可变气门技术历史发展和使用车型的详细介绍
在现在的轿车发动机上,我们经常可以看见像VVT-ii-VTECVVLVVTL-i等技术标号。这些显赫的标号都代表了它们的与众不同——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。而可变气门正时技
术,就是通过技术手段,实现气门叠加角的可变来解决这一矛盾。

    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2Neo 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2000rpm6000rpm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,根据转速的不同,在0-30度之间线性调教配气相位。显而易见,连续可变气门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。

    E463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
使用可变气门车型介绍

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:宝马 丰田 本田 所使用的可变气门技术

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(在图中分别用黄和绿表示)。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。

丰田的VVTI
丰田在很多车型都配备了VVTIVariable Valve Timing – Intelligent)系统,从VitzSupra。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 NS-X车型上。之后,VTEC成为了本田旗下全系列车型的标准配备。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——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4500rpmVTEC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),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。
可变气门正时+可变气门行程 (丰田VVTL-i本田I-VTEC 保时捷Variocam Plus 罗孚独特的VVC)
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:
1、丰田的VVTL-i
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。
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
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 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。996CarreraBoxster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VTECVVTI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

1995MGF成罗孚这套系统为VVCVariable 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 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。

可变配气技术带来的优势是显而易见的,这种技术将逐步成为先进发动机的标准配备。随着这一技术的普及,不配备这种技术的发动机在大多数领域将面临淘汰。也许有一天,我们会惊喜的发现,连入门级最低价的微型车也配备了配备这一系统。
技术扫盲:可变气门技术


首先让我们回顾一下有关气门正时(valve timing)的问题。
我们都知道,进、排气门的动作都必须和活塞运动相配合:以一台四冲程汽油机的某个气缸为例,开始进气冲程时活塞正处于上止点,此时进起门开放,排气门关闭;曲轴运转180度后,活塞到达下止点,进气门也关闭,开始了压缩冲程;曲轴又运转180度后活塞重回上止点,点火,进入做功冲程;另一个180度后活塞再次到达下止点,排气门开放,进入排气冲程,直至再过180度,活塞又回到上止点,排气门关闭,进气门开放,进入下一循环的进气冲程……
考虑排气门开启的时机:如果比活塞到达下止点提前一点排气门就开启会怎么样呢?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,此时缸内压强就会降低,能量的利用率也就降低了,发动机性能也会随之下降。真的是这样吗?其实也不一定。想想看,到了排气冲程活塞还要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。如果在做功冲程末期,提前一点开启排气门,使缸内压强自由下降,排气时就会更顺畅,从而可以减少能量消耗。那么这样一来到底是利大还是弊大呢?其实活塞在上、下止点附近时,相对处于行程中段时,曲轴转动特定角度,活塞本身的位
移会比较小,故此,如果做功冲程提前一点打开排气门,损失的功未必多,节省的消耗还要更多些!
考虑进气门关闭的时机:如果在转入压缩冲程时,活塞越过下止点一定角度后再关闭进气门又如何呢?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,提高充气效率。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,在下止点附近活塞运动相对缓慢,换句话说,此时汽缸内体积变化率并不大,如果延迟关闭进气门,尽管活塞已经开始上升,进气岐管内的可燃混合汽还是会凭惯性继续冲入气缸的!
考虑排气门关闭的时机:如果排气门也在活塞越过上止点一定角度之后再关闭会有什么效果呢?如果这样可以延长排气的时间,是废气排出的更彻底,也许可以增加充气效率哈?慢着!此时进气门应该已经开启了,如果排气门却还没有关闭,废气岂不是就会涌入进气岐管了吗?这可不好吧?好不好是后话,来看看有没有办法避免这种情况的发生先。容易想象,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。实际上,如果将进、排
气门相对设置,燃烧室内的废气涡流的方向就决定了废气短时间内是不会流向反向的进气门的,于是,一边进气一边排气的局面是完全可能实现的!
