奥迪气门升程控制系统AVS原理与诊断

2017-12-05许悦

汽车与驾驶维修(维修版) 2017年11期

关键词：滑槽凸轮凸轮轴

许悦

（杭州市市级机关汽车修理服务中心 310004)

奥迪气门升程控制系统AVS原理与诊断

许悦

（杭州市市级机关汽车修理服务中心 310004)

通过以Audi汽车公司的BDX发动机为例，介绍了气门升程控制系统AVS的原理、结构及工作形式。对各个分系统进行了详细的剖析，描述了系统的工作过程，解释了电路结构，说明了系统自诊断功能和故障运行模式，总结了该系统的优缺点。

气门升程控制系统；AVS；凸轮块；滑槽；导销；电磁阀；测量数据块；波形

近二十年来，随着越来越严格的排放法规实施和动力需求的提高，车用发动机的机械结构（尤其是缸盖、配气机构）发生了很大的改变，传统的固定气门交叠角、气门升程的配气机构，已经无法满足车辆对发动机的性能需要。各大汽车公司在缸盖结构与配气机构方面的研发改进是发动机技术发展的主要形式之一，由此出现了多种机构形式。

在气门交叠角控制方面一般是以VVT方式为主流，虽然各家公司叫法不同，但最早成熟推向市场的是丰田公司开发的VVT技术。在气门升程控制方面，目前分为升程全可控和阶段可控两种，由于专利限制、研发困难且成本较高，所以投入市场应用的种类并不多。全可控技术比较有代表性的是宝马公司的Valvetronic技术，日产公司的VVEL可变气门升程技术。而阶段性可控最著名的就是本田公司的VTEC技术，本文所要介绍的Audi的气门升程控制也属于这一类[1]。

Audi公司推出的气门升程阶段可控技术简称AVS，该系统通过进气凸轮轴上低速和高速两种凸轮实现升程的控制，达到低速时良好的经济性及平顺性，高速时拥有更好的动力性。该系统已经应用在多款大众与奥迪车型上，本文以奥迪的2.8 L排量FSI V6发动机BDX为例对该系统的原理功能进行阐述，并对系统的维修诊断进行介绍。

1 总体结构

如图1所示在进气凸轮轴前部是用于可变气门正时控制的凸轮轴相位调节器，与其他发动机的结构和功能类似，而气门升程控制依靠可在凸轮轴上滑动的凸轮块来实现。每个凸轮块上都有对应气门所需的大小凸轮，以实现对气门升程的控制。

传统型的凸轮与凸轮轴由于没有可调能力，凸轮与凸轮轴是过盈配合连接或是整体加工而成[2]。为了要实现大小凸轮的切换，凸轮块必须能够移动，所以凸轮块与凸轮轴表面采用了花键连接，以使凸轮块在凸轮轴上滑动从而实现气门升程的切换。在该款发动机上凸轮块可移动约7.0 mm。后部三角形凸轮则是FSI发动机的高压油泵驱动凸轮。

图1 进气凸轮轴结构

2 凸轮块结构和大小凸轮

图2 AVS机构示意图

如图2所示，凸轮块的移动是依靠两个金属导销来实现的，这两个金属导销布置在气门室盖上，导销的伸出是由电磁阀来控制的，导销与电磁阀一体构成完整的电动控制器。对应两个金属导销，凸轮块上有两条螺旋形滑槽，在某一时刻只有一个导销能够对准滑槽起始端，电磁阀不通电时两个导销均在缩回状态，凸轮块保持一个稳定运行状态。

当需要切换大小凸轮时，初始状态为左侧导销对准滑槽（左侧滑槽起始端图上不可见，右侧导销对准的是滑槽后半段，所以图示是大凸轮工作状态），发动机ECU控制左侧电磁阀通电，左侧导销弹出，插入到螺旋形滑槽中。由于导销是固定的，而凸轮轴在旋转，导销对螺旋滑槽产生推力，从而迫使凸轮块向左侧移动，螺旋滑槽在接近末端时是逐渐变浅直至消失的，最终与滑槽外沿直径相同。旋转至滑槽末端时将导销推回原位（此时电磁阀已断电），从而完成了一次凸轮块移动，此时右侧导销对准了右侧滑槽，为下一次向右移动做好了准备，而左侧导销则无法对准滑槽。

