呼吸之道：淺析可變氣門正時/升程技術(shù)

可變氣門正時技術(shù)幾乎已成為當(dāng)今發(fā)動機的標(biāo)準(zhǔn)配置，為了進(jìn)一步挖掘傳統(tǒng)內(nèi)燃機的潛力，工程人員又在此基礎(chǔ)上研發(fā)出可變氣門升程技術(shù)，當(dāng)二者有效的結(jié)合起來時，則為發(fā)動機在各種工況和轉(zhuǎn)速下提供了更高的進(jìn)、排氣效率。提升動力的同時，也降低了油耗水平。

● 配氣相位機構(gòu)的原理和作用

我們都知道，發(fā)動機的配氣相位機構(gòu)負(fù)責(zé)向氣缸提供汽油燃燒做功所必須的新鮮空氣，并將燃燒后的廢氣排出，這一套動作可以看做是人體吸氣和呼氣的過程。從工作原理上講，配氣相位機構(gòu)的主要功能是按照一定的時限來開啟和關(guān)閉各氣缸的進(jìn)、排氣門，從而實現(xiàn)發(fā)動機氣缸換氣補給的整個過程。

那么氣門的原理和作用又應(yīng)該怎么理解呢？我們可以將發(fā)動機的氣門比作是一扇門，門開啟的大小和時間長短，決定了進(jìn)出的人流量。門開啟的角度越大，開啟的時間越長，進(jìn)出的人流量越大，反之亦然。同樣的道理用于發(fā)動機上，就產(chǎn)生了氣門升程和正時的概念。氣門升程就好象門開啟的角度，氣門正時就好象門開啟的時間。以立體的思維觀點看問題，角度加時間就是一個空間的大小，它也決定了在單位時間內(nèi)的進(jìn)、排氣量。

● 可變氣門正時和升程技術(shù)可以使發(fā)動機的“呼吸”更為順暢自然

發(fā)動機的氣門通常由凸輪軸帶動，對于沒有可變氣門正時技術(shù)的普通發(fā)動機而言，進(jìn)、排氣們開閉的時間都是固定的，但是這種固定不變的氣門正時卻很難顧及到發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速和工況時的需要。前面說過發(fā)動機進(jìn)、排氣的過程猶如人體的呼吸，不過固定不變的“呼吸”節(jié)奏卻阻礙了發(fā)動機效率的提升。

如果你參加過長跑比賽，就能深刻體會到呼吸節(jié)奏的把握對體能發(fā)揮的重要性——太急促或刻意的屏息都可能增加疲勞感，使奔跑欲望降低。所以，我們在長跑比賽時往往需要不斷按照奔跑步伐來調(diào)整呼吸頻率，以便時刻為身體提供充足的氧氣。對于汽車發(fā)動機而言，這個道理同樣適用?？勺儦忾T正時和升程技術(shù)就是為了讓發(fā)動機在各種負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下自由調(diào)整“呼吸”，從而提升動力表現(xiàn)，提高燃燒效率。

● 可變氣門正時技術(shù)

前面說過氣門正時控制著氣門的開啟時間，那么VVT（可變氣門正時）技術(shù)是如何工作的呢？它又是怎樣達(dá)到提升效率、節(jié)約燃油的效果呢？

——氣門重疊角對發(fā)動機性能的影響

當(dāng)發(fā)動機處在高轉(zhuǎn)速區(qū)間時，四沖程發(fā)動機的一個工作沖程僅需千分之幾秒，這么短的時間往往會引起發(fā)動機進(jìn)氣不足和排氣不凈，影響發(fā)動機的效率。因此，就需要通過氣門的早開和晚關(guān)，來彌補進(jìn)氣不足和排氣不凈的缺憾。這種情況下，必然會出現(xiàn)一個進(jìn)氣門和排氣門同時開啟的時刻，配氣相位上稱為“氣門重疊角”。

氣門重疊的角度往往對發(fā)動機性能產(chǎn)生較大的影響，那么這個角度多大為宜呢？我們知道，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，每個氣缸一個工作循環(huán)內(nèi)留給吸氣和排氣的絕對時間也越短，因此要達(dá)到更高的充氣效率，就需要延長發(fā)動機的吸氣和排氣時間。顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)速越高時，要求的氣門重疊角度越大。但在低轉(zhuǎn)速工況下，過大的氣門重疊角則會使得廢氣過多的瀉入進(jìn)氣端，吸氣量反而會下降，氣缸內(nèi)氣流也會紊亂，此時ECU也會難以對空燃比進(jìn)行精確的控制，從而導(dǎo)致怠速不穩(wěn)，低速扭矩偏低。相反，如果配氣機構(gòu)只對低轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行優(yōu)化，那么發(fā)動機的就無法在高轉(zhuǎn)速下達(dá)到較高的峰值功率。所以發(fā)動機的設(shè)計都會選擇一個折衷的方案，不可能在兩種截然不同的工況下都達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

