCV阀的液压阀体部分设计成为内置油路的螺栓阀，装配在凸轮轴与相位器中间，替代凸轮相位器安装螺栓，OCV的电磁驱动部分设计成一个独立的电磁铁，同轴安装在螺栓阀正前方的发动机罩盖上，构成一个分体式OCV，这一设计减短了OCV通往VCP的油路长度，减少了泄漏点，使VCP内压力平衡更快，这一设计也让油路结构更简单，减少了加工，从而提高了VVT系统的响应速度和降低了制造成本，这项技术被称为中置式VVT； VVT系统响应速度的提高能让发动机在瞬态工况变化也能得到精准的正时跟随，运行会更加平稳，性能也更稳定，为了进一步提高VVT系统的响应速度和降低VVT系统对机油流量消耗的需求，以德国舍弗勒、海力特及美国博格华纳等零部件公司在OCV的油路或VCP的油路上设计了单向阀功能，让机油在OCV与VCP的提前和迟后油路之间快速调压和平衡互补，进入提前和迟后油路的油只有较小的泄漏，有效提高了VVT系统的响应速度和降低了机油流量的消耗。到2005年前后，VVT技术在国外市场已进化成熟，在日本、欧洲和美国品牌的汽车发动机上已普遍使用，中国自主品牌车企也开始引入VVT技术，零部企业也开始研发VVT产品，如富临精工在2006年就开始了VVT产品研发。中期VVT技术产品的特点是双VVT应用，响应速度等性能大幅提升。

3.3 当前可变气门正时技术

近几年来，高效率、高压缩比的双循环发动机开始应用，它具备奥拓循环和阿特金森循环两种模式，可自由切换，当工作在阿特金森循环下需要降低压缩比时，就要求进气有更大的相位迟后角，因液压VVT系统在油压低和油温低时不能正常工作，为了保证发动机顺利启动，中期的VVT技术在发动机启动时是将VCP的相位通过内置的液压锁销锁止在一个预设的固定相位，进气在最迟后，排气在最提前，故导致了VVT可正常工作时，进气不能再向迟后方向调节，排气不能再性最提前方向调节的不足，为解决这一文件，电装、舍弗勒、博格华纳等汽车零部件公司研发了液压中间锁止VVT技术， VCP设计了更大的可调节角度，并在其中设计了特殊的锁销机构，配合 OCV中设计了复杂的油路及新开发的控制策略，实现了发动机启动或停机时，可以让VCP锁止在中间预设位置，正常工作时，进气VCP还可向更迟后的相位调节，解决了更大迟后相位调节问题，此技术被称为液压中间锁止式VVT，但此技术产品结构复杂，制造成本高，性价比低，目前市场没有太多应用。

4 新型电动VVT技术研发进展情况

基于解决发动机低温排放控制对VVT系统提出的低速低温可调问题，解决高性能发动机匹配高响应速度的涡轮增压器对VVT系统要求更高的相位调节响应速度问题，结合液压中间锁止式VVT技术的缺点，一种全新的电动VVT（即EVVT）技术逐步成熟，参与这一全新技术研发有电装、舍弗勒、富临精工、博格华纳、爱信等知名汽车零部件企业，EVVT的基本结构是将液压VCP换成了一个小型齿轮减速器，OCV换成了一个电机，齿轮减速器输入端与电机输出轴连接，减速器输出端相当于转子与凸轮轴连接，减速器外壳体设计为正时齿轮，相当于液压VCP的定子，通过正时链与曲轴连接，原理是ECU通过控制电机与凸轮轴保持一个转速差，转速差会作为减速器的输入转速经减速增扭后传给凸轮轴，实现相位调节和控制，EVVT技术的优势是：可调节角度大，因相位器因不需要在圆周上分成几个腔，故可调节角度可设计更大，目前在应用的主流为70—80°曲轴相位角(°CA)，研究中已到140°CA，相比已知液压式最大60°CA有了本质的提升；响应速度快，EVVT的响应速度主要取决于减速比和电机与凸轮轴的转速差，目前在应用的产品的响应速度为100—300°CA/s，研究中的产品已达到了500°CA/s以上，相比液压式50—200°CA/s的响应速度有极大进步；低温低速可调节，EVVT的工作时，机油只起润滑作用，不是可工作的必要条件，在低温下不受油的流动性变差影响，低速时不受低油压影响，故在低温和低速下均可调节，基于目前试验数据EVVT在-40℃环境下，可稳定达到100°CA/s的响应速度，一些大减速比的EVVT可以在发动机停机的状态下调节相位，而当前液压式VVT的可使用温度一般在20℃以上；EVVT解决发动机启动相位问题，发动机停机时将相位调至最迟后位置，在启动时，发动机被起动机拖着转动的过程中，EVVT可在0.3s内将相位调节到可以点火启动的相位上，使发动机顺利启动；EVVT只使用机油作润滑，故降低了机油流量和压力的要求，降低了机油泵负荷。

5 结语

液压式VVT技术发展了近40年，目前已非常成熟，因其性价比极高，现已成为了汽油发动机的标配，未来数年仍会被大量使用；液压中间锁止式VVT因功能升级导致结构过渡复杂、性能又受液压系统固有的温度、压力局限，性价比较差，当前未在市场批量应用，它极可能成为一种过渡性技术；而EVVT具有几乎满足所有功能性能要求的技术优势，是跨越式的进步，已受到车厂的高度关注，特别是电气化更高的用于新能源混合动力汽车的高效率发动机，更需要使用EVVT技术，国内外VVT主流供应商也已加入研发，日本丰田等车企已开始批量应用，国内以富临精工为代表的VVT产品龙头企业已与多家车企联合研发多年，EVVT产品已到产业化开发阶段，其性价比极高， EVVT将可能是未来主流可变气门正时技术，会广泛地应用到新设计的发动机上。