任務二 可變氣門正時和升程的結構及工作原理

學習目標

1.了解可變氣門正時和升程的功能

2.掌握可變氣門正時和升程的結構及工作原理

3.了解可變進氣道的故障現象及引起故障的原因

課程準備

知識準備

配氣相位機構的原理和作用

發動機的配氣相位機構負責向氣缸提供汽油燃燒做功所必需的新鮮空氣，并將燃燒后的廢氣排出，這一套動作可以看做是人體吸氣和呼氣的過程。從工作原理上講，配氣相位機構的主要功能是按照一定的時限來開啟和關閉各氣缸的進、排氣門，從而實現發動機氣缸換氣補給的整個過程。

氣門的原理和作用又應該怎么理解呢？我們可以將發動機的氣門比作是一扇門，門開啟的大小和時間長短，決定了進出的人流量。門開啟的角度越大，開啟的時間越長，進出的人流量越大，反之亦然。同樣的道理用于發動機上，就產生了氣門升程和正時的概念。氣門升程就好像門開啟的角度，氣門正時就好像門開啟的時間。

氣門重疊角對發動機性能的影響

圖1-3-10所示為氣門重疊角及配氣相位，氣門重疊的角度往往對發動機性能產生較大的影響，那么這個角度多大為宜呢？發動機轉速越高，每個氣缸一個工作循環內留給吸氣和排氣的絕對時間也越短，因此要達到更高的充氣效率，就需要延長發動機的吸氣和排氣時間。

圖1-3-10 氣門重疊角及配氣相位

顯然，當轉速越高時，要求的氣門重疊角越大。但在低轉速工況下，過大的氣門重疊角則會使得廢氣過多地瀉入進氣端，吸氣量反而會下降，氣缸內氣流也會紊亂，此時ECU也會難以對空燃比進行精確的控制，從而導致怠速不穩，低速轉矩偏低。相反，如果配氣機構只對低轉速工況進行優化，那么發動機就無法在高轉速下達到較高的峰值功率。所以發動機的設計都會選擇一個折中的方案，不可能在兩種截然不同的工況下都達到最優狀態。所以為了解決這個問題，就要求配氣相位可以根據發動機轉速和工況的不同進行調節，高低轉速下都能獲得理想的進、排氣效率，這就是可變氣門正時技術開發的初衷。

一、可變配氣正時系統的結構及工作原理

1.可變配氣正時系統的分類及組成

可變配氣正時按調節的種類可以分為單側調節和雙側調節。單側調節只調整進氣正時或排氣正時，雙側調節則同時調整進氣和排氣的正時。

可變配氣正時系統按調節控制器分類主要有兩種類型：一種類型是活塞在外齒輪（相當于機殼）和內齒輪（直接附在凸輪軸連接）的螺旋齒條之間作軸向運動，以改變齒輪軸狀態。另一種為葉片槽式，本書講解葉片槽式的類型。

可變氣門正時系統主要由ECU（電子控制單元）、葉片槽式調節器、凸輪軸調整電磁閥以及傳感器等部分組成。

2.可變配氣正時系統工作原理

雖然可變氣門正時技術在各個廠商的名稱不同，但是實現的方式卻大同小異。其工作原理為：該系統由發動機ECU協調控制，發動機ECU以曲軸位置傳感器、空氣流量計和節氣門位置傳感器提供的信號為基礎，結合發動機冷卻液溫度傳感器和車速傳感器信號，根據ECU中儲存有氣門最佳正時參數，計算出各行駛條件下的最佳氣門正時（目標氣門正時），并向相應凸輪軸正時機油控制閥傳送目標占空比控制信號，控制正時機油控制閥動作，通過改變機油的流向、流量來驅動凸輪軸前端的控制器工作，從而實現配氣正時的提前、滯后和保持不變。這套機構就是通過在凸輪軸的傳動端加裝一套液壓機構，從而實現凸輪軸在一定范圍內的角度調節，也就相當于對氣門的開啟和關閉時刻進行了調整。

同時，發動機ECU還根據凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器信號檢測實際配氣正時，與目標配氣正時進行比較，通過反饋控制以達到目標配氣正時。圖1-3-11為可變配氣正時控制原理。

