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電子氣門控制系統的工作原理 電子氣門控制系統的工作原理與人類在身體緊張時的狀態類似。假設您去跑步。您身體所吸進的空氣質量將由肺來調節。您會不由自主地深吸氣并由此為肺提供較多的空氣，以便在身體中進行能量轉換。如果您現在由跑步換成一種較慢的步法，例如散步，則身體需要的能量和空氣相對減少。您的肺將以平緩呼吸的方式對此進行自動調節。在這種情況下，如果您在嘴上堵上一塊手帕呼，吸將非常費力。 在電子氣門控制系統的新鮮空氣進氣裝置中“取消了”節氣門（與手帕類似）。氣門升程肺根據空氣需要量進行調節。發動機可以自由呼吸。在發動機電子氣門控制系統進氣過程中，節氣門幾乎一直打開一個合適的角度，以保證出現一個50 mbar 的近似真空。負荷控制通過氣門的關閉時刻實現。與通過節氣門實現負荷控制的普通發動機相比，在進氣系統中只產生一個較小的真空，也就是說省去了產生真空的能耗，通過進氣過程中較小的功率損失獲得較高的效率。 與柴油發動機不同在常規汽油發動機中，進氣量通過加速踏板和節氣門進行調節并按化學計算比例 =1 噴射所需要的燃油量。在帶電子氣門控制系統的發動機上所吸進的空氣量由氣門的開啟升程和開啟持續時間決定。通過精確控制供油量這里也能實現按 =1 運行。與此相反，帶汽油直接噴射和濃度分區功能的發動機，在較寬的負荷范圍內以低燃油空氣混合比工作。昂貴且易受硫腐蝕的廢氣后處理裝置，例如直噴式汽油發動機上使用的在帶有電子氣門控制系統的發動機上因此就不需要了。寶馬VANOS發動機技術圖中每個進氣門分別有兩組凸輪控制，一組是高速凸輪，一組是低速凸輪。紅色圓框內就是可變氣門行程的控制機構。當發動機在低轉速范圍時，紅色的控制活塞是落在氣門座內的。這樣高速凸輪只能驅動氣門座向下行程而不能帶動整個氣門動作，整個氣門由低速凸輪驅動氣門頂向下行程，這樣獲得的氣門開度就較小。當發動機在高轉速范圍時，紅色的控制活塞在液壓的驅動下從氣門座推入到氣門頂中，等于是把氣門座和氣門剛性的連接在一起，當高速凸輪驅動氣門座時就能帶動氣門向下行程獲得較大的氣門開度。但這種設計只能在一定程度上獲得更好的進氣，因為他只有兩段調節氣門開度，本田的VTEC也是相同的功能，只是控制方式不同罷了。所以當駕駛車輛加速時，發動機由高轉速向低轉速過度到改變氣門行程的臨界值時，駕駛者會感覺到動力瞬間提升，比較唐突，會影響乘坐的舒適感。要解決這個問題，就必須讓氣門行程能夠在一定范圍內無段級調節。寶馬就解決了這個問題（如圖）是寶馬的可變氣門行程控制機構： 寶馬的控制機構是由電機驅動的，電機通過蝸桿傳動齒輪，然后由齒輪上的凸輪帶動搖臂運動來改變搖臂的控制角，然后在凸輪軸的驅動下由搖臂帶動氣門運動。所以通過改變搖臂的角度就可以改變氣門的行程了。由于是通過電機控制的，所以可以在一定區域內做無段級調節氣門開度，這樣駕駛起來就會毫無唐突感，舒適性更強，配氣機構在各轉速下的適應性也更強，能最大限度的提高發動機充氣效率。目前寶馬已經把這套系統裝備到了他的主流發動機機上，象以寶馬745i,530i,330i為代表的直列6缸發動機和V型8缸發動機都裝備了該系統。既然通過改變氣門行程這個辦法可以改善發動機在高轉速和低轉速時的動力表現，那么改變其他的配氣參數能不能同樣達到兼顧高低轉速是動力輸出的目的呢？讓我們來看看在配氣機構中還有哪些參數是隨轉速影響的吧。 四行程發動機的四個行程（進氣，壓縮，做功，排氣）想必大家一定都了解吧。