气门可变技术探究毕业论文

日本本田公司是使用变凸轮的可变气门技术的先锋，在80年代末发表了他著名的VTEC(Valve Timing Electronic Control=电子控制气门正时技术)。首先配置在Civic、CRX和NS-X上，随后渐渐地成为了多数车型的标准配置。

在图中我们可以看到有两组有着不同形状的凸轮，用以达到不同的气门正时和升程。其中一组在正常转速的工况下起作用，也就是日常使用的4500rpm以下。另外一组则在高转速下替换作动。很显然，这样的设计并不能达到气门正时的连续可变，因此VTEC发动机在4500rpm以下（高速凸轮开启转速因不同的车型和发动机型号有异）表现得相当温和，但是一旦超过4500rpm切换至高速凸轮（俗称“开TEC”），发动机的表现就会像猛兽般动力澎湃。

这套系统能确实提升峰值马力，使发动机能轻易攀上接近8,000 rpm (在S2000上的发动机甚至能达到9,000 rpm),就像一辆装有竞技用凸轮轴，可使一副升级别的发动机马力提升幅度达到30匹之巨！！然而，想充分利用这种强大力量，必须将发动机转速保持在“开TEC”点以上，因此您需要频繁地换挡。另外，低转速区域的马力表现就不是那么能使人印象深刻了，因为低速凸轮必须从零开始工作至4500rpm，驾驶乐趣差强人意。总的来说，可变凸轮技术非常适合配备在运动型汽车上。

图：变凸轮气门可变技术基本原理图。

本田已经在某些型号的发动机上，将2段式VTEC改进为3段式VTEC了。当然，段数越高，它的表现越完善。然而它始终只能提供相对于其他连续可变气门技术不太宽广的扭力带。不过，由于其他的VVT系统并不能改变气门升程，变凸轮系统仍然是最为强劲的VVT系统。

优点：

发动机的后段更为有力，适合高转速取向发动机

缺点：

只有2-3段可变，非连续可变；对扭力分布改善有限；结构复杂

相似原理的技术：

Honda VTEC、 Mitsubitshi MIVEC、Nissan?Neo VVL

本田最新的三段式VTEC已经加载在日本贩售的Civic?Sohc?发动机。此机构的每段凸轮轴拥有3个不同正时和升程形状的凸轮。留意他们的外观的分别——处于中间的凸轮(快正时，高扬程), 如图所示，是最大的; 右手边的凸轮(慢正时，中等扬程)大小处于中间 ; 左手边的凸轮(慢正时，低扬程) 是最小的。

这个机构的运作原理是这样的：

图：3段式VTEC结构图

图：3段VTEC 3D图

Stage 1 (低速) : 3个摇臂独立运动。所以控制左进气门的左摇臂受慢速凸轮驱动，控制右侧进气门的右摇臂受中速于中间凸轮是凸轮驱动。两个凸轮的正时相对于中间凸轮来说都处于慢速状态，当然，中间凸轮并没有控制任何气门。

Stage 2 (中速) : 液压将左右两个摇臂连成一体，但中间摇臂继续独立运动，不能控制任何气门。由于右凸轮比左凸轮大，那么连起来的摇臂实际上是受右凸轮驱动。结果，两个进气门都获得低速正时和中等行程。

Stage 3 (高速) : 液压将3个摇臂连在一起。由于中间凸轮是最大的，那么两个进气门都是受中间凸轮所控制的。两个进气门都处于高速正时和大行程工况。

和本田的三段式i-VTEC非常相似，Neo VVL也是使用通过使用不同形状的凸轮作动于气门摇臂，达到在不同的发动机转速工况下，控制相对应的气门升程及打开持续时间，来优化发动机的动力和油耗表现。但是日产的左右侧凸轮的轮廓是相同的。 在低转速工况，它们对应的摇臂都是彼此独立，受各自的低速正时、低速扬程凸轮控制。到了高速工况，三个摇臂受液压推动而连成一体，一起受到置于低速凸轮之间的，高速正时、高速扬程的高速凸轮控制，由高速凸轮带动气门摇臂。

你觉得这是一个两段式的系统吧？不对，至少不完全对。如图所示，由于日产Neo VVL在排气侧凸轮轴都安装有相同的系统，此系统的工作状态可以分为下面的三种情况：

Stage 1 (低速) : 进气门和排气门都使用慢速模式。

Stage 1 (低速) : 进气门和排气门都使用慢速模式。

Stage 3 (高速) : 进气门和排气门都使用高速模式。

MIVEC（Mitsubishi?Innovative Valve-timing-and-lift Engine Control，三菱新型气门正时及扬程引擎控制技术）是由三菱公司研发出来的汽车可变气门正时技术。MIVEC 通过使用2组不同形状的凸轮轴达成气门可变升程。它和本田的VTEC系统很相似, 但是事实上，MIVEC 系统牺牲了较高转速的出力性能，并且在凸轮的设计上相对保守，换来的是在比较低的转速MIVEC就已开启，,使得高低转凸轮之间的过渡显得柔和。然而，Lancer?Evolution上的MIVEC系统仅仅控制气门的正时而不控制升程。同样，MIVEC的工况也分为低速和高速模式：

