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2.2.3可变气门正时系统与增压系统在工作上的优化结合16

3.结论17

发动机进气控制系统的发展

作者冯灼峰指导老师李曼讲师

（湛江师范学院物理学院，湛江524048）

摘　要:

简述汽车一般发动机进气控制系统的结构和工作原理，并列举了汽车发动机进气控制系统具有代表性的几种进气控制技术的关键技术原理。

针对各种发动机进气控制技术的特性,提出了汽车发动机进气控制系统发展趋势为可变气门正时系统与涡轮机构的结构优化和工作过程相结合等观点。

关键词:

发动机进气控制系统；

可变气门正时系统；

机械增压；

涡轮增压

TheDevelopmentofEngineIntakeControlSystem

AuthorFengZhuofengInstructorLiMan

SchoolofPhysics,ZhanjiangNormalCollege,zhjiang,524048China

Abstract：

Itoutlinesthegeneralcarengineairintakecontrolsystemstructureandworkingprinciple,andlistsautomobileengineintakecontrolsystemofthedevelopmentofseveralrepresentativeaircontroltechnologyandtheirtechnologyprinciple.Foravarietyofengineintakecontroltechnologycharacteristics,itputsforwardviewsthatengineairintakecontrolsystemdevelopmenttrendisoptimizationofthestructureandworkingprocesscombiningofvariablevalvetimingsystemandturbinemechanism.

Keywords:

EngineAirInletControlSystem;

VariableValveTimingSystem;

Mechanicalsupercharger;

Turbocharger

引言

发动机是工程机械的心脏，而进气系统则是发动机的动脉，进气系统的合理性直接影响发动机的性能、寿命，从而影响整机的性能、寿命及环保性。

进气系统的功能是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气，系统中主要组件空滤器、管路及其设计安装将直接影响发动机功能的发挥、工作的稳定性、可靠性，甚至大大缩短其寿命。

从二十世纪九十年代开始，环境保护的呼声越来越高，各个国家越来越重视大气环境的保护，苛刻的环保法规不断出台，汽车的排放成为进入市场的先决条件；

而石油资源的曰益减少又导致对汽车耗油量的要求也曰益严格；

进入二十一世纪后，这些要求更加严格。

因此，各个汽车厂家不惜投入大量的资金进行技术研究、设计和开发，电子计算机模拟技术的使用使新技术的研发实验周期大幅度缩短，尤其在这几年新材料的不断应用，汽车发动机技术的进展可以说是曰新月异，出现了长足的进步。

除了发动机本体没有太大改动之外，其它各个系统都发生了质的变化；

不管是从体积、质量、转速、功率、稳定性还是可靠性方面，现代发动机技术都比过去的传统发动机有着质的飞跃。

1.汽车发动机进气控制系统

在现今汽车行业中，发动机进气控制系统的发展方向有机械增压，可变进气歧管，可变气缸，可变气门涡轮增压等，而最普遍常见且最具代表性的为可变气门正时系统和增压器。

1.1可变气门正时系统

在发动机运转过程中，有部分工况将会出现一些难以解决的矛盾，比如：

如何保证低转速时的扭矩输出、高转速时的功率输出以及在这些工况下的燃油耗量等问题；

如果只采用节气门控制的燃油供给方式是难以圆满解决的。

发动机可变气门正时技术（VVT,VariableValveTiming）是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。

VVT系统就是通过在凸轮轴的传动端加装一套液力机构，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，使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。

比较典型的是丰田汽车公司的可变配气正时控制机构（VVT－i）、本田汽车公司的可变气门正时升程电子控制系统（VTEC）及BMW的Valvetronic系统。

1.1.1丰田可变配气正时控制机构（VVT－i）

该系统能够在维持发动机怠速性能的情况下，有效改善全负荷性能。

同时可以保持进气门开启的持续角度不变，改变进气门开闭时刻来增加充气量。

该机构由VVT-i控制器、凸轮轴正时机油控制阀和传感器三部分组成，其中传感器有曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器和VVT传感器，如图1。

