丰田 可变气门正时VVT.docx
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丰田可变气门正时VVT
关于可变气门正时VVT的一点认识
（1）
首先让我们回顾一下和气门正时（valvetiming）有关的问题。
对于一台4冲程发动机，按照很多人的理解，做功冲程末，活塞处于下止点时排气门开始打开，
发动机进入排气冲程，直到活塞到达上止点，排气门关闭，进气门打开，发动机进入吸气冲程。
当活塞正好运行一周重新回到下止点时，进气门关闭，发动机进入压缩冲程。
这样来理解气门
的动作是否正确呢？
差不多是吧。
然而，可能和与人们的直觉不同的是，这样的气门正时效率
并不是最优的。
让我们先来考虑一下排气门开启的时机。
如果比活塞到达下止点提前一点就开启排气门会怎么
样呢？
从直觉上，这时废气仍可推动活塞做功，如果打开排气门开始排气，此时气缸内的压强
就会降低，能量的利用率也就降低了，发动机性能也会随之下降。
是这样吗？
其实也不一定。
我们知道，排气时活塞会压迫废气从而反过来对废气做功，这个过程会消耗一部分发动机已经
获得的能量。
如果在缸内压强相对较高时提前开始排气，排气过程就会更顺畅，从而在排气冲
程减少了能量消耗。
这样，一得一失，怎么才会最合算呢？
考虑到活塞在下止点附近一定角度
内垂直运动距离其实非常短，实际的发动机略微提前打开排气门效果会更好一些。
再来看进气门关闭的时机。
如果在活塞越过下止点一定角度，开始压缩冲程之后再关闭进气门
如何呢？
直观的感觉可能是，这时活塞已经开始上升，刚刚吸入的可燃混合汽岂不是又要被排
出去一部分？
性能会不会下降？
答案是：
只要时机适当，这样做反而可以增加吸气量，改善性
能。
因为在吸气冲程可燃混合汽被活塞抽入汽缸，进气门附近的气流速度可以高达每秒两百多
米，而我们前面说过，在下止点附近活塞的垂直运动相对很慢，汽缸内体积变化并不大。
此时
进气岐管内的可燃混合汽靠惯性继续冲入气缸的趋势还是占了上风。
说到这里，对一些VVT技术有所了解的兄弟可能要不耐烦了：
讲了这么多，和VVT边还没沾呢！
不要急，还没讨论排气门的关闭时机和进气门的开启时机呢：
）这是大家可能都想到了，排气
时同样会形成高速气流，如果排气门也在活塞越过上止点一定角度之后再关闭，虽然活塞已经
开始下降，排气门附近的废气仍就会继续排出。
但是此时进气门不是已经开启了吗？
废气难道
不会涌入进气岐管？
事实上，这又是个时机问题，燃烧室内的废气涡流的方向决定了废气短时
间内是不会流向排气门对侧的进气门的，于是，一边进气一边排气的局面是完全可以实现的。
事情还可以更理想。
由于大部分废气在排气冲程中前期就已排出，并且在排气岐管中形成了高
密度的高速气流，冲向排气管方向。
这部分废气越是远离气缸，对于缸内尚未排出的废气来说，
其需要填充的体积就越大，相应的平均压强也就越低。
低到什么程度？
低到活塞尚未到达上止
点之前，缸内压强可能就已经低于进气岐管内可燃混合汽的压强了。
如此看来，进气门也应当
提前一点开启才好。
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注：
以上关于进气岐管，排气岐管内的气流的评论都属于粗略的理解。
更严格的，应当考虑到
气体密度波动。
前述现象可以用这种波动更科学地解释，气流对汽缸吸气和排气的影响则都与
波长和进气岐管、排气岐管的长度的关系有关。
所以才会有可变进气岐管、可变排气岐管等技
术嘛！
不过，这里我们主要不是要讨论这些技术，所以请允许我化繁为简。
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前边讲到了进气门和排气门同时打开的情况，也就是进气门和排气门的重叠。
重叠持续的相对
时程可以用此间活塞运行的角度来衡量，这样就可以抛开转速，把它作为系统的固有特性来看
待了。
重叠的角度通常都很小，可是对发动机性能的影响却相当大。
那么这个角度多大为宜呢？
我们知道，发动机转速越高，每个汽缸一个周期内留给吸气和排气的绝对时间也越短，但是前
面讲到的进气岐管或排气岐管内的气流也越快。
想想看，这时发动机需要尽可能长的吸气和排
气时间，而且也有有利条件可以利用，还犹豫什么？
只要重叠的角度大一些不就行了？
当然，
也不能太大，前边说了，这里有个时机问题，重叠角度太大肯定也不好，要不干脆让进气门和