图：MIVEC的工作原理图。

低速模式：

双进气气门不同的升程(低和中等升程)以及增强气缸内气流进一步使燃烧更加稳定而不会损害燃油经济性、排放和扭力。

高速模式：

延长进气门的开放时间和扩大气门开放程度，可以增加充气量和成功地接近同级引擎输出的最佳成绩。

MIVEC技术已经被纳入"World Engine"（世界级引擎）, 成为一个三菱、戴姆勒?克莱斯勒公司和现代汽车共同发展的项目。

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。

图：步进电机控制偏心轮的旋转角度，使得中间摇臂角度改变，从而改变气门升程。

图：从原理简图和Valvetronic系统的剖面图中可以看到该系统所对应的活动零件和执行元件，凸轮轴的布置方式和常规的样本截然不同。

奥迪也在新世代的 V6FSI引擎（用于A5）上发表了自己的可变气门升程技术，称为“Audi?Valve-lift System”，缩写为AVS。AVS作为奥迪的可变气门升程技术，在提高了引擎输出的同时，更能有效降低油耗，且结构简单，工作可靠，也难怪奥迪在这项技术上花费超过6年的时间了。

AVS的原理和其他的可变气门升程技术和其他的气门升程技术相比可谓另辟蹊径了。其他的气门升程技术，一般是通过改变摇臂的作动模式来完成气门的升程可变的；但是AVS的特别之处在于它的气门升程可变是通过凸轮轴的轴向移动来切换凸轮的。

这套系统主要组成部分就是液压顶针——就是上图所示的金属外套加黑色内芯的部分。当引擎在低转速区间，受液压控制的顶针处于收缩状态，顶针与凸轮轴之间没有接触，凸轮轴处于自由状态，工作凸轮为低速凸轮。当发动机切换至高转速工况，液压顶针充油，顶针向下方延伸，不锈钢的顶针头卡在了凸轮轴上的螺旋槽内。由于顶针是固定在气缸体的，因此随着凸轮轴继续旋转，凸轮轴将会被顶针与螺旋槽共同作用往左推（图中绿色箭头方向）。工作凸轮切换为高速凸轮。而当顶针缩回去，凸轮轴又将恢复自由状态，也就是恢复使用低速凸轮驱动气门。

气门正时可变技术是目前为止最简单、成本最低而且最常见的气门可变机构。然而，它的性能和效果也是最小的，只是省油减排技术而已，绝非性能取向。

基本上，这种技术主要是改变凸轮轴的正时。例如，在高转速下，进气凸轮轴会向前旋转过去30° ，使进气门开启时间提前。这个动作是由发动机管理系统（ECU和传感器），根据发动机负载和转速等工况发出指令，再由液压驱动元件执行动作。

在这里笔者要强调的是气门正时可变技术不能改变气门开放的持续时间。它只能达到气门早开或晚开的作用。但是早开早关，也就是说气门开放的持续时间的不变的。再者，它也不能改变气门升程，不像变凸轮气门技术。然而，气门正时可变技术是最简单、成本最低的气门技术，因为每一根凸轮轴仅仅需要一个步进液压驱动器，不像其他系统需要在每个汽缸都设置独立的机构来完成动作。

角度可变过程分为连续和不连续：

比较简单的版本只有2-3个固定的预设角度可供选择，比如0°或者30°。比较先进的系统会提供连续的角度可选，也就是说可以选择0° 至30°之间的任意一个角度，取决于当前引擎转速。明显地，这样就可以在任意发动机转速都能提供最合适的配气正时，带给引擎更大的灵活性。另外，两个角度之间的过渡流畅得让人难以察觉。

进气和排气：

某些设计，像是BMW的 Double Vanos系统，就在进气和排气凸轮轴都分别装有可变正时系统，这样就能达到更深入的进排气重叠，带来更强的换气效果。这样就能解释为什么BMW?E46?M3? (超过100匹的升功率) 比它只在进气侧装有可变正时机构的前辈E36M3  (95匹的升功率) 有更高的效率了。

在 E46代的3系上， Double Vanos的进气端进气提前角最大可以达到40° 而排气端最大提前角则为25°。

优点

结构简单、成本低廉；全转速带扭矩丰盈平顺；

缺点

没有增加气门开放持续时间和升程的功能

相似原理的技术

在众多车厂的气门正时可变技术中，BMW的Vanos 技术可谓是当中的佼佼者，既兼顾了低油耗，又能达到强劲输出，与BMW的设计与调教技术相配合，相得益彰，实为成功的典范。

