安徽工业大学2013-2014学年
第一学期《发动机原理》课程论文
论文题目：可变气门技术原理、
最新发展趋势与展望
论文编号：01
姓名：
学号：
班级：车辆工程
目录
一、可变气门技术研究发展的历史和现状
二、可变气门技术的分类及实现途径
2.1按照控制参数的不同分类
2.2 按照有无凸轮轴分类
三、发动机可变气门正时的机构运作
四、前期发动机可变气门正时技术原理以及实际应用
4.1早期的可变气门技术
4.2本田VTEC 系统
4.3 宝马VANOS 系统
4.4 丰田VVT-i 系统
五、21世纪新发动机可变气门正时技术原理
5.1 丰田VVTL-i 技术
5.2本田i-VTEC 系统
5.3宝马ValvetronicValvetronic系统
六、可变气门技术发展趋势与展望
七、参考文献
可变气门技术原理以及最新发展趋势与展望
摘要：解决发动机燃油经济性与排放性能之间的矛盾一直是汽车发动机技术不断发展的关键，而发动机可变气门正时技术便是解决这一问题的方案之一，本文介绍了发动机可变气门正时技术在各大公司所推出的具有代表性的系统，例如宝马公司的 Valvetronic 系统能使发动机在进新鲜空气时更顺畅，而且还可对其升程进行连续性微调。提出随着可变气门正时技术的逐渐成熟并被高性能发动机采用，因此能提高发动机的动力性和经济性，降低排放。
关键词：发动机；可变气门技术；气门正时技术；气门正时；气门升程；
Abstract: The solution to eliminate the conflict between engine fuel economy and emissions performance has been the key to the development of engine technology, and engine variable valve timing technology is raised by one of the options.This paper introduces the representative systems adopting the technology of VVT promoted by different companies, Such as the system of Valvetronic promoted by BMW which enables a much smoother inhalation of an engine as well as successive fine adjustments to its lift. This paper also points out that with the increasing mature of the technology of VVT and its adoption by engines with high-performance, the power and economy of engine could be enhanced and pollution could be reduced.
Key words: Engine; VVT; VTEC; Valve timing; Valve lift;
发动机的实际运转速度并不是一成不变的，而是像人跑步一样，时而急促，时而平缓，那么调节好自己的呼吸节奏尤其重要。所以，汽车发动机有一套专门调节“自己呼吸”的技术，即发动机可变气门技术。可变气门即汽车发动机气门正时的机构和技术，也叫连续可变气门正时系统，当今高性能发动机普遍配备该系统。该系统通过配备的控制及执行系统，对发动机凸轮的相位或者气门升程进行调节，从而达到优化发动机配气过程的目的。
一、可变气门技术研究发展的历史和现状
可变气门技术可以带来非常具有吸引力的发动机性能改善效果，因此自从发动机开发之初，工程师们就梦寐以求地渴望实现发动机气门的可变控制。最早的关于可变气门技术的专利是在 1880 年，英国人 Dugald Clerk 发明了一种用于煤气发动机上的可变气门机构。1918年，发明家 S·哈尔腾博格获得了一项将汽油机凸轮轴转过一个角度的专利。从 1880 年到1990 年的 110 年间，仅美国专利局大概有800 项关于可变气门技术的专利，其中大部分是在1985年～1987年间获得的，同时广大研究者也发表了大量关于可变气门技术研究的文章。