排气门同时开闭得了：
）很显然，这个时机是与转速有关的，转速越高，要求的重叠角度越大。
也就是说，如果配气机构的设计是对高转速工况优化的，发动机就容易得到较高的最大转速，
也就容易获得较大的峰值功率。
但在低转速工况下，这样的系统重叠角度肯定就偏大了，废气
就会过多的泻入进气岐管，吸气量反而会下降，气缸内气流也会紊乱，ECU也会难以对空燃比
进行精确的控制，最终的效果是怠速不稳，低速扭矩偏低。
相反，如果配气机构只对低转速工
况优化，发动机的峰值功率就会下降。
所以传统的发动机都是一个折衷方案，不可能在两种截
然不同的工况下都达到最优状态。
说到这里，我们终于和VVT的主题接近一些了。
不过还是再耐心一下，前面讲了半天，都只把
注意力放在发动机的动力性方面了，下面让我们看看重叠角度对发动机的经济性和排放的影响。
可能大家都知道，发动机的油耗转速特性曲线是马鞍形的，转速太高，超过了一定的范围，可
燃混合汽的燃烧就会越发的不充分，发动机的经济性和排放特性都会恶化，尤其如今发达国家
的环保法规日益严格，问题就变得更加严重。
于是，很多厂商就采用复杂的废气再循环（EGR）
装置来改善发动机的高转速经济性和排放。
顾名思义，EGR装置的作用就是吸入部分废气，使
其中的尚未燃烧的可燃物质有机会继续燃烧，部分有害中间产物得以分解。
不难想到，如果此
时将进气门和排气门的重叠角度调得高一点，略微超过原来所说的对动力性来讲最合适的角度
一些，就会有部分废气和新鲜的可燃混合汽混合，提高了发动机的空燃比，使燃烧更充分，排
放更清洁。
大家可能发现了，这简直就是不需要额外装置的EGR技术嘛！
然而很不幸，这种偏
大的重叠角度设置，同样使发动机难以提供令人满意的低转速性能。
好了，现在不用我说，大家也知道为什么我们如此重视VVT技术了吧！
各个厂家的VVT技术千差
万别，共同之处就是都要对气门正时进行调节，使发动机在不同的转速下进气门和排气门能有
不同的重叠角度，从而改善前面说的那些问题。
改变气门正时可以有很多不同的方法，但最主要的无外乎两大类，一类是改变凸轮轴的相位，
再一类就是直接改变凸轮的表面形状。
想想看就知道，改变凸轮的表面形状哪可能容易呢？
所
以第一类VVT比较容易实现些。
孤独艺人2004-7-1611:
44
关于可变气门正时VVT的一点认识
（2）
回到Valvetronic，它依然保留了DoubleVANOS可变进、排气凸轮轴相位的气门正时调节系
统，那么它又是如何实现对气门升程进行连续调节的呢？
BMW为此增加了一种额外的偏心轴，
凸轮轴则又通过一个额外的摇臂系统驱动传统的气门摇臂，并且该附加摇臂与气门摇臂的接触
的角度取决于附加偏心轴的相位。
附加偏心轴的相位可以由一个ECU控制下的调节装置来调整，
从而使附加摇臂的角度发生变化，这样，对于相同的凸轮运动，传递到气门摇臂上的反应就可
以不同，气门的升程也就会相应发生变化。
从BMW的资料看，Valvetronic系统对气门开放时
程的影响应当不大，调节的只是气门升程。
不过，气门开度很小的时候，气体的进出效率是很
低的，如果考察气门开度超过一定程度的持续角度，姑且称之为有效的气体交换时程，通常也
是随气门升程的增加而增加的。
为了限制发动机的复杂度，目前实际应用的Valvetronic系统
在气门升程方面，调整的只是进气门。
尽管理论上类似系统也可以作用于排气门，但那样的话
整个配气机构就过于复杂了。
就目前Valvetronic的发展情况来说，由于参与气门运动的机件
还是太多，高转速下机械能损耗就大，不利于提高发动机的最大转速。
所以在提高升功率方面，
Valvetronic的表现是不及一些诸如VTEC之类的更简单的气门升程调节系统的，它的优势在于
综合能力，在于发动机经济性的提高。
如果说VVTL-i、i-VTEC和VarioCamPlus是融合了第一类和第二类VVT的话，Valvetronic在
可变气门升程方面采用的方式似乎可以看作是独辟蹊径的第三条道路。
还有其他的VVT吗？
有。
BMW的工程师强调对气门升程进行调节，Rover的工程师则选择了气门的开放时程作为调整的
目标。
在RoverVVC中，由于凸轮可以受设计独特的偏心轮驱动，其转动并非匀速，这样一来，
在调整气门正时的同时，气门的开放时程也发生了改变，尽管升程并没有变化。
VVC系统相当
复杂，我也没见过具体的结构图，对其具体原理也不太清楚，只知道它通常只用于调节进气门，
