可变配气机构

3.5.1 概述

传统的发动机配气机构在发动机制造装配好之后，配气相位角及气门升程便无法改变。但理想的配气相位角应随着发动机的转速、负荷及其他工况而改变。如发动机低速时，在气门重叠角范围内由于气流惯性的减弱可能造成废气倒流;尤其当转速在1000r/min以下时更为明显，容易造成怠速不稳、功率下降等。而在高转速时，又由于进气行程的时间非常短促，可能造成进气不足、排气不净、功率下降等。因此，传统的配气机构难以同时兼顾高低转速对配气相位的要求。

为了使发动机在高转速时能提供较大的功率，在低转速时又能产生足够的转矩，现代轿车发动机已广泛采用可变气门控制系统，它能根据发动机的运行状况而改变配气相位和气门升程。

3.5.2 气门定时和气门升程控制机构(简称为VTEC机构)

以下以本田车为例，对该部分内容进行介绍。

根据发动机的不同转速、负荷、水温、车速等信号，使进气门的开启与关闭的时刻以及开度改变。气门升程控制机构主要由气门、凸轮、摇臂、同步活塞等组成。

凸轮轴对应于每一缸有5段凸轮参加工作，其中排气凸轮有两个，与常规排气凸轮相同;进气凸轮有3个，主进气凸轮有较大的进气提前角和较大的气门升程，次进气凸轮有较小的进气提前角和较小的气门升程，还增加了一个中间进气凸轮，其具有最大的进气提前角和最大的气门升程。3个进气凸轮分别驱动3根摇臂，与主凸轮、次凸轮和中间凸轮相对应的摇臂分别为主摇臂、次摇臂和中间摇臂。3根摇臂内部装有由液压控制移动的同步活塞和正时活塞等。本田VTEC机构略图如图3-16所示。

图3-16 本田VTEC机构略图

本田液压摇臂机构如图3-17所示。VTEC机构的工作原理如下。

图3-17 本田液压摇臂机构

(a)第一段，低转速;(b)第二段，中转速;(c)第三段，高转速

(1)采用一根凸轮轴上有两种不同配气正时和气门升程的凸轮，利用液压进行切换。高、低速的切换由ECU根据发动机转速、负荷、水温和车速信号来确定，并将控制信号输出给电磁阀来控制油压进行切换。

(2)VTEC不工作时，正时活塞和主同步活塞位于主摇臂内，和中间摇臂等宽的中间同步活塞位于中间摇臂的油缸内，次同步活塞和弹簧一起则位于次摇臂油缸内。正时活塞的一端和液压油来自工作油泵，油道的开启由ECU通过VTEC电磁阀控制。

(3)发动机低速时，ECU无指令，油道内无油压，活塞位于各自的油缸内，各个摇臂均独自上下运动。于是主摇臂紧随主凸轮开闭主进气门，以供给低速运行时发动机所需混合气;次凸轮则迫使次摇臂微微起伏，微微开闭次进气门;中间摇臂虽然随着中间凸轮大幅度运动，但是它对于任何气门不起作用。此时发动机处于单进双排工作状态，吸入的混合气不到高速时的一半，使怠速运转十分平稳。

(4)发动机中速时，油压将右侧及左侧的摇臂连接在一起，这时中间摇臂仍独立运作，由于右凸轮大于左凸轮，因此这两侧的摇臂皆由右凸轮带动，结果将使得进气门得到慢正时、中升程。

(5)当发动机高速运行，发动机负荷到达一定时，ECU就会向VTEC电磁阀供电以开启工作油道，于是工作油道中的压力油就推动活塞移动，压缩弹簧，这样主摇臂、中间摇臂和次摇臂就被主同步活塞、中间同步活塞和次同步活塞串联为一体，成为一个同步活动的组合摇臂。由于中间凸轮的升程大于另外两个凸轮，而且凸轮角度提前，故组合摇臂随中间摇臂一起受中间凸轮驱动，主、次气门都大幅度地同步开启。因此，配气相位变化，吸入的混合气量增多，满足发动机高速、大负荷时的充气量要求。

3.5.3 可变配气正时系统(简称VVT-i)

1995年，装备改进版VVT系统的VVT-i面世，装备的发动机是当时另一副性能发动机1JZ-GE。VVT-i中多出的i，意思是intelligent(智能)。VVT-i取消了两段式的开启和关闭选择，演化成为可以对进气侧凸轮轴进行无级提前或延后的工作。除了控制系统的升级以外，VVT-i的工作原理与VVT基本上是相同的。VVT-i配气机构如图3-18所示。

