汽油发动机电子节气门控制系统论文.doc

摘要介绍电子节气门控制系统的基本组成及工作原理，分析电子节气门的特点。电子节气门控制系统可实现基于发动机最佳运行状况、汽车最佳行驶工况及其它控制目标的控制。 随着时代的发展，人们的生活水平不断的提高，对汽车的性能要求也在不断发展和变化，特别是在经济环保和舒适动力方面尤为重视。从而现在科技应运而生了可变节气门技术。传统发动机的气门正时系统很难满足发动机在各个工况对配气的需要，进而影响发动机性能。采用可变气门正时技术的气门正时系统，(所谓可变节气门就是将普通节气门的单片圆盘节流板改为由三片开启方向相同的气阀组成，工作时三片气阀同时、同角度开启，在发动机负压的作用下，气流沿着每片气阀片有导流叶的斜面进入，沿着同一方向产生旋转涡流。以这样的方式进气，能有效增大进气量和进气压力，同时实现均匀进气，使气缸内的空气和燃油混合的更充分，显著改善发动机的燃烧质量，提高发动机动力，从而实现了高功率输出，低燃油消耗和清洁排放的理想平衡)可以配合不同工况改变气门开启时间或开启大小，以保证良好的充气系数，进而提高发动机功率并降低油耗。目前该技术在国内外的现代发动机上已有所应用。随着可变气门正时技术的不断发展完善，发动机动力性、节能、环保要求的不断提高，该技术将有着越来越广阔的应用前景。关键词：可变气门正时基本组成； 可变节气门的应用 ；可变节气门的发展； 目录第一章 序言21.1 使用可变节气门的意义21.2 可变节气门的发展现状41.3 可变节气门的发展趋势4第二章 可变气门技术的发展和应用52.1 可变气门技术的发展基础52.1.1气门正时62.2 可变气门技术对发动机性能的影响72.2.1进气门可变正时82.2.2 排气门可变正时92.2.3气门可变升程102.2.4 气门可变速度102.2.5可变气门重叠角102.2.6 停滞气门112.3 VVT技术的应用范围112.3.1 VVT技术在汽油机上的应用112.3.2 VVT技术在柴油机上的应用112.3.3 可变节气门技术在二冲程发动机中的应用122.3.4 节气门与无节气门控制122.4. VVT 在汽车上应用的必然性142.5 VVT 的应用与发展152.5.1VVT 在欧洲的应用与发展情况152.5.2VVT 在亚洲的应用与发展情况162.5.3VVT 在我国的应用与发展情况172.6 VVT 在单凸轮轴发动机上的应用172.7 VVT 发展新动向182.7.1 全可变电子气门控制系统18第三章 汽油发动机电子节气门控制系统的结构193.1 电子节气门控制系统的组成193.2 电子节气门控制系统工作原理203.2.1 电子节气门控制系统的工作方式203.2.2电子节气门体工作原理203.3 汽油发动机电子节气门控制系统的特点22四 结语24参 考 文 献25致 谢26第一章 序言1.1 使用可变节气门的意义近年来，随着世界上能源危机的日益加深和环境问题的不断突出，节能和环保已经成为当今世界的两大主题。目前世界上三个主要的汽车生产和消费区：日本、欧盟和北美在能源和排放问题上虽然法规各有特点，但总的趋势是，排放越来越严格、能源越来越重视。以欧盟为例，从欧洲I号到欧洲号标准，污染物排放水平降低了904。美国和日本的排放法规更加严格。另外，除美国外，日本和欧盟在乘用车燃油经济性限值上是相当严格的。我国在2005年出台了乘用车燃油消耗量限值强制性国家标准，对乘用车燃油消耗量限值仅次于日本和欧盟。同年4月，又出台了轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国、阶段)。标准的两个阶段分别将于2007年7月1日和2010年7月1日开始在全国实施，中国阶段实施时间只比欧盟欧晚了5年的时间，差距明显在缩小。但另一方面，随着生活水平的提高和产品的升级以及技术的发展，人们对汽车的动力性、舒适性的要求却在不断的提高。要求在满足公益目标的前提下，以低的使用成本获得快捷的交通便利，享受到驾驶乐趣。因此，二十一世纪符合市场需求的应当是节能、环保、高性能的汽车。针对这种现状，全球各大汽车制造商在汽车上的新技术应用层出不穷，对于在节能、环保、性能方面起到关键影响的发动机的研究上更是下了主要的工夫。