VVT-i控制器由外转子、内转子和机油通道组成，如图2，外转子由齿形皮带轮驱动，动力来自曲轴，内转子与凸轮轴相连。

图1VVT－i机构结构简图

图2VVT-i控制器结构组成

丰田VVT16气门4缸发动机在工作过程中，进、排气凸轮轴由凸轮轴齿形皮带轮驱动，其相对于齿形皮带轮的转角不变。

曲轴位置传感器测量曲轴转角，向发动机电子控制单元提供发动机转速信号；

凸轮轴位置传感器测量齿形带轮转角；

VVT传感器测量进气凸轮轴相对于齿形带轮的转角。

它们的信号输入发动机电子控制单元（ECU），ECU根据转速和负荷的要求控制进气凸轮轴正时控制阀，控制器根据指令使进气凸轮轴通过控制机油通道油压，相对于齿形带旋转一个角度，达到进气门延迟开闭的目的，用以增大高速时的进气迟后角，从而提高气缸的充气效率，如图3。

图3VVT－i原理流程简图

发动机可变气门正时技术（VVT，VariavleValveTiming）是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。

1.1.2本田可变气门正时升程电子控制系统（VTEC）

VTEC系统由发动机电子控制单元（ECU）控制，ECU接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温）的数据、参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。

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，如图4。

图4I-VTEC工作原理

发动机达到某一个设定的转速时，电脑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的增大了，使得单位时间内的进气量更大，发动机动力也更强。

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。

1.1.3宝马Valvetronic系统

BMW的Valvetronic系统在传统的配气相位机构上增加了一根偏心轴，一个步进电机和中间推杆等部件，该系统借由步进电机的旋转，再在一系列机械传动后很巧妙的改变了进气门升程的大小。

图5Valvetronic系统结构

由图5Valvetronic系统结构所示当凸轮轴运转时，凸轮会驱动中间推杆和摇臂来完成气门的开启和关闭。

当电机工作时，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。

在电机的驱动下，进气门的升程可以实现从0.18mm到9.9mm之间的无级变化。

最小气门升程与最大气门升程如图6所示。

图6最小气门升程与最大气门升程

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者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精确控制，实现了车辆在各种工况和负荷下的最佳动力匹配。

1.1.4奥迪的AVS可变气门升程系统

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，如图6所示。

图7

发动机在高负载的情况下，AVS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11毫米，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。

当发动机在低负载的情况下，为了追求发动机的节油性能，此时AVS系统则将凸轮推至左侧，以较小的凸轮推动气门，下图8为奥迪AVS系统两种工况下的工作原理图。

图8AVS可变气门升程系统工作原理

其中两个进气门无论是在普通凸轮还是高角度凸轮下的相位和升程是有差别的，即两个进气门开启和关闭的时间以及升程并不相同。

这种不对称的进气设计是为了让空气在流经两个进气门后，同时配合特殊造型的燃烧室和活塞头，可以令混合气在气缸内实现翻转和紊流，进一步优化混合气的状态。

1.2机械增压

机械增压器压缩机的驱动力来自发动机曲轴。

一般是利用皮带连接曲轴皮带轮，以曲轴运转的扭力带动增压器，达到增压目的，其一般结构如图8。

根据构造不同，机械增压曾经出现过许多种类型，包括：

叶片式（Vane）、鲁兹（Roots）、温克尔（Wankle）等型式，其中叶片式和鲁兹这两种较为常见。

图9机械增压机构主要组成

鲁兹增压器有双叶、三叶转子两种型式，目前以双叶转子较普遍，其构造是在椭圆形的壳体中装两个茧形的转子，转子之间保有极小的间隙而不直接接触。

两转子借由螺旋齿轮连动，其中一个转子的转轴与驱动的皮带轮连接，转子转轴的皮带轮上装有电磁离合器，在不需要增压时即放开离合器以停止增压。

离合器的开合则由计算机控制以达到省油的目的。

而叶片式（亦有称为涡流式）的本体就是属于叶片式本体的一种。

其运作方式主要是利用三个可根据不同离心力而改变转速的行星齿轮组带动进气叶片。

透过齿轮组与叶片轴心的相互磨擦，提高轴心转速并进一步提高进气叶片的速度，以获得持续不断的增压反应。

换句话说，就是发动机转速愈高，进气叶片的转速也能跟着提高。

1.3涡轮增压

涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来加大发动机进气量的一种发动机，涡轮增压器（Turbo）实际上是一个空气压缩机。

它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮（位于排气道内），涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。

当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，从而可以增加发动机的输出功率，一般结构如图10所示。

