1、1摘要介绍电子节气门控制系统的基本组成及工作原理，分析电子节气门的特点。电子节气门控制系统可实现基于发动机最佳运行状况、汽车最佳行驶工况及其它控制目标的控制。 随着时代的发展，人们的生活水平不断的提高，对汽车的性能要求也在不断发展和变化，特别是在经济环保和舒适动力方面尤为重视。从而现在科技应运而生了可变节气门技术。传统发动机的气门正时系统很难满足发动机在各个工况对配气的需要，进而影响发动机性能。采用可变气门正时技术的气门正时系统，(所谓可变节气门就是将普通节气门的单片圆盘节流板改为由三片开启方向相同的气阀组成，工作时三片气阀同时、同角度开启，在发动机负压的作用下，气流沿着每片气阀片有导流叶的斜
2、面进入，沿着同一方向产生旋转涡流。以这样的方式进气，能有效增大进气量和进气压力，同时实现均匀进气，使气缸内的空气和燃油混合的更充分，显著改善发动机的燃烧质量，提高发动机动力，从而实现了高功率输出，低燃油消耗和清洁排放的理想平衡)可以配合不同工况改变气门开启时间或开启大小，以保证良好的充气系数，进而提高发动机功率并降低油耗。目前该技术在国内外的现代发动机上已有所应用。随着可变气门正时技术的不断发展完善，发动机动力性、节能、环保要求的不断提高，该技术将有着越来越广阔的应用前景。关键词：可变气门正时基本组成； 可变节气门的应用 ；可变节气门的发展； 2目录第一章 序言 .21.1 使用可变节气门的意
3、义 .21.2 可变节气门的发展现状 .41.3 可变节气门的发展趋势 .4第二章 可变气门技术的发展和应用 .52.1 可变气门技术的发展基础 .52.1.1 气门正时 .62.2 可变气门技术对发动机性能的影响 .72.2.1 进气门可变正时 .82.2.2 排气门可变正时 .92.2.3 气门可变升程 .102.2.4 气门可变速度 .102.2.5 可变气门重叠角 .102.2.6 停滞气门 .112.3 VVT 技术的应用范围 .112.3.1 VVT 技术在汽油机上的应用 .112.3.2 VVT 技术在柴油机上的应用 .112.3.3 可变节气门技术在二冲程发动机中的应用 .12
4、2.3.4 节气门与无节气门控制 .122.4. VVT 在汽车上应用的必然性 .142.5 VVT 的应用与发展 .152.5.1VVT 在欧洲的应用与发展情况 .152.5.2VVT 在亚洲的应用与发展情况 .162.5.3VVT 在我国的应用与发展情况 .172.6 VVT 在单凸轮轴发动机上的应用 .172.7 VVT 发展新动向 .182.7.1 全可变电子气门控制系统 .18第三章 汽油发动机电子节气门控制系统的结构 .193.1 电子节气门控制系统的组成 .193.2 电子节气门控制系统工作原理 .203.2.1 电子节气门控制系统的工作方式 .203.2.2 电子节气门体工作原
5、理 .203.3 汽油发动机电子节气门控制系统的特点 .22四 结语 .24参 考 文 献 .25致 谢 .263第一章 序言1.1 使用可变节气门的意义近年来，随着世界上能源危机的日益加深和环境问题的不断突出，节能和环保已经成为当今世界的两大主题。目前世界上三个主要的汽车生产和消费区：日本、欧盟和北美在能源和排放问题上虽然法规各有特点，但总的趋势是，排放越来越严格、能源越来越重视。以欧盟为例，从欧洲I号到欧洲号标准，污染物排放水平降低了90 4。美国和日本的排放法规更加严格。另外，除美国外，日本和欧盟在乘用车燃油经济性限值上是相当严格的。我国在2005年出台了乘用车燃油消耗量限值强制性国家标
6、准，对乘用车燃油消耗量限值仅次于日本和欧盟。同年4月，又出台了轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国、阶段)。标准的两个阶段分别将于2007年7月1日和2010年7月1日开始在全国实施，中国阶段实施时间只比欧盟欧晚了5年的时间，差距明显在缩小。但另一方面，随着生活水平的提高和产品的升级以及技术的发展，人们对汽车的动力性、舒适性的要求却在不断的提高。要求在满足公益目标的前提下，以低的使用成本获得快捷的交通便利，享受到驾驶乐趣。因此，二十一世纪符合市场需求的应当是节能、环保、高性能的汽车。针对这种现状，全球各大汽车制造商在汽车上的新技术应用层出不穷，对于在节能、环保、性能方面起到关键影响的发动机的