但是，应用复杂技术满足性能和法规要求的同时，必然也很大程度地提高了发动机的成本，这在大批量生产的乘用车，尤其是经济型乘用车是一个必须考虑的因素。发动机可变气门正时技术(Variable Valve Tuning)做为一种性价比相当高的技术方案，近年来在对发动机的高效率化、降低油耗、提高性能和降低尾气排放的要求越来越高的情况下，作为手段之一的可变配气机构正逐步商品化。大家都知道，采用传统的凸轮轴结构的内燃机的配气相位不能根据内燃机的转速而改变。因而在整个运行范围内，只有在一个很窄的工况范围内具有最佳的配气相位，其他工况只能相对兼顾。在提高汽油发动机性能方面，可以通过配置合适的气门正时，即进排气门开启时刻及开启的持续时间，提高充气系数，进而使发动机发出更大功率。传统发动机的气门正时系统，是一种不可变的机械系统，这种配气系统很难满足发动机在低速运转和高速运转时对配气的需要，会影响到发动机动力的输出。而采用可变气门正时技术(VVT, Variable Valve Timing)的气门正时系统，是一种改变气门开启时间或开启大小的系统，通过在不同转速下为车辆匹配更合理的气门开启，保证良好的充气系数，进而增强车辆扭矩输出的均衡性，提高发动机功率并降低油耗。实际上，气门叠开角、进气门关闭角和排气门关闭角是配气定时的主要参数。就优化内燃机的运行工况而言，为使怠速稳定性好，气门叠开角要小，在其他工况下，为提高充气效率和降低NOx，气门叠开角要大。低速时要求进、排气门接近上止点附近打开和关闭，高速时则要求进、排气门远离下止点位置关闭和打开。怠速时进气门的开闭定时不重要.为了满足发动机全工况的要求，就需设计可变的配气相位。VVT技术改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾，同时在一定程度上改善了废气排放。更进一步的说，VVT技术可以用来减小发动机泵气损失，加快进气速度、改善混合气质量、改变残余废气系数，提高迸气效率、最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高。对于汽油机而言，应用VVT技术有以下优点：(1)改善怠速稳定性和低速平稳性；(2)提高发动机功率和扭矩；(3)扩大发动机转速范围；(4)降低部分负荷燃油消耗率；(5)改善废气排放。1.2 可变节气门的发展现状汽车诞生到上世纪80年代中期，一直使用的是传统的机械式节气门；随着汽车电子技术的日益发展和对汽车性能要求的提高，上世纪80年代中后期，出现了第一台电子节气门，应用在德国宝马公司的BMW750iL顶级轿车上。从电子节气门的诞生到现在，由于电子节气门控制系统的技术和成本要求都比较高的原因，只应用在各大汽车公司生产的高级轿车上，如奔驰、宝马以及德国大众的奥迪系列等等。随着能源问题的日益严重和环境要求的提高，以及控制技术的日益成熟，电子节气门将越来越广泛地应用在各级别的汽车上，这将是大势所趋。目前国外各大汽车生产商和零件生产尚在从事电子节气门技术的 开发研究，其中德国Bosch公司和美国的Delphi公司在该研究上处于领先地位，其产品已经开始市场化系列化。经过进二十年的发展，电子节气门可以实现的功能越来越强大，现在已经能够实现对车辆的巡航控制、怠速控制、自适应巡航控制等不同工况下发动机的控制要求。作为当代最先进发动机管理系统的代表的Bosch发动机管理系统和美Delphi发动机管理系统，电子节气门装置以成为它们不可或缺的袋子控制单元。 在电子节气门的控制方面，最初的控制方法相对简单没有考虑到节气门总成的机械部分存在的非线性问题，这对节气门的精确控制产生了一的影响。近年来研究人员已经关注到这个问题并提出了一些非线性的理论解决方法，节气门的控制精度也得到了提高。 1.3 可变节气门的发展趋势目前,可变节气门正朝着系统的减小发动机泵气损失、加快进气速度、改善混合气质量、改变残余废气系数，提高迸气效率、最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高的方向发展。电子控制技术的发展趋势是起电子控制单元（ECU）由开始的独立模块向与发动机综合控制模块集成一体转变。例如Delphi公司生产的第一代和第二代电子节气门控制系统。