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電子氣門控制系統(tǒng)的工作原理 電子氣門控制系統(tǒng)的工作原理與人類在身體緊張時的狀態(tài)類似。假設(shè)您去跑步。您身體所吸進(jìn)的空氣質(zhì)量將由肺來調(diào)節(jié)。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(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。如果您現(xiàn)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(jìn)行自動調(diào)節(jié)。在這種情況下，如果您在嘴上堵上一塊手帕呼，吸將非常費(fèi)力。 在電子氣門控制系統(tǒng)的新鮮空氣進(jìn)氣裝置中“取消了”節(jié)氣門（與手帕類似）。氣門升程肺根據(jù)空氣需要量進(jìn)行調(diào)節(jié)。發(fā)動機(jī)可以自由呼吸。在發(fā)動機(jī)電子氣門控制系統(tǒng)進(jìn)氣過程中，節(jié)氣門幾乎一直打開一個合適的角度，以保證出現(xiàn)一個50 mbar 的近似真空。負(fù)荷控制通過氣門的關(guān)閉時刻實現(xiàn)。與通過節(jié)氣門實現(xiàn)負(fù)荷控制的普通發(fā)動機(jī)相比，在進(jìn)氣系統(tǒng)中只產(chǎn)生一個較小的真空，也就是說省去了產(chǎn)生真空的能耗，通過進(jìn)氣過程中較小的功率損失獲得較高的效率。 與柴油發(fā)動機(jī)不同在常規(guī)汽油發(fā)動機(jī)中，進(jìn)氣量通過加速踏板和節(jié)氣門進(jìn)行調(diào)節(jié)并按化學(xué)計算比例 =1 噴射所需要的燃油量。在帶電子氣門控制系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)上所吸進(jìn)的空氣量由氣門的開啟升程和開啟持續(xù)時間決定。通過精確控制供油量這里也能實現(xiàn)按 =1 運(yùn)行。與此相反，帶汽油直接噴射和濃度分區(qū)功能的發(fā)動機(jī)，在較寬的負(fù)荷范圍內(nèi)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(fā)動機(jī)上使用的在帶有電子氣門控制系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)上因此就不需要了。寶馬VANOS發(fā)動機(jī)技術(shù)圖中每個進(jìn)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(nèi)就是可變氣門行程的控制機(jī)構(gòu)。當(dāng)發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速范圍時，紅色的控制活塞是落在氣門座內(nèi)的。這樣高速凸輪只能驅(qū)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(qū)動氣門頂向下行程，這樣獲得的氣門開度就較小。當(dāng)發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速范圍時，紅色的控制活塞在液壓的驅(qū)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(dāng)高速凸輪驅(qū)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(shè)計只能在一定程度上獲得更好的進(jìn)氣，因為他只有兩段調(diào)節(jié)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(dāng)駕駛車輛加速時，發(fā)動機(jī)由高轉(zhuǎn)速向低轉(zhuǎn)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(nèi)無段級調(diào)節(jié)。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(jī)構(gòu)： 寶馬的控制機(jī)構(gòu)是由電機(jī)驅(qū)動的，電機(jī)通過蝸桿傳動齒輪，然后由齒輪上的凸輪帶動搖臂運(yùn)動來改變搖臂的控制角，然后在凸輪軸的驅(qū)動下由搖臂帶動氣門運(yùn)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(jī)控制的，所以可以在一定區(qū)域內(nèi)做無段級調(diào)節(jié)氣門開度，這樣駕駛起來就會毫無唐突感，舒適性更強(qiáng)，配氣機(jī)構(gòu)在各轉(zhuǎn)速下的適應(yīng)性也更強(qiáng)，能最大限度的提高發(fā)動機(jī)充氣效率。目前寶馬已經(jīng)把這套系統(tǒng)裝備到了他的主流發(fā)動機(jī)機(jī)上，象以寶馬745i,530i,330i為代表的直列6缸發(fā)動機(jī)和V型8缸發(fā)動機(jī)都裝備了該系統(tǒng)。既然通過改變氣門行程這個辦法可以改善發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速時的動力表現(xiàn)，那么改變其他的配氣參數(shù)能不能同樣達(dá)到兼顧高低轉(zhuǎn)速是動力輸出的目的呢？讓我們來看看在配氣機(jī)構(gòu)中還有哪些參數(shù)是隨轉(zhuǎn)速影響的吧。 