分析基于可变气门正时发动机呼吸控制（上）

来源：汽车维修与保养作者：佚名 2013-10-06 07:24:03

发动机排出废气和吸入新鲜空气或可燃混合汽的全过程叫做换气过程，也可以形象地比喻为发动机的呼吸，发动机缺少了呼吸功能就不能持续运转。单位时间吸入汽缸内的空气或混合汽量（简称“充量”）是决定发动机动力输出量的重要因素，所以合理控制发动机的呼吸应满足下述4个要求：①保证发动机在标定工况和全负荷工况下吸入尽可能多的新鲜充量，以获得尽可能高的输出功率和扭矩，这是发动机呼吸功能的核心所在；②保证多缸发动机各缸进气量的均匀性，避免各缸进气量差异过大对整机性能产生不利影响；③应尽量减小换气损失，特别是占最大比例的排气损失；④进气后在汽缸内所形成的湍流场应满足组织快速合理燃烧的要求。

为最大程度地发挥发动机呼吸功能的作用，近年来可变气门正时技术在电喷汽油发动机上得到广泛应用，已成为该类型发动机的基本配置。本文以丰田智能型可变气门正时（Variable Valve Timing-intelligence，简称VVT-i）系统为例，分析可变气门正时发动机呼吸控制的基本原理以及故障诊断方法的运用。

一、VVT-i技术基础理论与应用策略
在发动机呼吸过程中，气门正时是发动机配气机构设计的重要参数之一。它是指进、排气门的实际开闭时刻和持续时间，通常用相对于上、下止点（TDC，TBC）曲拐位置的曲轴转角环形图来表示，这种图形称为配气相位图（图1）。

理论上，四冲程发动机进气门应在曲拐位于上止点时开启，在曲拐转到下止点时关闭；排气门则在下止点时开启，在上止点时关闭。进气时间和排气时间各占180℃A曲轴转角，但是实际发动机在高速运转时，一个工作行程历时只有千分之几秒，这么短促的时间往往会引起发动机进气不足、排气不净，从而造成功率下降，因此为解决这一问题，一般发动机都采用延长进、排气门的开启时间（大约在410℃A-480℃A曲轴转角范围内），充分利用气体流动的惯性，增大气体进出汽缸内的容量，以提高发动机的性能。这种延长气门开启时间的做法，必然会出现一个进排气同时开启的时刻，配气相位图上称为气门重叠角。然而发动机在同工况下，呼吸特征不同，要求的门重叠角也不同。就优化的发动机运行工况而言，要使怠速稳定性好，气门重叠角要小。其他工况下，为提高充气效率和降低排放，气门重叠角要大，即低速时要求进排气门在曲拐接近上止点附近位置开启和关闭，高速时则要求进排气门在曲拐远离下止点位置关闭和开启。因为传统发动机气门正时是由固定的凸轮轴机械角度确定，不能根据发动机转速变化而改变，所以在整个运行范围内只有很窄的工况点具有最佳的气门正时，其他工况只能相对兼顾。VVT-i技术的出现与应用改变了气门正时固定不变的状态，为发动机在整个工作转速和负荷范围内提供了合适的气门正时，从而提高了充气效率，由此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，在一定程度上改善了废气排放、怠速稳定性和低速平稳性，让发动机的动力输出特性更加线性化，图2是VVT-i发动机与不带VVT-i发动机的外特性曲线。

    根据发动机的运行工况不同，VVT-i的应用策略也各不相同，下面介绍各种工况下可变气门正时的应用策略。
1．低负荷、低温和启动工况
    发动机怠速低负荷、低温或启动时，由于进气压力较小，而汽缸内残余废气压力较大，这时采用减小气门重叠角，防止废气倒流到进气侧，起到稳定燃烧的作用，保证发动机运转平稳，提高燃油经济性（图3）。

2．中等负荷工况
    发动机中等负荷时不仅要求发动机有稳定的扭矩输出，还要兼顾燃油经济性和废气排放的控制，这时使进气门提前开启，加大气门重叠角，有利于减少泵气损失，增强内部废气再循环（EGR）效果，降低NOx排放（图4）。