可以看出，第一代电子节气门的控制模块单独设计，与传动系统控制模块通过串口通信；第二代已经取消了单独的节气门控制模块，由发动机控制模块控制节气门，这样不仅提高了系统的可靠性，也降低了硬件成本。第二章 可变气门技术的发展和应用2.1 可变气门技术的发展基础 我们知道发动机在高速和大负荷下需要较大的气门重叠角和进气门关闭角，以便得到较高的功率输出；反之，在怠速和低速小负荷下则需要较小的进气门关闭角和气门重叠角，以便得到较好的怠速平稳性和废气排放性能。如果我们以前一种情况设计配气机构，则在后一种情况下怠速不稳，燃没消耗增大。反之，则出现在高速，不负荷情况下的功率低，燃油经济性差等情况。传统的气门机构气门正时曲线是固定的，因此气门的开关是固定，正时曲线以一个特定转速作为设计值。但引擎在真实操作时转速范围非常大，造成在其它非设计转速就无法发挥最佳性能。与固定配气相位相比，可变配气相位则可以在发动机整个工作范围内的转速和负荷下，提供合适的气门开启、关闭时刻或升程，从而改善发动机进、排气性能，较好的满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时动力性、经济性、废气排放的要求，整体提高发动机综合性能。现今，基于愈来愈严格的环保法规的要求与燃料价格的攀升，可变气门技术已成为衡量发动机性能的标致性关键技术之一，通过对可变气门技术的研究、创新，内燃机制造商正取得愈来愈强的竞争力。 为了能更好的说清楚可变气门正时的原理，首先有必要简单解释以下发动机相关的几项工作原理。2.1.1气门正时 为了能更好的说清楚可变气门正时的原理，首先有必要简单解释以下发动机相关的几项工作原理。大家都知道，气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。在普通的发动机上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的，这种固定不变的正时很难兼顾到发动机不同转速的工作需求，可变气门正时就是解决这一矛盾的技术。我们再简单回顾一下“气门叠加角”的概念在发动机运转的时候，我们需要让更多的新鲜空气进入到燃烧室，让废气能尽可能的排出燃烧室，最好的解决方法就是让进气门提前打开，让排气门推迟关闭。这样，在进气行程和排气行程之间，就会发生进气门和排气门同时打开的情况，这种进排气门之间的重叠被称为气门叠加角。当发动机处于不同转速时，气门叠加角的要求也是不同的。如下图2-1所示为VVT-I结构组成，简述了气门正时的控制路径和其基本的机构，让我们的研究更加的简洁明了。2.1图没有任何一种固定的气门叠加角设置能让发动机在高地转速时都能完美输出的，如果没有可变气门正时技术，发动机只能根据其匹配车型的需求，选择最优化的固定的气门叠加角。例如，赛车的发动机一般都采用较大的气门叠加角，以有利于高转速时候的动力输出。而普通的民用车则采用适中的气门叠加角，同时兼顾高速和低速是的动力输出，但在低转速和高转速时会损失很多动力。而可变气门正时技术，就是通过技术手段，实现气门叠加角的可变来解决这一矛盾5。2.2 可变气门技术对发动机性能的影响 VVT技术可以用来减小发动机泵气损失，加快进气速度，改善混台气质量，改变残余废气系数，提高进气效率，最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高。就VVT技术而言，全可变配气相位机构由于气门正时和升程均可变，可控制自由度最多，实现的功能最为广泛，是应用该技术的较理想的机构。 本文综合各种可变配气相位机构的优点，对配气相位中影响发动机性能的各种因素予以剖析2.2.1进气门可变正时2.2进气门控制电路图 . 减小泵气损失部分负荷时，传统发动机由于节气门作用，进气节流会带来很大泵气损失，减小了有用功。l台4气门SI节气门控制发动机泵气损失图，在低负荷区，泵气损失占平均有效压力的30 。去掉节气门，利用进气门早关或晚关，减少压缩始点时进入气缸的混合气，从而实现对发动机负荷的控制，消除了节气门带来的泵气损失，提高了燃油经济性。图2-2所示为采用进气门早关(EIVC)技术控制发动机负荷与采用节气门控制带来换气损失的比较图， 其中实线为2 000rmin，虚线为4 000 rmin。 