而且可以做到连续的改变进气门正时和开放时程。
疯狂的英国人！
本文写到这里，还从来没有提到Mercedes-Benz发动机的VVT技术呢，很多人会
感到奇怪了吧？
其实尽管Mercedes-Benz发明了无数的电子技术，各种新配置总是层出不穷，
D-C在发动机方面却一贯比较保守，目前为止，它的确在VVT领域走在了后面，大部分车型的
发动机实在是乏善可陈，还是多年未变的每缸三气门SOHC结构，也没有使用任何VVT技术。
所
以，Mercedes-Benz车在同级车中往往是升功率偏小，动力一般，油耗不低。
然而世事无绝对，
最近我也注意到，在新款CLK等车型上，D-C也在暗暗的抛出猛料。
不但顺应主流，改为使用
四气门DOHC结构，什么汽油直喷，双火花塞，VVT全都一下子冒了出来。
永远不要低估D-C的
技术储备，它的VVT是和Valvetronic一个水平的：
两个凸轮轴的运动通过三个摇臂系统复合
在一起，理论上，可以同时提供进、排气门的正时、开放时程和升程调节。
听上去不错？
还
有呢！
在D-C正在开发的另一套VVT系统中，发动机的凸轮轴被彻底的抛弃了，每个气门，或
每几个气门的动作直接由专门的电磁系统驱动，ECU需要它们怎么动，它们就怎么动，这也正
是VVT技术追求的最高境界！
相信各个大厂都有类似的努力吧！
本文写到这里，我对VVT的认识也就这么多了，谢谢大家的耐心！
错误肯定有不少，再次恳请
大家的指正！
最后，请允许我对以下厂商表示敬意：
AlfaRomeo，1980年，首次使用VVT技术；
Honda，1989年，首次使用具有可变气门升程能力的VVT技术；
BMW，2001年，首次使用VVT技术取代了传统的节气门
可变气门正时技术详解
1、概述
近几十年来，基于提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污的要求，许多国家和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力进行新技术的研究与开发。
目前，这些新技术和新方法，有的已在内燃机上得到应用，有些正处于发展和完善阶段，有可能成为未来内燃机技术的发展方向。
发动机可变气门正时技术（VVT,VariableValveTiming）是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。
2、可变气门正时理论
合理选择配气正时，保证最好的充气效率hv，是改善发动机性能极为重要的技术问题。
分析内燃机的工作原理，不难得出这样的结论：
在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变对充气效率hv影响最大。
进气门迟闭角改变对充气效率hv和发动机功率的影响关系可以通过图1进一步给以说明。
图1中每条充气效率hv曲线体现了在一定的配气正时下，充气效率hv随转速变化的关系。
如迟闭角为40°时，充气效率hv是在约1800r/min的转速下达到最高值，说明在这个转速下工作能最好地利用气流的惯性充气。
当转速高于此转速时，气流惯性增加，就使一部分本来可以利用气流惯性进入汽缸的气体被关在汽缸之外，加之转速上升，流动阻力增加，所以使充气效率hv下降。
当转速低于此转速时，气流惯性减小，压缩行程初始时就可能使一部分新鲜气体被推回进气管，充气效率hv也下降。
图中不同充气效率hv曲线之间，体现了在不同的配气正时下，充气效率hv随转速变化的关系。
不同的进气迟闭角与充气效率hv曲线最大值相当的转速不同，一般迟闭角增大，与充气效率hv曲线最大值相当的转速也增加。
迟闭角为40°与迟闭角为60°的充气效率hv曲线相比，曲线最大值相当的转速分别为1800r/min和2200r/min。
由于转速增加，气流速度加大，大的迟闭角可充分利用高速的气流惯性来增加充气。
改变进气迟闭角可以改变充气效率hv曲线随转速变化的趋向，以调整发动机扭矩曲线，满足不同的使用要求。
不过，更确切地说，加大进气门迟闭角，高转速时充气效率hv增加有利于最大功率的提高，但对低速和中速性能则不利。
减小进气迟闭角，能防止气体被推回进气管，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。
因此，理想的气门正时应当是根据发动机的工作情况及时做出调整，应具有一定程度的灵活性。