VVT-i系统用于控制进气凸轮轴在45°～50°的范围内调整凸轮轴转角，使配气正时满足优化控制发动机工作状况的要求，从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性以及降低尾气排放。根据车型的不同需要，VVT-i的结构、控制范围等有所不同。

图3-18 VVT-i配气机构

如图3-19所示，VVT-i系统由VVT-i控制器、凸轮轴正时机油控制阀和传感器等部分组成。

图3-19 VVT-i智能可变配气正时系统

(1)VVT-i控制器。如图3-20所示，VVT-i控制器包括由正时齿带驱动的齿轮和与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮以及一个位于内、外齿轮之间的可动活塞。活塞的内外表面上有螺旋形花键。活塞沿轴向的移动会改变内、外齿轮间的相位，从而产生气门配气相位的连续改变。

(2)凸轮轴正时机油控制阀。凸轮轴正时机油控制阀(图3-21)根据ECU的指令控制阀轴的位置，将油压施加给凸轮轴正时齿带轮以提前或推迟配气正时。发动机停机时，凸轮轴正时机油控制阀处于最延迟位置。

根据发动机ECU的指令，当凸轮轴正时机油控制阀位于图3-22中所示位置时，机油压力施加在活塞的左侧，使得活塞向右移动。由于活塞上螺旋形花键的作用，进气凸轮轴相对于凸轮轴正时齿带轮提前某一个角度。当凸轮轴正时机油控制阀位于如图3-23所示位置时，活塞向左移动，并向延迟的方向旋转。进而凸轮轴正时机油控制阀关闭油道，保持活塞两侧的压力平衡，从而保持配气相位，由此便得到理想的配气正时。机油控制阀内阀的位置由发动机ECU输出电压的占空比控制。

图3-20 VVT-i控制器

图3-21 凸轮轴正时机油控制阀

图3-22 正时提前

3.5.4 配气机构的拆装要点

图3-23 正时延长

配气机构的拆卸顺序通常是:首先从汽缸盖上拆下摇臂轴总成，然后拆正时齿形带、凸轮轴及其正时齿轮总成，最后从汽缸盖上拆下气门组的零件。配气机构的安装顺序与拆卸顺序正好相反，但一定要保证正时记号的对准。装配时，在零件的摩擦表面涂抹机油。

气门与气门座是成对配研的，安装时不得错乱。另外，挺柱与挺柱导向孔经过磨合，彼此已经相适，安装时千万不要错乱。

3.5.5 汽缸压缩压力的检测

1.汽缸压缩压力的检测方法

用压力表可测量并记录压缩行程上止点汽缸的压缩压力。测量结束后，按下压力表的放气阀，表针便从所指示的最高压力处回到“0”位。

测量时，应使发动机运转至正常温度(水温80～90℃)后熄火进行。汽油机需要拆除全部火花塞，将节气门全开，关闭所有用电设备(如果是电控发动机则断开曲轴位置传感器连接线)，不让油泵工作，然后把汽缸压力表软管的头部旋入火花塞孔(有些是把锥形橡皮头用手压紧在火花塞上)，用启动机转动曲轴3～5s(曲轴转速为150～180r/min)，记录下压力表指示的读数。柴油机可将压力表接在喷油器安装孔上，转速在500r/min时测定。各缸测量次数不少于2次，取平均值。以发动机的海拔高度处在海平面时为准。

2.检测结果对比分析

(1)测得结果如低于原厂规定标准，可向该缸火花塞(或喷油器)孔内注入20～30ml机油，然后重测一次汽缸压力，如果:第二次测出的压力比第一次高，接近于标准压力，则表明活塞汽缸组密封不良;第二次测出的压力与第一次差不多，则表明是气门或汽缸垫密封不良;相邻两缸两次检测的压力都很低，则表明是两缸相邻处的汽缸垫烧损窜气。

