2.4 配气机构

2.4.1 设计策略与原则

配气机构主要由正时系统、气门驱动组件、气门组件组成。配气机构的功能是按照发动机各缸的工作循环顺序，定时开启和关闭进、排气门。由于现代发动机对于功率、转矩和油耗、排放性能的追求越来越极致，促使配气机构在精准性、低功耗方面的先进技术百花齐放。

从配气机构的组成和基本功能来看，配气机构的设计主要应遵从以下几个原则：

1）满足发动机的燃烧特性需求。配气机构要有良好的充气性能，进气充分，排气彻底，实时满足气门在开启相位、升程、持续期的要求。

2）应尽量减少功率消耗，减小摩擦，减轻运动件质量。比如减小正时链系统和气门驱动机构的功耗损失，凸轮轴轻量化设计等。

3）保持工作平稳，振动和噪声较小。比如要保证发动机在最大工作转速内气门不发生飞脱，气门落座不反跳，气门弹簧不共振等。

4）应有良好的润滑特性。特别是在凸轮与挺柱间承载油膜的形成对可靠性和耐久性的影响。

5）配气机构对机油压力和清洁度有特殊要求。才能保证VVT、液压挺柱、正时链条张紧器等部件正常工作。

6）应满足耐温及散热的要求。尤其是排气门，不但需要提升自身的抗高温能力，还应尽量降低气门头端面的温度，从而抑制爆燃，提升整机性能。

结合上述设计原则，在设计配气机构时，可按照表2-3的需求与策略进行设计。在设计过程中应充分利用CAE等工具不断优化配气机构的设计，其中包括配气机构凸轮型线设计及其动力学分析，以确保满足基本的性能要求，还要考虑零部件轻量化、低摩擦、低磨损等因素，提升整机性能水平。

在开发现代高效率、大功率发动机时，配气机构的设计应着重考虑提升动力和降低油耗的需求，以及良好的NVH性能的需求。

2.4.2 基于属性需求的设计

1.基于动力和油耗需求的设计

（1）可变气门技术 随着发动机向高效率、大功率以及小型化、轻量化的趋势发展，燃烧特性的设计也越来越精细化。汽车发动机的工作转速、负荷是在很大的范围内变化的，传统发动机的气门相位、气门升程及开启持续期是固定的，发动机只在较窄的转速、负荷范围内取得较好的动力性、经济性。为了在不同的工作转速、负荷下都能达到提升动力、降低油耗的目的，这就要求配气机构具有可变可调的功能，具体涉及可变气门正时、可变气门升程、可变气门持续期。图2-38展示了可变气门正时、可变气门升程、可变气门持续期3种调节方式的原理。

固定配气正时的发动机只能在怠速质量、最大功率和排放之间寻求折中的方案，在发动机负荷及转速范围内，气门重叠角是预先设定好且不能改变的，残余废气量在部分负荷时不能满足最佳控制。气门重叠角对发动机的性能影响非常显著，通过改变气门正时可以避免新鲜气体由气缸回流到进气道，可以在高转速范围获得最大功率，在低转速范围获得最佳转矩。若要兼顾高低转速下的性能，就需要气门正时可调，因此可变气门正时（VVT）技术应运而生，已成为近5年新开发发动机的基本配置。VVT实现了在不同工况下对进排气相位进行不同的组合，以减小泵气损失、提升充气效率，从而达到提高动力性和燃油经济性的目的。

由于技术上对于进气充量的精准性要求越来越高，因此VVT在响应速度和调节范围方面持续进步，响应速度不断提高、调节范围不断增大。根据结构和工作原理的不同，可以将VVT分为侧置式、中置式、电驱动三大类，表2-4展示了它们的主要结构、优势及行业趋势。

