淺析可變氣門正時(shí)/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(dòng)機(jī)都或多或少的使用了可變氣門技術(shù)�？赡艽蠹乙捕贾�道可變氣門技術(shù)都可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力并節(jié)省油耗，但是它們都是通過(guò)什么原理實(shí)現(xiàn)的呢？

　　我們都知道，發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)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(dòng)作的工作原理可以看做是動(dòng)物呼吸器官的吸氣和呼氣。從工作原理上講，配氣機(jī)構(gòu)的主要功能是按照一定時(shí)限自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉各氣缸的進(jìn)、排氣門，從而使空氣及時(shí)通過(guò)進(jìn)氣門向氣缸內(nèi)供給新鮮空氣或者可燃混合氣，并且及時(shí)將燃燒做功后形成的廢氣從排氣門排出，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸換氣補(bǔ)給的整個(gè)過(guò)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(dòng)機(jī)的氣門比作是一扇門，門的開(kāi)啟的大小和時(shí)間長(zhǎng)短，決定了進(jìn)出入的人流量。門開(kāi)啟的角度越大，開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)出入的人流量越大，門開(kāi)啟的角度越小，開(kāi)啟時(shí)間越短，進(jìn)出入的人流量就越少。在電影院入場(chǎng)看戲時(shí)，需要觀眾挨個(gè)驗(yàn)票進(jìn)場(chǎng)，因此就要控制大門的開(kāi)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(chǎng)時(shí)要盡快疏散觀眾，就要撤除匣道欄桿，將大門完全打開(kāi)。

　　大門開(kāi)啟角度和時(shí)間決定人流量，這非常容易理解。同樣的道理用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，就產(chǎn)生了氣門升程和正時(shí)以及可變進(jìn)氣歧管的概念。氣門升程就好象門開(kāi)啟的角度，正時(shí)就好象門開(kāi)啟的時(shí)間，而進(jìn)氣歧管就是匣道欄桿。以立體的思維觀點(diǎn)看問(wèn)題，角度加時(shí)間就是一個(gè)容積空間的大小，它的大小則決定了耗油量。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)氣門是由曲軸通過(guò)凸輪軸帶動(dòng)的，氣門的配氣正時(shí)則是由凸輪決定的。對(duì)于沒(méi)有可變氣門正時(shí)技術(shù)的普通發(fā)動(dòng)機(jī)而言，進(jìn)排氣們開(kāi)閉時(shí)間都是固定的，但是這種固定不變的氣門正時(shí)卻很難顧及到發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工況時(shí)的工作需要。前面我們說(shuō)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣猶如人體的呼吸，不過(guò)機(jī)械化的“呼吸”過(guò)程卻并不能使發(fā)動(dòng)機(jī)的做功效率有任何提升。

　　如果你參加過(guò)長(zhǎng)跑比賽，就能深刻體會(huì)到呼吸的快慢以及長(zhǎng)短對(duì)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?cè)陂L(zhǎng)跑比賽時(shí)往往需要不斷按照奔跑步伐來(lái)調(diào)整呼吸頻率，以便隨時(shí)為身體提供充足的氧氣。對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)而言，這個(gè)道理同樣適用。而可變進(jìn)氣技術(shù)就是為了讓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力表現(xiàn)，使燃燒更有效率。

　　回到正題上，前面我們說(shuō)過(guò)氣門正時(shí)控制著氣門的開(kāi)啟時(shí)間，那么VVT(可變氣門正時(shí))技術(shù)是如何工作的呢？它又是怎樣實(shí)現(xiàn)提升效率節(jié)約燃油的效果呢？

　　由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速很高，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工作行程僅需千分之幾秒，這么短促的時(shí)間往往會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足，排氣不凈，造成功率下降。因此，就需要利用氣流的進(jìn)氣慣性，氣門要早開(kāi)晚關(guān)，以滿足滿足進(jìn)氣充足，排氣干凈的要求。

　　這種情況下，必然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)進(jìn)氣門和排氣門同時(shí)開(kāi)啟的時(shí)刻，配氣相位上稱為“重疊階段”。重疊持續(xù)的相對(duì)時(shí)程可以用此間活塞運(yùn)行配氣相位的相對(duì)角度來(lái)衡量，這樣就可以拋開(kāi)轉(zhuǎn)速，把它作為系統(tǒng)的固有特性來(lái)看待了。

　　這種重疊的角度通常都很小，可是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響卻相當(dāng)大。那么這個(gè)角度多大為宜呢？我們知道，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，每個(gè)汽缸一個(gè)周期內(nèi)留給吸氣和排氣的絕對(duì)時(shí)間也越短，因此想要達(dá)到較好的充氣效率，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)需要盡可能長(zhǎng)的吸氣和排氣時(shí)間。顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)速越高時(shí)，要求的重疊角度越大。也就是說(shuō)，如果配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是對(duì)高轉(zhuǎn)速工況優(yōu)化的，發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)大的重疊角則會(huì)使得廢氣過(guò)多的瀉入進(jìn)氣岐管，吸氣量反而會(huì)下降，氣缸內(nèi)氣流也會(huì)紊亂，此時(shí)ECU也會(huì)難以對(duì)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(jī)構(gòu)只對(duì)低轉(zhuǎn)速工況優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)的就無(wú)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(dòng)機(jī)都是一個(gè)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(gè)問(wèn)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(jìn)行調(diào)節(jié)，高低轉(zhuǎn)速下都可以獲得理想的進(jìn)氣量從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，這就是可變氣門正時(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的初衷。在低速和怠速工況下，系統(tǒng)縮小進(jìn)排氣時(shí)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(shí)技術(shù)在各個(gè)廠商的稱謂都各不相同，但是實(shí)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(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)各部位的傳感器隨時(shí)向ECU報(bào)告運(yùn)轉(zhuǎn)工況。由于在ECU中儲(chǔ)存有氣門最佳正時(shí)參數(shù)，所以ECU會(huì)隨時(shí)控制凸輪軸正時(shí)控制液壓閥，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整氣門的開(kāi)啟時(shí)間，或提前，或滯后，或保持不變。