7、研究上更是下了主要的工夫。但是，应用复杂技术满足性能和法规要求的同时，必然也很大程度地提高了发动机的成本，这在大批量生产的乘用车，尤其是经济型乘用车是一个必须考虑的因素。发动机可变气门正时技术(Variable Valve Tuning)做为一种性价比相当高的技术方案，近年来在对发动机的高效率化、降低油耗、提高性能和降低尾气排放的要求越来越高的情况下，作为手段之一的可变配气机构正逐步商品化。大家都知道，采用传统的凸轮轴结构的内燃机的配气相位不能根据内燃机的转速而改变。因而在整个运行范围内，只有在一个很窄的工况范围内具有最佳的配气相位，其他工况只能相对兼顾。在提高汽油发动机性能方面，可以通过配置
8、合适的气门正时，即进排气门开启时刻及开启的持续时间，提高充气系数，进而使发动机发出更大功率。传统发动机的气门正时系统，是一种不可变的机械系统，这种配气系统很难满足发动机在低速运转和高速运转时对配气的需要，会影响到发动机动力的输出。而采用可变气门正时技术(VVT, Variable Valve Timing)的气门正时系统，是一种改变气门开启时间或开启大小的系统，通过在不同转速下为车辆匹配更合理的气门开启，保证良好的4充气系数，进而增强车辆扭矩输出的均衡性，提高发动机功率并降低油耗。实际上，气门叠开角、进气门关闭角和排气门关闭角是配气定时的主要参数。就优化内燃机的运行工况而言，为使怠速稳定性好，
9、气门叠开角要小，在其他工况下，为提高充气效率和降低NOx，气门叠开角要大。低速时要求进、排气门接近上止点附近打开和关闭，高速时则要求进、排气门远离下止点位置关闭和打开。怠速时进气门的开闭定时不重要.为了满足发动机全工况的要求，就需设计可变的配气相位。VVT技术改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾，同时在一定程度上改善了废气排放。更进一步的说，VVT技术可以用来减小发动机泵气损失，加快进气速度、改善混合气质量、改变残余废气系数，提高迸气效率、最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、
10、排放性以及响应性能得到综合提高。对于汽油机而言，应用VVT技术有以下优点：(1)改善怠速稳定性和低速平稳性；(2)提高发动机功率和扭矩；(3)扩大发动机转速范围；(4)降低部分负荷燃油消耗率；(5)改善废气排放。1.2 可变节气门的发展现状汽车诞生到上世纪80年代中期，一直使用的是传统的机械式节气门；随着汽车电子技术的日益发展和对汽车性能要求的提高，上世纪80年代中后期，出现了第一台电子节气门，应用在德国宝马公司的BMW750iL顶级轿车上。从电子节气门的诞生到现在，由于电子节气门控制系统的技术和成本要求都比较高的原因，只应用在各大汽车公司生产的高级轿车上，如奔驰、宝马以及德国大众的奥迪系列等
11、等。随着能源问题的日益严重和环境要求的提高，以及控制技术的日益成熟，电子节气门将越来越广泛地应用在各级别的汽车上，这将是大势所趋。目前国外各大汽车生产商和零件生产尚在从事电子节气门技术的 开发研究，其中德国Bosch公司和美国的Delphi公司在该研究上处于领先地位，其产品已经开始市场化系列化。经过进二十年的发展，电子节气门可以实现的功能越来越强大，现在已经能够实现对车辆的巡航控制、怠速控制、自适应巡航控制等不同工况下发动机的控制要求。作为当代最先进发动机管理系统的代表的Bosch发动机管理系统和美Delphi发动机管理系统，电子节气门装置以成为它们不可或缺的袋子控制单元。在电子节气门的控制方
12、面，最初的控制方法相对简单没有考虑到节气门总成的机5械部分存在的非线性问题，这对节气门的精确控制产生了一的影响。近年来研究人员已经关注到这个问题并提出了一些非线性的理论解决方法，节气门的控制精度也得到了提高。 1.3 可变节气门的发展趋势目前,可变节气门正朝着系统的减小发动机泵气损失、加快进气速度、改善混合气质量、改变残余废气系数，提高迸气效率、最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高的方向发展。电子控制技术的发展趋势是起电子控制单元（ECU）由开始的独立模块向与发动机综合控制模块集成一体转变。例如Delphi公司生产的第一代和第二代电子节气门控制系统。可以看
