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浅析可变气门正时/升程技术
[ 录入者:龙魂 | 时间:2010-06-13 12:21:00 | 作者: | 来源: | 浏览:10183次 ]

  VVTi,i-Vtec和VVEL等各种可变气门技术相信大家都有所了解,基本上,目前市面上新车所搭载的绝大部分发动机都或多或少的使用了可变气门技术。可能大家也都知道可变气门技术都可以有效提升发动机动力并节省油耗,但是它们都是通过什么原理实现的呢?

呼吸之道!浅析可变气门正时/升程技术 汽车之家

  我们都知道,发动机的配气机构负责向汽缸提供汽油燃烧做功做必须的新鲜空气,并将燃烧后的废气排除出去,这一套动作的工作原理可以看做是动物呼吸器官的吸气和呼气。从工作原理上讲,配气机构的主要功能是按照一定时限自动开启和关闭各气缸的进、排气门,从而使空气及时通过进气门向气缸内供给新鲜空气或者可燃混合气,并且及时将燃烧做功后形成的废气从排气门排出,实现发动机气缸换气补给的整个过程。

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  那么气门的原理和作用应该怎么理解呢?我们将发动机的气门比作是一扇门,门的开启的大小和时间长短,决定了进出入的人流量。门开启的角度越大,开启时间越长,进出入的人流量越大,门开启的角度越小,开启时间越短,进出入的人流量就越少。在电影院入场看戏时,需要观众挨个验票进场,因此就要控制大门的开启角度,有些匣道还设置栏杆,象地铁出入口一样。在剧院散场时要尽快疏散观众,就要撤除匣道栏杆,将大门完全打开。

  大门开启角度和时间决定人流量,这非常容易理解。同样的道理用于发动机上,就产生了气门升程和正时以及可变进气歧管的概念。气门升程就好象门开启的角度,正时就好象门开启的时间,而进气歧管就是匣道栏杆。以立体的思维观点看问题,角度加时间就是一个容积空间的大小,它的大小则决定了耗油量。

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  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。前面我们说过发动机的进、排气犹如人体的呼吸,不过机械化的“呼吸”过程却并不能使发动机的做功效率有任何提升。

  如果你参加过长跑比赛,就能深刻体会到呼吸的快慢以及长短对体能发挥的影响——太急促或刻意的屏息都有可能增加疲劳感,使奔跑欲望降低。所以,我们在长跑比赛时往往需要不断按照奔跑步伐来调整呼吸频率,以便随时为身体提供充足的氧气。对于汽车发动机而言,这个道理同样适用。而可变进气技术就是为了让发动机能够根据不同的负载情况的能够自由调整“呼吸”,从而提升动力表现,使燃烧更有效率。

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  回到正题上,前面我们说过气门正时控制着气门的开启时间,那么VVT(可变气门正时)技术是如何工作的呢?它又是怎样实现提升效率节约燃油的效果呢?

  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,以满足满足进气充足,排气干净的要求。

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  这种情况下,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”。重叠持续的相对时程可以用此间活塞运行配气相位的相对角度来衡量,这样就可以抛开转速,把它作为系统的固有特性来看待了。

  这种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,因此想要达到较好的充气效率,这时发动机需要尽可能长的吸气和排气时间。显然,当转速越高时,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,发动机容易在较高的转速下,获得较大的峰值功率。

但在低转速工况下,过大的重叠角则会使得废气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,此时ECU也会难以对空燃比进行精确的控制,从而导致怠速不稳,低速扭矩偏低。相反,如果配气机构只对低转速工况优化,发动机的就无法在高转速下达到较高的峰值功率。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。   所以为了解决这个问题,就要求配气相位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。在低速和怠速工况下,系统缩小进排气时间使得配气相位的重叠角减小,从而改善低速下的扭矩表现,而高速下则适当增加配气相位重叠角以提高提升马力。

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  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。

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  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(就是D-VVT,双VVT技术),进一步优化了燃烧效率。

  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。

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  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。

  而如果气门开启大小(气门升程)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。

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  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。

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  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。

  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。

  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。

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  而在近几年,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(螺栓)和螺套(螺母),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。

  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link B(连杆B)相连,摇臂逆时针转动时就会带动link B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。

  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,而VQ37VHR也是2008年沃德十佳发动机的得主。

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  此外,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。此外,目前的可变气门升程技术的运用基本还只停留在进气端,因此可变气门升程技术在未来还拥有很大的提升空间。

  结语:

  我们所熟悉的可变气门正时技术在国内已经得到了普遍运用,各个厂商叫法不同但是技术上大同小异。不过,可变气门升程技术则还是少数几家厂商的宝贝技术,特别是连续可变气门升程技术目前只在少数高端进口车上使用。而搭配了可变气门正时和升程技术之后,无疑可以将发动机动力、经济性、排放和平顺性之间的均衡性提升到一个新的境界,这也将会是自然吸气发动机未来的发展方向。

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