四行程發(fā)動機(jī)的四個行程（進(jìn)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(jī)構(gòu)又是如何工作的呢？當(dāng)發(fā)動機(jī)處于進(jìn)氣行程是，進(jìn)氣門打開排氣門關(guān)閉；壓縮沖程時進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉，做功沖程是進(jìn)氣門和排氣門也是同時關(guān)閉以保證汽缸內(nèi)能產(chǎn)生足夠的壓力，排氣行程時進(jìn)氣門關(guān)閉排氣門打開。從理論上來說這些動作都是嚴(yán)格按照四個沖程的順序循環(huán)進(jìn)行的，那么理所當(dāng)然人們會想到，當(dāng)汽缸活塞做功完成以后，活塞到達(dá)下止點時排氣門打開，活塞從下止點運(yùn)動到上止點這個行程用來排出汽缸內(nèi)的廢氣，當(dāng)排氣完成活塞達(dá)到上止點時排氣門關(guān)閉進(jìn)氣門打開開始進(jìn)氣形成，然后活塞繼續(xù)運(yùn)動到下止點時進(jìn)氣門關(guān)閉完成進(jìn)氣，準(zhǔn)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(zhì)量，使它也存在一定的慣性。當(dāng)活塞運(yùn)動到排氣終了的上止點時，理應(yīng)在這個時候打開進(jìn)氣門，通過馬上到來的活塞進(jìn)氣行程產(chǎn)生的負(fù)壓來吸氣，由于混合氣存在一定慣性，如果此時才打開進(jìn)氣門那么還需要一個時間給進(jìn)氣支管中的混合氣加速，在這個時間內(nèi)，混合氣是不能進(jìn)入到汽缸中的，所以這就浪費(fèi)了一段活塞的行程，如果在排氣終了活塞到達(dá)上止點之前進(jìn)氣門就打開了，那么就爭取了混合氣因為加速而浪費(fèi)掉的時間，可以充分利用進(jìn)氣沖程時活塞向下運(yùn)動的全部行程吸氣，這樣效率更高；同樣的道理當(dāng)活塞到達(dá)進(jìn)氣沖程下止點時理論上應(yīng)該要關(guān)閉進(jìn)氣門了，但由于混合氣體的慣性，此時仍然能夠進(jìn)氣，也就是說混合氣體仍然在進(jìn)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(dá)到下止點的時候關(guān)閉了進(jìn)氣門，那么勢必會有一部分混合氣體進(jìn)入不到汽缸中，造成功率下降，發(fā)動機(jī)工作效率減低，所以此時進(jìn)氣門必須延時關(guān)閉才能保證混合氣體盡可能的進(jìn)入到汽缸中來。排氣沖程也是一樣的道理。所以必須在設(shè)計凸輪軸轉(zhuǎn)角時考慮到這一點，給它設(shè)計一個進(jìn)排氣提前和延時的角度，這個角度統(tǒng)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(jìn)排氣門都設(shè)置提前和延時角的話，那勢必會讓進(jìn)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(zhì)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(tǒng)發(fā)動機(jī)配氣相位角的設(shè)置方法。 了解了配氣相位角的設(shè)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(fā)動機(jī)在不同的工況下吸氣特征是不一樣的，發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時，進(jìn)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(guān)閉的時間更長一些，這樣才能充分進(jìn)氣；在高轉(zhuǎn)速情況下，由于混合氣流速很快，那么氣門重疊角就應(yīng)變小，讓氣門提前開啟和延時關(guān)閉的時間減短，這樣才不會造成進(jìn)排氣干涉。發(fā)動機(jī)才能在保證不發(fā)生進(jìn)排氣干涉的情況下，讓其在各個工況都能得到充分的進(jìn)氣，從而提高了發(fā)動機(jī)的工作效率，也讓發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)時能有充分的扭力輸出，高轉(zhuǎn)速時能有更強(qiáng)大的功率輸出，讓發(fā)動機(jī)扭力輸出得更平穩(wěn)，特性曲線更線性。 那么發(fā)動機(jī)是怎么做到隨著轉(zhuǎn)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(tǒng)： 紅色圓圈內(nèi)的就是用來改變配氣正時的控制機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的殼體，而正時鏈條是直接驅(qū)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(qū)動凸輪軸運(yùn)動的。（如圖）： 圖為雷諾的可變配氣正時控制機(jī)構(gòu)。在凸輪軸與正時齒輪之間有兩個液壓室。一個為高壓油區(qū)一個為低壓油區(qū)。因此，只要調(diào)節(jié)兩個油區(qū)之間的壓力差，就能改變配氣正時角了。而兩個油區(qū)的油壓是通過上圖所標(biāo)示的油壓控制閥調(diào)節(jié)的。油壓調(diào)節(jié)閥實質(zhì)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(dāng)高壓油路（圖中紅色的通道）接通時，整個油室處于加壓狀態(tài)，根據(jù)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(zhuǎn)速；當(dāng)電磁閥控制黃色區(qū)域壓力高于紅色區(qū)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(zhuǎn)速。