考虑进气门开启的时机:读者可能已经猜到。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。可能低到什么程度?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,进气门也可以提前一点开启。
前面关于进气岐管,排气岐管内的气流的描述都属于粗略的理解。更严格的,应当考虑为气体密度波动。前述现象可以用波动模型更科学地解释,气流的这种波动对汽缸吸气和排气都有着很大的影响,而波动的各种参数则与进气岐管、排气岐管的长度、口径等都有着密切关系。这也是使用可变进气岐管、可变排气岐管等技术的重要原因嘛!不过,在这个系列中我们主要不是为了讨论这些技术,所以还是暂且一笔代过吧。
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。重叠持续时间的长度可以用此间曲轴运行的角度来衡量,这样就可以抛开转速,把它作为系统的固有特性看待了。重叠角度通常都很小,可是对发动机性能的影响却相当大。那么这个角度到
底以多大为宜呢?我们知道,发动机转速越高,每个汽缸一次循环内留给吸气和排气的绝对时间也越短,增大重叠角度则有机会获得更多的进、排气时间。另一方面,此时前面讲到的(进气岐管或排气岐管内的)气流也越快,更快的气流就意味着废气不容易乘此时窜入进气岐管,也就有利于增大重叠角度的做法。那还犹豫什么?当然,重叠角度也不能太大。一般来说,转速越高,要求的重叠角度也就越大;相反,低转速下重叠角度就应该小一点。但是,我们知道,进、排气门何时开闭都是由相应的凸轮决定的,所以对使用传统的配气机构的发动机来说,重叠角度在各种工况下都是相同的。换句话说,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,甚至会造成过量的废气泻入进气岐管,吸气量下降,气缸内气流也会变得紊乱,使ECU难以对喷油量进行精确的控制,最终导致怠速不稳,低速扭矩偏低,严重时进气岐管内还可能发生回火现象。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偏低。所以传统的配气机构只能是一个折衷,不可能在各种截然不同的工况下都达到最优状态。
前面说了一大堆,焦点都是放在发动机的动力性方面了,其实重叠角度对经济性和排放特性同样也很重要。不知道大家是否记得,在以前的一些讨论中我们谈到过汽油机的油耗转
速特性,负荷一定,油耗转速特性曲线通常都是马鞍形,因为转速过低,进气流速太慢,汽油和空气混合得就不够充分,而且此时发动机的润滑往往也不够充分,这些都会导致经济性的降低。而转速高过了一定的范围,机件因摩擦损失的机械能比例增大,而且随着每冲程的时间缩短,可燃混合汽的燃烧也会越发的不充分,所以发动机的经济性同样也会下降,同样理由,此时的排放特性也会随之恶化。尤其是如今发达国家的环保法规日益严格,排放的问题也变得更加严重。很多厂商都在采用复杂的废气再循环(EGR)技术来改善发动机的经济性和排放特性。顾名思义,EGR装置的作用就是使部分废气重新进入下一个工作循环,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。回到气门重叠角度问题,不难想象,针对某一转速,如果将重叠角度调得高一点,略微超过原来讨论的此转速下的(对动力性来讲的)最优值,不就会有部分废气和新鲜的可燃混合汽混合,进入下一个工作循环了吗?这样一来也有助于提高发动机的空燃比,使燃烧更充分,排放更清洁。简直就是不需要额外装置的EGR技术嘛!然而不幸的是,你只能针对某一转速。