所以為了解決這個問題，就要求配氣相位可以根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和工況的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，高低轉(zhuǎn)速下都能獲得理想的進(jìn)、排氣效率，這就是可變氣門正時技術(shù)開發(fā)的初衷。

——工作原理

雖然可變氣門正時技術(shù)在各個廠商的稱謂略有不同，但是實現(xiàn)的方式卻大同小異。以豐田的VVT-i技術(shù)為例，其工作原理為：該系統(tǒng)由ECU協(xié)調(diào)控制，發(fā)動機各部位的傳感器實時向ECU報告運轉(zhuǎn)情況。由于在ECU中儲存有氣門最佳正時參數(shù)，所以ECU會隨時對正時機構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而改變氣門的開啟和關(guān)閉時間，或提前、或滯后、或保持不變，下面這段視頻則清楚的展示了VVT機構(gòu)的工作原理。

簡單的說，VVT系統(tǒng)就是通過在凸輪軸的傳動端加裝一套液力機構(gòu)，從而實現(xiàn)凸輪軸在一定范圍內(nèi)的角度調(diào)節(jié)，也就相當(dāng)于對氣門的開啟和關(guān)閉時刻進(jìn)行了調(diào)整。

VVT-i

VVT-i.系統(tǒng)是豐田公司的智能可變氣門正時系統(tǒng)的英文縮寫。近幾十年來，基于提高汽車發(fā)動機動力性、經(jīng)濟(jì)性和降低排污的要求，許多國家和發(fā)動機廠商、科研機構(gòu)投入了大量的人力、物力進(jìn)行新技術(shù)的研究與開發(fā)。目前，這些新技術(shù)和新方法，有的已在內(nèi)燃機上得到應(yīng)用，有些正處于發(fā)展和完善階段，有可能成為未來內(nèi)燃機技術(shù)的發(fā)展方向。

　 豐田VVT-i發(fā)動機的ECM在各種行駛工況下自動搜尋一個對應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量、節(jié)氣門位置和冷卻水溫度的最佳氣門正時，并控制凸輪軸正時液壓控制閥，并通過各個傳感器的信號來感知實際氣門正時，然后再執(zhí)行反饋控制，補償系統(tǒng)誤差，達(dá)到最佳氣門正時的位置，從而能有效地提高汽車的功率與性能，盡量減少耗油量和廢氣排放。

發(fā)動機可變氣門正時技術(shù)（VVT，Variavle Valve Timing）是近些年來被逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代轎車上的新技術(shù)中的一種，發(fā)動機采用可變氣門正時技術(shù)可以提高進(jìn)氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動機的扭矩和功率可以得到進(jìn)一步的提高。

i-VTEC

我們最熟悉的可變氣門升程系統(tǒng)可能非本田的i-vtec莫屬了，本田也是最早將可變氣門升程技術(shù)發(fā)揚光大的廠商。本田的可變氣門升程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理并不復(fù)雜，工程師利用第三根搖臂和第三個凸輪即實現(xiàn)了看似復(fù)雜的氣門升程變化。

當(dāng)發(fā)動機在中、低轉(zhuǎn)速時，三根搖臂處于分離狀態(tài)，普通凸輪推動主搖臂和副搖臂來控制兩個進(jìn)氣門的開閉，氣門升量較小。此時雖然中間凸輪也推動中間搖臂，但由于搖臂之間是分離的，所以兩邊的搖臂不受它控制，也不會影響氣門的開閉狀態(tài)。

發(fā)動機達(dá)到某一個設(shè)定的轉(zhuǎn)速時，電腦即會指令電磁閥啟動液壓系統(tǒng)，推動搖臂內(nèi)的小活塞，使三根搖臂鎖成一體，一起由高角度凸輪驅(qū)動，這時氣門的升程和開啟時間都相應(yīng)的增大了，使得單位時間內(nèi)的進(jìn)氣量更大，發(fā)動機動力也更強。這種在一定轉(zhuǎn)速后突然的動力爆發(fā)極大的提升了駕駛樂趣。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速降到某一轉(zhuǎn)速時，搖臂內(nèi)的液壓也隨之降低，活塞在回位彈簧作用下退回原位，三根搖臂分開。

