任务二 可变气门正时和升程的结构及工作原理

学习目标

1.了解可变气门正时和升程的功能

2.掌握可变气门正时和升程的结构及工作原理

3.了解可变进气道的故障现象及引起故障的原因

课程准备

知识准备

配气相位机构的原理和作用

发动机的配气相位机构负责向气缸提供汽油燃烧做功所必需的新鲜空气，并将燃烧后的废气排出，这一套动作可以看做是人体吸气和呼气的过程。从工作原理上讲，配气相位机构的主要功能是按照一定的时限来开启和关闭各气缸的进、排气门，从而实现发动机气缸换气补给的整个过程。

气门的原理和作用又应该怎么理解呢？我们可以将发动机的气门比作是一扇门，门开启的大小和时间长短，决定了进出的人流量。门开启的角度越大，开启的时间越长，进出的人流量越大，反之亦然。同样的道理用于发动机上，就产生了气门升程和正时的概念。气门升程就好像门开启的角度，气门正时就好像门开启的时间。

气门重叠角对发动机性能的影响

图1-3-10所示为气门重叠角及配气相位，气门重叠的角度往往对发动机性能产生较大的影响，那么这个角度多大为宜呢？发动机转速越高，每个气缸一个工作循环内留给吸气和排气的绝对时间也越短，因此要达到更高的充气效率，就需要延长发动机的吸气和排气时间。

图1-3-10 气门重叠角及配气相位

显然，当转速越高时，要求的气门重叠角越大。但在低转速工况下，过大的气门重叠角则会使得废气过多地泻入进气端，吸气量反而会下降，气缸内气流也会紊乱，此时ECU也会难以对空燃比进行精确的控制，从而导致怠速不稳，低速转矩偏低。相反，如果配气机构只对低转速工况进行优化，那么发动机就无法在高转速下达到较高的峰值功率。所以发动机的设计都会选择一个折中的方案，不可能在两种截然不同的工况下都达到最优状态。所以为了解决这个问题，就要求配气相位可以根据发动机转速和工况的不同进行调节，高低转速下都能获得理想的进、排气效率，这就是可变气门正时技术开发的初衷。

一、可变配气正时系统的结构及工作原理

1.可变配气正时系统的分类及组成

可变配气正时按调节的种类可以分为单侧调节和双侧调节。单侧调节只调整进气正时或排气正时，双侧调节则同时调整进气和排气的正时。

可变配气正时系统按调节控制器分类主要有两种类型：一种类型是活塞在外齿轮（相当于机壳）和内齿轮（直接附在凸轮轴连接）的螺旋齿条之间作轴向运动，以改变齿轮轴状态。另一种为叶片槽式，本书讲解叶片槽式的类型。

可变气门正时系统主要由ECU（电子控制单元）、叶片槽式调节器、凸轮轴调整电磁阀以及传感器等部分组成。

2.可变配气正时系统工作原理

虽然可变气门正时技术在各个厂商的名称不同，但是实现的方式却大同小异。其工作原理为：该系统由发动机ECU协调控制，发动机ECU以曲轴位置传感器、空气流量计和节气门位置传感器提供的信号为基础，结合发动机冷却液温度传感器和车速传感器信号，根据ECU中储存有气门最佳正时参数，计算出各行驶条件下的最佳气门正时（目标气门正时），并向相应凸轮轴正时机油控制阀传送目标占空比控制信号，控制正时机油控制阀动作，通过改变机油的流向、流量来驱动凸轮轴前端的控制器工作，从而实现配气正时的提前、滞后和保持不变。这套机构就是通过在凸轮轴的传动端加装一套液压机构，从而实现凸轮轴在一定范围内的角度调节，也就相当于对气门的开启和关闭时刻进行了调整。

同时，发动机ECU还根据凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器信号检测实际配气正时，与目标配气正时进行比较，通过反馈控制以达到目标配气正时。图1-3-11为可变配气正时控制原理。