提高进气速度 发动机处于低转速时，尤其在怠速阶段，缸内涡流强度减弱导致燃烧速度不足推迟进气门开启时间，直至活塞具有较高的向下运行速度可以提高进气速度，加强进气涡流，提高燃烧速率，获得较高的循环效率。 提高充气效率利 用进气管内的压力波可以实现惯性增压，提高充气效率。在进气冲程中，进气管内由于活塞下行产生的正向压力波到达进气门即将反射的瞬间，关闭进气门，可以较好的利用这种惯性增压。实验表明 ，当发动机转速升高时，这种压力波的波峰随曲轴转角的变化向曲轴转角增大的方向推移。固定配气相位发动机的气门正时是高转速与低转速下的一种折衷，易导致高转速和低转速下发动机性能恶化。优化气门正时可以提高充气效率，当发动机高转速时，推迟进气门关闭可以充分利用进气充气的惯性增压效应，提高扭矩；低转速时，进气充气惯性增压效应消失，为保证最大有效压缩比，不再推迟进气门关闭。这样可以使发动机扭矩曲线更平缓。图2-2所示为采用进气门可变正时与气门正时不变时充气效率随转速变化的对比。 可变压缩比改变进气门关闭角，可以在膨胀比不变的情况下改变有效压缩比。 当进气门早关时，充气量不足；压缩冲程中关闭进气门，将有一部分气体排出气缸，这两种情况都会降低发动机有效压缩比。这一点可以应用于增压发动机 另外，在增压汽油机上，精确控制进气门提前或滞后，可以降低缸内气体压力，防止爆震发生。 2.2.2 排气门可变正时 . 优化膨胀比 排气门开启正时决定了有效膨胀比。发动机在高转速时，排气门在BDC前打开，保证有充足的时间排出缸内废气。这会使发动机有效膨胀比要低于在BDC处打开排气门。发动机在低转速时，排气时间较长，应推迟排气门开肩。提高膨胀冲程功，同样可以增加扭矩。 . 内部EGR EGR直接影响气缸内残余废气系数，当残余废气较多时，可降低最高燃烧温度，从而降低NO 排放。通过改变排气门关闭时间，可以代替外部EGR。在上止点前提前关闭排气门，能使一部分废气残留在气缸内；另一方面，如果排气门迟后关闭，由于进气冲程早期阶段活塞下移，把一定质量的废气由排气管倒吸回气缸，排气门迟关角越大，废气倒吸的质量越多，改变排气门关闭正时，就可以控制气缸内残余废气系数，实现内部EGR。当然，由于进气门正时的改变，会直接影响进人气缸内新鲜混合气的质量，间接地影响气缸内残余废气系数。 提高怠速稳定性 怠速稳定性主要受气缸内残余废气系数影响 尽管在进气开始阶段缸内总存有一定量的残余废气，但可以把残余废气量降至最低。调整排气门关闭角和相应的进气门开启角，可以把残余废气降至最低，提高怠速稳定性。改变气门重叠角的同时，改变气升程，可以降低怠速转速，从而降低油耗。 2.2.3气门可变升程 . 加大进气流动速度 低转速时降低进气门升程可以增加进气流速，加快燃烧速率，提高怠速稳定性,4气门发动机两个进气门采用不同升程时进气流速的对比，其中实线为2.00 mm、虚线为3.50 mm、点划线为6.50 mm、双点划线为6.595 mm。由试验结果可见，低转速时，进气门升程对发动机进气流速影响显著，采用较小的气门升程可以提高进气流速。图2-4给出了2 000 rmin和4 000 rmin时采用EIVC和节气门控制不同气门升程换气损失的对比(曲线代表的意义同图2-3，二点划线为节气门控制的流速比为100mm长虚线为100mm，在发动机不同转速下，对进气门升程进行优化控制，能降低换气损失。. 控制气体流动 在多气门发动机上，分别改变每个气门的升程，会影响气体的流动方式。实验表明，与设计气缸盖相比，不等的气门升程对进气流动的影响更显著。2.2.4 气门可变速度 . 提高充气效率 传统的凸轮驱动式发动机，气门开启和关闭是一个渐进的过程，占满整个气门开启持续期。由于气门速度受曲轴转速的限制，所以只有在曲轴转速升高时，气门速度才加大。与此相比，有些无凸轮式发动机的气门运动是可以控制的，不受曲轴转速影响开启和关闭气门只占气门开启持续期的一小部分。在低转速时，气门升程随曲轴转角变化的曲线接近一矩形。高转速时，气门升程曲线接近一梯形。这种进气气门开启历程，气门保持最大升程时间占大部分，保证了高转速下较高的充气效率，有利于增加发动机扭矩。 降低能量消耗 当发动机转速降低时，不再需要快速打开、关闭气门，驱动气门的能量降低，提高了发动机的整体效率。 