(2)测得的结果如高于原厂规定标准，说明是汽缸内积炭过多，或其他原因造成压缩比增大，引起的压缩压力增大。

3.5.6 配气机构异响

1.凸轮轴响

1)现象

(1)在发动机上部发出有节奏较沉重的“嗒嗒嗒”的响声。

(2)中速时响声明显，高速时响声杂乱或消失。

2)原因

(1)凸轮轴轴向间隙过大，产生轴向窜动。

(2)凸轮轴有弯扭变形。

(3)凸轮工作表面磨损。

(4)凸轮轴轴颈磨损，径向间隙过大。

3)诊断与排除

(1)检查凸轮轴轴向间隙，如其轴向间隙过大，则应更换止推板，严重时应更换凸轮轴。

(2)如凸轮轴轴向间隙正常，则表明有凸轮轴弯扭变形、凸轮磨损或凸轮轴轴颈磨损等不良现象，此时应分解配气机构，查明具体原因，视情况更换凸轮轴。

2.气门脚响

1)现象

(1)发动机怠速时，汽缸盖罩内发出清脆有节奏的“嗒嗒嗒”的响声。

(2)发动机转速升高，响声增大。

(3)发动机温度变化或做断火试验，响声不变。

2)原因

(1)气门间隙调整不当。

(2)气门杆尾端与气门间隙调整螺钉磨损。

(3)气门间隙调整螺钉的锁紧螺母松动。

(4)凸轮磨损或摇臂圆弧工作面磨损。

3)诊断与排除

(1)拆下汽缸盖罩，检查气门间隙调整螺钉的锁紧螺母是否松动，检查气门间隙值，并视情重新调整。

(2)检查气门杆尾部端面和调整螺钉的磨损情况，必要时更换气门或调整螺钉。

(3)检查凸轮与摇臂圆弧工作面的磨损情况，视情况更换凸轮轴或摇臂。

3.气门弹簧响

1)现象

(1)发动机怠速时有明显的“嚓嚓嚓”的响声。

(2)各转速下均有清脆的响声，多根气门弹簧不良，机体有震抖现象。

2)原因

气门弹簧过软或折断。

3)诊断与排除

(1)拆下汽缸盖罩，用旋具撬住气门弹簧，若弹簧折断可明显地看出，此时应予以更换。

(2)用旋具撬住气门弹簧，怠速运转发动机，若响声消失，即为该弹簧过软，弹簧如过软，必须更换。

4.气门座圈响

1)现象

(1)有节奏的类似气门脚响，但比气门脚响的声音大很多。

(2)发动机转速一定时，响声时大时小，并伴有破碎声。

(3)发动机中低速运转时，响声较清脆，高速时响声增大且变得杂乱。

2)原因

(1)选用材料不当，受热后易产生变形而松旷。

(2)镶配时，选择过盈量不当，造成松旷，在工作中冲击振动而松脱，导致与座孔碰撞。

3)诊断与排除

(1)拆下汽缸盖罩，经检查不是气门脚响和气门弹簧响，即可断定为气门座圈响。

(2)分解配气机构后进一步检查，必要时铰削气门座圈座孔，更换松动的气门座圈，并保证其压入后有足够的过盈量。

5.液力挺柱响

1)故障现象

发动机运转时，会出现有节奏的“嗒嗒嗒”的响声，发动机怠速运转时响声明显，中速以上时减弱或消失。

2)原因分析

(1)发动机机油的油面过高或过低，致使有气泡的机油进到液力挺柱中，形成弹性体而产生噪声。

(2)机油压力低，机油泵、集滤器损坏或破裂。

(3)液力挺柱失效。

(4)使用质量低劣的机油。

3)诊断与排除

(1)拆卸油底壳，检查更换机油泵、集滤器，调整机油液面或更换机油。

(2)拆检配气机构，更换液压挺柱或气门导管。

6.气门漏气

气门漏气是指气门与气门座工作面密封不良，产生气体渗漏，导致汽缸压力下降。

1)现象

发动机出现启动困难、进气管回火、排气管放炮、冒烟、燃油消耗增加以及异响等现象。

2)原因

(1)气门与气门座工作面磨损、烧蚀、密封不良而漏气。

(2)气门与气门座工作面有积炭，气门关闭不严而漏气。

(3)气门与气门导管间隙过大，气门杆晃动，导致气门关闭不严而漏气。

(4)气门杆与气门导管发涩或卡住，气门不能上下移动。

(5)气门弹簧失去弹性，或弹簧折断。

3)诊断方法

在排除点火系统、燃料系统故障原因后，尚不能确定故障时，测量汽缸压力或测量进气歧管真空度，可以比较准确地确定该故障。(测量汽缸压力时，气门漏气的汽缸压力较其他汽缸低。)

4)排除方法

拆卸缸盖，对气门组零件进行修理、修磨或更换损坏的气门等零件。