3.可变配气正时系统在发动机各工况下的控制目标

①起动时，进排气门处于最大延迟状态，以提高起动性能；

②怠速时，消除进排气门重叠，以减小进气侧回火，稳定怠速转速，提高燃油经济性；

③低温、低速、低负荷时，消除进排气门重叠，以减小进气侧回火，确保发动机稳定性；

④中负荷时，增加进排气门重叠来提高内部废气再循环，以减小泵气损失，提高燃油经济性，改善排放控制性能；

⑤高负荷时，在低速到中速范围内，减小进气门迟闭角，以提高充气效率，提高低速到中速范围内的扭矩；

⑥高负荷时，在高速范围内，增大进气门迟闭角，以提高充气效率，提高输出功率。

图1-3-11 可变配气正时控制原理

4.可变配气正时油路工作原理

控制阀套管上有一个与发动机润滑系统主油路相连的进油口、一个通往正时控制器提前工作腔的出油口，另一个通往正时控制器延迟工作腔的出油口及两个回油排放口。正时控制器工作油路如图1-3-12所示。发动机熄火时，滑阀在弹簧力作用下处于最右端（最延迟状态），则延迟侧出油口与压力油相通，提前侧出油口与左排放口相通；发动机工作时，滑阀往前移动，则延迟侧出油口与右排放口相通，提前侧出油口与压力油相通。滑阀的移动量取决于ECU发出的占空比指令。

图1-3-12 正时控制器工作油路

（1）配气正时提前

由发动机ECU控制凸轮轴正时调整电磁阀处于图1-3-12a所示位置，压力机油通过凸轮轴、叶片进入提前工作腔，油压推动叶片和凸轮轴向配气正时的提前方向旋转。

（2）配气正时延迟

由发动机ECU所控制的凸轮轴正时机油控制阀处于图1-3-12b所示位置，压力机油通过凸轮轴、叶片进入延迟工作腔，油压推动叶片和凸轮轴向配气正时的延迟方向旋转。

（3）保持

达到目标正时后，发动机ECU控制凸轮轴正时机油控制阀处于中间位置，关闭正时控制器油道保持油压，从而保持当前的配气正时状态直至发动机运转状态改变。

正时控制器叶片的不同工作位置如图1-3-13所示。

图1-3-13 正时控制器叶片的不同工作位置

图1-3-14 正时控制器及锁销结构

5.正时控制器结构及工作原理

正时控制器结构如图1-3-14所示，在控制器壳体内加工有4个叶片槽，叶片固定在凸轮轴上嵌装在叶片槽内，叶片的宽度小于壳体内圆上的叶片槽宽度，与壳体装配后叶片可在壳体的叶片槽内来回转动。每个叶片将壳体上的每个槽隔成两个工作腔，即提前工作腔和延迟工作腔。链轮与壳体接合端内侧加工有与工作腔对应的油槽，一端与相应的工作腔连通，另一端通过凸轮轴上的两条油道与凸轮轴正时机油控制阀连通。链轮与壳体通过螺栓连接为一个整体，由曲轴正时链轮通过正时链条驱动。由以上描述可知，由于凸轮轴与曲轴之间不再是直接通过正时链条相连，凸轮轴可相对于正时链轮转动，即相对于曲轴位置改变凸轮轴位置，从而实现配气正时的改变。

锁销组件由锁销和弹簧组成，锁销和弹簧装在叶片内，当发动机熄火时，叶片处于最大延迟状态，在弹簧力的作用下，锁销的一部分被推入链轮上的锁销子，将叶片和链轮锁定在一起，保证进气凸轮轴处于最大延迟状态，以维持起动性能及避免发动机刚起动时叶片与外壳之间发生撞击。链轮锁销孔有油道与控制油路相连，发动机工作时，压力机油进入链轮锁销子孔，锁销压缩弹簧而退出叶片锁销孔，叶片与链轮之间可相对转动。

当发动机停止时，进气凸轮轴被调整（移动）到最大延迟状态以维持启动性能。在发动机启动后，油压并未立即传到控制器时，锁销便锁定控制器动作，以防撞击产生噪声。

6.凸轮轴正时调整电磁阀工作原理

凸轮轴正时调整电磁阀的作用是根据发动机ECU的占空比控制指令控制滑阀位置，从而控制通往正时控制器提前工作腔或延迟工作腔的油流方向和流量。控制阀由柱塞、电磁线圈、滑阀、回位弹簧及套管等组成，其结构如图1-3-15所示。

