汽车气门驱动控制系统简介

在实际发动机的工作中，为使进气充分、排气干净，进气门和排气门均存在早开、晚关的情况，进气门和排气门的开启持续时间也大于180°曲轴转角。发动机进气门、排气门实际开启或关闭的时刻和开启的持续时间称为配气相位，通常用曲轴转角来表示。

配气相位和气门升程对发动机性能有很大影响，即使同一台发动机，随着转速和负荷的不同，对配气相位和气门升程的要求也不同。随着发动机转速和负荷的提高，气门提前开启角、气门迟闭角和气门升程均应增大，反之则应减小。但在传统发动机的配气机构中，气门驱动凸轮的形状、凸轮轴与曲轴的相对位置是固定的，在发动机使用中，配气相位和气门升程不能改变，发动机性能就不能在各种工况下均得到优化。为解决上述问题，气门可变驱动技术应运而生。

气门驱动控制系统的功能就是根据发动机转速和负荷的变化，适时调整配气相位和气门升程。

目前，由于进气门配气相位和气门升程对发动机性能的影响比排气门大，为了简化发动机结构和降低成本，气门驱动控制系统一般只控制进气门配气相位和升程。气门驱动控制系统对柴油机和汽油机均可使用，以下介绍几种比较典型的气门驱动控制系统。

1.德国大众公司可变进气相位控制系统

大众公司可变进气相位控制系统的功能是根据发动机运行工况的变化，使进气凸轮轴相对于曲轴转动，从而实现对进气相位的控制。

大众公司可变进气相位控制机构如图5-5所示。发动机气缸的气缸盖上，排气凸轮轴安装在外侧，进气凸轮轴安装在内侧。曲轴通过同步带驱动排气凸轮轴，排气凸轮轴通过链驱动进气凸轮轴。发动机工作时，ECU根据发动机转速信号控制正时电磁阀动作，以此改变通向液压缸的油路，而液压缸则带动正时调节器向上或向下移动。当正时调节器向上或向下移动时，进气凸轮轴与排气凸轮轴间传动链紧边的位置随之改变。由于排气凸轮轴间传动链紧边的变化，会改变进气凸轮轴与曲轴间的相对位置，从而调节进气门的配气相位。发动机转速较低时，进气相位提前；发动机转速较高时，进气相位推迟。

2.日本本田公司VTEC

本田公司VTEC（可变配气正时及气门升程电子控制机构）的功能是根据发动机运行工况的变化，通过变换驱动进气门工作的凸轮来实现对进气相位及进气门升程的控制，并完成单进气门工作和双进气门工作的切换。

本田公司VTEC的结构如图5-6所示。

图5-5 大众公司可变进气相位控制机构

1—正时电磁阀 2—液压缸 3—排气凸轮轴 4—进气凸轮轴 5—正时调节器

图5-6 本田公司VTEC的结构

1—正时片 2—中间摇臂 3—次摇臂 4—同步活塞B 5—同步活塞A 6—正时活塞 7—进气门 8—主摇臂 9—凸轮轴

同一缸的两个进气门有主、次之分，即主进气门和次进气门。每个进气门通过单独的摇臂驱动，驱动主进气门的摇臂称为主摇臂，驱动次进气门的摇臂称为次摇臂，在主摇臂和次摇臂之间装有一个中间摇臂，中间摇臂不与任何气门接触，三个摇臂并列在一起组成进气摇臂总成。

凸轮轴上相应地有三个不同升程的凸轮分别驱动主摇臂、中间摇臂和次摇臂。在凸轮形状设计上，中间凸轮的升程最大，次凸轮的升程最小，主凸轮的形状适合发动机低速时主进气门单独工作时的配气相位要求，中间凸轮的形状适合发动机高速时主、次双进气门工作时的配气相位要求。正时片在正时活塞处于初始位置和工作位置时，靠回位弹簧的作用插入正时活塞相应的槽中，使正时活塞定位。

本田公司VTEC的工作原理如图5-7所示。驱动两个进气门的三个摇臂内有油缸孔，油缸孔中有靠液压控制的正时活塞、同步活塞、阻挡活塞及弹簧。正时活塞一端的油缸孔通过摇臂轴内腔与发动机的润滑油道连通，ECU通过电磁阀控制油道的通与断。发动机低速、小负荷运转时（图5-7a），VTEC电磁阀不通电而关闭油道，润滑油压力不能作用在正时活塞上，在次摇臂油缸孔内的弹簧和阻挡活塞作用下，正时活塞和同步活塞A回到主摇臂油缸孔内，与中间摇臂等宽的同步活塞B停留在中间摇臂的油缸孔内，三个摇臂彼此独立。此时，主凸轮通过主摇臂驱动主进气门，中间凸轮驱动中间摇臂空摆，次进气门微量开启以防止次进气门附近积聚燃油。发动机高速、大负荷运转时（图5-7b），ECU接通VTEC电磁阀电路，使电磁阀开启，来自润滑油道的润滑油压力作用在正时活塞一侧，由正时活塞推动两同步活塞和阻挡活塞移动，两同步活塞分别将主摇臂与中间摇臂、次摇臂与中间摇臂插接成一体，成为一个同步工作的组合摇臂，此时由于中间凸轮升程最大，组合摇臂受中间凸轮驱动，两个进气门同步工作，进气门的排气相位和升程与发动机低速时相比，其升程、提前开启角和迟闭角均增大。