世界上最早投入成批生产的可变气门机构是 Alfa Romeo 公司于 1983 年用于双凸轮轴两气门发动机上的两点式可变凸轮轴相位装置；1987 年，Nissan 公司在其部分发动机上也使用了调节凸轮轴相位的可变气门机构。即使如此，还是没有设计出令人满意的可以广泛应用于产品发动机的可变气门机构
20 世纪 90 年代中后期，研究人员开始发起了无凸轮气门机构的研究。其中，英国 Lotus公司，美国 Ford、Sturman 公司，Bosch/AVL 公司等分别展开了电液驱动式气门机构的研究。FEV、Aura、Honda、
BMW、Visteon 等公司等分别展开了电磁驱动式气门机构的研究。但是无凸轮的气门机构目前还主要处于研究阶段，还未见到其大量应用于实际车用发动机的研究报道。
在国内，可变气门技术的研究从 20 世纪 90 年代逐步开始。90 年代中期，研究人员开发出了一种用谐波传动实现的可变凸轮相位机构，可实现小级差的多级调相。2000 年后，吉林大学、上海交通大学与长春汽车研究所等设计了一种液压张紧器式的可变配气相位机构，可使气门实现两级式变化（进气门：提前 15°CA，滞后 13°CA），清华大学开展了电磁驱动式气门机构的研究，浙江大学对电磁驱动式气门机构进行了模型的仿真研究。但与国外相比，可变气门技术只是局限于实验室研究，还没有形成具有自主知识产权的，可以广泛应用于车用发动机的可变气门机构。
二、可变气门技术的分类及实现途径
2.1按照控制参数的不同分类
可变气门机构是多种多样的，其分类方法也不尽相同。按照控制参数的不同，可变气门技术可以分为以下两大类：
（1）可变气门正时（Variable Valve Timing, VVT），即气门开启与关闭时刻可变。根据气门开启持续期的变化情况，可变气门定时又可分为两类：
a可变气门相位（Variable Phase, VP），即在气门开启持续期和升程曲线不变的前提下，同时改变气门的开启时刻和关闭时刻.
b可变气门相位与持续期（Variable Event Timing, VET），即在改变气门定时的同时也改变了气门开启持续期。实际的发动机工作中，为了增大气缸内的进气量，进气门需要提前开启、延迟关闭；同样地，为了使气缸内的废气排的更干净，排气门也需要提前开启、延迟关闭，这样才能保证发动机有效
的运作。
（2）可变气门升程（Variable Valve Lift, VVL）。这类机构主要是改变了气门开启的最大升程，按照气门定时和持续期的变化情况又可以分为两类：
a.可变气门升程与定时 VLT（Variable Lift and Timing），即在改变升程的同时改变了定时与开启持续期.
b.气门升程单独可变，即能在保持气门的定时和开启持续期不变的条件下，单独改变气门的最大升程.
活塞式四冲程引擎都由进气、压缩、做功、排气4个冲程完成，我们关注的是气门开启程度对引擎进气的问题。气缸进气的基本原理是“负压”，也就是气缸内外的气体压强差。在引擎低速运转时，气门的开启程度切不可过大，这样容易造成气缸内外压力均衡，负压减小，从而进气不够充分，对于气门的工作而言，这个“小程度开启”需要短行程的方式加以控制；而高速恰恰相反，转速动辄5000rpm，倘若气门依然羞羞答答不肯打开，引擎的进气必然受阻，所以，我们需要长行程的气门升程。往往，工程师们既要兼顾引擎在低速区的扭矩特性，又想榨取高速区的功率特性，只能采取一条“折中”的思路，到头来引擎高速没功率，低速缺扭矩……
1989年本田首次发布了“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”，英文全称“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System，也就是我们常见的VTEC。此后，各家企业不断发展该技术，到今天已经非常成熟，丰田也开发了VVT-i，保时捷开发了Variocam，现代开发了DVVT……几乎每家企业都有了自己的可变气门正时技术。一系列可变气门技术虽然商品名各异，但其设计思想却极为相似。
2.2 按照有无凸轮轴可分
(一)实现可变气门技术有多种途径，按照有无凸轮轴可分为以下两类：
a基于凸轮轴的可变气门机构
b无凸轮轴的可变气门机构
三、发动机可变气门正时的机构运作
