调整引擎的呼吸 解析可变气门正时技术.docx

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调整引擎的呼吸解析可变气门正时技术

调整引擎的呼吸解析可变气门正时技术

前言：

说到发动机的辅助性技术，我们比较熟悉的像能够提高发动机动力的涡轮增压“T”技术，还有能够提高引擎内部燃料效率的燃油直喷技术等。

而另外一种发动机技术“可变气门正时”，想必耳熟的人也不在少数，虽然这项技术如今已经在汽车领域中广泛应用，但是诸如VVT、VVT-I、VTEC、i-VTEC等代表“可变气门正时技术”的不同称谓也让大家容易混淆，而像“可变气门升程技术”以及“连续可变气门正时技术”等更是让普通消费者对可变气门正时难以理解，下面我们就来逐一解析。

调整引擎的呼吸解析可变气门正时技术

    可变气门正时简介及工作原理

　　发动机可变气门正时技术的英文缩写就是“VVT”，其实这种称谓是“可变气门正时”的通称，而在汽车领域被普遍应用的可变气门正时技术又因为各个厂商的自行创新或者叫法不同而多种多样。

简单来说，可变气门正时的原理就是根据发动机的运行情况，调整进气、排气的量，控制气门开合的时间和角度，使进入的空气量达到最佳，从而提高燃烧效率。

可变气门正时VVT标识

发动机可变气门正时技术

    我们通俗点来说，四冲程汽油机分为吸气、压缩、做功、排气这四步流程，由于发动机工作时的转速很高，四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒，这么短促的时间往往会引起发动机进气不足，排气不净，造成功率下降。

因此，就需要利用气流的进气惯性，气门要早开晚关，以满足进气充足，排气干净的要求。

发动机气门是由曲轴通过凸轮轴带动的

气门的配气正时则是由凸轮决定的

    发动机气门是由曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时则是由凸轮决定的。

对于没有可变气门正时技术的普通发动机而言，进排气们开闭时间都是固定的，但是这种固定不变的气门正时却很难顾及到发动机在不同转速工况时的工作需要。

所以，为了让发动机根据不同的负载情况能够自由调整“呼吸”，气门正时的可变性就发挥出了应有的作用，这样以来就会提升发动机的动力表现，使燃烧更有效率。

采用可变气门正时系统的发动机局部剖面图

可变气门正时系统特写（

采用可变气门正时系统的发动机

在控制进气与排气的工作中，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻，配气相位上称为“重叠阶段”。

在低转下表现出色的设计在高转下就未必有效，而重叠较多的发动机设计则在低转时的扭矩输出方面表现欠佳，重叠少的发动机则是在牺牲了动力性能的前提下换来了发动机的平顺性和高扭矩。

因此，就需要在设计时，充分考虑到凸轮形状和正时的设计，从而优化发动机的表现。

凸轮轴及节气门装配图

四冲程发动机工作中的进气与排气过程

    因此为了解决这个问题，就要求这个“重叠阶段”的夹角大小可以根据转速和负载的不同进行调节，高低转速下都可以获得理想的进气量从而提升发动机燃烧效率，这就是可变气门正时技术开发的初衷。

　　可变气门正时技术的发展

　　在相当长的一段时间内，发动机的设计一直比较中庸，没有任何一款机器能够既保证高转的有效性，又保证低转的大扭矩。

不过，在上世纪（报价图片参数）70年代初，出于减排目的而开发的可变凸轮正时技术却给了发动机设计界一个重要的启示。

在重叠阶段应用气门正时调节可以通过废气来降低温度，从而减少NOx的排放。

应用废气外循环技术的发动机

    因此，在上个世纪七十年代，废气外循环技术在减少NOx方面的效果已经被广泛接受，但是，如果能够形成内循环的话，发动机的设计将更为简单。

所以，后来人们应用了更长的重叠时间，从而使部分废气能够在进气冲程时进入气缸。

不过，虽然这个问题得到了解决，但是，怠速和低速的工作效果又受到了影响，并使发动机无法在起步阶段通过废气高温来激活催化剂，所以，人们开始使用了可变凸轮正时技术。

可变气门正时系统结构图

    最先将气门正时技术应用在量产车中的公司是意大利的阿尔法罗密欧。

作为第一个开发出了双凸轮轴量产发动机的厂商，他们用两根不同的凸轮轴来控制进气气门和排气气门的开闭时间，从而达到了比单凸轮轴更为有效的效果。

这家车厂一名叫GiampaoloGarcea的工程师发明了一个装置，就是在进气凸轮轴的主动链轮里加上一个设备，并由螺旋键槽将其与凸轮相连接，来改变气门的正时效果。

阿尔法·罗密欧Spider

阿尔法·罗密欧Spider发动机

    最先配备这种系统的车型就是阿尔法罗密欧Spider。

当这款车在欧洲销售的时候，该公司进一步增大了重叠角度以获得更好的燃油经济性。

后来在配备了Bosch公司的Motronic发动机管理系统之后，发动机的正时技术便越来越依赖于ECU的作用了。

双顶置凸轮轴

    紧随阿尔法罗密欧的就是日产和本田。

这两家日本公司分别在1987年和1989年，研发出了他们自己的双顶置凸轮轴系统，也就是后来所说的NVCS和VTEC系统。

在1992年，宝马公司也开发出了自己的Vanos系统，最先被应用在了进气凸轮轴上，后来，又于1998年，推出了他们的双Vanos系统。

而保时捷公司的办法则是在两根凸轮轴之间应用一个链条对气门正时进行调节。

　　各个厂商对VVT技术称谓不同

　　虽然可变气门正时技术在各个厂商的称谓都各不相同，但是实现的方式大多大同小异，以丰田的VVT-i技术为例，其工作原理为：

系统由ECU协调控制，来自发动机各部位的传感器随时向ECU报告运转工况。

由于在ECU中储存有气门最佳正时参数，所以ECU会随时控制凸轮轴正时控制液压阀，根据发动机转速调整气门的开启时间，或提前，或滞后，或保持不变。

丰田的VVT-i技术

丰田的VVT-i技术

    市面上的大部分气门正时系统都可以实现进气门气门正时在一定范围内无级可调，而少数发动机还在排气门也配备了VVT系统，从而在进排气门都实现气门正时无级可调，进一步优化了燃烧效率。