前面我们提到了种种的两难困境(类似的两难问题还很多,后面我们还会陆续的讨论到),使得工程师们在配气机构的设计方面不得不小心的平衡着各种因素,高转,低转,
高转……,头疼啊。实际上,长期以来,配气机构的设计水平就成了左右一部发动机综合性能的最主要的几大因素之一。赛车或高性能跑车发动机也许可以更多的关注高转速工况的优化,相反,重载卡车或越野车发动机则可能更多的为低转速工况进行优化。但轿车发动机呢?随着性能要求的提高,改进工作变得越来越困难,于是工程师开始寻求突破——对,是需要变化的时候了!对于进、排气岐管的问题,出现了各式各样的可变岐管技术;对于气门重叠角度问题,则需要在凸轮上下功夫,于是可变气门正时(VVT)技术出现了。
说到VVT,其实可以有很多不同的实现方法,总体上可以分为几大类别。最容易想到,实现起来也是最简单的方法就是改变凸轮轴的相位了。而改变凸轮轴相位,又可以许多不同的具体方法。最简单的:想象一台直列的DOHC发动机,在正时皮带(或链条)上增加一种位置可调的滑轮(或齿轮)控制装置,作为张紧器。该张紧器改变位置的时候,可以起到调节正时皮带上的各轮组相对相位的作用。比如说,如果让曲轴和进气凸轮轴正时轮组之间的皮带长度改变,实际上进气凸轮轴相对于曲轴的相位也就改变了,于是进气门开闭的相位也就变了,它们与相应的排气门的重叠角度当然也随之改变。不要小看这种方案!VVT技术第一次被带入到民用汽车发动机上正是借助于这个看似非常简单的方案。那还是1980年,让我们向Alfa Romeo致敬!使用这种办法,实际上我们可以只改变DOHC发动机
的进、排气凸轮轴的其中之一的相位,也可以两者都加以调节。不过大多数使用这种方案的VVT技术通常都选择仅改变一种凸轮轴的相位,比如PorscheVarioCam就只对进气凸轮轴的相位进行调整。这样做的效果会比两种凸轮轴都调整来得弱一些,但毕竟调节气门重叠角度的主要目的已经达到,而系统却更加简单。除了结构简单,成本低,这种方案还有一个好处:适合对原有的发动机设计进行升级改造,因为它甚至不需要对原有缸盖(包括凸轮轴)做任何的改动!举个大家最熟悉的例子,VW1.8T系列发动机最初并没有使用VVT技术,但是在后期的一些型号上,我们则可以看到这种类型的VVT技术的应用。/*说到这里需要指出的是,涡轮增压等主动进气技术又是改良发动机性能的一条重要途径,而它们与VVT这样的技术并不矛盾,但毕竟进、排气方面的很多特性都发生了重大改变,VVT用在这样的发动机上很多特点也会与在自然吸气(NA)发动机上时有所不同,这里我们就不去追究这些细节了,本系列将主要结合NA发动机开展讨论,也是因为相对来说,可变气门技术对于NA发动机可能显得更重要一些。如果确要了解有关1.8T发动机上的VVT技术的更多细节,可以咨询有此人总奸。
前文书说到使用外部张紧器改变凸轮轴相位的VVT技术。话说那种VVT的缺点也明显:正时控制有时不够精确,可调节的角度范围较为有限,反应速度也慢,而且出于机械上的原
因,这种张紧器通常只能提供有限的几个位置选择,因此气门正时的调整也只能是分阶段地进行,而不能针对所有的转速条件进行连续调节。比如前例中的VarioCam就只提供三阶段调节,而在Ford等厂商的一些VVT发动机上,则只提供了两阶段调节。为了进一步提高VVT系统的效能,一些工程师开始把目光直接投到了凸轮轴本身。通过增加一个可以调节凸轮轴及其正时轮之间的相位关系的控制机构,就容易在调整凸轮轴相位的时候获得更大的自由度。这样的控制机构可以纯机械式的,也可以是电磁作动的,当然,最常见的还是液控系统。千变万化,改变气门正时的基本原理终归还是一样的。这类凸轮轴相位调节技术一般可以统称为气门正时控制(VTC)技术,大概最早源于Peugeot的叫法。