2.2.5可变气门重叠角 改善怠速稳定性 缸内残余气体对怠速稳定性有负面影响。尽管在进气开始缸内存在一定量的残余废气是不可避免的，但是通进正确调节排气门关闭时间性和相应的进气门开启时间（即所谓的气门重叠角）可以将残余废气量降低到最低，以确保良好的怠速稳定性。 .降低燃油消耗 同是调节气门重叠角和气门升程可以有效地降低怠速，大大的减少燃油消耗。2.2.6 停滞气门 发动机可变排量 从汽油机的负荷特性可以看出，部分负荷的比油耗显著增加，而汽车发动机在使用时，大部分时间工作在部分负荷下。采用发动机可变排量，使排量随负荷大小而变，让工作气缸经常在高负荷区工作，可以在不影响汽车动力性的情况下提高发动机负荷率，改善汽车经济性。在多缸机上，关闭部分气缸的进排气门，并停止燃油供给，可以实现发动机可变排量。文献中分析了发动机可变排量技术的优点，并对比了几种发动机进行可变排量改装前后的性能对比，提出可变排量是一种行之有效的节油措施。 改变气流流动方式 在多气门发动机上，关闭部分进气门，会使进气流动方式发生改变，如同前面提到的改变气门升程的原理一样，能够改善发动机燃烧性能。 失火危害控制 发动机某个缸偶然失火，很可能造成未燃气体流经高温催化转化器时着火，损坏催化剂。如果在发动机上安装失火监视传感器，当有失火发生时，停止打开排气门，使未燃混合气滞留在缸内，避免这种危害发生，随后的燃油喷射和进气门开启也被停止，直至混合气发火燃烧，这样可以减少损失。 . 减小转动扭矩 停止某几个缸工作(气门打开，停止喷油)拖动发动机、可以相应降低起动电机的功率要求，有可能把起动电机和交流发电机做成一体。2.3 VVT技术的应用范围 2.3.1 VVT技术在汽油机上的应用 在汽油机上应用VVT技术有以下优点： 改善怠速稳定性和低速平稳性； . 提高发动机功率和扭矩； . 扩大发动机转速范围； 降低部分负荷燃油消耗率； . 改善废气排放。 2.3.2 VVT技术在柴油机上的应用 在柴油机上应用VVT技术，一方面可以用来改变有效压缩比，另一方面可以提高各转速下的充气系数；此外，在增压柴油机上应用VVT技术，可以改善增压器与发动机的匹配情况。柴油机设计的压缩比比较高，有利于冷态起动；而暖机后，过高的压缩比容易造成发动机工作粗暴，油耗升高。采用VVT技术可以将柴油机设计成高压缩比，而利用进气门早关(或晚关)来降低有效压缩比，即让发动机进行米勒循环，既保证了发动机低速时的起动性，又能降低油耗，使发动机工作比较柔和。VVT技术也可以提高柴油机各转速下的充气效率，如果适当加大喷油量，可提高输出功率和扭矩，机械损失相对减小，从而使发动机总效率增加。 柴油机增压是提高其性能的有效手段之一，但涡轮增压器通常在中等工况时很好地与发动机相匹配。而当发动机处于低转速时，由于废气涡轮增压器获得能量不够，不能向气缸提供所需的空气，因而就不能保持相当于额定工况的有效压力；另外，高转速、高负荷时，为防止进气压力和温度过高，造成发动机缸内的燃烧压力超过限值，必须让一部分废气从废气旁通阀流走，从而造成能源流失。若采用VVT技术，一方面控制排气门在低转速时早开，增加废气能量；另一方面，在高转速时控制进气门开闭时间，降低发动机有效压缩比实现米勒循环，充分利用废气能量。这样就可以使涡轮增压器与发动机在整个转速范围内更好地匹配。 2.3.3 可变节气门技术在二冲程发动机中的应用 二冲程发动机结构简单，维修性好，但由于燃油经济性和排放性等问题，限制了它的发展。二冲程发动机中新鲜空气的流失以及排气回流是燃油经济性和排放性恶化的主要原因。如能较好地抑制燃油的流失，二冲程发动机经济性大大优于四冲程发动机。在文献中用实验分析了二冲程发动机扫、排气口正时与HC浓度的关系，提出用扫、排气口配气正时可变技术抑制新鲜空气流失，改善二冲程发动机性能。在奥托二冲程发动机中，应用缸内喷射的同时，采用了扫、排气口配气正时可变技术，取得了很好的效果。2.3.4 节气门与无节气门控制 在研究发动机的可变气门时，首先要考虑节气门的存在对进气的影响。由于节气门的存在，造成发动机在进气过程有泵吸损失，部分负荷时尤甚。因此，要改善发动机燃油经济性，即提高有效效率，必须减少泵吸功的大小。