淺析可變氣門正時/升程技術(shù)

　　VVTi，i-Vtec和VVEL等各種可變氣門技術(shù)相信大家都有所了解，基本上，目前市面上新車所搭載的絕大部分發(fā)動機都或多或少的使用了可變氣門技術(shù)。可能大家也都知道可變氣門技術(shù)都可以有效提升發(fā)動機動力并節(jié)省油耗，但是它們都是通過什么原理實現(xiàn)的呢？

　　我們都知道，發(fā)動機的配氣機構(gòu)負(fù)責(zé)向汽缸提供汽油燃燒做功做必須的新鮮空氣，并將燃燒后的廢氣排除出去，這一套動作的工作原理可以看做是動物呼吸器官的吸氣和呼氣。從工作原理上講，配氣機構(gòu)的主要功能是按照一定時限自動開啟和關(guān)閉各氣缸的進、排氣門，從而使空氣及時通過進氣門向氣缸內(nèi)供給新鮮空氣或者可燃混合氣，并且及時將燃燒做功后形成的廢氣從排氣門排出，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應(yīng)該怎么理解呢？我們將發(fā)動機的氣門比作是一扇門，門的開啟的大小和時間長短，決定了進出入的人流量。門開啟的角度越大，開啟時間越長，進出入的人流量越大，門開啟的角度越小，開啟時間越短，進出入的人流量就越少。在電影院入場看戲時，需要觀眾挨個驗票進場，因此就要控制大門的開啟角度，有些匣道還設(shè)置欄桿，象地鐵出入口一樣。在劇院散場時要盡快疏散觀眾，就要撤除匣道欄桿，將大門完全打開。

　　大門開啟角度和時間決定人流量，這非常容易理解。同樣的道理用于發(fā)動機上，就產(chǎn)生了氣門升程和正時以及可變進氣歧管的概念。氣門升程就好象門開啟的角度，正時就好象門開啟的時間，而進氣歧管就是匣道欄桿。以立體的思維觀點看問題，角度加時間就是一個容積空間的大小，它的大小則決定了耗油量。

　　發(fā)動機氣門是由曲軸通過凸輪軸帶動的，氣門的配氣正時則是由凸輪決定的。對于沒有可變氣門正時技術(shù)的普通發(fā)動機而言，進排氣們開閉時間都是固定的，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)速工況時的工作需要。前面我們說過發(fā)動機的進、排氣猶如人體的呼吸，不過機械化的“呼吸”過程卻并不能使發(fā)動機的做功效率有任何提升。

　　如果你參加過長跑比賽，就能深刻體會到呼吸的快慢以及長短對體能發(fā)揮的影響——太急促或刻意的屏息都有可能增加疲勞感，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，以便隨時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。而可變進氣技術(shù)就是為了讓發(fā)動機能夠根據(jù)不同的負(fù)載情況的能夠自由調(diào)整“呼吸”，從而提升動力表現(xiàn)，使燃燒更有效率。

　　回到正題上，前面我們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？它又是怎樣實現(xiàn)提升效率節(jié)約燃油的效果呢？

　　由于發(fā)動機工作時的轉(zhuǎn)速很高，四沖程發(fā)動機的一個工作行程僅需千分之幾秒，這么短促的時間往往會引起發(fā)動機進氣不足，排氣不凈，造成功率下降。因此，就需要利用氣流的進氣慣性，氣門要早開晚關(guān)，以滿足滿足進氣充足，排氣干凈的要求。

　　這種情況下，必然會出現(xiàn)一個進氣門和排氣門同時開啟的時刻，配氣相位上稱為“重疊階段”。重疊持續(xù)的相對時程可以用此間活塞運行配氣相位的相對角度來衡量，這樣就可以拋開轉(zhuǎn)速，把它作為系統(tǒng)的固有特性來看待了。

　　這種重疊的角度通常都很小，可是對發(fā)動機性能的影響卻相當(dāng)大。那么這個角度多大為宜呢？我們知道，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，每個汽缸一個周期內(nèi)留給吸氣和排氣的絕對時間也越短，因此想要達(dá)到較好的充氣效率，這時發(fā)動機需要盡可能長的吸氣和排氣時間。顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)速越高時，要求的重疊角度越大。也就是說，如果配氣機構(gòu)的設(shè)計是對高轉(zhuǎn)速工況優(yōu)化的，發(fā)動機容易在較高的轉(zhuǎn)速下，獲得較大的峰值功率。

但在低轉(zhuǎn)速工況下，過大的重疊角則會使得廢氣過多的瀉入進氣岐管，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)速工況優(yōu)化，發(fā)動機的就無法在高轉(zhuǎn)速下達(dá)到較高的峰值功率。所以傳統(tǒng)的發(fā)動機都是一個折衷方案，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，就要求配氣相位角大小可以根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的不同進行調(diào)節(jié)，高低轉(zhuǎn)速下都可以獲得理想的進氣量從而提升發(fā)動機燃燒效率，這就是可變氣門正時技術(shù)開發(fā)的初衷。在低速和怠速工況下，系統(tǒng)縮小進排氣時間使得配氣相位的重疊角減小，從而改善低速下的扭矩表現(xiàn)，而高速下則適當(dāng)增加配氣相位重疊角以提高提升馬力。