點評：這項技術(shù)在本田車型上的普及度較高，但是分段式的氣門調(diào)節(jié)方式還是令發(fā)動機的動力輸出不夠線性。

MIVEC

MIVEC全稱為“Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system”，中文解釋為三菱智能可變氣門正時與升程管理系統(tǒng)。

裝備MIVEC系統(tǒng)的發(fā)動機與普通發(fā)動機一樣采用每缸四氣門，兩進(jìn)兩排的設(shè)計，但不同的是它可以控制每缸兩個進(jìn)氣門的開閉大小。如在低速行駛時，MIVEC系統(tǒng)發(fā)出指令此時兩個進(jìn)氣門中的其中一個升程很小，這時基本就相當(dāng)于一臺兩氣門發(fā)動機。由于只有一個進(jìn)氣門工作，吸入的空氣不會通過汽缸中心，所以能產(chǎn)生較強的進(jìn)氣渦流，對于低速行駛，尤其是冷車怠速條件下能增大燃燒速率，使燃燒更充分從而也大大提高了經(jīng)濟(jì)性。在我們?nèi)粘Ｐ熊囍?，?jīng)常會遇到這種情況，比如堵車時，這時裝備了MIVEC系統(tǒng)的發(fā)動機比普通發(fā)動機能節(jié)省不少的燃料。

而另一種情況就是當(dāng)我們需要加速或高轉(zhuǎn)速行駛時，這時MIVEC系統(tǒng)會讓兩個進(jìn)氣門同時以同樣的最大升程開啟，這時的進(jìn)氣效率能顯著提高，令發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時能有充足的儲備。

當(dāng)然MIVEC并不是只有這兩種可變的工作狀態(tài)，它可以根據(jù)各傳感器傳來的發(fā)動機工況信號來適時調(diào)整最合理的配氣正時，總而言之mivec可以令發(fā)動機時刻處在最佳燃燒狀態(tài)。

Valvetronic

BMW的Valvetronic系統(tǒng)在傳統(tǒng)的配氣相位機構(gòu)上增加了一根偏心軸，一個步進(jìn)電機和中間推桿等部件，該系統(tǒng)借由步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)，再在一系列機械傳動后很巧妙的改變了進(jìn)氣門升程的大小。

當(dāng)凸輪軸運轉(zhuǎn)時，凸輪會驅(qū)動中間推桿和搖臂來完成氣門的開啟和關(guān)閉。當(dāng)電機工作時，蝸輪蝸桿機構(gòu)會首先驅(qū)動偏心軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，然后中間推桿和搖臂會產(chǎn)生聯(lián)動，偏心軸旋轉(zhuǎn)的角度不同，最終凸輪軸通過中間推桿和搖臂頂動氣門產(chǎn)生的升程也會不同。在電機的驅(qū)動下，進(jìn)氣門的升程可以實現(xiàn)從0.18mm到9.9mm之間的無級變化。

BMW的Valvetronic技術(shù)已經(jīng)覆蓋了旗下的多款發(fā)動機，包括目前陸續(xù)推出的渦輪增壓新動力。該技術(shù)能夠讓發(fā)動機對駕駛者的意圖做出更迅捷的反饋，同時通過發(fā)動機管理系統(tǒng)對氣門升程的精確控制，實現(xiàn)了車輛在各種工況和負(fù)荷下的最佳動力匹配。

點評：BMW的這項技術(shù)已經(jīng)十分成熟，而且通過不斷的優(yōu)化，Valvetronic技術(shù)也突破了轉(zhuǎn)速的限制，可以應(yīng)用在M-power的V8雙渦輪增壓發(fā)動機上。如何保證在正確的時間使氣門升程處在合適的位置是這項技術(shù)的最大難點，不過它的確做到了對發(fā)動機進(jìn)行更為精準(zhǔn)和細(xì)致的調(diào)控管理。

Double-VANOS

Double-VANOS:雙凸輪軸可變氣門正時系統(tǒng)。

Double-VANOS是由BMW開發(fā)的雙凸輪軸可變氣門正時系統(tǒng)，這是寶馬技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域中的又一項成就：Double-VANOS雙凸輪軸可變氣門正時系統(tǒng)根據(jù)油門踏板和發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制扭矩曲線，進(jìn)氣和排氣氣門正時則根據(jù)凸輪軸上可控制的角度按照發(fā)動機的運行條件進(jìn)行無級的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。 　