下圖能更直觀的表現(xiàn)這一工作過程： 注：“圖中藍(lán)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(yè)起步較晚，所以技術(shù)比較落后。由于這種技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對比傳統(tǒng)技術(shù)要高一些，所以國內(nèi)車廠大多沒有使用這些技術(shù)，他們的配器機(jī)構(gòu)都是傳統(tǒng)設(shè)計。但也有少數(shù)廠家，引進(jìn)了這些先進(jìn)的發(fā)動機(jī)控制技術(shù)，比如現(xiàn)在廣州本田雅格2.4，新奧德塞2.4，還有東風(fēng)本田CR-V上使用的I-VTEC發(fā)動機(jī)都使用了這些技術(shù)。在家用經(jīng)濟(jì)型車中，廣本飛度的1.5VTEC發(fā)動機(jī)是唯一使用了可變配氣技術(shù)的車型。除了配氣會影響發(fā)動機(jī)吸氣效率外，還有一個不容忽視的影響進(jìn)氣的因素就是進(jìn)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(zhì)量的流體，而流體是在進(jìn)氣管中流過的，根據(jù)流體力學(xué)和震動學(xué)的原理來優(yōu)化進(jìn)氣管的設(shè)計對于提高發(fā)動機(jī)的吸氣效率是非常重要的。具體方法有：把進(jìn)氣歧管內(nèi)壁加工得非常光滑來減小氣阻，也可以設(shè)計特殊的進(jìn)氣道形狀讓流體阻力得到優(yōu)化，還可以減小空氣濾清器的吸氣阻力等等。這些都是傳統(tǒng)對進(jìn)氣管的優(yōu)化方法，現(xiàn)在大部分車都是這樣做的。這里我們來介紹一種技術(shù)含量更高的進(jìn)氣道優(yōu)化方法——可變進(jìn)氣管長度技術(shù)。 首先讓我門來看看進(jìn)氣歧管的長度對汽車的進(jìn)氣有哪些影響吧。大家都知道，4行程發(fā)動機(jī)是曲軸每旋轉(zhuǎn)兩圈為一個周期，而這個周期的1/4的時間是用來進(jìn)氣的，也就是說在一個周期內(nèi)1/4的時間進(jìn)氣門打開，剩下的3/4的時間進(jìn)氣門是關(guān)閉的。這就造成進(jìn)氣管內(nèi)的空氣存在一定的進(jìn)氣頻率。所以我們不妨把它假設(shè)成震動來進(jìn)行分析。根據(jù)震動學(xué)的原理，當(dāng)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(jìn)氣看成是震動，那么當(dāng)發(fā)動機(jī)的吸氣頻率與進(jìn)氣管中空氣的固有頻率相同時，進(jìn)氣能量最大。但發(fā)動機(jī)的吸氣頻率是隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化的。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高時，吸氣頻率也高；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，吸氣頻率就隨之降低了。那怎么樣才能讓進(jìn)氣管內(nèi)的空氣的固有頻率能與發(fā)動機(jī)的吸氣頻率保持一致呢？最可行的辦法就是改變進(jìn)氣管的長度。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時使用長進(jìn)氣管，因為進(jìn)氣管越長，空氣在管內(nèi)的震動頻率越低，只要長度與轉(zhuǎn)速相匹配就能得到最大的進(jìn)氣能量；反過來說，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于高轉(zhuǎn)速時，由于吸氣頻率高，所以就要換上較短的進(jìn)氣管來提高空氣在進(jìn)氣管內(nèi)的固有頻率，得到最大的進(jìn)氣能量。所以就需要設(shè)計一套可以讓進(jìn)氣管長度變化的系統(tǒng)來達(dá)到這一目的，那么可變進(jìn)氣管長度技術(shù)就誕生了。如下圖就是可變進(jìn)氣管長度的控制機(jī)構(gòu)： 當(dāng)發(fā)動機(jī)在2000轉(zhuǎn)左右時電腦控制進(jìn)氣管長度控制閥關(guān)閉，讓空氣先流經(jīng)螺旋形狀的長進(jìn)氣管后再進(jìn)入汽缸，此時為長進(jìn)氣管狀態(tài)。 當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升到5000轉(zhuǎn)時，進(jìn)氣管長度控制閥打開，讓空氣不經(jīng)螺旋管道而直接進(jìn)入到汽缸，此時為短進(jìn)氣管狀態(tài)。（如下圖） 圖為奔馳SLK發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管設(shè)計。該設(shè)計就是用的控制閥來控制進(jìn)氣管的長度，目前多數(shù)車廠喜歡采用這種機(jī)構(gòu)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(fā)動機(jī)進(jìn)氣管設(shè)計，從圖中可以看出，他不是采用控制閥來切換進(jìn)氣管的長度，而是在進(jìn)氣管中間設(shè)計了一個可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，當(dāng)這個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度后進(jìn)氣管的長度就發(fā)生了改變，同樣達(dá)到了優(yōu)化進(jìn)氣的目的。