而這種四個行程的描述方法是對于活塞汽缸而言的，那么在與此同時，配氣機構又是如何工作的呢？當發動機處于進氣行程是，進氣門打開排氣門關閉；壓縮沖程時進氣門和排氣門都關閉，做功沖程是進氣門和排氣門也是同時關閉以保證汽缸內能產生足夠的壓力，排氣行程時進氣門關閉排氣門打開。從理論上來說這些動作都是嚴格按照四個沖程的順序循環進行的，那么理所當然人們會想到，當汽缸活塞做功完成以后，活塞到達下止點時排氣門打開，活塞從下止點運動到上止點這個行程用來排出汽缸內的廢氣，當排氣完成活塞達到上止點時排氣門關閉進氣門打開開始進氣形成，然后活塞繼續運動到下止點時進氣門關閉完成進氣，準備壓縮。 但事實上并不完全是這樣的。由于混合氣體本身的質量，使它也存在一定的慣性。當活塞運動到排氣終了的上止點時，理應在這個時候打開進氣門，通過馬上到來的活塞進氣行程產生的負壓來吸氣，由于混合氣存在一定慣性，如果此時才打開進氣門那么還需要一個時間給進氣支管中的混合氣加速，在這個時間內，混合氣是不能進入到汽缸中的，所以這就浪費了一段活塞的行程，如果在排氣終了活塞到達上止點之前進氣門就打開了，那么就爭取了混合氣因為加速而浪費掉的時間，可以充分利用進氣沖程時活塞向下運動的全部行程吸氣，這樣效率更高；同樣的道理當活塞到達進氣沖程下止點時理論上應該要關閉進氣門了，但由于混合氣體的慣性，此時仍然能夠進氣，也就是說混合氣體仍然在進入汽缸，這個過程雖然只有一瞬間，但是不容忽視，如果在活塞剛好達到下止點的時候關閉了進氣門，那么勢必會有一部分混合氣體進入不到汽缸中，造成功率下降，發動機工作效率減低，所以此時進氣門必須延時關閉才能保證混合氣體盡可能的進入到汽缸中來。排氣沖程也是一樣的道理。所以必須在設計凸輪軸轉角時考慮到這一點，給它設計一個進排氣提前和延時的角度，這個角度統稱為配氣相位角，也叫配氣正時角。有人肯定會有疑問，如果像這樣進排氣門都設置提前和延時角的話，那勢必會讓進氣門和排氣門有一個同時開啟的瞬間？那么在壓縮和做功的時候不會漏氣嗎？其實在氣體質量慣性的作用下壓縮和做功也是有一定遲滯的，只要配氣相位角時間配合得好，就不會影響到壓縮和做功。（如下圖）是傳統發動機配氣相位角的設置方法。 了解了配氣相位角的設置方法以后，我門就不難理解為什么需要可變配氣相位了。就像前文所說的可變氣門行程一樣，發動機在不同的工況下吸氣特征是不一樣的，發動機在低轉速時，進氣速度慢，所以氣門重疊角可以相對大一些，言下之意就是讓氣門提前打開和延時關閉的時間更長一些，這樣才能充分進氣；在高轉速情況下，由于混合氣流速很快，那么氣門重疊角就應變小，讓氣門提前開啟和延時關閉的時間減短，這樣才不會造成進排氣干涉。發動機才能在保證不發生進排氣干涉的情況下，讓其在各個工況都能得到充分的進氣，從而提高了發動機的工作效率，也讓發動機在低轉時能有充分的扭力輸出，高轉速時能有更強大的功率輸出，讓發動機扭力輸出得更平穩，特性曲線更線性。 那么發動機是怎么做到隨著轉速的變化而改變配氣正時的呢？我們不妨先看看下圖。圖為保時捷可變配氣正時的控制系統： 紅色圓圈內的就是用來改變配氣正時的控制機構了。實際上它是在凸輪軸的末端裝上了一個帶有液壓控制機構的殼體，而正時鏈條是直接驅動該殼體的，殼體與凸輪軸之間充滿了液壓油，殼體就是通過液壓油驅動凸輪軸運動的。（如圖）： 圖為雷諾的可變配氣正時控制機構。在凸輪軸與正時齒輪之間有兩個液壓室。一個為高壓油區一個為低壓油區。因此，只要調節兩個油區之間的壓力差，就能改變配氣正時角了。而兩個油區的油壓是通過上圖所標示的油壓控制閥調節的。