可變氣門正時技術

發動機的配氣相位對其動力性、經濟性及排氣污染都有重要的影響。最佳的配氣相位應使發動機在很短的換氣時間內充人最多的新鮮空氣(可燃混合氣)，並使排氣阻力最小，廢氣殘留量最少。發動機轉速變化時，由於氣流的速度和進排氣門早開遲閉的絕對時間都發生了變化，因此，其最佳的配氣相位角也應隨之改變。發動機的氣門開閉由凸輪驅動，進排氣門的早開角、遲閉角固定不變，這實際上只能使發動機在某一轉速範圍下處於最佳的配氣相位，而在發動機轉速很低或很高時，其配氣相位就會處於不理想的狀態。

在發動機低轉速時，會因為氣門疊開角比理想值大，使部分新鮮混合氣被廢氣帶走而造成油耗和排污增加；在高轉速時，由於氣門疊開角比理想值小，進氣量不足，從而限制了發動機所能達到的最大功率。為提高發動機的性能，配氣相位及氣門行程可變技術成了汽車發動機技術領域中的一個重要研究課題。到目前為止，已出現了多種配氣相位可變的發動機配氣裝置，使得這些發動機的動力性、經濟性及排氣污染等都得到了改善。

國外研究機構對可變氣門正時早就進行了大量的研究，美國自1880年就已出現了有關可變氣門的專利，至1987年約有近800件，近年來仍在持續不斷地發展。。但是出現在20世紀80年代以前的很多機構存在問題較多，如造價昂貴、機構複雜、可調自由度有限以及衝擊載荷較高等。近20年來，電子技術的發展促進了可變配氣相位機構產品化，有些技術已在汽車上成功使用，取得了較好的效果。

本田公司在1989年推出了自行研製的“可變氣門正時和氣門升程電子控制系統”VTEC是世界上第一個能同時控制氣門開閉時間及升程的氣門控制系統。本田的VTEC發動機一直是享有“可變氣門發動機的代名詞”之稱，它不僅輸出功率超強，還具有低轉速時尾氣排放環保、低油耗的特點，而這樣完全不同的特點在同一個發動機上面出現，就因為它在一支凸輪軸上有多種不同角度的凸輪。

傳統發動機的氣門正時系統，是一種配氣相位即氣門開啟關閉一成不變的機械系統，這種配氣系統很難滿足發動機在多種工況對配氣的需要，不能滿足發動機在各種轉速工況下均輸出強勁的動力要求。而可變氣門正時系統是一種改變氣門開啟時間或開啟大小的電控系統，通過在不同轉速下為車輛匹配更合理的氣門開啟或關閉時刻，來增強車輛扭矩輸出的均衡性，提高發動機功率並降低車輛的油耗。

從配氣相點陣圖上可以看出活塞從上止點移到下止點的進氣過程中，進氣門會提前開啟和延遲關閉。當發動機做功完畢，活塞從下止點移到上止點的排氣過程中，排氣門會提前開啟和延遲關閉。

這種延長氣門開啟時間的做法，必然會出現一個進氣門和排氣門同時開啟的時刻，配氣相位上稱為“重疊階段”，可能會造成廢氣倒流。這種現象在發動機的轉速僅1000r/min以下的怠速時候最明顯(怠速工作下的“重疊階段”時間是中等速度工作條件下的7倍)。這容易造成怠速工作不暢順，振動過大，功率下降等現象。尤其是採用四氣門的發動機，由於“簾區”值大，“重疊階段”更容易造成怠速運轉不暢順的現象。設計師為了消除這一缺陷，就以“變”對“變”，採用了“可變式”的氣門驅動機構。

可變式氣門驅動機構就是在發動機急速工作時減少氣門行程，縮小“簾區值”，而在發動機高速工作時增大氣門行程，擴大“簾區值”，改變“重疊階段”的時間，使發動機在高轉速時能提供強大的功率，在低轉速時又能產生足夠的扭力，從而改善了發動機的工作性能。氣門可變驅動機構能根據汽車的運行狀況，隨時改變配氣相位，改變氣門升程和氣門開啟的持續時間。

發動機上的氣門可變驅動機構可以通過兩種形式實現，一種是凸輪軸和凸輪可變系統，就是通過凸輪軸或者凸輪的變換來改變配氣相位和氣門升程；另一種是氣門挺桿可變系統，工作時凸輪軸和凸輪不變動，氣門挺桿、搖臂或拉杆靠機械力或者液壓力的作用而改變，從而改變配氣相位和氣門升程。

改變凸輪軸相位角機構

這種設計是將進氣門開啟持續角保持不變，即凸輪形線是固定的，僅利用整個凸輪軸相對於正時齒形皮帶輪旋轉一個角度，從而改變凸輪軸相對於曲軸的轉角，來改變配氣相位。當電控系統發出控制信號時，步進電機帶動諧波齒輪傳動機構像差動齒輪箱一樣工作，引起凸輪軸相對於正時皮帶輪轉動，產生角位移，實現發動機配氣相位的變化。

在凸輪軸的末端裝配了一個斜線齒輪。在斜線齒輪外套有一個殼體，在殼體內側也加工了相同的斜線花鍵與之相配合。如果將殼體向靠近凸輪軸方向或遠離凸輪軸方向移動，凸輪軸的轉角就被改變了。因為在斜線齒輪的作用下，殼體不能與凸輪軸平行移動，如果殼體向凸輪軸方向運動，凸輪軸的轉角將會提前，如果殼體向遠離凸輪軸的方向運動，那麼凸輪軸的轉角將被推遲。

變換凸輪機構

為了進一步解決高速動力性與低速比油耗之間的矛盾，全面提高車用發動機的性能，國外開發了可變配氣相位和氣門升程的機構。這種設計是提供兩種以上有不同凸輪形線的凸輪及與之相配合的搖臂，在不同轉速和負荷下，靠液壓控制搖臂機構驅動氣門，如本田公司研製的可變配氣相位機構。該機構由具有高/低速兩個凸輪的凸輪軸、含有液壓柱塞的主搖臂和副搖臂構成。低速時搖臂各自獨立工作，主搖臂與低速凸輪配合，保證氣門正常工作；高速時由來自電子控制裝置的信號，開啟液壓通道，將主搖臂中柱塞的一部分壓入副搖臂中，於是兩個搖臂變成一個整體與高速凸輪配合，驅動氣門工作。採用可變凸輪機構的發動機與傳統配氣機構發動機相比較，其低速扭矩和高速動力性都得到了明顯改善。

無凸輪軸可變配氣相位機構

在一些發動機的氣門機構中採用了氣門電控液壓機構，取消凸輪軸而直接對氣門進行控制。通過這種傳動機構可實現對氣門正時和氣門升程的綜合控制，最終將取代節氣門控制負荷，如福特ECV無凸輪電控液壓可變配氣相位機構。