图10普通涡轮增压机构结构

1.3.1双涡轮增压

双涡轮增压一般称为Twinturbo或Biturbo,双涡轮增压是涡轮增压的方式之一。

针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象，串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮，在发动机低转速的时候，较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，减小涡轮迟滞效应。

在双涡轮增压的汽车上会看到2组涡轮通过串联或者并联的方式连接。

并联指每组涡轮负责引擎半数汽缸的工作，每组涡轮都是同规格的,它的优点就是增压反应快并减低管道的复杂程度。

串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成，低转时推动反应较快的小涡轮，使低转扭力丰厚，高转时大涡轮介入，提供充足的进气量，功率输出得以提高。

1.3.2单涡轮双涡管

一般来说，四缸发动机的点火顺序一般为1-3-4-2缸，单涡管单涡轮增压器的排气岐管（俗称排气芭蕉）让所有气缸排气管连在一起，汇总之后吹向涡轮。

这种设计简单，成本低廉，耐用，但是这种设计在单个气缸工作时，产生气体的脉冲谐振，影响其他缸体的排气效率，使下一个将要工作的气缸回压增大。

当气缸工作时，有一段重叠时间内气缸的进气气门和排气气门都在开启状态，这时下一个气缸已经点火排气，这个极短的时间里，如果1缸和3缸排气管相通，这将造成前一个缸体进气空气减少，导致下一个循环的总功率下降。

单涡轮双涡管是将一个涡轮增压器的气流在经过涡管时分为两股气流,每股气流负责2个缸.同时与双涡轮相比,单涡轮的设计也减低了排气脉冲相互干扰的情况。

双涡管单涡轮增压器设计有两个排气口，中间的涡轮格把排气口分成两个部分，如图11。

图11单涡轮双涡管实物

1缸和4缸排气通过一个涡管排气，2缸和3缸则通过另一个涡管排气，两组排气互不相干。

当1缸完成做功循环后，接下来是3缸做功，由于1缸和3缸的排气管不相连，所以互相之间没有干涉影响。

3缸做功完毕之后是4缸做功，这里还是互相不干扰，4缸再之后是2缸，循环反复，每次做功和进气都不受影响，达到最大的进气量，工作原理如下图12。

比普通单涡管增压器的进气燃烧效率要高7%～8%，也就是说性能比单涡管单涡轮提高了7%～8%。

同时由于效率提高了，完成同样的加速表现需要的燃油要小，增加了燃油经济性。

图12单涡轮双涡管工作原理简图

1.3.3可变截面涡轮

普通涡轮增压发动机在全负荷状态下时排气能量非常可观，但当发动机转速较低时，排气能量却小的可怜，此时涡轮增压器就会由于驱动力不足而无法达到工作转速，这样造成的结果就是，在低转速时，涡轮增压器并不能发挥作用，这时候涡轮增压发动机的动力表现甚至会小于一台同排量的自然吸气发动机，这就是我们经常说的“涡轮迟滞”现象。

对于传统的涡轮增压发动机来说，解决涡轮迟滞现象的一个方法就是使用小尺寸的轻质涡轮，首先，小涡轮会拥有较小的转动惯量，因此在发动机低转速时，在发动机较低转速下涡轮就能达到最佳的工作转速，从而有效改善涡轮迟滞的现象。

不过，使用小涡轮也有它的缺点：

当发动机高转速时，小涡轮由于排气截面较小，会使排气阻力增加（产生排气回压），因此发动机最大功率和最大扭矩会受到一定的影响。

而对于产生回压较小的大涡轮来说，虽然高转速下可以拥有出色增压效果，发动机也会拥有更强的动力表现，但是低速下涡轮更难以被驱动，因此涡轮迟滞也会更明显。

图13可变截面带导流叶片涡轮实物

图14没有导流叶片的普通涡轮

可变涡轮叶片技术VGT技术的核心部分就是可调涡流截面的导流叶片，从图13可以看到，涡轮的外侧增加了一环可由电子系统控制角度的导流叶片，图中涡轮外围的红色叶片就是导流叶片，一般的涡轮并没有导流叶片的结构，如图14所示。

导流叶片的相对位置是固定的，但是叶片角度可以调整，在系统工作时，废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上，通过调整叶片角度，控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速，从而控制涡轮的转速。