曲轴经由齿状的传动装置带动凸轮轴转动，使得气门在做开启与关闭的动作时会与曲轴的转动角度形成一定的对应关系。而气体的流动会随着发动机运转速度的快慢而改变，如何使汽缸在不同的转速下都能够获得良好的进气效率？为此必须改变气门开启与关闭的时间。经由安装在凸轮轴前端的油压装置使凸轮轴可以另外做一些小角度转动，以使进气门在转速升高时得以提早开启。
采用可变配气定时机构可以改善发动机的性能。发动机转速不同，要求不同的配气定时。这是因为：当发动机转速改变时，由于进气流速和强制排气时期的废气流速也随之改变，因此在气门晚关期间利用气流惯性增加进气和促进排气的效果将会不同。
四、发动机可变气门正时技术原理以及实际应用
在汽车发动机技术的发展历程中，可变化技术日益得到重视，其可以随着使用工况及要求的变化，或者为了解决矛盾及避免发动机的不正常工作现象的出现，使相关系统的结构或参数作出相应的变化，从而使发动机在各种工况下，各种性能都能得到较好地提高，而且避免不正常燃烧及超负荷现象的产生。可变化技术包含的内容很多，如可变进气系统、可变气门技术、可变增压系统及可变喷油系统等。下面介绍可变气门技术在现代汽车上的应用。
4.1早期的可变气门技术
近年来，发动机可变气门正时技术(VVT，Variable Valve Timing) 被广泛应用于现代轿车上，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。尤其是现在混合动力汽车的不断发展，其也能借着这项技术更自由地变换动力模式(如停车怠机)，使其内燃机的污染度进一步降低。宝马与丰田公司的骄傲之作VANOS 与VVT-i 最早解决了这个问题，而最早在可变气门发动机上获得表现的当属于本田公司于80 年代中期推出VTEC 发动机。
4.2本田VTEC 系统
本田 VTEC 系统“VTEC”为“Variable Valve Timing and Lift Elec-tronic Control System”的缩写，中文意思为“可变气门正时及升程电子控制系统”。VTEC 作为丰田公司在1989 年推出的专有技术，它能随发动机转速、负荷及水温等运行参数的变化而适当地调整配气正时和气门升程，使发动机低速时发出大扭矩，在高速时发出高功率。VTEC系统的发动机有中低速用和高速用2组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的自动操纵，进行自动转换。采用 VTEC 系统，保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何速率运转都达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。整个 VTEC 系统由发动机电子控制单元 (ECU)控制，ECU 接收发动机传感器 ( 包括转速、进气压力、车速及水温等 ) 的参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。
4.3 宝马VANOS 系统
宝马 VANOS 系统宝马的 VANOS 系统，即“可变凸轮轴控制系统”（Variable Camshaft Control），是基于一个能够调整进气凸轮轴与曲轴相对位置的调整机构，该技术首次应用于 1992 年 BMW 5 系列搭载的 M50 发动机。VANOS 技术目前的新版本是双 VANOS，即增加了对排气凸轮轴的调整机构。宝马的 VANOS 系统VANOS 系统根据发动机转速和加速踏板位置来操作进气凸轮轴。
在发动机转速达到最低时，进气门将随后开启以改善怠速质量及平稳度。发动机处于中等转速时，进气门提前开启以增大扭矩并允许废气在燃烧室中进行再循环从而减少耗油量和废气的排放。最后，当发动机转速很高时，进气门开启将再次延迟，从而发挥出最大功率。
4.4 丰田VVT-i 系统
丰田 VVT-i 系统VVT-i 是丰田独有的领先发动机技术，过去仅装备于丰田的进口原装高档车上。VVT-i 是“VariableValve Timing intelligent”的缩写，意思是“智能可变配气正时”。其可以连续调节气门正时，但不能调节气门升程。它的工作原理是：当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，使凸轮轴在 60o的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。丰田 VVT-i 系统，
五、21世纪新发动机可变气门正时技术原理