欧宝雅特D-VVT发动机

本田的VTEC发动机

    传统的VVT技术通过合理的分配气门开启的时间确实可以有效提高发动机效率和经济性，但是对发动机性能的提升却作用不大，下面将要介绍的可变气门升程技术则可以弥补这个不足。

凯迪拉克3.0升SIDI直喷发动机D-VVT电子可变双气门正时

    D-VVT双气门正时+缸内直喷

　　我们都知道，发动机的实质动力表现是取决与单位时间内汽缸的进气量的，前面说过，气门正时代表了气门开启的时间，而气门升程则代表了气门开启的大小，从原理上看，可变气门正时技术也是通过改变进气量来改善动力表现的，但是气门正时只能增加或者缩小气门开启时间，并不能有效改善汽缸内单位时间的进气量，因此对于发动机动力性的帮助并不大。

　　可变气门升程技术与VVT相辅相承

　　简单来讲，如果气门开启大小也可以时间可变调节的话，那么就可以针对不同的转速使用合适的气门升程，从而提升发动机在各个转速内的动力性能，这就是和VVT技术相辅相承的可变气门升程技术。

可变气门升程技术与VVT相辅相承

    可变气门升程技术可以在发动机不同转速下匹配合适的气门升程，使得低转速下扭矩充沛，而高转速时马力强劲。

低转速时系统使用较小的气门升程，这样有利于增加缸内紊流提高燃烧速度，增加发动机低速输出扭矩，而高转速时使用较大的气门升程则可以显著提高进气量，进而提升高转速时的功率输出。

    i-VTEC=VTEC+VTC

本田2.4Li-VTEC发动机

    我们最熟悉的可变气门升程系统无疑就是本田的i-VTEC技术了，本田也是最早将可变气门升程技术发扬光大的厂商。

本田的可变气门升程系统结构和工作原理并不复杂，工程师利用第三根摇臂和第三个凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化。

本田K20Z3发动机中的i-VTEC系统

    当发动机达到一定转速时，系统就会控制连杆将两个进气摇臂和那个特殊摇臂连接为一体，此时三个摇臂就会同时被高角度凸轮驱动，而气门升程也会随之加大，单位时间内的进气量更大，从而发动机动力更强。

这种在一定转速后突然的动力爆发也能够增加驾驶乐趣，缺点则是动力输出不够线性。

可变气门升程技术

    而随后像奥迪，三菱和丰田等厂商也都研发出了自己的可变气门升程技术，它同样是通过增加凸轮轴上的凸轮来实现了气门升程的分段可调。

　　连续可变气门升程技术

　　近几年，日产和宝马则以更为精巧的设计率先推出了自己的连续可变气门升程技术，实现了气门升程的无级可调。

日产的VVEL技术为例，工程师在驱动气门运动的摇臂增加了一组螺杆和螺套，螺套由一根连杆与控制杆相连，连杆又和一个摇臂和控制杆相连带动气门顶端的凸轮。

应用VVEL技术的英菲尼迪V6发动机

    螺套的横向移动可以带动控制杆转动，控制杆转动时上面的摇臂随之转动，而摇臂又与linkB相连，摇臂逆时针转动时就会带动linkB去顶气门挺杆上端的输出凸轮，最后输出凸轮就会顶起气门来改变气门升程。

而日产就是通过这么一套简单的连杆和螺杆的组合实现了气门升程的连续可调。

连杆和螺杆的组合

    相比分段可调的i-VTEC技术，连续可变的气门升程不仅提供全转速区域内更强的动力，也使得动力的输出更加线性,这项技术最先就被装备在G37的VQ37VHR发动机上。

    图注：

宝马2.0升直列四缸发动机采用的是进气气门正时和排气气门正时同时可变的double-VANOS双可变气门系统，它能够在大部分转速区内持续地调节进排气气门正时。

　　VANOS是宝马开发的连续可变气门正时技术，而宝马2.0升直列四缸发动机采用的是进气气门正时和排气气门正时同时可变的double-VANOS双可变气门系统。

double-VANOS系统能够在大部分转速区内持续地调节进气气门正时和排气气门正时，并且double-VANOS系统还能够在各种工况下控制高温废气再循环进入进气歧管的流量。

它可以利用调节再循环废气量在低速时提高燃油经济性，在高速时产生最大输出功率。

    图注：

Valvetronic技术是通过步进电机驱动进气门升程的变化。

图中，青蓝色凸轮轴及进气门为升程最小时的状态；紫色凸轮轴及进气门为升程最大时的状态

拥有double-VANOS双可变气门系统的宝马2.0L发动机（

    宝马的Valvetronic技术同样是依靠改变摇臂结构来控制气门升程的，同样可以实现气门升程无级可调，只是连杆摇臂的设计思路截然不同。

宝马的Valvetronic技术

    以宝马这款2.0升直四发动机为例，它的另一个亮点便是Valvetronic技术，它是在原有的进气气门正时及排气气门正时无级可变的double-VANOS技术基础之上，增加了进气气门升程可变功能。

在功能上，宝马的Valvetronic技术与本田的i-VTEC技术非常接近，但是宝马的Valvetronic技术实现的方法却完全不同，可调节的气门升程也更加广泛。