油壓調節閥實質上就是一個電磁閥，通過電腦傳輸過來的脈沖電流來控制閥門的通斷。當高壓油路（圖中紅色的通道）接通時，整個油室處于加壓狀態，根據圖中紅色箭頭的方向很容易判斷，此時配氣正時被推遲，重疊角增大，適用于低轉速；當電磁閥控制黃色區域壓力高于紅色區域壓力時，凸輪軸會如圖中黃色箭頭所示，提前一個角度，這樣重疊角減小，適用于高轉速。下圖能更直觀的表現這一工作過程： 注：“圖中藍色部分是凸輪軸末端，白色部分是正時齒輪”。對于可變配氣正時控制，雖然各大車廠的名字叫法各不相同，但其功能作用和控制方法多為大同小異，所以了解了這些控制方式和性能特征，對于車型的選擇也可以重新定位。我國汽車工業起步較晚，所以技術比較落后。由于這種技術結構復雜，成本相對比傳統技術要高一些，所以國內車廠大多沒有使用這些技術，他們的配器機構都是傳統設計。但也有少數廠家，引進了這些先進的發動機控制技術，比如現在廣州本田雅格2.4，新奧德塞2.4，還有東風本田CR-V上使用的I-VTEC發動機都使用了這些技術。在家用經濟型車中，廣本飛度的1.5VTEC發動機是唯一使用了可變配氣技術的車型。除了配氣會影響發動機吸氣效率外，還有一個不容忽視的影響進氣的因素就是進氣管。不論是純空氣還是空氣和汽油的混合物，都可以看成是有一定質量的流體，而流體是在進氣管中流過的，根據流體力學和震動學的原理來優化進氣管的設計對于提高發動機的吸氣效率是非常重要的。具體方法有：把進氣歧管內壁加工得非常光滑來減小氣阻，也可以設計特殊的進氣道形狀讓流體阻力得到優化，還可以減小空氣濾清器的吸氣阻力等等。這些都是傳統對進氣管的優化方法，現在大部分車都是這樣做的。這里我們來介紹一種技術含量更高的進氣道優化方法——可變進氣管長度技術。 首先讓我門來看看進氣歧管的長度對汽車的進氣有哪些影響吧。大家都知道，4行程發動機是曲軸每旋轉兩圈為一個周期，而這個周期的1/4的時間是用來進氣的，也就是說在一個周期內1/4的時間進氣門打開，剩下的3/4的時間進氣門是關閉的。這就造成進氣管內的空氣存在一定的進氣頻率。所以我們不妨把它假設成震動來進行分析。根據震動學的原理，當震動物體的震動周期和頻率與他的固有周期和固有頻率頻率相同時，震動能量最大，震動波疊加，這就是人們常說的共振。對于震動的物體而言共振的能量是最大的。那么如果把進氣看成是震動，那么當發動機的吸氣頻率與進氣管中空氣的固有頻率相同時，進氣能量最大。但發動機的吸氣頻率是隨發動機轉速的變化而變化的。當發動機轉速高時，吸氣頻率也高；當發動機轉速降低時，吸氣頻率就隨之降低了。那怎么樣才能讓進氣管內的空氣的固有頻率能與發動機的吸氣頻率保持一致呢？最可行的辦法就是改變進氣管的長度。當發動機處于低轉速時使用長進氣管，因為進氣管越長，空氣在管內的震動頻率越低，只要長度與轉速相匹配就能得到最大的進氣能量；反過來說，當發動機處于高轉速時，由于吸氣頻率高，所以就要換上較短的進氣管來提高空氣在進氣管內的固有頻率，得到最大的進氣能量。所以就需要設計一套可以讓進氣管長度變化的系統來達到這一目的，那么可變進氣管長度技術就誕生了。如下圖就是可變進氣管長度的控制機構： 當發動機在2000轉左右時電腦控制進氣管長度控制閥關閉，讓空氣先流經螺旋形狀的長進氣管后再進入汽缸，此時為長進氣管狀態。 當發動機轉速上升到5000轉時，進氣管長度控制閥打開，讓空氣不經螺旋管道而直接進入到汽缸，此時為短進氣管狀態。（如下圖） 圖為奔馳SLK發動機的進氣管設計。該設計就是用的控制閥來控制進氣管的長度，目前多數車廠喜歡采用這種機構控制。