图1-3-15 凸轮轴正时机油控制阀结构及外观

某车型排气凸轮轴机油正时控制阀电路如图1-3-16所示。正时机油控制阀的1号端子为占空比信号输入端，与ECU的B31插接器60号端子相连；2号端子为接地端，与ECU的B31插接器61号端子相连。进气凸轮轴正时机油控制阀电路与排气基本相同。

图1-3-16 排气凸轮轴机油控制阀电路

二、可变气门升程的结构及工作原理

可变气门升程技术可以在发动机不同转速下匹配合适的气门升程，使得低转速下扭矩充沛，而高转速时功率强劲。低转速时系统使用较小的气门升程，这样有利于增加缸内紊流提高燃烧速度，增加发动机的低速扭矩，而高转速时使用较大的气门升程，则可以显著提高进气量，进而提升高转速时的功率输出。

1.本田i-vtec

本田的可变气门升程系统（结构见图1-3-17），利用第三根摇臂和第三个凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化。当发动机在中、低转速时，三根摇臂处于分离状态，普通凸轮推动主摇臂和副摇臂来控制两个进气门的开闭，气门升量较小。此时虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间是分离的，所以两边的摇臂不受它控制，也不会影响气门的开闭状态。

图1-3-17 本田的可变气门升程系统工作原理

发动机达到某一个设定的转速时，电控单元即会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成一体，一起由高角度凸轮驱动，这时气门的升程和开启时间都相应地增大了，使得单位时间内的进气量更大，发动机动力也更强。这种在一定转速后突然的动力爆发极大地提升了驾驶乐趣。当发动机转速降到某一转速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位，三根摇臂分开。

这项技术在本田车型上的普及度较高，但是分段式的气门调节方式还是令发动机的动力输出不够线性。

2.奥迪AVS

奥迪的AVS可变气门升程系统在设计理念上与本田的i-vtec有着异曲同工之妙，只是在实施手段上略有不同。这套系统为每个进气门设计了两组不同角度的凸轮，同时在凸轮轴上安装有螺旋沟槽套筒。螺旋沟槽套筒由电磁驱动器加以控制，用以切换两组不同的凸轮，从而改变进气门的升程。奥迪的AVS可变气门升程系统结构如图1-3-18所示。

图1-3-18 奥迪AVS可变气门升程系统结构

奥迪AVS可变气门升程系统高低速切换原理如图1-3-19所示。发动机在高负荷的情况下，AVS可变气门升程系统将螺旋沟槽套筒向右推动，使角度较大的凸轮得以推动气门。在此情况下，气门升程可达到11mm，以提供燃烧室最佳的进气流量和进气流速，实现更加强劲的动力输出。当发动机在低负荷的情况下，为了追求发动机的节油性能，此时AVS可变气门升程系统则将凸轮推至左侧，以较小的凸轮推动气门。

图1-3-19 奥迪的AVS可变气门升程系统高低速切换原理

AVS可变气门升程系统凸轮轮廓曲线如图1-3-20所示，两条深色线是普通凸轮的轮廓曲线，两条浅色线是高角度凸轮的轮廓曲线，可以看到驱动同一气缸的两个进气门凸轮在升程和相位上存在差别。

奥迪AVS可变气门升程系统中发动机在700～4000r/min之间工作，当发动机处于中间转速区域进行定速巡航时，AVS可变气门升程系统可以为车辆提供很好的节油效果。

奥迪这套系统的气门升程依然是两段式的，没有做到气门升程的无级调节，所以对进气流量的控制还不够精确。然而一个巧妙之处在于对同一气缸内两个进气门采用不同步的开启和关闭时间，从而实现油、气的充分混合。

