VVTI

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概況

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VVT-i是Variable Valve Timing-intelligent的縮寫，它代表的含義就是智慧型正時可變氣門控制系統。這一裝置提高了進氣效率，實現了低、中轉速範圍內扭矩的充分輸出，保證了各個工況下都能得到足夠的動力表現。另一個先進之處在於全鋁合金缸體帶來的輕量化，不僅減小了質量，也降低了發動機的噪聲。可變配氣正時可變配氣正時控制機構的主要目的是在維持發動機怠速性能情況下，改善全負荷性能。這種機構是保持進氣門開啟持續角不變，改變進氣門開閉時刻來增加充氣量。 （1）凌志LS400汽車可變配氣正時控制機構(VVT-i) VVT-i系統用於控制進氣門凸輪軸在50°範圍內調整凸輪軸轉角，使配氣正時滿足最佳化控制發動機工作狀態的要求，從而提高發動機在所有轉速範圍內的動力性、經濟性和降低尾氣的排放。 VVT-i系統由VVT-i控制器、凸輪軸正時機油控制閥和感測器三部分組成，如下圖所示。其中感測器有曲軸位置感測器、凸輪軸位置感測器和VVT感測器。 LS400汽車的發動機是8缸V型排列4氣門式的，有兩根進氣凸輪軸和兩根排氣凸輪軸。在工作過程中，排氣凸輪軸由凸輪軸齒形帶輪驅動，其相對於齒形帶輪的轉角不變。曲軸位置感測器測量曲軸轉角，向ECU提供發動機轉速信號；凸輪軸位置感測器測量齒形帶輪轉角；VVT感測器測量進氣凸輪軸相對於齒形帶輪的轉角。它們的信號輸入ECU，ECU根據轉速和負荷的要求控制進氣凸輪軸正時控制閥，控制器根據指令使進氣凸輪軸相對於齒形帶鏇轉一個角度，達到進氣門延遲開閉的目的，用以增大高速時的進氣遲后角，從而提高充氣效率。 1)結構 VVT-i控制器的結構如下圖所示，它包括由正時帶驅動的外齒輪和與進氣凸輪軸剛性連線的內齒輪，以及一個內齒輪、外齒輪之間的可動活塞。活塞的內、外表面上有螺鏇形花鍵。活塞沿軸向的移動，會改變內、外齒輪的相對位置，從而產生配氣相位的連續改變。 VVT外殼通過安裝在其後部的剪式齒輪驅動排氣門凸輪軸。 凸輪軸正時控制閥根據ECU的指令控制閥軸的位置，從而將油壓施加給凸輪軸正時帶輪以提前或推遲配氣正時。發動機停機時，凸輪軸正時控制閥處於最延遲的位置，如下圖（b）所示。 2)工作原理 根據發動機ECU的指令，當凸輪軸正時控制閥位於圖（a）所示時，機油壓力施加在活塞的左側，使得活塞向右移動。由於活塞上的鏇轉花鍵的作用，進氣凸輪軸相對於凸輪軸正時帶輪提前某一角度。 當凸輪軸正時控制閥位於圖（b）位置時，活塞向左移動，並向延遲的方向鏇轉。進而，凸輪軸正時控制閥關閉油道，保持活塞兩側的壓力平衡，從而保持配氣相位，由此得到理想的配氣正時。 提高充氣效率是提高發動機動力性能的重要措施。除了增壓以外，合理選擇配氣相位且能隨發動機轉速不同而變化，以及利用進氣的慣性及諧振效應是提高充氣效率的重要途徑。 進氣慣性及諧振效應是隨著發動機轉速、進氣管長度及管徑大小的變化而變化。在不同轉速下，進氣管長度應有所不同，方能獲得良好的進氣慣性效應。並且，只有採用可變配氣相位，可變進氣系統才能適應不同發動機轉速下的要求，才能較全面地提高發動機性能。 可變進氣系及配氣相位改善發動機的性能，主要體現在以下幾方面： ①能兼顧高速及低速不同工況，提高發動機的動力性和經濟性； ②降低發動機的排放； ③改善發動機怠速及低速時的性能及穩定性。 這裡首先介紹可變進氣系統，至於可變配氣相位以後會以不同的方式再作介紹。 可變進氣系統分為兩類：(1)多氣門分別投入工作；(2)可變進氣道系統。其目的都是為了改變進氣渦流強度、提高充氣效率；或者為了形成諧振及進氣脈衝慣性效應，以適應低速及中高速工況都能提高性能的需要。 1．多氣門分別投入工作 實現多氣門分別投入工作的結構方案有如下兩種：第一，通過凸輪或搖臂控制氣門按時開或關；第二，在氣道中設定鏇轉閥門，按需要打開或關閉該氣門的進氣通道，其結構如圖3-94a)所示，這種結構比用凸輪、搖臂控制簡單。 a)渦輪控制閥示意圖 b)低速、小負荷工況 c)高速、大負荷工況 圖3-94 多氣門分別投入工作示意圖 當發動機在節氣門部分開度工作時，渦流控制閥關閉(見圖3-94b)，混合氣通過主要螺鏇進氣道進入氣缸。節流的氣道促進混合加速，並沿著切線方向進入氣缸，這樣可以形成較強的進氣渦流，對於低速工況及燃燒稀混合氣是有利的。 