5.1 丰田VVTL-i 技术
从 VVT-i 到 VVTL-i丰田的 VVTL-i 技术 (Variable Valve Timing & LiftIntelligent)，是在原来的 VVT-i 发动机上的凸轮轴，多了可以切换大小不同角度的凸轮。同时也利用摇臂机置来决定是否顶到大角度或小角度的凸轮，而作到可连续式地改变发动机的正时、重叠时间 ( 重叠相位角 )与两阶段式的升程。VVTL-i 还运用跟 VTEC 一样的方法来根本解决发动机在高转速时所需要更多的气门重叠时间与气门的开关升程深度，而不同的地方在于，摇臂内VVTL-i 是借用油压使一个个销的移动来决定顶到那种尺寸的凸轮。就是这样的方式，VVTL-i 结合了VVT-i 的连续式可变正时与重叠角，与 VTEC 式的凸轮轴切换，可以说是近似完美式的发动机。
5.2本田i-VTEC 系统
从 VTEC 到 i-VTEC在 VTEC 发明 12 年后的 2001 年，也就是在丰田公司的 VVTL-i 发表之后，VTEC 技术已经受到严厉的挑战，不久，本田公司再次向世界车坛推出了新一代的 VTEC 技术，名为
i-VTEC 系统所谓 i-VTEC 系统，即在现有 VTEC 系统的基础上，增加一个被称为“可变正时控制”VTC （Variabletiming control）的系统，即 i-VTEC=VTEC+VTC。此时，排气阀门的正时与开启的重叠时间是可变的，由 VTC 控制，VTC 机构的导入使发动机在大范围转速内都能有合适的配气相位，使得i-VTEC 也跟 VVTL-i 一样达到近似完美的可变气门发动机。
典型的 VTC 系统由 VTC 作动器、VTC 油压控制阀、各种传感器以及 ECU 组成。VTC 作动器和VTC 油压控制阀可根据 ECU 的信号产生动作，使进气凸轮轴的相位连续变化。VTC 令气门重叠时间更加精确，保证进、排气门最佳重叠时间，可将发动机功率提高 20%。
VTC 机构的导入，使得气门的配气相位能够“智能化”地适应发动机负荷的改变。VTC 在发动机运转过程中配合 VTEC 系统的作用主要运用在 3 个方面。
1）最佳怠速 / 稀薄燃烧区域。在此区域内，VTC 系统停止作用，此时气门重叠角最小，由于VTEC 的作用，产生强大的涡流，从而使发动机怠速工作稳定。
2）最佳油耗和排气控制区域。在此区域内，VTEC 发挥作用，产生强大的涡流，从而使可燃混合气混合更加均匀，同时 VTC 的作用使气门重叠角加大，将部分废气重新吸入气缸，起到了 EGR 的作用，以此达到最佳油耗和排气控制。
3）最佳扭矩控制区域。在此区域内，通过 VTC的控制，以最适当的气门重叠角，同时配合 VTEC 系统的作用，使得发动机的输出扭矩最大限度地提高。另外，i-VTEC 发动机采用进气歧管在前，排气歧管在后的布置。排气歧管缩短了长度，也就是缩短了与三元催化器之间的距离，使三元催化器更快进入适当的工作温度，能有效控制废气排放。由于发动机启动后 i-VTEC 系统就进入状态，不论低转速或者高转速VTC 都在工作，也就消除了原来 VTEC 系统存在的缺陷。
综上所述，由于i-VTEC系统中VTC机构的导入，使得发动机的配气相位能够柔性地与发动机的负荷相匹配，在发动机的任何工况下，都能找到最佳的配气相位，以最佳的气门重叠角，实现中低速时低油耗和低排放，高速时高功率和大扭矩，这就像按照人类大脑的要求那样进行控制，因此被形象地称之为“智能化”VTEC。
5.3宝马ValvetronicValvetronic系统
从 VANOS 到 ValvetronicValvetronic是宝马公司的理想之作，它比 VVTL-i 或 i-VTEC 有更进一步的地方：首先，Valvetronic 少了节气阀的设计，使得发动机在进新鲜空气时更顺畅。它采用电子式的可变电阻，可以根据踏油门的深浅，经过可变电阻来决定进气量。其次，Valvetronic 除了可连续性变化气门正时外，还可对其升程进行连续性微调，这比 VVTL-i 与 i-VTEC 在升程上是阶段式地更进一步了。BMW 为此增加了一种额外的偏心轴，凸轮轴则又通过一个额外的摇臂系统驱动传统的气门摇臂，并且该附加摇臂与气门摇臂的接触角度取决于附加偏心轴的相位。附加偏心轴的相位可以由一个 ECU 控制下的调节装置来调整，从而使附加摇臂的角度发生变化，这样，对于相同的凸轮运动，传递到气门