通过两个导销和凸轮块上的滑槽的配合，从而实现凸轮块的左右移动，完成大小凸轮的切换。从导销插入到被推回，只有在非工作状态时才能完成凸轮切换，所以AVS系统需要精确的转角控制，否则会导致金属销撞击凸轮块，干扰正常的气门工作，或导致移位时机械撞击甚至锁死，损坏调节机构。

3 凸轮块锁定与凸轮外形

图3 凸轮块锁止机构

如图3所示在凸轮轴内有一个弹簧加载的钢球，配合凸轮块内侧的凹洞来锁定凸轮块，在凸轮块左右移动时，压迫钢球下沉，移动到位后钢球顶起实现锁定。凸轮块上的轴向轴承同时也有限位作用。

图4 凸轮轴轴向示意图

每个气门分别对应两个凸轮，如图4所示一个凸轮块上有两对凸轮，分别对应一个缸的两个气门，通过切换，能够在中低负荷时使用小升程凸轮实现平稳性和经济性，大负荷时使用大升程凸轮实现大功率。两组凸轮的型线也分别是针对两种工况设计的，以满足不同工况的需求。

这款发动机有一个特点，在小升程时两个气门的开启是不对称的，两个气门升程分别是5.7 mm和2.0 mm，同时两个气门的开启时间也不相同，两个小凸轮的工作角度也存在不同，而较小升程的凸轮与较大升程凸轮的开启时刻是一致的，但关闭时刻较大行程的晚一些，所以两者型线也不同。

小凸轮之所以要这样设计，是可以在中低负荷时使吸入燃烧室的气体呈高流速和旋转运动状态，通过与FSI活塞顶面的特殊形状配合，可以形成圆筒状运动（滚流进气），使喷出的燃油获得更好的混合效果。这款发动机通过这种设计，取消了进气歧管翻板，简化了进气歧管结构。从大小凸轮型线也可以看出，大小凸轮的切换只是改变了气门升程而没有改变气门交叠角，气门交叠角的改变是依靠凸轮轴顶端的相位调整器来实现的，这也是该系统与本田VTEC系统在功能上的区别[3]。

通过不同的凸轮设计，可以使AVS在不同场合发挥不同的功能。比如在涡轮增压发动机上，AVS被首先使用在排气侧，通过大小凸轮转换可以提高低转速时的排气速度，使涡轮增压器能够有更好的低转速响应性。在大排量发动机上，可以使用AVS系统的切换来实现闭缸技术，从而减少排放、提高经济性。

由于采用了凸轮块滑动切换凸轮，总行程只有7.0 mm左右，造成凸轮的宽度变小，所以相应的摇臂滚子宽度也变小，但气门驱动负荷并没有变。所以必须对摇臂滚子进行加强，增大滚针轴承直径和滚针直径，加厚轴承外圈的厚度，以应对增加的负荷。

4 凸轮块的调节机构

凸轮块在凸轮轴上的滑动是依靠导销插入凸轮块上的螺旋滑槽来实现的，导销作为主要作动元件是依靠电磁阀来推动的，导销的插入是有时序和位置要求的，要求导销进入滑槽的速度足够快，因此对这个电磁阀也提出了特别的要求，这就使AVS电磁阀与普通电磁阀有不同之处。

如图5所示，AVS电磁阀没有使用传统结构，其移动机构使用了带有永磁铁的电枢片，其质量比传统衔铁减轻不少，取消了回位弹簧，同时使用了低电阻电磁线圈，激发时产生的电磁场更强大，能够实现导销更快的运动速度。在电磁线圈激发时，导销的加速度可达到100 g，伸出时间为18～22 ms。为了保护电枢片撞击底座时不把磁铁震碎，在电枢片和永磁铁之间有一个软质阻尼环实现缓冲。

在AVS电磁阀通电时，产生的磁场与永磁铁的磁场是相反的，与电枢片上的感应磁场也是相反的，这样能够加快金属销的推出速度。当金属销推出以后，发动机ECU就断开了电磁阀的通电，金属销的位置依靠永磁铁吸附在电磁阀的底座上。随着凸轮块的旋转,导槽的后段利用机械力将金属销顶回，电磁阀实现回位，永磁铁与电磁阀芯部吸引，保证导销不会滑落。在这个过程中由于永磁铁在线圈中的移动从而在电磁线圈中产生电压，该电压被发动机ECU检测到，用来判断凸轮块的移动是否已经完成。