一台内燃机的有效效率等于理论过程的效率、高压阶段和充量交换阶段的品质因素和机械效率的乘积，要实现“无节气的负荷控制”，即为了改善充量交换的品质因素，也就是说：在一个广阔的工况范围内减少充量交换损失。如果做到无节气门，即直接抓住高质量充量交换过程的实质。通过可变的气门开启持续时间和气门定时来决定进气量，就使节气门原先由节气门承担的量调节任务，改由气门机构担任。其革命性的变化就是将泵吸气损失降到最少。如下图所示，为VVT的控制电路图，简明的阐述了VVT的控制过程和其内部的电路走向，为以后我们在电路上的学习提供了很好的资料，在今后的发展中，电路控制将成为主题。2.3 VVT的控制电路图4析上，即封闭的充量交换面积减到最小。也就使得充量交换功减小到仅有流动损失的水平。利用这种方法，在进气过程中节气门保持全开进气管压力保持在环境压力水平在进气冲程中当需要的混合气质量已经进入到燃烧室时进气门立即关闭。 某一台发动机2000rmin时分别在节气模式和VALVETRONIC模式中充量交换功随着负荷而变化的曲线的比较表明，在大多数情况下这样做法是成功的。如此做法带来的好处当然随着接近全负荷而逐渐减少，并且最终在真正达到全负荷时等于零。在低负荷区域，无节气门负荷控制过程的充量交换功相对于纯粹的节气门模式降低大约30。在最低负荷下，只需要极短暂的进气门开启持续时间就行了，这使得压缩过程的多变曲线始于一个较低的温度水平。 所以，在发动机机内，气门升程的调节以及由此带来的气门开启截面积的缩小，导致气门处完全不一样的流动特性，因而导致完全不一样的充量运动。由于开启截面积较小，气门和气门座圈之间间隙处的流动速度明显地增加，这导致整个气门区域流动的均匀化。这个效应对混合气形成过程极为有利。 在一台经过优化的发动机上按照某一分布原理进行的简单分析表明，在气门升程为1mm的进气流动中的混合气气雾分布得非常细小均匀。而在气门全部开启、其他条件相同的情况下，混合气气雾明显地变得不均匀得多。通过对气门和气门座圈之间间隙处的混合气流动过程的计算分析，这些过程可以依靠物理建模加以描述。 由于均匀的流动，燃烧室内混合气的分布明显地改善了，并且由于气门和气门座圈之间间隙处的剪切力，在流入速度较高的情况下燃油油滴尺寸减小。 如果说在用节气门控制负荷的发动机中，稳态工况下通过喷油提前、瞬态工况下通过与进气同步的喷油可以实现优化的HC排放的话，那么在气门升程减小的情况下与进气同步的喷油总是导致优化的HC排放。这种混合气形成过程十分可靠，以致即使在最低的温度下进行冷起动也只要喷入在节气门控制负荷的发动机中所需燃油量的半就行了。 燃烧室内的充量运动在很大程度上取决于充量在什么条件下流入燃烧室。这里，气门处改变了的情况也导致了完全不同的结果。气门周围均匀的流动形成了进气门处对称的、方向相反的涡流。这种对称的起动条件首先是阻碍了通常要求发生的整体充量运动。这种整体的充量运动在传统的负荷控制模式中一方面是混合气形成过程所必需，另方面又用于储存流动能量，以便在点火时刻形成足够的紊流。然而，在减小了的气门和气门座圈之间间隙处发生的物理现象，如前面已经描述过的那样，会导致非常均匀的混合气状态，并产生非常高的紊流水平，这种紊流一直到点火时刻都可以保持在要求的高水平上。一项带有比较功能的、对火焰传播过程进行的断层x射线分析表明，这些新情况对于燃烧过程非常有用。对气缸内的进气过程来说，明显改善了的条件导致非常迅速并且均匀的火焰传播过程，这种火焰传播过程遍及整个燃烧室。反之，传统的节气门调节模式导致众所周知的非对称火焰传播，伴随着进气侧的混合气燃烧滞后。这主要是由于整体的无序运动和燃烧室内的温度状况所引起。 对燃烧压力进行的热力学分析证明，即使在高压过程中也能够因为快速的能量转换和完全的燃烧而达到明显的改善。甚至是在最小负荷区域由于非常小的气门开启截面积而引起的、看似有害的节气，也因为高压过程的改善而在很大程度上得到了补偿，并导致了怠速工况下大约25的油耗改善。在气门和气门座圈之间间隙处新发生的物理现象主要对VALVETRONIC发动机可靠的运行性能做出了贡献。2.4. VVT 在汽车上应用的必然性 通常用气门开启相位、气门开启持续角度和气门重叠角三个特性参数来描述气门的工作情况。为了改善起动性能并提高怠速稳定性，需要推迟开启进气门，减少气门重叠角。为提高低速扭矩，需要提早关闭进气门。