　　市面上的大部分氣門正時(shí)系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門氣門正時(shí)在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)可調(diào)，而少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)還在排氣門也配備了VVT系統(tǒng)，從而在進(jìn)排氣門都實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)無(wú)級(jí)可調(diào)(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(guò)合理的分配氣門開(kāi)啟的時(shí)間確實(shí)可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和經(jīng)濟(jì)性，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(bǔ)這個(gè)不足。

　　我們都知道，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)動(dòng)力表現(xiàn)是取決與單位時(shí)間內(nèi)汽缸的進(jìn)氣量的，前面說(shuō)過(guò)，氣門正時(shí)代表了氣門開(kāi)啟的時(shí)間，而氣門升程則代表了氣門開(kāi)啟的大小，從原理上看，可變氣門正時(shí)技術(shù)也是通過(guò)改變進(jìn)氣量來(lái)改善動(dòng)力表現(xiàn)的，但是氣門正時(shí)只能增加或者縮小氣門開(kāi)啟時(shí)間，并不能有效改善汽缸內(nèi)單位時(shí)間的進(jìn)氣量，因此對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的幫助并不大。

　　而如果氣門開(kāi)啟大小(氣門升程)也可以時(shí)間可變調(diào)節(jié)的話，那么就可以針對(duì)不同的轉(zhuǎn)速使用合適的氣門升程，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速內(nèi)的動(dòng)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(dòng)機(jī)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(shí)馬力強(qiáng)勁。低轉(zhuǎn)速時(shí)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(dòng)機(jī)低速輸出扭矩，而高轉(zhuǎn)速時(shí)使用較大的氣門升程則可以顯著提高進(jìn)氣量，進(jìn)而提升高轉(zhuǎn)速時(shí)的功率輸出。

　　我們最熟悉的可變氣門升程系統(tǒng)無(wú)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(yáng)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(gè)凸輪即實(shí)現(xiàn)了看似復(fù)雜的氣門升程變化。

　　當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)控制連桿將兩個(gè)進(jìn)氣搖臂和那個(gè)特殊搖臂連接為一體，此時(shí)三個(gè)搖臂就會(huì)同時(shí)被高角度凸輪驅(qū)動(dòng)，而氣門升程也會(huì)隨之加大，單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)氣量更大，從而發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力更強(qiáng)。這種在一定轉(zhuǎn)速后突然的動(dòng)力爆發(fā)也能夠增加駕駛樂(lè)趣，缺點(diǎn)則是動(dòng)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(guò)增加凸輪軸上的凸輪來(lái)實(shí)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(jì)率先推出了自己的連續(xù)可變氣門升程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氣門升程的無(wú)級(jí)可調(diào)。日產(chǎn)的VVEL技術(shù)為例，工程師在驅(qū)動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)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(gè)搖臂和控制桿相連帶動(dòng)氣門頂端的凸輪。

　　螺套的橫向移動(dòng)可以帶動(dòng)控制桿轉(zhuǎn)動(dòng)，控制桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)上面的搖臂隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，而搖臂又與link B(連桿B)相連，搖臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就會(huì)帶動(dòng)link B去頂氣門挺桿上端的輸出凸輪，最后輸出凸輪就會(huì)頂起氣門來(lái)改變氣門升程。而日產(chǎn)就是通過(guò)這么一套簡(jiǎn)單的連桿和螺桿的組合實(shí)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(qiáng)的動(dòng)力，也使得動(dòng)力的輸出更加線性,這項(xiàng)技術(shù)最先就被裝備在G37的VQ37VHR發(fā)動(dòng)機(jī)上，而VQ37VHR也是2008年沃德十佳發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)控制氣門升程的，同樣可以實(shí)現(xiàn)氣門升程無(wú)級(jí)可調(diào)，只是連桿搖臂的設(shè)計(jì)思路截然不同。此外，目前的可變氣門升程技術(shù)的運(yùn)用基本還只停留在進(jìn)氣端，因此可變氣門升程技術(shù)在未來(lái)還擁有很大的提升空間。

　　結(jié)語(yǔ)：

　　我們所熟悉的可變氣門正時(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到了普遍運(yùn)用，各個(gè)廠商叫法不同但是技術(shù)上大同小異。不過(guò)，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(jìn)口車上使用。而搭配了可變氣門正時(shí)和升程技術(shù)之后，無(wú)疑可以將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性、排放和平順性之間的均衡性提升到一個(gè)新的境界，這也將會(huì)是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向。