在低發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，移動凸輪軸的位置，使氣門延時打開，提高怠速質(zhì)量并改進(jìn)功率輸出的平穩(wěn)性。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加時，氣門提前打開：增強扭矩，降低油耗并減少排放。高發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，氣門重新又延時打開，為全額功率輸出提供條件。

Double-VANOS雙凸輪軸可變氣門正時系統(tǒng)還控制循環(huán)返回進(jìn)氣歧管的廢氣量以增強燃油經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)在發(fā)動機預(yù)熱階段使用一套專用參數(shù)以幫助三元催化轉(zhuǎn)換器更快達(dá)到理想工作溫度并降低排放。整個過程由車輛的汽油發(fā)動機電子控制系統(tǒng)（DME）控制。

雙VVT

市面上的絕大部分氣門正時系統(tǒng)都可以實現(xiàn)進(jìn)氣門正時在一定范圍內(nèi)的無級可調(diào)，而一部分發(fā)動機在排氣門也配備了VVT系統(tǒng)，從而在進(jìn)、排氣門都實現(xiàn)了氣門正時無級可調(diào)（也就是D-VVT，雙VVT技術(shù)），進(jìn)一步優(yōu)化了燃燒效率。

傳統(tǒng)的VVT技術(shù)通過合理的分配氣門開啟的時間確實可以有效提高發(fā)動機的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，但是這項技術(shù)也有局限性和自身的瓶頸。不過在此基礎(chǔ)上，通過引入可變氣門升程技術(shù)可以彌補VVT的缺憾，從而使發(fā)動機的呼吸更為順暢、自然。

我們都知道，發(fā)動機實質(zhì)的動力表現(xiàn)是取決于單位時間內(nèi)氣缸的進(jìn)氣量。前面說過，氣門正時代表了氣門開啟的時間，而氣門升程則代表了氣門開啟的大小。從原理上看，可變氣門正時技術(shù)也是通過改變進(jìn)氣量來改善動力表現(xiàn)的，但是氣門正時只能提前或者推遲氣門開啟的時間，并不能有效改善氣缸內(nèi)單位時間的進(jìn)氣量，因此對于發(fā)動機動力性的幫助是有限的。如果氣門升程大小也可以針對發(fā)動機不同的工況和轉(zhuǎn)速實時調(diào)節(jié)的話，那么就能提升發(fā)動機在各種情況下的動力性能。

VVEL

英菲尼迪的VVEL系統(tǒng)的工作原理與BMW的Valvetronic類似，但在結(jié)構(gòu)上稍有不同。VVEL系統(tǒng)使用一套螺套和螺桿的組合實現(xiàn)了氣門升程的連續(xù)可調(diào)。在系統(tǒng)工作時，電機通過ECU信號控制螺桿和螺套的相對位置，螺套則帶動搖臂、控制桿等部件，最終改變氣門升程的大小。

搖臂通過偏心輪套在控制桿上，而控制桿可以在電機的帶動下旋轉(zhuǎn)一定角度。當(dāng)發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速或者大負(fù)荷時，電機帶動螺桿轉(zhuǎn)動，套在螺桿上的螺套也會產(chǎn)生相應(yīng)的橫向移動，與螺套聯(lián)動的機構(gòu)使得控制桿逆時針或順時針發(fā)生旋轉(zhuǎn)。由于搖臂套在控制桿的偏心輪上，因此搖臂的旋轉(zhuǎn)中心也會隨之上升或下降，從而達(dá)到改變氣門升程的目的。雖然整個機構(gòu)看起來比較復(fù)雜，摩擦副也相對較多，但由于系統(tǒng)中的搖臂，控制桿和螺套等都是剛性連接，沒有彈簧類的回位機構(gòu)，使得VVEL系統(tǒng)即使在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速情況下也無需考慮慣性的問題。

點評：英菲尼迪的這項技術(shù)的原理與BMW的Valvetronic可謂大同小異，也是實現(xiàn)了對發(fā)動機的動力輸出做出更為綿密細(xì)致的調(diào)節(jié)，不過這項技術(shù)還只是應(yīng)用在日產(chǎn)旗下的高端車型上。

AVS

奧迪的AVS可變氣門升程系統(tǒng)在設(shè)計理念上與本田的i-VTEC有著異曲同工之妙，只是在實施手段上略有不同。這套系統(tǒng)為每個進(jìn)氣門設(shè)計了兩組不同角度的凸輪，同時在凸輪軸上安裝有螺旋溝槽套筒。螺旋溝槽套筒由電磁驅(qū)動器加以控制，用以切換兩組不同的凸輪，從而改變進(jìn)氣門的升程。