有了這套系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)就能在高低轉(zhuǎn)速時都能保持良好的進(jìn)氣效率，進(jìn)氣效率提高了發(fā)動機(jī)的整個工作效率也就提高了。隨之而來的就是節(jié)能，環(huán)保以及動力輸出線性，扭力分布均勻等優(yōu)點了。 前文已經(jīng)介紹了可變氣門行程，可變配氣正時，可變進(jìn)氣管長度技術(shù)，這篇文章介紹配氣和進(jìn)氣系統(tǒng)中最后一個需要可變參數(shù)的技術(shù)：可變進(jìn)氣歧管截面積技術(shù)。 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(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時為了能夠增強(qiáng)汽缸內(nèi)的負(fù)壓，而使用短行程的進(jìn)氣門設(shè)置。可變進(jìn)氣歧管截面積技術(shù)也是為了發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時提高缸內(nèi)負(fù)壓而設(shè)計的可變機(jī)構(gòu)。 根據(jù)流體力學(xué)的原理，在其他參數(shù)不變的情況下，管道的截面積越大流體壓力越��；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(yuǎn)的距離。根據(jù)這一原理，再分析發(fā)動機(jī)各個工況的工作特性，就需要我們設(shè)計一套機(jī)構(gòu)能在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速時使用較大的進(jìn)氣歧管截面積提高進(jìn)氣流量；在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時使用較小的進(jìn)氣歧管截面積，提高汽缸的進(jìn)氣負(fù)壓，也能在汽缸內(nèi)充分形成渦流，讓空氣跟汽油更好的混合。下圖是不同進(jìn)氣歧管截面積下發(fā)動機(jī)進(jìn)氣情況的模擬： 圖中所視的是發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時，使用不同進(jìn)氣歧管截面積情況下的進(jìn)氣情況模擬。圖（1）表示的是進(jìn)氣歧管截面積較大時汽缸的吸氣狀況和氣門關(guān)閉后缸內(nèi)氣體混合情況。圖（2）表示的是進(jìn)氣歧管截面積較小時汽缸的吸氣狀況和氣門關(guān)閉后缸內(nèi)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(nèi)的混合氣更多，而且缸內(nèi)更容易形成渦流，氣門關(guān)閉后空氣與汽油的混合更加充分。有了這些可靠的實驗數(shù)據(jù)，在配氣機(jī)構(gòu)中設(shè)計一套可以隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的可變進(jìn)氣歧管截面積的機(jī)構(gòu)就顯得由為必要了。 現(xiàn)在大多數(shù)發(fā)動機(jī)都采用了多氣門設(shè)計，主流發(fā)動機(jī)使用的每缸4氣門設(shè)計（兩進(jìn)兩排），也有極少數(shù)廠家使用每缸5氣門設(shè)計（三進(jìn)兩排）。我們就以主流的4氣門為例。由于有兩個進(jìn)氣門，那就意味著有兩跟進(jìn)氣歧管。所以要改變進(jìn)氣歧管的截面積實現(xiàn)起來就比較容易了。我們只需要在其中一個進(jìn)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(dāng)發(fā)動機(jī)處于高轉(zhuǎn)速時，改氣閥打開，這時兩根進(jìn)氣歧管同時進(jìn)氣，獲得大流量的混合氣體；當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時，該氣閥關(guān)閉，理論上可以看成是使用一根進(jìn)氣歧管進(jìn)氣。這樣進(jìn)氣歧管的截面積就減小了一倍。能獲得更好的進(jìn)氣負(fù)壓和混合氣渦流，發(fā)動機(jī)的工作效率在高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速時都得到了提高。如下圖就是進(jìn)氣歧管截面積的控制方法： 綜上所述，現(xiàn)代發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比。主要技術(shù)區(qū)別就是在自動控制方面的大力提高。隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，嵌入式技術(shù)有了很大的提高。在可靠性，響應(yīng)速度，數(shù)據(jù)處理方面，都能達(dá)到汽車各個工況的要求。在自動控制技術(shù)的幫助下，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的很多不可變參數(shù)，如今已經(jīng)可以在計算機(jī)的控制下隨行車狀況的改變而改變。以往設(shè)計師們需要左右兼顧的設(shè)計矛盾，如今已經(jīng)在計算機(jī)的幫助下實現(xiàn)各個工況的最佳配合。上世紀(jì)的汽車技術(shù)，是建立在大排量，多缸，多氣門上的。可以遇見，未來的汽車發(fā)展方向應(yīng)該是機(jī)構(gòu)控制的自動化和操作的智能化

回答者：lizhenhao11022016-10-22 00:00