为提高功率，需要提早开启、推迟关闭进气门，并提高进气门的升程。即是说不同工况下，对特性参数的最佳选择是不同的。传统的气门正时系统由于是不可变的系统，因此往往只能根据某一种工况来设定配气正时，也就是说，仅仅在该种工况下可以获得最理想的充气系数，最好的动力输出，而在其它工况下由于充气系数下降，发动机的功率输出也相应下降。另一方面，由于其它工况下混合气不能得到充分的燃烧，进而排出废气中的HC、NOX、CO 将大量增加，燃油经济性变差。采用 VVT 技术的气门正时系统，在发动机工作过程中可以根据不同工况对气门正时进行调整，从而保证在多个工况均能获得理想的功率输出、良好的燃油经济性及较低的排放。如在怠速或小载荷范围，可变气门正时系统可减小气门重叠角，使更少的燃烧气体回流到进气道。这使得怠速稳定，燃油经济性提高。在中等载荷范围，可变气门正时系统会使气门重叠角增加，以获得更好的EGR效果，减少了排出气体中NOx的含量，并降低了发动机泵送损失和燃烧温度。由于未燃烧气体的再燃烧，使得HC 的排放量也得到降低。在重载荷、高速范围，可变气门正时系统可使进气门关闭时刻滞后，以获得大功率用以提高最大输出功率。通过传统气门正时系统与采用VVT技术的气门系统进行比较可以发现，VVT 技术在发动机功率输出、燃油经济性及排放性能方面具有明显的优势。随着近些年汽车发动机动力性、经济性及环保要求不断提高，采用VVT技术成为了一种必然的趋势。2.5 VVT 的应用与发展2.5.1 VVT 在欧洲的应用与发展情况由于 VVT 技术的众多优点，许多汽车厂商从上世纪90 年代便开始将该技术装备到其生产的汽车上。自1990年欧洲开始采用VVT 技术以来，主要被阿尔法·罗密欧、宝马、美洲豹、沃尔沃、保时捷、戴-克、奥迪、雷诺等高级轿车生产厂商采用，取得了良好效果。近几年，国外不少知名汽车生产商也开始采用进气门连续可变正时控制、排气门可变正时控制、气门行程和工作角调整等型式，来提升发动机的动力性能。目前，以机械式气门控制机构为主流，但未来的技术发展趋势将转向开发电磁气门控制系统。保时捷公司2001年款涡轮增压3.6L水平对置型发动机，采用2 级可调开关式挺杆的可变凸轮顶点装置。该装置由4个阀顶、轴向凸轮轴调节器、转换式气门挺杆组成。各缸的两个进气门和两个排气门成V 形布置。这套全部由德国INA 公司提供的可变气门正时机构，和过去的可变凸轮相比，排气有害物质下降50%，使发动机尾气排放达欧洲IV 号排放限值标准和美国加州LEV 排放限值标准。动力性和燃油经济性也有了很大的提高4。宝马汽车公司开发的1.8L直列4 缸发动机，采用无级可变气门行程和工作角的气门控制器系统。该系统可明显改善发动机的动力性能，最大功率由77kW 提高到85W，最大扭矩由165N.m提高到175N.m，最高车速可达210km/h。与同级发动机比较，油耗下降10%15%。同时，该系统属柔性技术，除能适应氢燃料发动机外，还可达到欧洲IV 号排放限值标准。宝马公司2002年底前，在8缸和12缸机上全部使用气门控制器系统。2003年后，在直列6 缸机上也全部使用气门控制器系统，以提高动力性、经济性及排放性4。阿尔法·罗密欧和戴-克公司使用自制的VVT，其他公司由外部供应。欧洲有代表性的高技术气门机构供应商有INA瓦兹拉格公司和西门子的子公司液压环公司。INA 公司年产VVT 约50 万件，主要供给宝马和保时捷公司，同时向日本雅马哈发动机公司和福特汽车公司供货。西门子的液压环子公司与保时捷公司合作开发双V 凸轮系统，该系统由两个联动液压马达驱动气门，在60 度角内无级调整进气凸轮、排气凸轮，这种双V凸轮系统已风靡欧洲。2.5.2 VVT 在亚洲的应用与发展情况在亚洲，以丰田VVT-i 及本田的i-VTEC 都是可变正时技术里的佼佼者。VTEC 是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程两种不同情况的气门控制系统。VTEC（Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System）的意思“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”。