3.可變配氣正時系統在發動機各工況下的控制目標

①起動時，進排氣門處于最大延遲狀態，以提高起動性能；

②怠速時，消除進排氣門重疊，以減小進氣側回火，穩定怠速轉速，提高燃油經濟性；

③低溫、低速、低負荷時，消除進排氣門重疊，以減小進氣側回火，確保發動機穩定性；

④中負荷時，增加進排氣門重疊來提高內部廢氣再循環，以減小泵氣損失，提高燃油經濟性，改善排放控制性能；

⑤高負荷時，在低速到中速范圍內，減小進氣門遲閉角，以提高充氣效率，提高低速到中速范圍內的扭矩；

⑥高負荷時，在高速范圍內，增大進氣門遲閉角，以提高充氣效率，提高輸出功率。

圖1-3-11 可變配氣正時控制原理

4.可變配氣正時油路工作原理

控制閥套管上有一個與發動機潤滑系統主油路相連的進油口、一個通往正時控制器提前工作腔的出油口，另一個通往正時控制器延遲工作腔的出油口及兩個回油排放口。正時控制器工作油路如圖1-3-12所示。發動機熄火時，滑閥在彈簧力作用下處于最右端（最延遲狀態），則延遲側出油口與壓力油相通，提前側出油口與左排放口相通；發動機工作時，滑閥往前移動，則延遲側出油口與右排放口相通，提前側出油口與壓力油相通。滑閥的移動量取決于ECU發出的占空比指令。

圖1-3-12 正時控制器工作油路

（1）配氣正時提前

由發動機ECU控制凸輪軸正時調整電磁閥處于圖1-3-12a所示位置，壓力機油通過凸輪軸、葉片進入提前工作腔，油壓推動葉片和凸輪軸向配氣正時的提前方向旋轉。

（2）配氣正時延遲

由發動機ECU所控制的凸輪軸正時機油控制閥處于圖1-3-12b所示位置，壓力機油通過凸輪軸、葉片進入延遲工作腔，油壓推動葉片和凸輪軸向配氣正時的延遲方向旋轉。

（3）保持

達到目標正時后，發動機ECU控制凸輪軸正時機油控制閥處于中間位置，關閉正時控制器油道保持油壓，從而保持當前的配氣正時狀態直至發動機運轉狀態改變。

正時控制器葉片的不同工作位置如圖1-3-13所示。

圖1-3-13 正時控制器葉片的不同工作位置

圖1-3-14 正時控制器及鎖銷結構

5.正時控制器結構及工作原理

正時控制器結構如圖1-3-14所示，在控制器殼體內加工有4個葉片槽，葉片固定在凸輪軸上嵌裝在葉片槽內，葉片的寬度小于殼體內圓上的葉片槽寬度，與殼體裝配后葉片可在殼體的葉片槽內來回轉動。每個葉片將殼體上的每個槽隔成兩個工作腔，即提前工作腔和延遲工作腔。鏈輪與殼體接合端內側加工有與工作腔對應的油槽，一端與相應的工作腔連通，另一端通過凸輪軸上的兩條油道與凸輪軸正時機油控制閥連通。鏈輪與殼體通過螺栓連接為一個整體，由曲軸正時鏈輪通過正時鏈條驅動。由以上描述可知，由于凸輪軸與曲軸之間不再是直接通過正時鏈條相連，凸輪軸可相對于正時鏈輪轉動，即相對于曲軸位置改變凸輪軸位置，從而實現配氣正時的改變。

鎖銷組件由鎖銷和彈簧組成，鎖銷和彈簧裝在葉片內，當發動機熄火時，葉片處于最大延遲狀態，在彈簧力的作用下，鎖銷的一部分被推入鏈輪上的鎖銷子，將葉片和鏈輪鎖定在一起，保證進氣凸輪軸處于最大延遲狀態，以維持起動性能及避免發動機剛起動時葉片與外殼之間發生撞擊。鏈輪鎖銷孔有油道與控制油路相連，發動機工作時，壓力機油進入鏈輪鎖銷子孔，鎖銷壓縮彈簧而退出葉片鎖銷孔，葉片與鏈輪之間可相對轉動。

當發動機停止時，進氣凸輪軸被調整（移動）到最大延遲狀態以維持啟動性能。在發動機啟動后，油壓并未立即傳到控制器時，鎖銷便鎖定控制器動作，以防撞擊產生噪聲。

6.凸輪軸正時調整電磁閥工作原理

凸輪軸正時調整電磁閥的作用是根據發動機ECU的占空比控制指令控制滑閥位置，從而控制通往正時控制器提前工作腔或延遲工作腔的油流方向和流量。控制閥由柱塞、電磁線圈、滑閥、回位彈簧及套管等組成，其結構如圖1-3-15所示。