当发动机低转速排气压力较低的时候，导流叶片打开的角度较小。

根据流体力学原理，此时导入涡轮处的空气流速就会加快，增大涡轮处的压强，从而可以更容易推动涡轮转动，从而有效减轻涡轮迟滞的现象，也改善了发动机低转速时的响应时间和加速能力。

而在随着转速的提升和排气压力的增加，叶片也逐渐增大打开的角度，在全负荷状态下，叶片则保持全开的状态，减小了排气背压，从而达到一般大涡轮的增压效果。

此外，由于改变叶片角度能够对涡轮的转速进行有效控制，这也就实现对涡轮的过载保护，因此使用了VGT技术的涡轮增压器可以不设置排气泄压阀。

2.汽车发动机进气控制系统发展趋势

2.1现行汽车发动机进气控制系统特性

i-vtec保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机不论在任何转速情况下运转均能达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态，但是在一定转速后发动机动力会突然爆发，燃油消耗相对增大。

而奥迪的AVS可变气门升程系统在设计理念上与本田的i-vtec相似。

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

Valvetronic技术做到了对发动机进行更为精准和细致的调控管理，同时突破了转速的限制，可以应用在M-power的V8双涡轮增压发动机上，但是保证在正确的时间使气门升程处在合适的位置与气门开启持续时间控制是这项技术的最大难点。

机械增压的工作原理使其在低转速下便可获得增压，增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例，即机械增压引擎的动力输出随着转速的提高，也随之增强。

因此机械增压引擎的出力表现与自然气极为相似，却能拥有较大的马力与扭力。

但机械增压器的进风量与阻力成正比关系。

当使用高增压时，虽然引擎输出的能量大增，但相对增压器内部叶片受风阻力也会升高，当阻力达到某一界限时，这个阻力会使引擎承受极大的负荷，严重影响转速的提升。

因此，机械增压必须在增压值与引擎负荷间取得平衡，以避免高增压带来的负面效应。

涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩。

一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约40%甚至更多。

但是当发动机转速较低时，排气能量却小的可怜，此时涡轮增压器就会由于驱动力不足而无法达到工作转速，产生涡轮迟滞现象，使其在低转速时，涡轮增压器并不能发挥作用，涡轮增压发动机的动力表现甚至会小于一台同排量的自然吸气发动机。

2.2发动机进气控制系统今后发展趋势

2.2.1气门升程与气门开启持续时间共同调整

丰田VVT-i与本田VTEC系统机构都做到了气门升程与气门开启时间的调整，尤其丰田VVT-i系统是通过ECU直接调节油压来改变内转子与外转子的相对角度，从而更准确地控制凸轮轴旋转位置，改变气门升程与气门开启持续时间，更有效地提高充气效率。

2.2.2机械增压与涡轮增压相结合

机械增压在发动机低转时可获得增压，增压的动力输出与曲轴转速成一定线性关系，当使用高增压时，虽然引擎输出的能量大增，但相对增压器内部叶片受风阻力也会升高，当阻力达到某一界限时，这个阻力会使引擎承受极大的负荷，严重影响转速的提升。

而涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩，缺点是在低转速时，涡轮增压器并不能发挥作用，涡轮增压发动机的动力表现甚至会小于一台同排量的自然吸气发动机。

通过两增压系统在结构上的结合，利用车载电脑根据发动机转速及负荷，改变增压系统的工作状态，使增压系统在发动机允许的所有转速内都能正常工作，为发动机提供性能优化与节省燃油。

2.2.3可变气门正时系统与增压系统在工作上的优化结合

如宝马的Valvetronic系统与单涡轮双涡管增压系统在发展方向上，系统结构与工作过程更加紧密关联，使得进气系统在更大程度上做到节能减排，提高发动机功率。

但在控制机构和机构运作部件上还没得到满意的工作可靠性和结构协调性，今后将依靠电子技术来测试与调校系统和系统结构优化设计，使得该两系统能更好地结合工作。

3.结论

过往的进气系统都是以提高汽车发动机功率为目标来不断改进系统结构，现今汽车发动机的功率相对以往确实得到了提高，但燃油消耗率方面还是有待提升。

而主要提高燃油消耗率的方式是收集各机构传感器数据，通过电脑分析，由执行器对进气系统进行更精确的调整，以使发动机在得到功率提升的同时，能节能减排，所以发动机进气控制系统的发展主要依赖于电子技术的发展。

参考文献

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