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图5-7 本田公司VTEC的工作原理

1—主凸轮 2—次凸轮 3—次摇臂 4—回位弹簧 5—阻挡活塞 6—同步活塞 7—同步活塞A 8—正时活塞 9—主摇臂 10—中间摇臂 11—油液

3.德国宝马公司VCC系统

宝马公司VCC（可变凸轮轴控制）系统的功能是根据发动机运行工况的变化，在一定范围（0～9.7mm）内对气门升程进行连续控制。宝马公司VCC装置的组成如图5-8所示。该装置主要是在传统配气机构的基础上增加了齿扇和中间摇臂，齿扇由ECU控制的步进电动机驱动，以步进电动机轴上的中置凸轮轴为支点摆动，凸轮通过中置摇臂以齿扇上的中置摇臂轴为支点摆动，凸轮通过中置摇臂驱动气门摇臂，再驱动气门工作。发动机工作时，ECU根据发动机的运行工况确定最佳的气门升程，并通过步进电动机驱动齿扇绕其偏心轴转动，使中置摇臂的支点（即中置摇臂轴）与驱动凸轮的相对位置改变，在驱动凸轮的升程一定时，中置摇臂下端确定气门摇臂的摆动量发生变化，因此气门升程也随之变化。

4.日本丰田公司VVT-i控制系统

日本丰田公司VVT-i（智能型可变节气门正时及升程）控制系统的功能是根据发动机运行工况的变化，通过使进气凸轮轴相对于曲轴转动来实现对进气相位的控制，通过变换驱动进气门的凸轮来改变气门升程。

丰田公司VVT-i控制机构的组成如图5-9所示。该机构可分为两部分：一部分由VVT-i液压控制器和液压控制阀组成，用来改变进气凸轮轴与其带轮的相对位置，控制进气门的排气相位；另一部分主要由VVT-i液压控制阀、进气凸轮轴和摇臂总成等组成，用来变换驱动节气门的凸轮，以改变进气门升程。两个液压控制阀为电液比例阀，用于执行ECU的指令控制液压油路，系统所用液压油为发动机润滑油。

图5-8 宝马公司VCC装置的组成

1—凸轮 2—气门摇臂 3—挺杆 4—气门 5—气门弹簧 6—齿扇 7—偏心轴 8—中置摇臂轴 9—中置摇臂

图5-9 丰田公司VVT-i控制机构的组成

丰田公司VVT-i液压控制器有螺旋槽式和VVT-i叶片式两种类型。螺旋槽式液压控制器主要由内、外表面均有螺旋槽的套筒和液压活塞组成，套筒内螺旋槽与进气凸轮轴前端相应的外螺旋槽啮合，套筒外螺旋槽则与进气凸轮轴正时带轮相应的内螺旋槽啮合。当液压活塞推动套筒轴向移动时，进气凸轮轴与其正时带轮就会相对转动。因为正时带轮与曲轴的相对位置是固定的，所以当进气凸轮轴相对于其正时带轮转动时，进气相位就会改变，液压活塞的移动量不同，进气相位的变化量就不同，进气相位可以连续变化。叶片式液压控制器主要由与进气凸轮轴连接的叶轮和与正时带轮制成一体的管壳组成，叶轮的叶片两侧均有液压油腔。当叶片某一侧的液压油腔充油时，在液压力的作用下，叶轮带动进气凸轮轴沿相应的方向相对于其正时带轮转动，从而使进气相位提前或推迟；通过控制液压油腔的油压，即可控制进气凸轮轴相对于其正时带轮转动的角度，从而实现进气相位的连续控制。丰田公司进气门升程控制机构如图5-10所示。

图5-10 丰田公司进气门升程控制机构

1—进气门 2—摇臂 3—滚轮 4—低速凸轮 5—高速凸轮 6—油道 7—滑销 8—滑块

驱动进气门的凸轮分为高速凸轮和低速凸轮，高速凸轮的升程大于低速凸轮的升程。对应每个气缸两进气门的有一个摇臂和高、低速两个凸轮，在摇臂高速凸轮的位置装有滑块，摇臂内空腔装有液压滑销。发动机低速、小负荷运转时，摇臂内的滑销位于初始位置（图5-10a），高速凸轮顶动滑块时，滑块空动而无法将力传递给摇臂，此时由低速凸轮通过滚轮和摇臂两个进气门工作。发动机高速、大负荷运转时，由ECU控制的液压控制阀开启通向摇臂内腔的液压通电，进入摇臂内腔的液压油将滑销推至滑块底部（图5-10b），以消除滑块底部与摇臂的间隙，由于高速凸轮的升程比低速凸轮大，所以此时高速凸轮通过滑块、滑销和摇臂驱动两个进气门工作，而低速凸轮无法起作用。

目前，汽车发动机上采用的气门驱动控制系统中，仍以凸轮驱动气门为主，虽然在改善发动机性能方面取得了良好的效果，但也存在不足，如响应速度慢、各气门不能实现独立控制等。为此，世界各大汽车公司已开始研制无凸轮的气门控制系统，如利用电磁线圈直接控制气门的电磁式气门驱动系统、利用电控液压装置驱动气门的电液式气门驱动系统等，有些已进入试用阶段，气门驱动新技术必将为改善发动机性能做出更大的贡献。