摇臂上的反应就可以不同，气门的升程也就会相应发生变化。
总的来说，对于有凸轮轴式的可变气门系统来说，其通常是通过改变凸轮轴传动、调节摇臂、顶柱或正时皮带来达到气门正时或升程的目的，相对来说实现简单，技术较成熟，但存在调节范围有限，气门运动规律受到凸轮型线的限制，正时的改变不连续的缺陷；而由无凸轮轴式的可变气门系统，其由于取消了凸轮，气门开启和关闭自由且动作迅速，同时其还可以连续改变气门正时，但其也存在缺点，最突出的就是难以精确控制，实现成本较高。相信通过发动机可变气门正时技术的逐渐成熟，将来会有越来越多的高性能发动机采用这一技术，进而最终提高动力性和经济性，降低排放。
六、可变气门技术发展趋势与展望
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。可变气门机构大致可以分为传统凸轮轴可变气门机构和无凸轮轴可变气门机构。其中可变定时、可变气门型线、可变气门从动件等采用传统凸轮轴的可变气门机构已经广泛地应用于发动机产品 ,其后续发展主要朝着机械式全可变气门机构进行 ,目前大部分机械式全可变气门机构还处于试验研究阶段。所有凸轮轴可变气门驱动机构，气门的运动规律都毫无例外地受到了凸轮线性的限制，因而对发动机综合性能的改进也相应受到了限制。无凸轮可变气门驱动机构正时。开启持续期、升程、运动规律完全柔性可调，是迄今最有潜力、自由度最大的可变气门机构，其中有电控单元控制的电磁、电液气门驱动机构将成为今后气门机构发展的必然，控制技术以及执行机构是今后发展的重点。
在汽车发动机电液可变气门系统中采用液压方式代替凸轮轴来驱动和控制气门运动具有如下优点：１）采用无凸轮轴的驱动方式，可以对气门的开启时刻、气门升程、开启持续时间实现柔性调节；２）可以提高燃油经济性，获得高的转矩和功率输出，改善怠速稳定性和降低废气排放；３）不仅可以调节气门正时，气门升程也可调节；４）成本相对较低，该系统利用高速开关阀控制小型高速单作用液压缸，由高速单作用液压缸驱动气门开启，气门回复利用复位弹簧．通过控制高速开关阀输入信号的触发时刻、电压幅值以及脉冲宽度即可实现气门正时、升程以及开启持续期的柔性控制．因此电液可变气门系统是一种很有发展潜力的变气门技术，但其存在响应速度不高的问题．在电液可变气门系统中，高速开关阀与单作用液压缸是以叠加形式放置的，其过渡油路很短，因此高速开关阀的动态性能将影响整个电液可变气门系统的响应速度．而高速开关阀是由高速电磁铁驱动的，因此高速电磁铁的性能将直接决定高速开关阀动态特性，这就对高速电磁铁的设计提出了很高的要求．目前，高速电磁铁的设计主要还是依靠经验公式，利用仿真软件作辅助设计的也有，但其研究重点多针对磁场本身．涉及电磁铁结构参数本身如隔磁角、衔铁长度及隔磁长度等关键结构参数的研究则很少，并且这些参数是无法按照经验公式进行确定的，但是这些结构参数对电磁铁的静、动态特性也有很大的影响．因而仅按照经验公式设计电磁铁，只关注气隙和安匝数的变化对电磁铁特性的影响，其静、动态性能是不够完善的，往往达不到设计要求．因此，以电液式为代表的无凸轮轴可变气门机构有很大的发展空间和优势。
近几十年来，基于提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污的要求，许多国家和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力进行新技术的研究与开发。目前，这些新技术和新方法，有的已在内燃机上得到应用，有些正处于发展和完善阶段，有可能成为未来内燃机技术的发展方向。发动机可变气门正时技术(VVT, Variable Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。
采用可变气门机构、应用不同的配气策略可以在全负荷范围内改善传统汽油机的性能 ,如减小泵气损失、改善燃油经济性、降低排放等。而在柴油机上的应用效果虽然不如汽油机 ,但也可以降低 NOx 排放、改善扭矩输出和冷起动性能。可变气门技术因其独特的发展潜力吸引着众多的内燃机工作者为之不断地努力, 进行了大量的研究工作。凸轮轴可变气门机构已经得到了很大的发展，遇到了凸轮型线的限制的瓶颈，再有重大突破有很大困难，无图轮式的柔性可调的特性正好能拟补其不足，今后会有长足的发展。
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