与普通发动机相比，VTEC 发动机所不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法，它有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的调节进行自动转换。通过VTEC 系统装置，发动机可以根据行驶工况自动改变气门的开启时间和提升程度，即改变进气量和排气量，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。整个VTEC 系统由ECU 控制，接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温等）的参数并进行处理，输出相应的控制信号，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，获得所需的动力。最近，本田又推出了比VTEC 更先进的I-VTEC 系统，I-VTEC 系统是在现有的基础上，添加了一个“可变正时控制系统”，通过ECU 控制程序调节进气门的开启关闭，使气门的重叠时间更加精确，达到最佳的进、排气时机，并且进一步提高了发动机的功率。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（Variable Valve Timing and Lift with intelligence）的意思是“智能可变配气正时系统”5。该系统的最大特点是可根据发动机的状态控制进气凸轮轴，通过调整凸轮轴转角对配气时机进行优化，以获得最佳的配气正时，从而在所有速度范围内提高扭矩，并能大大改善燃油经济性，有效提高汽车的功率与性能，减少油耗和废气排放。VVTi 系统由传感器、电控单元、液压控制阀和控制器等部分组成，按控制器的安装部位不同而分成两种：一种是安装在排气凸轮轴上的，称为叶片式VVTi，如丰田大霸王；另一种是安装在进气凸轮轴上的，称为螺旋槽式VVTi，凌志400、430 等高级轿车就是采用的此种型式。2.5.3VVT 在我国的应用与发展情况由吉利集团自主研发的中国首台采用了CVVT技术（智能连续可变气门正时技术）的发动机-JL4G18在吉利汽车宁波基地举行了点火仪式，并宣告正式量产。吉利推出的CVVTJL4G18 发动机是以丰田VVT技术为基础开发，并联合德国FEV 公司共同研究的、借鉴了欧美发动机的最新技术，溶合了不少创新元素，如发动机电控系统、进排气系统、电子油门技术均采用了国际最新技术，采用了轻巧的铝合金缸体，使其动力性大大加强，油耗和排放大大降低，使其各项性能指标达到或超过双VVT-i 和i-VTEC 发动机，在国际市场自然吸气发动机中处于三强地位。目前在吉利远景上正是搭载的这款发动机。随着环保节能要求的日益提高，VVT 技术在我国的发展和普及前景将十分广阔。2.6 VVT 在单凸轮轴发动机上的应用到目前为止，可变气门正时系统只有在配置独立控制的双顶置凸轮轴发动机上应用才有上述优势，单凸轮轴发动机不行。然而单凸轮轴发动机（气门顶置式和单凸轮轴顶置式）由于其紧凑的设计，具有显著的成本优势。马勒开发了可变正时的CamlnCam 嵌套式凸轮轴系统作为标准部件，它在单凸轮轴发动机上也可发挥双凸轮轴发动机上的功能。CamlnCam 发动机不需要重新设计，而且所需的生产设施也相同。更重要的是，CamlnCam 带来的是更高的功率和扭矩，更少的燃料消耗和排放以及更好的怠速性能。这项技术目前已经用在最新款的Dodge Viper 发动机上。采用此技术后，Viper 的功率又提高了100 马力。同时，这项技术也推动了发动机小型化战略。 42.7 VVT 发展新动向2.7.1 全可变电子气门控制系统宝马N系列发动机免除传统的节气门的功能，实现气门特性的参数全部可变。通过电子控制机械式全可变进气门升程控制机构无级的调节进气门的升程，同时配合双可变凸轮轴控制机构，连续的改变进、排气门的正时与持续时间，可使进、排气门在最有利的重叠角范围内工作，使气缸的充气量保持在最佳状态。装配了全变量气门控制系统的发动机，油耗降低10%，功率增加20%，同时废气排放性能也得到很大改善。电子节气门电路图 第三章 汽油