图5 电磁阀工作状态示意图

图6 电磁阀电压波形

如图6所示为AVS电磁阀工作时的电压波形图，根据图片我们可以将整个工作分为以下几个阶段。

(1)图中1位置为发动机电脑控制电磁阀导通。

(2)图中2位置为电磁阀关闭。

(3)图中3位置显示，因为快速关断电磁阀，从而在电磁线圈中产生了反冲电压。

(4)图中4位置为反冲电压被耗散完后归于正常电压。

(5)图中5-7位置是导销被滑槽末段顶回原位的过程，到图中6位置时即已回到原点。

(6)发动机ECU依靠检测图中5-6位置过程中的电压变化实现对整个过程的检测，图中6-7是导销被推回时产生的电压在线圈中耗散的过程。

5 电路控制部分

蓄电池电压通过Montronic继电器J271给AVS电磁阀供电，如图7所示可以看出，电源经主继电器后通过116和118两个共接点分到左右缸线束供给各缸电磁阀，各电磁阀通过发动机控制单元J623控制接地。该电磁阀为低阻型，触发电流可达3 A。各气缸气门升程切换按照点火顺序逐个触发，所以总电流并不大。

6 自诊断

AVS系统具有自诊断功能，可对系统的状态与运行做出自诊断，并做出相应的控制。系统可产生故障存储器内的故障记录，无法进行执行元器件的诊断（无法单独触动元器件），可进行基本设定（测量数据块155如表1所示），更换或维修后无需编码，有可被观测的测量数据块（测量数据块155）。

通过测量数据块155的操作，可以按点火顺序进气凸轮升程切换（从进气小凸轮切换到大凸轮或反之）。升程切换结果可通过以下步骤来检查。

(1)功能04（基本设定）。

(2)输入测量数据块155。

(3)按压“aktivieren”（检测接通按键）来检查。

(4)踩动油门踏板和制动踏板。

(5)发动机转速自动升到约1 000 r/min。

(6)待显示区4显示出“Syst i.O.”（系统正常）字样，等待时间最短5 s，最长40 s。

表1 测量数据块155显示数值

在系统检测到故障情况时，采取以下两种故障运行模式。

(1)如果并非所有气缸都能切换到大行程，那么所有气缸就保持在小行程，此时发动机最高转速被限制在4 000 r/min以下，组合仪表上的EPC灯被点亮，另外可在驾驶员信息系统的显示区看到转速受限的提示，故障存储器会记录一个故障。

(2)如果并非所有气缸都能切换到小行程，那么所有气缸都切换到大升程，故障存储器会记录一个故障，转速并不受限，EPC灯也不会点亮，驾驶员感觉不到功率的减小，但怠速可能会轻微不稳。

7 结束语

Audi公司发动机装备的这套气门升程控制系统AVS以较简单的结构方式实现了阶段气门升程控制，使用小凸轮时可有效降低气门驱动负荷、改善了发动机的燃油经济性[4]，在中低负荷时实现了较好的经济性与稳定性，在大负荷时使用大凸轮实现动力性。兼顾了发动机不同工况下的气门升程需求，有效改善了固定气门升程发动机的固有缺点。

随着缸盖气门配气机构的发展，配气机构复杂度不断增加，体积却不断缩小，给气门升程控制的设计带来了挑战。AVS系统在实现方式上充分发挥了现代电控系统发展所带来的强大能力，采用专门设计的控制器，使凸轮轴的机械结构相对简单，整体结构惯性小、响应性好、系统切换阻力小、结构运行顺滑。

该系统在实际运行中，运转顺畅可靠，故障率低。同时这套系统适装性好，可用于不同的发动机上实现不同的目的，如提高在涡轮增压发动机的排气速度，或实现大排量多缸发动机的闭缸功能。但与气门升程全可控技术相比，这种方式仍然只能算是对传统技术的一种改良，无法有效降低节气门的节流损失，提高充气效率，适应工况的变化也只是两阶段，无法实现发动机全工况的连续调节和适应[5]。