但也有使用其他控制方式的（如下圖）： 圖為寶馬新7系的發動機進氣管設計，從圖中可以看出，他不是采用控制閥來切換進氣管的長度，而是在進氣管中間設計了一個可以旋轉的轉子，當這個轉子旋轉一定角度后進氣管的長度就發生了改變，同樣達到了優化進氣的目的。有了這套系統，發動機就能在高低轉速時都能保持良好的進氣效率，進氣效率提高了發動機的整個工作效率也就提高了。隨之而來的就是節能，環保以及動力輸出線性，扭力分布均勻等優點了。 前文已經介紹了可變氣門行程，可變配氣正時，可變進氣管長度技術，這篇文章介紹配氣和進氣系統中最后一個需要可變參數的技術：可變進氣歧管截面積技術。 別聽這名字這么長這么繞口，其實道理很簡單。就同上文介紹的可變氣門行程的道理一樣，發動機在低轉速時為了能夠增強汽缸內的負壓，而使用短行程的進氣門設置。可變進氣歧管截面積技術也是為了發動機低轉速時提高缸內負壓而設計的可變機構。 根據流體力學的原理，在其他參數不變的情況下，管道的截面積越大流體壓力越小；管道截面積越小流體壓力越大。這就象高壓水槍的管口一樣。高壓水槍的出水口直徑要比高壓水管的直徑小很多倍，所以水流的壓力也上升了很多倍，這樣才能把水推到很遠的距離。根據這一原理，再分析發動機各個工況的工作特性，就需要我們設計一套機構能在發動機高轉速時使用較大的進氣歧管截面積提高進氣流量；在發動機低轉速時使用較小的進氣歧管截面積，提高汽缸的進氣負壓，也能在汽缸內充分形成渦流，讓空氣跟汽油更好的混合。下圖是不同進氣歧管截面積下發動機進氣情況的模擬： 圖中所視的是發動機在低轉速時，使用不同進氣歧管截面積情況下的進氣情況模擬。圖（1）表示的是進氣歧管截面積較大時汽缸的吸氣狀況和氣門關閉后缸內氣體混合情況。圖（2）表示的是進氣歧管截面積較小時汽缸的吸氣狀況和氣門關閉后缸內氣體的混合情況。從圖中很容易看出，圖（2）的吸氣效率更高，吸入缸內的混合氣更多，而且缸內更容易形成渦流，氣門關閉后空氣與汽油的混合更加充分。有了這些可靠的實驗數據，在配氣機構中設計一套可以隨發動機轉速變化的可變進氣歧管截面積的機構就顯得由為必要了。 現在大多數發動機都采用了多氣門設計，主流發動機使用的每缸4氣門設計（兩進兩排），也有極少數廠家使用每缸5氣門設計（三進兩排）。我們就以主流的4氣門為例。由于有兩個進氣門，那就意味著有兩跟進氣歧管。所以要改變進氣歧管的截面積實現起來就比較容易了。我們只需要在其中一個進氣歧管中裝入一個可隨電腦控制開閉的氣閥，就能控制該歧管的使用狀況了。當發動機處于高轉速時，改氣閥打開，這時兩根進氣歧管同時進氣，獲得大流量的混合氣體；當發動機處于低轉速時，該氣閥關閉，理論上可以看成是使用一根進氣歧管進氣。這樣進氣歧管的截面積就減小了一倍。能獲得更好的進氣負壓和混合氣渦流，發動機的工作效率在高轉速和低轉速時都得到了提高。如下圖就是進氣歧管截面積的控制方法： 綜上所述，現代發動機與傳統發動機相比。主要技術區別就是在自動控制方面的大力提高。隨著電子行業的飛速發展，嵌入式技術有了很大的提高。在可靠性，響應速度，數據處理方面，都能達到汽車各個工況的要求。在自動控制技術的幫助下，傳統發動機的很多不可變參數，如今已經可以在計算機的控制下隨行車狀況的改變而改變。以往設計師們需要左右兼顧的設計矛盾，如今已經在計算機的幫助下實現各個工況的最佳配合。上世紀的汽車技術，是建立在大排量，多缸，多氣門上的。可以遇見，未來的汽車發展方向應該是機構控制的自動化和操作的智能化

回答者：lizhenhao11022016-10-22 00:00