早期的VTC同样只能提供分阶段的调节能力,实际上,这种非连续VTC直到现在仍在被众多欧洲车厂使用,而且多用于进气凸轮轴(值得一提的是,欧洲的主要经济型轿车生产商长期以来在柴油机方面投入的精力较多,近年来又把注意力放在了汽油直喷技术上,对于汽油机配气机构的优化方面则似乎比较依赖传统方法,在VVT的发展方面则显得步伐有些滞后,它们的VVT机型往往也多是把重点放在了改善排放特性方面,而不是动力性。这些做法大概可以追溯到欧盟的排放法规和欧洲汽油的特点吧:)。Fiat/Alfa Romeo/LanciaRenault等厂商的一些机型上装备有两阶段进气凸轮轴相位调整系统。PeugeotVTC也类似,但
最多可以提供四阶段调节,不过仅用在了206 GTi等少数车型的发动机上,更多的工作状态使得这种系统相对更容易兼顾到高转速功率。欧洲的一些跑车厂商则同样惯用这种非连续VTC,尽管它们的系统更注重高转速功率的提升。例如,LamborghiniDiablo系列开始就使用了两阶段进气凸轮轴VTC,为了进一步增强效果,目前的Murcielago上则又增加了两阶段排气凸轮轴VTC。而Ferrari 360系列的发动机则仅使用了两阶段排气凸轮轴VTC
VTC相对于张紧器而言,系统更为复杂,成本也高,但是毕竟效果要更好,尤其是这种设计较容易实现气门正时的连续可调。当然,连续调节成本就更高了,一套连续式VTC装置价值可能超过$250(具体说来,这些玩意各大车厂通常都不会自己生产,也是从一些专业厂商采购来的,所以说,看一个国家的汽车工业,更多的应该是看这种基层的专业厂商的研发能力、工艺水准。象德国、日本、美国、意大利……,甚至澳大利亚,都活跃着大量这样的厂商,而所谓汽车产量大国诸如我国和巴西就差一些了。这样你手里没有技术,终究不能成为真正的汽车强国)。不过只有做到连续调节才有可能使进、排气门重叠角度等变量能够根据转速(及负荷)连续调整,从而达到对任意工况都做到优化的效果,发动机的扭矩转速特性也会比分阶段调节要来得平滑。所以,较高的成本可能也是值得的。举个连续式VTC的典型例子:ToyotaVVT-i(这种VVT-i发动机其实是Yamaha设计的吧)对这
种技术大家都很熟悉了吧?(i代表智能调节:它的凸轮轴相位的调节不仅要根据发动机的转速,还要参考其负荷状态,比如是否需要加速,是上坡还是下坡)VVT-i这样的技术对ECU的控制程序就提出了更高的要求,早期的VVT-i就因为控制软件不够成熟,是系统常常表现的智能过了头,画蛇添足。不过经过几代的发展,目前VVT-i已经成为Toyota家族的主流VVT技术,广泛应用于各种车型、各种排量,各种结构的发动机上。对于不同的应用,该系统也可以灵活配置,比如,用于Lexus LS430V8上,就是进、排气门凸轮轴都可以获得调节,而用于我国产的威兹等车上的版本则只调节进气门凸轮轴相位。
连续式VTC属于目前VVT技术的主流,所以我们还是多举几例。除了VVT-iBMWVANOS应该是最著名的例子了吧?它采用了电液控制系统,1992诞生之初只用来调节进气凸轮轴相位,后来进化为进、排气凸轮轴相位均可连续调节,称为Double VANOS,目前几乎所有的BMW发动机上你都能够看到Double VANOS的应用(欧阳LM:宝马!我顶!瞎子:对不起,BMW的技术我托的晚了,后面一定大大的托![转身,微声]顶什么顶?当我不知道,你Y装成bimmer迷,其实是日托吧?托BMW无非是想用来扁VW嘛,不厚道!不过看你也不容易,这个秘密我就不告诉别人了:)。由于优化的范围广,发动机输出平滑,目前大多数豪华车发动机采用的都是这类VVT。除了前面提到的LexusBMW,还有Audi