13、出，第一代电子节气门的控制模块单独设计，与传动系统控制模块通过串口通信；第二代已经取消了单独的节气门控制模块，由发动机控制模块控制节气门，这样不仅提高了系统的可靠性，也降低了硬件成本。6第二章 可变气门技术的发展和应用2.1 可变气门技术的发展基础 我们知道发动机在高速和大负荷下需要较大的气门重叠角和进气门关闭角，以便得到较高的功率输出；反之，在怠速和低速小负荷下则需要较小的进气门关闭角和气门重叠角，以便得到较好的怠速平稳性和废气排放性能。如果我们以前一种情况设计配气机构，则在后一种情况下怠速不稳，燃没消耗增大。反之，则出现在高速，不负荷情况下的功率低，燃油经济性差等情况。传统的气门机构气门正
14、时曲线是固定的，因此气门的开关是固定，正时曲线以一个特定转速作为设计值。但引擎在真实操作时转速范围非常大，造成在其它非设计转速就无法发挥最佳性能。与固定配气相位相比，可变配气相位则可以在发动机整个工作范围内的转速和负荷下，提供合适的气门开启、关闭时刻或升程，从而改善发动机进、排气性能，较好的满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时动力性、经济性、废气排放的要求，整体提高发动机综合性能。现今，基于愈来愈严格的环保法规的要求与燃料价格的攀升，可变气门技术已成为衡量发动机性能的标致性关键技术之一，通过对可变气门技术的研究、创新，内燃机制造商正取得愈来愈强的竞争力。 为了能更好的说清楚可变气门正时
15、的原理，首先有必要简单解释以下发动机相关的几项工作原理。2.1.1 气门正时 为了能更好的说清楚可变气门正时的原理，首先有必要简单解释以下发动机相关的几项工作原理。大家都知道，气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。在普通的发动机上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的，这种固定不变的正时很难兼顾到发动机不同转速的工作需求，可变气门正时就是解决这一矛盾的技术。我们再简单回顾一下“气门叠加角”的概念在发动机运转的时候，我们需要让更多的新鲜空气进入到燃烧室，让废气能尽可能的排出燃烧室，最好的解决方法就是让进气门提前打开，让排气门推迟关闭。这样，在进气行程和排气行程之
16、间，就会发生进气门和排气门同时打开的情况，这种进排气门之间的重叠被称为气门叠加角。当发动机处于不同转速时，气门叠加角的要求也是不同的。如下图2-1所示为VVT-I结构组成，简述了气门正时的控制路径和其基本的机构，让我们的研究更加的简洁明了。72.1图没有任何一种固定的气门叠加角设置能让发动机在高地转速时都能完美输出的，如果没有可变气门正时技术，发动机只能根据其匹配车型的需求，选择最优化的固定的气门叠加角。例如，赛车的发动机一般都采用较大的气门叠加角，以有利于高转速时候的动力输出。而普通的民用车则采用适中的气门叠加角，同时兼顾高速和低速是的动力输出，但在低转速和高转速时会损失很多动力。而可变气门
17、正时技术，就是通过技术手段，实现气门叠加角的可变来解决这一矛盾 5。2.2 可变气门技术对发动机性能的影响 VVT技术可以用来减小发动机泵气损失，加快进气速度，改善混台气质量，改变残余废气系数，提高进气效率，最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高。就VVT技术而言，全可变配气相位机构由于气门正时和升程均可变，可控制自由度最多，实现的功能最为广泛，是应用该技术的较理想的机构。 本文综合各种可变配气相位机构的优点，对配气相位中影响发动机性能的各种因素予以剖析82.2.1 进气门可变正时2.2 进气门控制电路图. 减小泵气损失部分负荷时，传统发动机由于节气门作用，
18、进气节流会带来很大泵气损失，减小了有用功。l台4气门SI节气门控制发动机泵气损失图，在低负荷区，泵气损失占平均有效压力的30 。去掉节气门，利用进气门早关或晚关，减少压缩始点时进入气缸的混合气，从而实现对发动机负荷的控制，消除了节气门带来的泵气损失，提高了燃油经济性。图2-2所示为采用进气门早关(EIVC)技术控制发动机负荷与采用节气门控制带来换气损失的比较图， 其中实线为2 000rmin，虚线为4 000 rmin。 提高进气速度 发动机处于低转速时，尤其在怠速阶段，缸内涡流强度减弱导致燃烧速度不足推迟进气门开启时间，直至活塞具有较高的向下运行速度可以提高进气速度，加强进气涡流，提高燃烧速
