汽车可变气门技术

汽车可变气门技术 在现在的轿车发动机上，我们经常可以看见像VVT-i、i-VTEC、VVL、VVTL-i等技术标号。这些显赫的标号都代了它们的与众不同——普通的发动机不一样，这些发动机都采用了发动机可变配气的技术。 可变配气技术，从大类上分，包括可变气门正时和可变气门行程两大类，有些发动机只匹配可变气门正时，如丰田的VVT-i发动机;有些发动机只匹配了可变气门行程，如本田的VTEC;有些发动机既匹配的可变气门正时又匹配的可变气门行程，如丰田的VVTL-i，本田的i-VTEC。 为何先进的发动机都要采用这种技术呢,这些技术的工作原理是什么,它能给发动机带来什么好处呢, 1)可变气门正时 为了能更好的说清楚可变气门正时的原理，首先有必要简单解释一下发动机相关的几项工作原理。大家都知道，气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。在普通的发动机上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的，这种固定不变的正时很难兼顾到发动机不同转速的工作需求，可变气门正时就是解决这一矛盾的技术。 我们在简单回顾一下“气门叠加角”的概念——在发动机运转的时候，我们需要让更多的新鲜空气进入到燃烧室，让废气能尽可能的排出燃烧室，最好的解决方法就是让进气门提前打开，让排气门推迟关闭。这样，在进气行程和排气行程之间，就会发生进气门和排气门同时打开的情况，这种进排气门之间的重叠被称为气门叠加角。当发动机处于不同转速时，气门叠加角的要求也是不同的。没有任何一种固定的气门叠加角设置能让发动机在高地转速时都能完美输出的，如果没有可变气门正时技术，发动机只能根据其匹配车型的需求，选择最优化的固定的气门叠加角。例如，赛车的发动机一般都采用较小的气门叠加角，以有利于高转速时候的动力输出。而普通的民用车则采用适中的气门叠加角，同时兼顾高速和低速是的动力输出，但在低转速和高转速时会损失很多动力。而可变气门 采用了可变气门正时技术，发动机的功率和扭力输出将会更加线性，同时兼顾高低转速的动力输出。引擎的转速能够设计得更高，因而获得更多的功率输出。例如，尼桑的2升Neo VVL发动机比没有配备VVT的相同结构的发动机，可以提供超过25,的动力输出。 采用了可变气门正时技术，发动机在低转速时能增加扭力输出，大大增强驾驶的操纵灵活性。例如，菲亚特 Barchetta’s 1.8 VVT发动机，能在2000rpm,6000rpm之间输出90,的扭力。 需要说明的是，发动机采用可变气门正时技术获得上述好处的同时，没有任何负面影响，换句话说，就是没有对于发动机的工作强度提出更高的要求。 2)可变气门行程 我们知道，发动机的气门行程是受凸轮轴转角长度控制的，在普通的发动机上，凸轮轴的转角长度固定，气门行程也是固定不变的。类似于不可变气门正时的发动机，这种气门行程固定不变的发动机，它采用的气门行程设计也是根据发动机的需求设定，赛车发动机采用长行程设计，以获得高转速是强大的功率输出，但在低转速的时候会工作不稳定;普通民用车则采用兼顾高低转速的气门行程设计，但会在高低转速区域损失动力。而采用可变行程技术的发动机，气门行程能随发动机转速的改变而改变。在高转速时，采用长行程来提高进气效率，让发动机的呼吸更顺畅，在低速时，采用短行程，能产生更大的进气负压及更多的涡流，让空气和燃油充分混合，因而提高低转速时的扭力输出。 下面，我们就按照上文的分类，用实例来解释这些可变配气系统的工作原理及好处 : 可变气门正时 可变气门正时技术，在整个可变配气技术里，属于结构简单成本低的机构系统，它通过液压和齿轮传动机构，根据发动机的需要动态调节气门正时。由于结构简单，增加的成本有限，这个技术现在已经配备在大多数主流发动机上。 可变气门正时不能改变气门开启持续时间，只能控制气门提前打开或推迟关闭的时刻。