　　雖然可變氣門正時技術(shù)在各個廠商的稱謂都各不相同，但是實現(xiàn)的方式大多大同小異，以豐田的VVT-i技術(shù)為例，其工作原理為：系統(tǒng)由ECU協(xié)調(diào)控制，來自發(fā)動機各部位的傳感器隨時向ECU報告運轉(zhuǎn)工況。由于在ECU中儲存有氣門最佳正時參數(shù)，所以ECU會隨時控制凸輪軸正時控制液壓閥，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)整氣門的開啟時間，或提前，或滯后，或保持不變。

　　市面上的大部分氣門正時系統(tǒng)都可以實現(xiàn)進氣門氣門正時在一定范圍內(nèi)無級可調(diào)，而少數(shù)發(fā)動機還在排氣門也配備了VVT系統(tǒng)，從而在進排氣門都實現(xiàn)氣門正時無級可調(diào)(就是D-VVT，雙VVT技術(shù))，進一步優(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)動機效率和經(jīng)濟性，但是對發(fā)動機性能的提升卻作用不大，下面將要介紹的可變氣門升程技術(shù)則可以彌補這個不足。

　　我們都知道，發(fā)動機的實質(zhì)動力表現(xiàn)是取決與單位時間內(nèi)汽缸的進氣量的，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)也是通過改變進氣量來改善動力表現(xiàn)的，但是氣門正時只能增加或者縮小氣門開啟時間，并不能有效改善汽缸內(nèi)單位時間的進氣量，因此對于發(fā)動機動力性的幫助并不大。

　　而如果氣門開啟大小(氣門升程)也可以時間可變調(diào)節(jié)的話，那么就可以針對不同的轉(zhuǎn)速使用合適的氣門升程，從而提升發(fā)動機在各個轉(zhuǎn)速內(nèi)的動力性能，這就是和VVT技術(shù)相輔相承的可變氣門升程技術(shù)。

　　可變氣門升程技術(shù)可以在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下匹配合適的氣門升程，使得低轉(zhuǎn)速下扭矩充沛，而高轉(zhuǎn)速時馬力強勁。低轉(zhuǎn)速時系統(tǒng)使用較小的氣門升程，這樣有利于增加缸內(nèi)紊流提高燃燒速度，增加發(fā)動機低速輸出扭矩，而高轉(zhuǎn)速時使用較大的氣門升程則可以顯著提高進氣量，進而提升高轉(zhuǎn)速時的功率輸出。

　　我們最熟悉的可變氣門升程系統(tǒng)無疑就是本田的i-vtec技術(shù)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)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)動機達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)就會控制連桿將兩個進氣搖臂和那個特殊搖臂連接為一體，此時三個搖臂就會同時被高角度凸輪驅(qū)動，而氣門升程也會隨之加大，單位時間內(nèi)的進氣量更大，從而發(fā)動機動力更強。這種在一定轉(zhuǎn)速后突然的動力爆發(fā)也能夠增加駕駛樂趣，缺點則是動力輸出不夠線性。

　　而隨后像奧迪，三菱和豐田等廠商也都研發(fā)出了自己的可變氣門升程技術(shù)，它同樣是通過增加凸輪軸上的凸輪來實現(xiàn)了氣門升程的分段可調(diào)。

　　而在近幾年，日產(chǎn)和寶馬則以更為精巧的設(shè)計率先推出了自己的連續(xù)可變氣門升程技術(shù)，實現(xiàn)了氣門升程的無級可調(diào)。日產(chǎn)的VVEL技術(shù)為例，工程師在驅(qū)動氣門運動的搖臂增加了一組螺桿(螺栓)和螺套(螺母)，螺套由一根連桿與控制桿相連，連桿又和一個搖臂和控制桿相連帶動氣門頂端的凸輪。

　　螺套的橫向移動可以帶動控制桿轉(zhuǎn)動，控制桿轉(zhuǎn)動時上面的搖臂隨之轉(zhuǎn)動，而搖臂又與link B(連桿B)相連，搖臂逆時針轉(zhuǎn)動時就會帶動link B去頂氣門挺桿上端的輸出凸輪，最后輸出凸輪就會頂起氣門來改變氣門升程。而日產(chǎn)就是通過這么一套簡單的連桿和螺桿的組合實現(xiàn)了氣門升程的連續(xù)可調(diào)。

　　相比分段可調(diào)的i-vtec技術(shù)，連續(xù)可變的氣門升程不僅提供全轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)更強的動力，也使得動力的輸出更加線性,這項技術(shù)最先就被裝備在G37的VQ37VHR發(fā)動機上，而VQ37VHR也是2008年沃德十佳發(fā)動機的得主。

　　此外，寶馬的Valvetronic技術(shù)同樣是依靠改變搖臂結(jié)構(gòu)來控制氣門升程的，同樣可以實現(xiàn)氣門升程無級可調(diào)，只是連桿搖臂的設(shè)計思路截然不同。此外，目前的可變氣門升程技術(shù)的運用基本還只停留在進氣端，因此可變氣門升程技術(shù)在未來還擁有很大的提升空間。

　　結(jié)語：

　　我們所熟悉的可變氣門正時技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)得到了普遍運用，各個廠商叫法不同但是技術(shù)上大同小異。不過，可變氣門升程技術(shù)則還是少數(shù)幾家廠商的寶貝技術(shù)，特別是連續(xù)可變氣門升程技術(shù)目前只在少數(shù)高端進口車上使用。而搭配了可變氣門正時和升程技術(shù)之后，無疑可以將發(fā)動機動力、經(jīng)濟性、排放和平順性之間的均衡性提升到一個新的境界，這也將會是自然吸氣發(fā)動機未來的發(fā)展方向。