图1-3-20 奥迪AVS可变气门升程系统凸轮轮廓曲线

3.BMW的Valvetronic电子气门技术

BMW的Valvetronic系统在传统的配气相位机构上增加了一根偏心轴、一台步进电动机和中间推杆等部件，该系统借由步进电动机的旋转，再在一系列机械传动后很巧妙地改变了进气门升程的大小。系统结构如图1-3-21所示。

图1-3-21 BMW的Valvetronic系统结构

图1-3-22 BMW的Valvetronic系统工作原理

当凸轮轴运转时，凸轮会驱动中间推杆和摇臂来完成气门的开启和关闭，如图1-3-22所示。当电动机工作时，蜗轮蜗杆机构会首先驱动偏心轴发生旋转，然后中间推杆和摇臂会产生联动，偏心轴旋转的角度不同，最终凸轮轴通过中间推杆和摇臂顶动气门产生的升程也会不同。在电动机的驱动下，进气门的升程可以实现从0.18～9.9mm之间的无级变化。

BMW的Valvetronic技术已经覆盖了旗下的多款发动机，包括目前陆续推出的涡轮增压新动力。该技术能够让发动机对驾驶员的意图做出更迅捷的反馈，同时通过发动机管理系统对气门升程的准确控制，实现了车辆在各种工况和负荷下的最佳动力匹配。

BMW的这项技术已经十分成熟，而且通过不断的优化，Valvetronic技术也突破了转速的限制，可以应用在M-power的V8双涡轮增压发动机上。如何保证在正确的时间使气门升程处在合适的位置是这项技术的最大难点，不过它的确做到了对发动机进行更为准确和细致的调控管理。

故障案例

可变配气正时及升程系统故障案例

故障现象：一辆2007年款一汽丰田卡罗拉GL轿车，配备1ZR-FE发动机，行驶了4.6万km。该车出现着车困难的故障，即使能着车，怠速也很不稳定，抖动得很厉害，还出现了热车熄了车马上再着车，转速会慢慢提高到2800r/min，降不下来，要熄火等10多min后再着车。

检查分析：维修人员首先进行故障现象检验，确实如用户反映的那样，要打好几次发动机，才能着车，而且发动机抖动得非常厉害，像要熄火，废气也很难闻。检查发动机故障灯（MIL）在发动机运转时能熄灭。在询问确认用户还没有做过油电路保养后，对该车进行了油电路保养，清洗了节气门、喷油嘴，更换了汽油滤清器，但是故障依旧。

引起发动机不好着车的可能故障原因包括：水温传感器信号不良，汽油喷射压力不足、喷油嘴泄漏，节气门电动机控制不良，进气门积炭过多等。经过检查，以上项目均未发现异常。

该车使用正时链条驱动凸轮轴，新车至今还没有拆换过正时链条，出现跳齿的可能几乎为零。但是该车采用了丰田的DualVVT-i可变气门正时技术，1ZR-FE发动机配气相位如图1-3-23所示。

从图中可以看出，进气门开启是在BTDC1°～56°，关闭是在ABDC65°～10°；排气门开启是BBDC51°～11°，关闭是ATDC3°～43°。也就是进气凸轮轴可以在66°的范围内变化，排气凸轮轴也可以在54°范围内变化。如此大的变化范围可相当于正时跳动了5～6个齿了。

图1-3-23 1ZR-FE发动机配气相位

控制正时变化的是气门正时机油控制阀和VVT-i控制器。把进气侧气门正时机油控制阀拆下来检查，测量两端子之间的电阻为7.2Ω，在6.9～7.9Ω内属正常，按图1-3-24所示方法给控制阀通电，发现阀芯被机油积炭卡住不能自由移动，导致凸轮轴不能移动，配气相位错乱引起发动机工作不良。

图1-3-24 正时机油控制阀检查方法

用清洗剂把阀芯清洗净，用机油润滑，再通电检查，阀芯可以自由移动，恢复正常。

把排气侧的气门正时机油控制阀也拆下来检查，发现也有轻度的积炭滞塞，同样用清洗剂清洁润滑后，通电检查都恢复正常。把两个气门正时机油控制阀装复，试车，故障排除。