同时，它也不能像可变凸轮轴一样控制气门开启行程，所以它对提升发动机的性能所起的作用有限。不过这种技术是结构简单，成本低廉的可变配气技术，因为它只需要一套液压装置，就能调整凸轮轴相位，而不像其他系统那样，在每个气缸都需要布置一个液压机构。 可变气门正时的简单分类 连续可变气门正时和不连续可变气门正时 简单的可变配气相位VVT只有两段或三段固定的相位角可供选择，通常是0度或30度中的一个。更高性能的可变配气相位VVT系统能够连续可变相位角，根 -30度之间线性调教配气相位。显而易见，连续可变气门据转速的不同，在0度 正时系统更适合匹配各种转速，因而能有效提高发动机的输出性能，特别是发动机的输出平顺性。 进气可变气门正时和排气可变气门正时 有一些设计，像BMW的双可变配气相位系统(Double Vanos system)，它能同时改变进气凸轮轴和排气凸轮轴的相位角，从而获得与转速更匹配的气门叠加角，因此其拥有效率更高的配气效率。这就是为什么BMW M3 3.2发动机(升功率为100匹) 拥有比前一代仅配备了进气门可变相位系统的M3 3.0发动机(升功率为95匹)更高的性能。在E46的3系中，双可变配气相位进气门可变相位0-40度之间调节，排气门可变相位在0-25度之间调节。 优点:结构简单成本低，连续可变 VVT 改善了整个转速范围段的扭力输出 缺点:不能改变气门行程和气门开闭持续时间，因此与可变气门行程发动机相比，峰值功率输出较弱 大部分主流车型都配备该系统: • 奥迪 2.0 ——进气凸轮轴连续可变 • 奥迪 3.0 V6 ——进气凸轮轴连续可变，排气凸轮轴分两段可调 • 奥迪 V8 ——进气凸轮轴分两段可调，排气凸轮轴不可变 • 宝马 Double Vanos ——进排气均连续可变 法拉力 360 Modena ——排气分两段可调• 菲亚特 ( 阿尔法 ) SUPER FIRE ——进气分两段可调• • 福特 Puma 1.7 Zetec SE ——进气分两段可调 • 福特 Falcon XR6's VCT ——进气分两段可调 • 捷豹 XJ-V6 and updated XJ-V8 ——进气连续可调 • 兰博基尼 Diablo V12 since SV ——进气分两段可调 • 马自达 MX-5's S-VT ——进气连续可调 梅塞德斯 V6 and V8 ——进气分两段可调• • 日产 QR four-pot and V8 ——进气连续可调 • 日产 VQ V6 ——进气连续可调 • 日产 VQ V6 since Skyline V35 ——进气电子调教 • 保时捷 Variocam ——进气分三段可调 PSA /• 雷诺 3.0 V6 ——进气分两段可调 • 雷诺 2.0-litre ——进气分两段可调 • 斯巴鲁 AVCS ——进气分两段可调 • 丰田 VVT-i ——大部分为进气连续可变，有些也配备了排气连续可变 • 沃尔沃 L4 、 L5 、 L6 发动机平台——进气连续可调 • 大众 VR6 ——进气连续可调 • 大众 ( 奥迪 ) W8 and W12 ——进气连续可调，排气分两段可调 实例分析: 1、宝马的 Vanos 从图上可以看出宝马的 Vanos的工作原理。 在凸轮轴的末端装配了一个斜线齿轮。在斜线齿轮外套有一个壳体，在壳体内侧也加工了相同的斜线花键与之相配合。如果将壳体向靠近凸轮轴方向或远离凸轮轴方向移动，凸轮轴的转角就被改变了。因为在斜线齿轮的作用下，壳体不能与凸轮轴平行移动，如果壳体向凸轮轴方向运动，凸轮轴的转角将会提前，如果壳体向远离凸轮轴的方向运动，那么凸轮轴的转角将被推迟。 不管是推还是拉，都是在液压的作用下运动的。在壳体上有两个液压缸，里面充满了液压油(在图中分别用黄色和绿色表示)。活塞把这个液压缸分成两个腔，一个与壳体相连，一个与凸轮轴相连。液压油在电池阀的控制下，可以改变这两个液压缸的压力差。