电驱动VVT相比液压驱动VVT，在WLTC下，预计可以降低1%燃油消耗。

VVL技术在不同转速、负荷下提供合适的气门升程，从而进一步提升发动机各个转速下的动力性、燃油经济性并降低排放。VVL通常与VVT搭配使用，才能更好地发挥其优势。

VVL主要有CVVL和阶段式VVL。宝马的Valvetronic和捷豹的Uniair便是典型的CVVL。阶段式VVL的应用又分为三段式和两段式，三段式VVL目前市场上仅有通用Ecotec，而两段式应用主要有大众、奥迪、奔驰，其结构形式均为凸轮轴移位式VVL，而本田的VTEC为独特的专利结构。部分厂商正在研发新的两段式VVL结构，其工作原理是基于电动摇臂的切换，预计在未来3～5年该技术的应用会丰富VVL结构形式。

现有的发动机循环主要有三种，分别是侧重油耗的阿特金森循环和米勒循环，以及侧重性能的奥托循环，发动机基于开发定位会选择其中之一。发动机配气机构布置以及凸轮型线设计随后确认下来，由于凸轮型线的固定，以及其转动速度相对发动机转速不可变，普通发动机的气门开启持续期是固定的，因此在油耗和动力性之间，往往需要进行取舍而无法兼顾。连续可变气门持续期（CVVD）技术通过调节凸轮与轴的偏心，实现某个工况下其瞬时转速变化来改变气门持续期，实现了气门持续时间的连续可变。与VVT配合使用，可实现大范围的气门开启持续期以及气门开启关闭时刻的调节。图2-39所示介绍了CVVD的工作原理。红色线为传统CVVT发动机IVO和IVC的时刻关系，而CVVD+CVVT发动机则可以实现黑色线条区域内任意的气门正时。

CVVD结合VVT可以根据发动机的实际运行工况，调整最合适的气门正时和持续期，可实现整个发动机运行工况性能最优（高于传统发动机和阿特金森循环发动机），并且实现更好的燃油经济性。根据现代汽车数据，可提升动力4%，降低排放12%，同时提升燃油经济性5%。图2-40展示了进气门持续期对WOT性能和燃油经济性的影响。

（2）正时相位精度 发动机标定是按照理论正时相位角度进行的开发，只有在该条件下，发动机性能才能达到理想的效果。如果发动机实际正时相位相较于理论有较大偏差，则会影响到发动机的动力、油耗及排放性能。所以，随着对发动机动力、油耗及排放的要求越来越高，正时相位精度要求也面临越来越高的挑战。

目前提升正时相位精度的主流方法是通过直接提升初始物理相位精度的方式来实现。发动机正时系统主要有两种装配方式：标记点法和工装法。这两种装配方式中，影响物理相位精度的主要因素有所不同。

1）标记点法。该装配方式通过标记点和定位销来确保曲轴与凸轮轴的初始装配关系，主要通过缩小正时系统各零部件的公差来提升相位精度。由于传递尺寸链较长，影响相位精度的因素较多。例如影响较大的因素有：①相位器正时标记点与定位销孔的相对位置角度公差；②链条的尺寸公差；③凸轮角度偏差；④凸轮轴与相位器定位销配合间隙；⑤相位器锁销间隙等。

2）工装法。该装配方式先固定曲轴和凸轮轴的正确位置，再装配正时系统零部件并拧紧螺栓来提升相位精度。与标记点法相比，该方式可以有效消除正时链系统的部分公差传递因素，如：①相位器正时标记点与定位销孔的相对位置角度公差；②链条的尺寸公差；③凸轮轴与相位器定位销配合间隙等。但仍存在影响相位精度的因素，例如影响较大的因素有：①相位器锁销间隙：②正时卡板工装与凸轮间隙；③凸轮角度偏差等。

在以上两种装配方式的基础上，分别结合生产线大量实测正时相位偏差数据，在数据水平趋势稳定后，根据中值偏移情况，统一进行补偿调整，能进一步提升相位精度。

通过上述方法，目前行业内的发动机正时系统初始物理相位精度，标记点法可以控制在±5°CA（概率法）内，工装法可以控制在±3°CA（概率法）内。同时，采用在线装配时的相关辅助检测，可以保证发动机正时相位满足要求。