其他车厂的类似可变气门正时技术都是使用相似的原理，在凸轮轴与正时齿轮之间安装上液压执行机构，由ECU和传感器信号控制液压伺服机构执行动作，使得凸轮轴可以相对于正时齿轮旋转过一定的角度，达到气门配气正时的提前或延后，提高发动机在各转速区域内的换气效率。

图：图中的左方齿轮就是正时齿轮，内有啮合斜齿轮；右边的就是Vanos的液压执行件，空心轴的内花键用于与凸轮轴配合，外斜齿轮和正时齿轮啮合。

从本文的配图，我们很容易就能理解Vanos的运作原理：凸轮轴的正时齿轮端固定连接着一段齿轮条（注意齿轮不是直齿而是斜齿），这个齿轮条的齿轮又和一个可以沿着凸轮轴轴线前后移动的罩子内侧相咬合。由于齿轮条上的是斜齿，因此这个罩子往前移动，将会带动凸轮轴相对于罩子顺时针转动，也就使气门正时提前；同理，罩子后移，凸轮轴将会逆时针转动，使气门正时延后。

图：Vanos结构与工作原理示意图

而罩子的前进和后移，完全取决于位于其后方的液压执行元件。在其后方的大“鼓包”内是由薄片活塞分开的两个充满液压机油的油压腔——薄片活塞与前文所述的罩子刚性连接。活塞的前后动作取决于前后油压腔的油量和油压大小。两个工作腔内的液体进出完全由电磁阀门控制，进而利用两个腔内的压力差将薄片活塞往前推或往后推。由此可见，可变气门正时机构可以通过控制油压活塞的位置就达到调整气门正时的作用，原理简单，执行容易。

既然变凸轮可变气门技术和气门正时连续可变技术都有其特殊之处，各有各的优缺点，很多的车厂都已经想到将这两种性格各异的气门可变技术有机地结合起来，兼顾了高转速的动力表现和全段转速区域的平顺性，但代价是结构复杂和成本高昂。

图：图为奥迪的“Valvelift”双可变技术结构

随着电子技术和机电一体化技术的发展，将这两种可变气门技术相结合使用的可能性变成了现实，各大车厂都在旗下的车型中选配了这种“升程、正时双可变”的气门可变技术。如丰田的VVTL-i、保时捷的Variocam Plus 、本田的i-VTEC?和奥迪的Valvelift技术等，从账面数据上和实际的使用效果来看，都能达到优点叠加、缺点互补的优异效果。不难预测，在未来的汽车往低排放、高能效和追求功率密度的趋势下，这种“升程、正时双可变”的气门可变技术一定会因为其优异性能而大行其道。

作为丰田可变气门正时技术的看家法宝VVT的升级改良版，和YAMAHA公司共同开发的VVTL-i（Variable Valve Timing?and Lifting with Intelligence）在具备了VVT-i除了不同转速区间外，还能能适应车辆在不同负荷工况下无级调整气门正时的基本功能外，还有2级改变气门升程的功能，进一步强化了发动机的动力性能，例如服役于于末代Celica的2ZZ-GE发动机，就装有VVTL-i系统，以的排量压榨出190匹的马力。

VVTL-i作为丰田现役最为顶级的可变气门技术，可以看成是丰田VVT-i技术和类似于本田VTEC技术的结合。

图：VVTL-i的结构示意图和工作原理图

在控制气门正时方面，原理和VVT-相同。通过凸轮轴末端与液压执行机构相连接，通过液压系统使凸轮轴向前或向后旋转一定的角度。通过发动机转速、发动机负荷率、上坡或下坡等路况等信号的输入来决定恰当的气门正时，正时改变角度的最大差值可达60°。

VVTL-i相对于VVT-i的“升级”就在于它的“L”，也就是气门升程“lifting”的意思。和VTEC技术相类似，VVTL-i也是使用一个摇臂来控制两个进气门（排气门亦然，下同）。当大发动机在低速状态，低速凸轮直接作用于气门摇臂，由低速凸轮控制气门开合；高速凸轮下的摇臂则在摇臂内部设置了挺杆，挺杆的运动不会干涉摇臂动作。到了高速状态，在高速凸轮（大持续角、高升程）下的摇臂内挺杆下方空隙，被液压控制的滑块填充之后，就变为由高速凸轮的动作直接作用于摇臂，带动气门开合，从而实现了低速气门升程和高速气门升程之间的2段式转换。