圖1-3-15 凸輪軸正時機油控制閥結構及外觀

某車型排氣凸輪軸機油正時控制閥電路如圖1-3-16所示。正時機油控制閥的1號端子為占空比信號輸入端，與ECU的B31插接器60號端子相連；2號端子為接地端，與ECU的B31插接器61號端子相連。進氣凸輪軸正時機油控制閥電路與排氣基本相同。

圖1-3-16 排氣凸輪軸機油控制閥電路

二、可變氣門升程的結構及工作原理

可變氣門升程技術可以在發動機不同轉速下匹配合適的氣門升程，使得低轉速下扭矩充沛，而高轉速時功率強勁。低轉速時系統使用較小的氣門升程，這樣有利于增加缸內紊流提高燃燒速度，增加發動機的低速扭矩，而高轉速時使用較大的氣門升程，則可以顯著提高進氣量，進而提升高轉速時的功率輸出。

1.本田i-vtec

本田的可變氣門升程系統（結構見圖1-3-17），利用第三根搖臂和第三個凸輪即實現了看似復雜的氣門升程變化。當發動機在中、低轉速時，三根搖臂處于分離狀態，普通凸輪推動主搖臂和副搖臂來控制兩個進氣門的開閉，氣門升量較小。此時雖然中間凸輪也推動中間搖臂，但由于搖臂之間是分離的，所以兩邊的搖臂不受它控制，也不會影響氣門的開閉狀態。

圖1-3-17 本田的可變氣門升程系統工作原理

發動機達到某一個設定的轉速時，電控單元即會指令電磁閥啟動液壓系統，推動搖臂內的小活塞，使三根搖臂鎖成一體，一起由高角度凸輪驅動，這時氣門的升程和開啟時間都相應地增大了，使得單位時間內的進氣量更大，發動機動力也更強。這種在一定轉速后突然的動力爆發極大地提升了駕駛樂趣。當發動機轉速降到某一轉速時，搖臂內的液壓也隨之降低，活塞在回位彈簧作用下退回原位，三根搖臂分開。

這項技術在本田車型上的普及度較高，但是分段式的氣門調節方式還是令發動機的動力輸出不夠線性。

2.奧迪AVS

奧迪的AVS可變氣門升程系統在設計理念上與本田的i-vtec有著異曲同工之妙，只是在實施手段上略有不同。這套系統為每個進氣門設計了兩組不同角度的凸輪，同時在凸輪軸上安裝有螺旋溝槽套筒。螺旋溝槽套筒由電磁驅動器加以控制，用以切換兩組不同的凸輪，從而改變進氣門的升程。奧迪的AVS可變氣門升程系統結構如圖1-3-18所示。

圖1-3-18 奧迪AVS可變氣門升程系統結構

奧迪AVS可變氣門升程系統高低速切換原理如圖1-3-19所示。發動機在高負荷的情況下，AVS可變氣門升程系統將螺旋溝槽套筒向右推動，使角度較大的凸輪得以推動氣門。在此情況下，氣門升程可達到11mm，以提供燃燒室最佳的進氣流量和進氣流速，實現更加強勁的動力輸出。當發動機在低負荷的情況下，為了追求發動機的節油性能，此時AVS可變氣門升程系統則將凸輪推至左側，以較小的凸輪推動氣門。

圖1-3-19 奧迪的AVS可變氣門升程系統高低速切換原理

AVS可變氣門升程系統凸輪輪廓曲線如圖1-3-20所示，兩條深色線是普通凸輪的輪廓曲線，兩條淺色線是高角度凸輪的輪廓曲線，可以看到驅動同一氣缸的兩個進氣門凸輪在升程和相位上存在差別。

奧迪AVS可變氣門升程系統中發動機在700～4000r/min之間工作，當發動機處于中間轉速區域進行定速巡航時，AVS可變氣門升程系統可以為車輛提供很好的節油效果。

奧迪這套系統的氣門升程依然是兩段式的，沒有做到氣門升程的無級調節，所以對進氣流量的控制還不夠精確。然而一個巧妙之處在于對同一氣缸內兩個進氣門采用不同步的開啟和關閉時間，從而實現油、氣的充分混合。