的各种主流V6V8及其同集团VWVR6W8W12,用于Lamborghini GallardoV10,用于Bugatti VeyronW16Jaguar的新V6V8及其同集团Ford/Lincoln的某些轿、跑车发动机,Cadillac的新V6Northstar V8InfinitiV8等等。前文提到过,对于增压发动机,VVT的意义相对要小一些,不过Volvo的涡轮增压发动机上也还是配置连续式VTC,但是所有发动机都为涡轮增压机型的Saab却还没有使用任何VVT技术(不过其主打的Eco Power系列机型都是自GMEcotec家族发动机改进而来,而后者目前正在酝酿使用某种VVT的下一代机型,所以将来的Saabvvt发动机是什么意思发动机应当也会具备VVT技术,各人估计,应当也是VTC类方案)。我们再来看看连续式VTC的实效:JaguarV84.0L拓缸到4.2L后峰值功率增加了5hp,但是由于增加了VTC系统,油耗反而较以前有了一定的下降。/*关于VWVRW型发动机,其配气机构的设计很独特,哪位DX愿意写点东西谈一谈?*/
再来看看经济车型,这个领域使用连续式VTC技术则还只在日本厂商中较为广泛(非日系经济车型差不多就只有VW在用了,比如它的VR6系列,FSI直喷家族)。大家较为熟悉的例子除了ToyotaVVT-i,还有用在Mazda 6上的S-VT。其实Mazda 6使用的实际上应该算Ford Duratec家族发动机,不过一来Duratec本身就带有Mazda血统,再有它的VVT技术也是Mazda自己开发的,属于一种进气凸轮轴连续式VTC。该家族发动机以后也会逐步向整
Ford系统内推广。另一家族可能会在国内亮相的当属NissanVQ系列,它采用的也是进气凸轮轴连续式VTC,与它的可变进气岐管技术结合,整套方案合称CVTC。说到VQ发动机上采用VTC的历史,有一件事值得一提,就是在该技术应用于VQ后,曾有两代反而得而复失,直到目前这代又失而复得。为什么?盖因早期的VTC系统可靠性不高,油路常出故障。所以使用新技术虽好,但有时不够成熟也可能会带来副作用的啊。其它此类例子还有SubaruAVCS技术,使用在它的多款水平对置发动机上,也是只调节进气凸轮轴相位。
有心的读者可能会注意到,迄今我们提到的所有VVT发动机都是DOHC机型!道理很简单,迄今我们的讨论还局限于通过调节凸轮轴相位来调整气门正时的第一类VVT的范围内。VVT最主要的目标就是要能调节进排气门重叠角度,对于这类VVT来说,如果用于SOHC发动机,凸轮轴相位一变,进、排气凸轮的相位同步向同样的方向移动了同样的角度,那重叠的角度还是没有改变嘛。这一条同时也是DOHCSOHC的重要优势。至于古老的OHV结构,自然就更不能和VVT相容了?对吧,反正市场上的确没有一部OHV发动机使用任何一种VVT技术的。市场上的OHV甚至都没有多气门的确切的讲是OHV汽油机,OHV柴油机则有很多都采用了4气门设计,这个暂且不谈)。其实,多气门,带VVT的汽油机也是有的,比如GMXV8概念机,它为了利用OHV紧凑,成本低等优势,同时又去处其
不容易使用多气门,无法兼容VVT等缺憾,采用了双凸轮轴设计,由于进、排气凸轮轴得以分开,使得多气门,VVT等技术都容易与OHV结构相结合(对于一部普通的SOHC V8来说,两列气缸各要使用一支凸轮轴,如果是DOHC,那就是四支了!而OHV V8则总共只需一支,即使用双凸轮轴设计也比DOHC V8少两支。SOHC V8虽然也是两支,但它反到难以和VTC兼容)。XV8还结合了汽油直喷,歇缸等多种其它技术!下一代C6 CorvetteZ06OHV发动机预计将会应用大量XV8上验证过的设计,包括双凸轮轴,VVT