VVTL-i相对于普通VVT-i，甚至VVT技术来说，既保留了发动机低至中转速区域扭力分布的平均和顺滑的特性，还因为有了气门升程可变技术的引入，直接改善了发动机的高转动力性能，使得发动机的动力能向高转区域延伸。因此，不管是从平顺性、动力性还是燃油经济性等方面考虑，VVTL-i都是现今丰田旗下最为优越的气门可变系统。

优点

VVT系统保留了全段转速区域内的扭矩平原特性，气门升程可变技术则增强了发动机高转速的出力特性。

缺点

比常规可变进气系统造价更昂贵、结构更复杂

应用

丰田 升 2ZZ-GE 190hp：末代Celica、高性能版Corolla

保时捷的Variocam Plus技术相传是从服役于Carrara和Boxter车型上的Variocam技术演化而来的。但通过对比，两者之间却没有任何的共用部件。Variocam在1991年的968上首次亮相，使用正时链改变凸轮轴的角度，可以提供3段式的进气正时变化。996和Boxter也是使用这套老系统。虽然说这样的设计是独特而新颖的，但是和其他车厂的液压控制可变正时系统相比较起来就有点捉襟见肘了，尤其是它并不允许大幅度、多段式的变化量。

保时捷 Variocam系统

图：Variocam Plus系统的工作原理

因此，在新的911Turbo上，就换上了新型的Variocam Plus系统，引入了液压控制的可变正时机构，大大提高了可变气门正时系统的灵活性和适应性。不仅如此，Variocam Plus更为重要的改变是加入了气门升程可变系统。这套新的气门升程可变由可变液压气门挺杆来实现。正如图中所见，每一个气门受3个凸轮交替控制。中间的是低速凸轮，气门升程（3mm）和持续时间都是最短的；两侧的凸轮实际上是一样的，气门升程（10mm）和持续时间都比较大。可变升程的实现实际上是依靠可变挺杆的。从上图可以看到，实际上挺杆分为两部分，中央部分和外围部分。两部分之间有一根液压锁销来负责连接。当锁销将两部分锁死，气门挺杆实际上就由高速凸轮控制；同理，当锁销解锁，则外围部分不起作用，气门受中央部分挺杆的驱动。

优点

结构紧凑、简单，所需部件少；大大提升了引擎的初中末段之性能表现。

缺点

造价昂贵，需要保证强度，液压驱动机构复杂

应用

Porsche?911?Turbo,?911?Carrera （997代）

AVTEC的全称是Advanced VTEC，也就是改良后的VTEC。不同于以前的VTEC系统只能2段或3段式气门升程可变，AVTEC系统可以实现气门升程的连续可变。但是细心探究之下，笔者发现这次的“改良”可以说不仅仅是一种改良，更是对整个VTEC系统工作原理的一次颠覆和突破。

自VTEC系统问世以来，一直都是以其独特的二段式（后期改良后的第二代VTEC有三段式）凸轮轴，通过液压控制凸轮对应的摇臂组是否能控制气门挺杆作动来实现气门升程的可变。然而在这个原理问世接近20年后，不断受到后来竞争者的模仿和改良，性能已逐步显得并不突出了。新发表的AVTEC系统，虽说仍然是VTEC技术加入了连续可变气门升程的改进，但基本工作原理却是一次翻天覆地的变革。

图：这个小得几乎可以忽略的“Advanced”，可是VTEC技术划时代变革的标志。

为了能实现发动机气门升程和气门正时的连续可变，可变气门执行装置(1) 包括了以下部分：由发动机缸盖固定部分所支撑着的凸轮轴(8) ，和常规凸轮轴一样可以旋转，并且只包含有一种形状的凸轮(7)；主气门摇臂(9) 也是通过摇臂轴（32）固定好的；主摇臂的气门侧有一滑块(12)，控制气门杆(6), 一个半开放的凸轮轴壳(11)固定在缸盖上，包裹着部分的凸轮轴，并可由滚齿（25）和控制杆（26）控制而旋转一定的角度；副摇臂(10)有两个推轮——第一推轮(20)和第二推轮(21)，都固定在凸轮轴壳之上；位于主摇臂之上的摇臂滑轮(22)能使副摇臂和主摇臂啮合顺畅；凸轮轴在凸轮轴壳内旋转，推动副摇臂，再由副摇臂推动主摇臂，驱动凸轮轴。

图：凸轮轴和凸轮轴套及副摇臂的结构，（14）为固定于缸盖的轴承。

图：左图是引擎处于低转速状态，右图是引擎处于高转速状态，留意副摇臂的位置，这就是AVTEC的精髓所在。

AVTEC技术在去年已经发表，而从今年开始会首先装备在K24A引擎上，但从官方数据中，并没有明确介绍这台引擎的动力数字是多少，但却相当标榜新技术在燃油经济性和环保方面的表现：AVTEC的燃油消耗量比i-VTEC减少了13％，而排放则比日本国内的2005年排放标准降低了25％等。

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