發(fā)動機在高負(fù)載的情況下，AVS系統(tǒng)將螺旋溝槽套筒向右推動，使角度較大的凸輪得以推動氣門。在此情況下，氣門升程可達(dá)到11毫米，以提供燃燒室最佳的進(jìn)氣流量和進(jìn)氣流速，實現(xiàn)更加強勁的動力輸出。當(dāng)發(fā)動機在低負(fù)載的情況下，為了追求發(fā)動機的節(jié)油性能，此時AVS系統(tǒng)則將凸輪推至左側(cè)，以較小的凸輪推動氣門。

這套系統(tǒng)中還有一個設(shè)計細(xì)節(jié)需要注意，那就是兩個進(jìn)氣門無論是在普通凸輪還是高角度凸輪下的相位和升程是有差別的，也就是說兩個進(jìn)氣門開啟和關(guān)閉的時間以及升程并不相同。這種不對稱的進(jìn)氣設(shè)計是為了讓空氣在流經(jīng)兩個進(jìn)氣門后，同時配合特殊造型的燃燒室和活塞頭，可以令混合氣在氣缸內(nèi)實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和紊流，進(jìn)一步優(yōu)化混合氣的狀態(tài)。

奧迪AVS可變氣門升程系統(tǒng)在發(fā)動機700至4000轉(zhuǎn)之間工作，當(dāng)發(fā)動機處于中間轉(zhuǎn)速區(qū)域進(jìn)行定速巡航時，AVS系統(tǒng)可以為車輛提供很好的節(jié)油效果。

點評：奧迪這套系統(tǒng)的氣門升程依然是兩段式的，沒有做到氣門升程的無級調(diào)節(jié)，所以對進(jìn)氣流量的控制還不夠精確。然而一個巧妙之處在于對同一氣缸內(nèi)兩個進(jìn)氣門采用不同步的開啟和關(guān)閉時間，從而實現(xiàn)油、氣的充分混合。

Multiair

菲亞特的Multiair電控液壓進(jìn)氣系統(tǒng)相比寶馬的Valvetronic和英菲尼迪的VVEL的結(jié)構(gòu)來說比較復(fù)雜，而且復(fù)雜的配氣機構(gòu)也會在一定程度上增加制造成本。然而菲亞特的Multiair電控液壓進(jìn)氣系統(tǒng)卻采用了一種相對獨特的手段實現(xiàn)了氣門升程的無級調(diào)節(jié)，在技術(shù)上可謂另辟蹊徑。

Multiair最大的特點就是開創(chuàng)性的使用了電控液壓控制系統(tǒng)來驅(qū)動氣門的正時和升程，雖然發(fā)動機為每缸4氣門的結(jié)構(gòu)，但是卻取消了進(jìn)氣門一側(cè)凸輪軸，排氣門側(cè)的凸輪軸通過液壓機構(gòu)來驅(qū)動進(jìn)氣門。

Multiair系統(tǒng)的工作原理要直接得多，而且結(jié)構(gòu)相對簡單。進(jìn)氣門上方設(shè)計有活塞和液壓腔，液壓腔一端與電磁閥相連，電磁閥則通過ECU信號，根據(jù)工況的不同適時調(diào)節(jié)流向液壓腔內(nèi)的油量。由凸輪軸驅(qū)動的活塞通過推動液壓腔內(nèi)的油液，控制氣門的開啟。系統(tǒng)只需要控制液壓腔內(nèi)的油量的多少即可以完成對氣門升程的無級可調(diào)。

簡單的結(jié)構(gòu)不僅可以減小整個配氣機構(gòu)的慣性，而且在高速運轉(zhuǎn)時，能量的損失也更小，而且電控加液壓的配合方式還讓Multiair系統(tǒng)擁有極快的響應(yīng)速度，因此可以實現(xiàn)在一個沖程內(nèi)多次開啟氣門的模式，使得在怠速和低負(fù)荷工況下?lián)碛懈叩娜紵?。然而Multiair最大的優(yōu)勢在于成本，由于配氣機構(gòu)相對簡單，整套Multiair系統(tǒng)也不需要太高的成本，因此這項技術(shù)可以更好的向中低端車型覆蓋。

點評：這項技術(shù)的設(shè)計可謂大膽和創(chuàng)意十足，取消了傳統(tǒng)的凸輪軸機械傳動方式，通過液壓系統(tǒng)來完成對氣門升程的調(diào)節(jié)，但是這也對電控液壓機構(gòu)的可靠性提出了更高的要求。