显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构来说，由于在工作中无法做出相应的调整，也就难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。
3、在PassatB5轿车上的应用
3.1可变气门正时的结构与传动
PassatB5轿车最新选用2.8升V6发动机，该发动机对可变气门正时进行了特别设计。
从俯视观察，其传动方式以及进排气凸轮轴分布如图2所示，排气凸轮轴安装在外侧，进气凸轮轴安装在内侧。
曲轴通过齿形皮带首先驱动排气凸轮轴，排气凸轮轴通过链条驱动进气凸轮轴。
3.2可变气门正时调节器
如图3所示，（a）图为发动机在高速状态下，为了充分利用气体进入汽缸的流动惯性，提高最大功率，进气门迟闭角增大后的位置（轿车发动机通常工作在高速状态下，所以这一位置为一般工作位置）。
（b）图为发动机
在低速状态下，为了提高最大扭矩，进气门迟闭角减少的位置。
进气凸轮轴由排气凸轮轴通过链条驱动，两轴之间设置一个可变气门正时调节器，在内部液压缸的作用下，调节器可以上升和下降。
当发动机转速下降时，可变气门正时调节器下降，上部链条被放松，下部链条作用着排气凸轮旋转拉力和调节器向下的推力。
由于排气凸轮轴在曲轴正时皮带的作用下不可能逆时针反旋，所以进气凸轮轴受到两个力的共同作用：
一是在排气凸轮轴正常旋转带动下链条的拉力；二是调节器推动链条，传递给排气凸轮的拉力。
进气凸轮轴顺时针额外转过θ角，加快了进气门的关闭，亦即进气门迟闭角减少θ度。
当转速提高时，调节器上升，下部链条被放松。
排气凸轮轴顺时针旋转，首先要拉紧下部链条成为紧边，进气凸轮轴才能被排气凸轮轴带动旋转。
就在下部链条由松变紧的过程中，排气凸轮轴已转过θ角，进气凸轮才开始动作，进气门关闭变慢了，亦即进气门迟闭角增大θ度。
3.3两种工作状态
从图2和图3不难看出，该发动机左侧和右侧的可变气门正时调节器操作方向始终要求相反。
当发动机的左侧可变气门正时调节器向下运动时，右侧可变气门正时调节器向上运动，左侧链条紧边在下边，右侧链条紧边在上边。
调节器向下移动时，紧边链条都是由短变长。
当PassatB5轿车发动机转速高于1000r/min时，要求进气门关闭得较早，如图4（a）所示。
左列缸对应的可变气门正时调节器向下运动，上部链条由长变短，下部链条由短变长。
右列缸对应的可变气门正时调节器向上运动，上部链条由短变长，下部链条由长变短。
左右列缸对应的进气凸轮轴在两个力的共同作用下都顺时针额外转过θ角，加快了进气门的关闭，满足了低速进气门关闭较早，可提高最大扭矩的要求。
当PassatB5轿车发动机转速为3700r/min时，要求进气门关闭得较迟，如图4（b）所示。
左列缸对应的可变气门正时调节器向上运动，上部链条由短变长，下部链条由长变短。
右列缸对应的可变气门正时调节器向下运动，上部链条由长变短，下部链条由短变长。
在左列缸的下部链条，右列缸的上部链条同时由长变短的过程中，排气凸轮轴已转过θ角，进气凸轮才开始动作，进气门关闭变慢了，满足了高速，进气门关闭较迟，可提高最大功率的要求。
4、可变气门正时的微机控制
PassatB5轿车2.8升V6发动机的可变气门正时系统由MotronicM3.8.2发动机控制单元进行控制。
微机控制关系如图5所示。
左右列缸对应的可变气门正时机构均设置了一个可变气门正时电磁阀，如图6所示。
发动机在获得转速传感器的信息后，对左右列缸对应的可变气门正时电磁阀的控制方式做出正确选择并控制阀体动作。
当获得不同阀体位置时，通往可变气门正时调节器内的液压缸油路变换，使得可变气门正时调节器上升或下降，以至于左右列缸对应的进气门获得不同的迟闭角。
5、结束语
以上所述发动机可变气门正时系统，是通过微机控制可变气门调节器上升和下降获得齿形皮带轮与进气凸轮（进气门）的相对位置变化，这种结构属于凸轮轴配气相位可变结构，一般可调整20。
～30。
曲轴转角。
由于这种机构的凸轮轴、凸轮形线及进气持续角均不变，虽然高速时可以加大进气迟闭角，但是气门叠开角却减小，这是它的缺点。
总体来看，发动机可变气门正时技术已相对成熟，将来会有越来越多的高性能汽油发动机采用这一技术。
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