圖1-3-20 奧迪AVS可變氣門升程系統凸輪輪廓曲線

3.BMW的Valvetronic電子氣門技術

BMW的Valvetronic系統在傳統的配氣相位機構上增加了一根偏心軸、一臺步進電動機和中間推桿等部件，該系統借由步進電動機的旋轉，再在一系列機械傳動后很巧妙地改變了進氣門升程的大小。系統結構如圖1-3-21所示。

圖1-3-21 BMW的Valvetronic系統結構

圖1-3-22 BMW的Valvetronic系統工作原理

當凸輪軸運轉時，凸輪會驅動中間推桿和搖臂來完成氣門的開啟和關閉，如圖1-3-22所示。當電動機工作時，蝸輪蝸桿機構會首先驅動偏心軸發生旋轉，然后中間推桿和搖臂會產生聯動，偏心軸旋轉的角度不同，最終凸輪軸通過中間推桿和搖臂頂動氣門產生的升程也會不同。在電動機的驅動下，進氣門的升程可以實現從0.18～9.9mm之間的無級變化。

BMW的Valvetronic技術已經覆蓋了旗下的多款發動機，包括目前陸續推出的渦輪增壓新動力。該技術能夠讓發動機對駕駛員的意圖做出更迅捷的反饋，同時通過發動機管理系統對氣門升程的準確控制，實現了車輛在各種工況和負荷下的最佳動力匹配。

BMW的這項技術已經十分成熟，而且通過不斷的優化，Valvetronic技術也突破了轉速的限制，可以應用在M-power的V8雙渦輪增壓發動機上。如何保證在正確的時間使氣門升程處在合適的位置是這項技術的最大難點，不過它的確做到了對發動機進行更為準確和細致的調控管理。

故障案例

可變配氣正時及升程系統故障案例

故障現象：一輛2007年款一汽豐田卡羅拉GL轎車，配備1ZR-FE發動機，行駛了4.6萬km。該車出現著車困難的故障，即使能著車，怠速也很不穩定，抖動得很厲害，還出現了熱車熄了車馬上再著車，轉速會慢慢提高到2800r/min，降不下來，要熄火等10多min后再著車。

檢查分析：維修人員首先進行故障現象檢驗，確實如用戶反映的那樣，要打好幾次發動機，才能著車，而且發動機抖動得非常厲害，像要熄火，廢氣也很難聞。檢查發動機故障燈（MIL）在發動機運轉時能熄滅。在詢問確認用戶還沒有做過油電路保養后，對該車進行了油電路保養，清洗了節氣門、噴油嘴，更換了汽油濾清器，但是故障依舊。

引起發動機不好著車的可能故障原因包括：水溫傳感器信號不良，汽油噴射壓力不足、噴油嘴泄漏，節氣門電動機控制不良，進氣門積炭過多等。經過檢查，以上項目均未發現異常。

該車使用正時鏈條驅動凸輪軸，新車至今還沒有拆換過正時鏈條，出現跳齒的可能幾乎為零。但是該車采用了豐田的DualVVT-i可變氣門正時技術，1ZR-FE發動機配氣相位如圖1-3-23所示。

從圖中可以看出，進氣門開啟是在BTDC1°～56°，關閉是在ABDC65°～10°；排氣門開啟是BBDC51°～11°，關閉是ATDC3°～43°。也就是進氣凸輪軸可以在66°的范圍內變化，排氣凸輪軸也可以在54°范圍內變化。如此大的變化范圍可相當于正時跳動了5～6個齒了。

圖1-3-23 1ZR-FE發動機配氣相位

控制正時變化的是氣門正時機油控制閥和VVT-i控制器。把進氣側氣門正時機油控制閥拆下來檢查，測量兩端子之間的電阻為7.2Ω，在6.9～7.9Ω內屬正常，按圖1-3-24所示方法給控制閥通電，發現閥芯被機油積炭卡住不能自由移動，導致凸輪軸不能移動，配氣相位錯亂引起發動機工作不良。

圖1-3-24 正時機油控制閥檢查方法

用清洗劑把閥芯清洗凈，用機油潤滑，再通電檢查，閥芯可以自由移動，恢復正常。

把排氣側的氣門正時機油控制閥也拆下來檢查，發現也有輕度的積炭滯塞，同樣用清洗劑清潔潤滑后，通電檢查都恢復正常。把兩個氣門正時機油控制閥裝復，試車，故障排除。