但是随着需求的提高，通过提升物理相位精度的难度越来越大，行业内提出了一种新的解决办法：通过精确测量识别其偏差值后，将测量值反馈给ECU，ECU根据该给定值自动调整相位初始基准，增加正时相位ECU识别值的补偿量，以此作为修正。例如，大众EVO在生产线上控制曲轴至凸轮轴之间的相位偏差+实测凸轮相位偏差（该部分为凸轮轴的物理相位偏差），并将曲轴及凸轮轴之外的相位偏差实测并输入ECU，结合发动机运行后的曲轴和凸轮轴信号同步检测，即可区分发动机的物理相位偏差及传感器电信号偏差，再在ECU内部通过算法进行修正，如图2-41所示。

（3）低功耗 配气机构的运动件较多，研究表明，发动机自身的功率损耗，配气机构约占10%。减小配气机构的功率损耗，可以有效提升整机的燃油经济性。

得益于CAE技术和工艺手段的提升，配气机构上的很多零部件重量被大幅度减轻。以凸轮轴为例，近年来中空凸轮轴的应用比例升高，中空凸轮轴相较于传统凸轮轴，重量减轻约45%。另外，组合式凸轮轴也被越来越多的主机厂采用。经研究，在一台1.5T直列四缸发动机上，进排气凸轮轴均采用组合式凸轮轴，平均可以减少约3N·m的驱动力矩。图2-42为组合式凸轮轴示意图。

此外，蜂窝型气门弹簧、轻量化链条、轻量化气门、滚子摇臂与液压挺柱，也在设计上被越来越多地采用，作为降低摩擦功耗的技术方案。

配气机构传动路径较长，摩擦副较多，降低摩擦功损失的研究和应用较多。表2-5列举了几个典型的措施。

2.基于NVH需求的设计

（1）正时传动系统 正时传动系统是发动机的重要组成部分，它的作用是保证凸轮轴和曲轴同步运动，准确地实现适时开启和关闭气门。正时传动系统主要有带传动和链传动两种方式。正时带噪声较小、重量轻，但需要定期检查和更换。正时链条结构紧凑、传动效率高、耐磨性高、终身免维护，但一般比正时带噪声要大。表2-6展示了正时传动系统几种形式的性能对比。

不论是带传动还是链传动，都可以通过系统设计优化，达到一定的NVH目标。从当前的应用趋势来说，链传动技术方案被运用到更多的新开发发动机上。如图2-43所示，根据HIS汽车调查数据，2010—2019年市场份额，链传动占比逐年增加至68%，带传动占比逐年减少至32%。

按照链条的结构形式，链传动可分为套筒链、滚子链、齿形链（又名静音链）。链传动噪声的主要激振成分为啮合冲击和多边形效应引起的振动，与发动机噪声的主要阶次激励耦合在一起，便会产生低频共振；与发动机周边零部件的响应相互作用，在相对高频处产生了链传动典型的哀鸣声。齿形链通过工作链板与链轮齿的渐开线齿形进行啮合传动，阶次噪声优于套筒链和滚子链，但差别在于部分转速区域，对整机辐射噪声影响较小。

在某1.5T发动机上开展套筒链和齿形链的NVH对比试验，齿形链在满载加速（1500～2000r/min）时总声压级降低约1.5dB（A），前端轮系侧3000r/min以下降低约2dB（A），2200～2700r/min阶次峰值削弱，如图2-44所示。

正时链系统提升NVH性能的路径较多，表2-7列举了几个典型的措施。

（2）气门驱动组件 目前市场上气门驱动组件应用类型主要包括RFF（滚子摇臂）+HLA（液压挺柱）和MLA（机械挺柱）两类。基于用户越来越敏感的NVH性能要求，更多的主机厂在新发动机开发时选择RFF+HLA。图2-45为MLA和RFF+HLA的噪声和振动对比。

RFF+HLA的NVH性能主要受机油供给的影响，表2-8列举了几个典型的提升NVH性能的措施。