19、率，获得较高的循环效率。 提高充气效率利 用进气管内的压力波可以实现惯性增压，提高充气效率。在进气冲程中，进气9管内由于活塞下行产生的正向压力波到达进气门即将反射的瞬间，关闭进气门，可以较好的利用这种惯性增压。实验表明 ，当发动机转速升高时，这种压力波的波峰随曲轴转角的变化向曲轴转角增大的方向推移。固定配气相位发动机的气门正时是高转速与低转速下的一种折衷，易导致高转速和低转速下发动机性能恶化。优化气门正时可以提高充气效率，当发动机高转速时，推迟进气门关闭可以充分利用进气充气的惯性增压效应，提高扭矩；低转速时，进气充气惯性增压效应消失，为保证最大有效压缩比，不再推迟进气门关闭。这样可以使发动机扭
20、矩曲线更平缓。图2-2所示为采用进气门可变正时与气门正时不变时充气效率随转速变化的对比。 可变压缩比改变进气门关闭角，可以在膨胀比不变的情况下改变有效压缩比。 当进气门早关时，充气量不足；压缩冲程中关闭进气门，将有一部分气体排出气缸，这两种情况都会降低发动机有效压缩比。这一点可以应用于增压发动机 另外，在增压汽油机上，精确控制进气门提前或滞后，可以降低缸内气体压力，防止爆震发生。 2.2.2 排气门可变正时 . 优化膨胀比 排气门开启正时决定了有效膨胀比。发动机在高转速时，排气门在BDC前打开，保证有充足的时间排出缸内废气。这会使发动机有效膨胀比要低于在BDC处打开排气门。发动机在低转速时，排
21、气时间较长，应推迟排气门开肩。提高膨胀冲程功，同样可以增加扭矩。 . 内部EGR EGR直接影响气缸内残余废气系数，当残余废气较多时，可降低最高燃烧温度，从而降低NO 排放。通过改变排气门关闭时间，可以代替外部EGR。在上止点前提前关闭排气门，能使一部分废气残留在气缸内；另一方面，如果排气门迟后关闭，由于进气冲程早期阶段活塞下移，把一定质量的废气由排气管倒吸回气缸，排气门迟关角越大，废气倒吸的质量越多，改变排气门关闭正时，就可以控制气缸内残余废气系数，实现内部EGR。当然，由于进气门正时的改变，会直接影响进人气缸内新鲜混合气的质量，间接地影响气缸内残余废气系数。 提高怠速稳定性 怠速稳定性主要
22、受气缸内残余废气系数影响 尽管在进气开始阶段缸内总存有一定量的残余废气，但可以把残余废气量降至最低。调整排气门关闭角和相应的进气门开启角，可以把残余废气降至最低，提高怠速稳定性。改变气门重叠角的同时，改变气升程，可以降低怠速转速，从而降低油耗。 102.2.3 气门可变升程 . 加大进气流动速度 低转速时降低进气门升程可以增加进气流速，加快燃烧速率，提高怠速稳定性,4气门发动机两个进气门采用不同升程时进气流速的对比，其中实线为2.00 mm、虚线为3.50 mm、点划线为6.50 mm、双点划线为6.595 mm。由试验结果可见，低转速时，进气门升程对发动机进气流速影响显著，采用较小的气门升程
23、可以提高进气流速。图2-4给出了2 000 rmin和4 000 rmin时采用EIVC和节气门控制不同气门升程换气损失的对比(曲线代表的意义同图2-3，二点划线为节气门控制的流速比为100mm长虚线为100mm，在发动机不同转速下，对进气门升程进行优化控制，能降低换气损失。. 控制气体流动 在多气门发动机上，分别改变每个气门的升程，会影响气体的流动方式。实验表明，与设计气缸盖相比，不等的气门升程对进气流动的影响更显著。2.2.4 气门可变速度 . 提高充气效率 传统的凸轮驱动式发动机，气门开启和关闭是一个渐进的过程，占满整个气门开启持续期。由于气门速度受曲轴转速的限制，所以只有在曲轴转速升高
24、时，气门速度才加大。与此相比，有些无凸轮式发动机的气门运动是可以控制的，不受曲轴转速影响开启和关闭气门只占气门开启持续期的一小部分。在低转速时，气门升程随曲轴转角变化的曲线接近一矩形。高转速时，气门升程曲线接近一梯形。这种进气气门开启历程，气门保持最大升程时间占大部分，保证了高转速下较高的充气效率，有利于增加发动机扭矩。 降低能量消耗 当发动机转速降低时，不再需要快速打开、关闭气门，驱动气门的能量降低，提高了发动机的整体效率。 2.2.5 可变气门重叠角 改善怠速稳定性 缸内残余气体对怠速稳定性有负面影响。尽管在进气开始缸内存在一定量的残余废气是不可避免的，但是通进正确调节排气门关闭时间性和相应的进气门开启时间（即所谓的气门重叠角）可以将残余废气量降低到最低，以确保良好的怠速稳定性。 .降低燃油消耗