当发动机管理系统打开电磁阀，让绿色的液压缸与高压油路相连，那么活塞会向凸轮轴方向运动，随之而来的是凸轮轴的转角被提前。 这种结构可以很容易实现连续可变气门正时，以实现与发动机各个转速的完美匹配。 2、丰田的VVTI 丰田在很多车型都配备了VVTI(Variable Valve Timing – Intelligent)系统，从Vitz到Supra。它的机械结构与宝马的Vanos很相似，也是连续可变设计。 然而，VVTI中的“I”(Integillent)强调的是智能控制，系统不仅能根据发动机的转速改变气门正时，还能考虑到如加速度、上坡、下坡等其他因素。 可变气门行程 本田是倡导在民用车上使用可变配气技术的先驱。在80年代末，本田推出了它著名的VTEC系统(Valve Timing Electronic Control)，并率先运用在其Civic, CRX 和 NS-X车型上。之后，VTEC成为了本田旗下全系列车型的配备。在采用了VTEC技术的发动机上，我们能在一根凸轮轴上看到两组凸轮，它们会让气门产生不同的气门持续开启时间和气门行程。其中一组在低于4500rpm转速下工作，另一组在高转速下工作。很明显，这样的设计不能实现连 续的可变配气——在4500rpm以下，VTEC发动机与普通发动机一样，表现很平常，但一旦突破4500rpm，VTEC发动机的动力就会像野兽一样爆发出来，产生强大的后段加速度，给人以后劲十足的感觉。 这套系统改善了峰值功率，他能让发动机的红线达到8000rpm以上(s2000能达到9000rpm的高转速)，就像赛车发动机采用的凸轮轴一样，VTEC系统能让1.6升的发动机增加超过30匹的功率输出。要想充分发挥这样的发动机性能，就需要让发动机在近乎疯狂的高转速运转，并且变速器需要采用较大的齿轮比来获得更多的扭力(普通的民用发动机多采用0-6000rpm的转速范围，而VTEC发动机在0-4500 rpm的转速范围都采用低速凸轮轴驱动气门)。采用这套系统的发动机匹配的车型，带来的运动感十足的操控性给人留下深刻印象，由此可见，可变凸轮轴系统最适合匹配在运动车型上。 之后，本田将两段可调式VTEC系统改进成三段可调式，因此它拥有更多的调节范围，扭矩能在更广的转速范围内得到释放，其性能接近于无级可变凸轮轴系统。虽然可变凸轮轴系统不是无极可调的，但它却是可变配气系统系统中一项很先进的设计。要知道，多数的可变配气系统都是不能改变气门行程的。 优点:可以改变气门行程，峰值功率输出强劲 缺点:只能实现 2 段或 3 段控制，不能实现连续控制，所以扭力输出不线性;结构复杂 使用车型:Honda VTEC, Mitsubishi MIVEC, Nissan Neo VVL. 实例分析 1)本田的三段可调式VTEC 在日本，本田的三段可调式VTEC系统被应用在SOHC发动机的Civic上，它每组气门由三个拥有不同气门开启持续时间和气门行程的凸轮驱动。这三个凸轮的尺寸各有不同，中间的凸轮为高速凸轮(高速开启持续时间，长行程)，;右边的的凸轮相对较小(标准开启持续时间，中段行程);左边的凸轮尺寸最小(标准开启持续时间，短行程)，如图。 其控制过程如下: 第一段(低转速时):3个摇臂各自独立，因此左边的摇臂带动左边的进气阀运动，它被低速凸轮驱动，右边的摇臂带动右侧的进气阀运动，它被中行程的凸轮驱动，两个凸轮的正时比中部的摇臂慢。 第二段(发动机中等转速时):液压(图中桔红色的部分)他能将左右两个摇臂链接在一起，但是并不干涉中间摇臂的工作。由于右侧的凸轮比左侧的凸轮行程更长，因此连接在一起的摇臂实际是被右侧凸轮驱动的，其结果是两个进气阀以中等行程和标准正时打开。 第三段(发动机高转速时): 液压将三个摇臂连接在一起，中间的凸轮行程最长， 因此两个进气门被中间的长行程凸轮驱动，从而获得高速正时和长开启行程。 