當發動機轉速及負荷增加時，僅由主氣道進入氣缸的混合氣不能滿足發動機的需要，於是副進氣道中的閥門開啟，增加進入缸內的混合氣(見圖3-94c)，而且抑制了進氣道中進氣渦流強度，這對於提高發動機高速工況時的容積效率及燃燒效率、減少能量損失是有利的。 2．可變進氣道系統 可變進氣道系統是根據發動機不同轉速，使用不同長度及容積的進氣管向氣缸內充氣，以便能形成慣性充氣效應及諧振脈衝波效應，從而提高充氣效率及發動機動力性能。 (1)雙脈衝進氣系統 雙脈衝進氣系統由空氣室及兩根脈衝進氣管組成，如圖3-95所示。空氣室的入口處設定節氣門，並與兩根直徑較大的進氣管相連線，其目的在於防止兩組(每組三缸)進氣管中諧振空氣柱的互相干擾。每根脈衝管子成為形成諧振空氣波的通道，分別連線兩組氣缸。 將六缸機的進氣道分成前後兩組，這就相當於兩個三缸機的進氣管，每個氣缸有240°的進氣衝程，各氣缸之間不會有進氣脈衝波的互相干擾。上述可變進氣系統的效果在於：每個氣缸都會產生空氣諧振波的動力效應，而直徑較大的空氣室、中間的產生諧振空氣波的通道同支管一起，形成脈衝波諧振循環系統。 圖3-95 雙脈衝進氣系統示意圖 a)低速段（n﹤4400r/min）；b)高速段（n﹥4400r/min） 當進氣管中動力閥關閉時(見圖3-95a)，可變進氣管容積及總長大約為70cm的進氣管，能在發動機轉速n＝3300r/min時，形成諧振進氣壓力波，提高了充氣效率，使轉矩達到最大值。當發動機轉速大於4000r/min時，進氣管中便不能形成有效的進氣壓力波，於是動力閥門打開(見圖3-95b)，兩個中間進氣通道便連線成一體。最佳化選擇在每個氣缸與總管連線的支管容積後，能形成高速(如：n＝4400r/min)下諧振進氣脈衝波，使轉矩值達到較高值。於是在n＝1500～5000r/min的範圍內，轉矩曲線變化平緩，如圖3-96所示。 圖3-96 採用可變進氣系統後的轉矩特性（六缸發動機） (2)四氣門二階段進氣系統 該進氣系統由彎曲的長進氣管和短的直進氣管與空氣室相連線，並分別連線到缸蓋的兩個進氣門上，如圖3-97所示。在發動機低、中速工況時由長的彎曲管向發動機供氣；而在高速時，短進氣管也同時供氣(動力閥打開)，提高了發動機功率。 在發動機低、中速工況(n﹤3800r/min)，動力閥關閉短進氣管的通道(見圖3-97a)。空氣通過長的彎曲氣道，使氣流速度增加，並且形成較強的渦流，促進良好混合氣的形成。此外，進氣管的長度能夠在進氣門即將關閉時，形成較強的反射壓力波峰，使進入氣缸的空氣增加。這都有助於提高發動機低速時的轉矩。 在發動機高速工況(n﹥3800r／min)，動力閥打開(見圖3-97b)，額外的空氣從空氣室經過短進氣管進入氣缸，改善了容積效率，並且由另一氣門進入氣缸的這股氣流，將低、中速工況形成的渦流改變成滾流運動，更能滿足高速高負荷時改善燃燒的需要。 圖3-97 四氣門二階段進氣系統 a)低速段；b)高速段 (3)三階段進氣系統 該進氣系統由末端連在一起的兩根空氣室管組成，並布置在V形夾角之間。每根空氣室通過3根單獨的脈衝管連線到左側或者右側的氣缸上。每一側氣缸形成獨立的三缸機，各缸的進氣衝程相位為均勻隔開的240°。兩根空氣室的人口處有各自的節流閥，在兩根空氣室中部有用閥門控制的連線通道，在空氣室末端U形連線管處布置有兩個蝶式閥門，如圖3-98所示。 圖3-98 三階段進氣系統 a)低速（n﹤4000r/min）；b)中速（n﹥4000r/min）；c)高速（n﹥5000r/min） 在發動機低速工況(n﹤4000r/min)(見圖3-98a)，兩空氣室管之間的閥及高速工況用閥關閉。每根空氣室管及與其相連線的3根脈衝進氣管形成完整的諧振系統，將在一定轉速工況下(如：n＝3500r/min)，將慣性及波動效應綜合在一起，從而使充氣效率及轉矩達到峰值。當發動機轉速高於3500r/min時，諧振壓力波的波幅值變小，因此可變系統的效果也變差，相應地每個氣缸的充氣效率也變小。 當發動機轉速處於4000～5000r/min之間，即中速工況時(見圖3-98b)，連線兩根空氣室的閥門打開，因此部分損壞了低速工況諧振壓力波頻率，然而卻在轉速為4500r/min的工況下，形成新的諧振壓力波峰，從而使更多的空氣或混合氣進入氣缸。 當發動機轉速進一步提高，如：達到5000r/min以上，於是短進氣道中蝶閥打開(見圖3-98c)，在兩個空氣室之間的短的及直接通道的空氣流動，影響了第二階段的慣性及脈衝效應。然而在高速範圍(5000～6000r/min)內，通過各缸進氣管的脈衝及諧振作用，建立了新的脈衝壓力波及效果。於是三階段的可變進氣系統在三段轉速範圍內都能形成一個高的轉矩峰值，從而提高了整個轉速範圍內的轉矩，使轉矩特性更平坦，數值更高。