2)日产的Neo VVL 与本田的系统非常相似，但是左右两个凸轮拥有相同的形状，在低转速时，两个摇臂被标准气门开启持续时间独立驱动，左右凸轮处于短行程，在高转速时，三个摇臂被连接在一起，被中间的高速凸轮驱动，从而获得长行程。从表面上看，这好像是一套两段可调气门系统，但事实却不是这样。日产 Neo VVL将同样的系统应用在排气凸轮轴上，其三段可调行程如下: 第一段(标准转速时):进气门和排气门使用低速凸轮驱动 第二段(中转速时):进气采用高转速，排气采用标准转速，进气门采用高速凸轮，排气门采用标准凸轮 第三段(高转速时):进气门和排气门都采用高速凸轮。 3) 可变气门正时+可变气门行程 可变气门正时+可变气门行程，能满足末端动力输出和高低转速时候动力输出的线性，但是结构极其复杂。 实例分析: i 1、丰田的VVTL- 丰田的VVTL-I是采用了最常见的VVT设计，它强大的功能包括: 连续可变气门正时 分两段可变气门行程和气门打开持续时间 进排气都可变 虽然结构与本田不同，但这套系统实际是结合了现有的VVTI技术和本田的VTEC技术。 像VVTI一样，这套可变气门正时系统也是通过发动机的管理系统根据发动机的转速、加速度、上坡、下坡等参数，计算出合适的气门正时，并通过布置在凸轮轴末端的一个液压机构来控制。此外其相位角能在0-60度范围内连续可变。因此气门正时能与发动机的工作完美匹配。 VVTL-I与传统的VVTI相比，多出的这个“L”代表的是气门行程。 正如VTEC一样，丰田的这套系统采用了一组摇臂设计，它位于两个进气门之间(或排气门)。它也有两个不同形状的凸轮来驱动摇臂，其横切面有着不同的形状，一个有较长的气门打开时间(用于高转速时)，另一个有较短的气门打开时间(用于低转速时)。在低转速时，低速凸轮通过滚动轴承驱动摇臂运动(为了减小摩擦阻力)。高转速时，由于这个凸轮与下面的液压顶杆之间留有足够的间隙，无法直接驱动摇臂。 当转速增加到极限的时候，滑块在液压的作用下，被推到液压顶杆的间隙中。高速凸轮开始有效的工作。在高速凸轮的驱动下，气门开启的持续时间更长，此时行程也更长(就像本田的VTEC一样，气门开启行程和打开持续时间都取决于凸轮轴的形状)。 很明显，这是一套分两段可变气门开启持续时间的设计，不像罗孚VVC的连续可变设计。然而，与本田VTEC的设计相类似，VVTL-I的可变气门行程能提高发动机高转速时的功率输出。三菱和日产设计也是这样的。丰田的该系统还拥有连 续可变气门正时设计来适应发动机从高转速到低转速的扭力输出，从这里可以看出，它是当今世界上最先进的VVT系统。然而，它的结构也是极其的复杂，大量的成本花费在设计和制造工艺上。 优点 :连续可调的 VVT 系统，改善了整个转速范围段内的扭力输出，可变气门行程和开启持续时间能获得更大的功率输出 缺点:成本高，结构复杂 使用车型:丰田 1.8-litre 190 的的赛利卡 GT-S 和花冠 图2 图中，蓝色曲线为扭力输出曲线，可见其平顺性 2、保时捷Variocam Plus Variocam Plus采用液压调节配气相位和气门行程 保时捷的Variocam Plus是从Variocam 的基础上发展来的，该系统被应用在Carrera 和Boxster上。Variocam技术在1991年的968车型上被首次应用。它利用正时链条改变凸轮轴的相位角，因此它能分三段改变气门正时。996Carrera和Boxster也采用了该系统。这是保时捷的专利技术，但是其性能要次于用液压机构驱动的其他车型，特别是不能实现大范围的其气门相位角的变化方面。 因此，在新一代911 Turbo上采用的Variocam Plus用液压机构取代了链条机构。保时捷的工程师门改变了过去分两段可调的可变气门正时系统，开发出连续可变气门正时系统。 然而，所谓“Plus”指的是增加了可变气门行程设计，它是由液压顶杆来实现的，如图，每个气门被三个凸轮控制，很明显中间的凸轮带来较小的气门行程(仅3毫米)和较短的气门开启时间，我们叫他低速凸轮。外部的两个凸轮形状相同，它带来的是高速正时和更长的行程(10毫米)，凸轮由气门顶部的液压机构顶杆来选择，在气门顶的内部，布置有液压顶杆，他们能在液压的作用下，把气门和气门顶锁在一起，通过这种方法，可以使高速凸轮轴驱动气门。如果气门与气门顶没有锁在一起，那么气门则被中间的低速凸轮直接驱动，气门顶的运动与气门无关。 这套可变气门行程机构结构简单，占用空间小。可变气门顶比普通的可变气门行程机构占用更少的空间。 但是目前Variocam Plus仅在进气系统上配备。 优点:VVT 改善了中低转速时的扭矩输出，可变行程和气门开启时间提高了高转速时的功率输出 缺点:结构复杂成本高 使用车型:保时捷 911 Turbo, 911 Carrera 3.6 3、本田的I-VTEC 如果你了解VTEC和VVTI的工作原理，那么你就很容易想象这两套机构结合在 一起能带来的好处，本田称之为I-VTEC，就像丰田的VVTL-i一样，它有以下功能: 连续可变气门正时 分两段可调气门行程和气门开启持续时间 被同时应用在进气门和排气门的控制上 基本上，i-VTEC的凸轮轴与VTEC的不同在于，它是分两段可调气门行程和开启时间的，同时，在凸轮轴末端设置有液压机构它能根据需要连续改变凸轮轴的配气相位。 i-VTEC首先被采用在时韵mpv上，但仅在进气系统上配备了i-VTEC，理论上讲，它能同时运用在进气和排气凸轮轴上，但是本田似乎没有丰田慷慨，仅在Integra Type R上配备了进排气系统都运用了i-VTEC的发动机。 优点:连续可变 VVT 改善了整个转速范围内的扭力输出;可变气门行程和持续时间提高了高转速时的功率输出 缺点: 结构复杂成本高 使用车型: 2.0 i-VTEC 运用在时韵 , Civic, Integra 等车型上 4、罗孚独特的VVC系统 1995年MGF成罗孚这套系统为VVC(Variable Valve Control)。许多专家认为它是最好的VVT，与单一的可变气门行程不同，它能连续可变正时，因而改善了中低转速时的扭力输出，与简单的可变气门正时不同，它能连续延长气门打开持续时间，从而获得更多的动力。 VVC使用了一套古怪的转盘来驱动每两个气缸的进气门。这种古怪的外形造成了非线性的旋转，气门开口各式各样。弄不明白吗,那就对了～任何精妙的机械设计都是很复杂也很难理解的。 不过有趣的是，罗孚并没有给它旗下任何量产车型配备该系统。 VV:每两个相邻的气缸有一套嗣服机构，一个六缸发动机需要4个这样的机构，而且它并不便宜，V8也需要4套这样的机构，而V12则不可能配备改系统，因为它没有足够的空间在两个气缸之间布置偏心盘和齿轮驱动系统。 优点:连续可变气门正时和气门开启持续时间既改善了操纵灵活性和高转速时的功率输出 缺点:没有最终实现可变凸轮轴，因为它不能改变气门行程;在 V6 和 V8 上使用该系统价格昂贵， V12 则无法实现 使用车型:MGF 的罗孚 1.8 VVC 发动机， Caterham 和莲花 Elise 111S. 可变配气技术的在节能和环保方面的优势 可变配气技术在大幅度提升发动机性能的同时，在节能和环保方面也有其独特的优势。 我们知道，EGR(废气再循环)是一套普通的用于降低排放和提高燃烧效率的系统，二可变配气技术则能发挥EGR更大的潜能。 理论上说，进排气的混合需要根据发动机转速的不同与之相配合。当汽车在公路上中速行驶的时候，发动机的负荷很小，长时间的叠加角可能会有益于减小燃料消耗和降低废气排放。排气门延时关闭直到进气门打开，一部分废气同时被引入到气缸中，与新鲜混合气混合燃烧。因为废气里主要为不可燃烧的成分，引入新鲜混合气以后，可以降低混合气的浓度，达到减小燃油消耗和降低废气排放的目的。 以上说到的可变配气技术都是汽油机，柴油机很少采用这种技术。这主要是因为这种技术主要是在发动机高转速的时候作用明显，柴油机的转速一般比较低，这种技术运用在柴油机上意义不大。