可變氣門的原理 更新時間: 2019-09-18

可變氣門正時技術幾乎已成為當今發動機的標準配置,為了進一步挖掘傳統內燃機的潛力,工程人員又在此基礎上研發出可變氣門升程技術,當二者有效的結合起來時,則為發動機在各種工況和轉速下提供了更高的進、排氣效率。提升動力的同時,也降低了油耗水平。


配氣相位機構的原理和作用

我們都知道,發動機 的配氣相位機構負責向氣缸提供汽油燃燒做功所必須的新鮮空氣,并將燃燒后的廢氣排出,這一套動作可以看做是人體吸氣和呼氣的過程。從工作原理上講,配氣相位機構的主要功能是按照一定的時限來開啟和關閉各氣缸的進、排氣門,從而實現發動機氣缸換氣補給的整個過程。


那么氣門的原理和作用又應該怎么理解呢?我們可以將發動機的氣門 比作是一扇門,門開啟的大小和時間長短,決定了進出的人流量。門開啟的角度越大,開啟的時間越長,進出的人流量越大,反之亦然。同樣的道理用于發動機上,就產生了氣門升程和正時的概念。氣門升程就好象門開啟的角度,氣門正時就好象門開啟的時間。以立體的思維觀點看問題,角度加時間就是一個空間的大小,它也決定了在單位時間內的進、排氣量。

可變氣門正時和升程技術可以使發動機的“呼吸”更為順暢自然


發動機的氣門 通常由凸輪軸帶動,對于沒有可變氣門正時技術的普通發動機而言,進、排氣們開閉的時間都是固定的,但是這種固定不變的氣門正時卻很難顧及到發動機在不同轉速和工況時的需要。前面說過發動機進、排氣的過程猶如人體的呼吸,不過固定不變的“呼吸”節奏卻阻礙了發動機效率的提升。


如果你參加過長跑比賽,就能深刻體會到呼吸節奏的把握對體能發揮的重要性——太急促或刻意的屏息都可能增加疲勞感,使奔跑欲望降低。所以,我們在長跑比賽時往往需要不斷按照奔跑步伐來調整呼吸頻率,以便時刻為身體提供充足的氧氣。對于汽車發動機而言,這個道理同樣適用。可變氣門正時和升程技術就是為了讓發動機 在各種負荷和轉速下自由調整“呼吸”,從而提升動力表現,提高燃燒效率。


可變氣門正時技術

前面說過氣門正時控制著氣門的開啟時間,那么VVT(可變氣門正時)技術是如何工作的呢?它又是怎樣達到提升效率、節約燃油的效果呢?

——氣門重疊角對發動機性能的影響


當發動機處在高轉速區間時,四沖程發動機的一個工作沖程僅需千分之幾秒,這么短的時間往往會引起發動機進氣不足和排氣不凈,影響發動機 的效率。因此,就需要通過氣門的早開和晚關,來彌補進氣不足和排氣不凈的缺憾。這種情況下,必然會出現一個進氣門和排氣門同時開啟的時刻,配氣相位上稱為“氣門重疊角”。

氣門重疊的角度往往對發動機性能產生較大的影響,那么這個角度多大為宜呢?我們知道,發動機 轉速越高,每個氣缸一個工作循環內留給吸氣和排氣的絕對時間也越短,因此要達到更高的充氣效率,就需要延長發動機的吸氣和排氣時間。顯然,當轉速越高時,要求的氣門重疊角度越大。但在低轉速工況下,過大的氣門重疊角則會使得廢氣過多的瀉入進氣端,吸氣量反而會下降,氣缸內氣流也會紊亂,此時ECU 也會難以對空燃比進行精確的控制,從而導致怠速不穩,低速扭矩偏低。相反,如果配氣機構只對低轉速工況進行優化,那么發動機的就無法在高轉速下達到較高的峰值功率。所以發動機的設計都會選擇一個折衷的方案,不可能在兩種截然不同的工況下都達到最優狀態。


所以為了解決這個問題,就要求配氣相位可以根據發動機轉速和工況的不同進行調節,高低轉速下都能獲得理想的進、排氣效率,這就是可變氣門 正時技術開發的初衷。

——工作原理

雖然可變氣門正時技術在各個廠商的稱謂略有不同,但是實現的方式卻大同小異。以豐田的VVT-i技術為例,其工作原理為:該系統由ECU協調控制,發動機各部位的傳感器實時向ECU報告運轉情況。由于在ECU中儲存有 氣門最佳正時參數,所以ECU會隨時對正時機構進行調整,從而改變氣門的開啟和關閉時間,或提前、或滯后、或保持不變,下面這段視頻則清楚的展示了VVT機構的工作原理。

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簡單的說,VVT系統就是通過在凸輪軸的傳動端加裝一套液力機構,從而實現凸輪軸在一定范圍內的角度調節,也就相當于對氣門的開啟和關閉時刻進行了調整。


VVT-i

VVT-i.系統是豐田公司的智能可變氣門正時系統的英文縮寫。近幾十年來,基于提高汽車發動機動力性、經濟性和降低排污的要求,許多國家和發動機廠商 、科研機構投入了大量的人力、物力進行新技術的研究與開發。目前,這些新技術和新方法,有的已在內燃機上得到應用,有些正處于發展和完善階段,有可能成為未來內燃機技術的發展方向。


豐田VVT-i發動機的ECM在各種行駛工況下自動搜尋一個對應發動機轉速、進氣量、節氣門位置和冷卻水溫度的最佳氣門 正時,并控制凸輪軸正時液壓控制閥,并通過各個傳感器的信號來感知實際氣門正時,然后再執行反饋控制,補償系統誤差,達到最佳氣門正時的位置,從而能有效地提高汽車的功率與性能,盡量減少耗油量和廢氣排放。

發動機可變氣門正時技術(VVT,Variable Valve Timing)是近些年來被逐漸應用于現代轎車上的新技術中的一種,發動機采用可變氣門正時技術可以提高進氣充量,使充量系數增加,發動機的扭矩和功率可以得到進一步的提高。

i-VTEC

我們最熟悉的可變氣門升程系統可能非本田的i-vtec莫屬了,本田 也是最早將可變氣門升程技術發揚光大的廠商。本田的可變氣門升程系統的結構和工作原理并不復雜,工程師利用第三根搖臂和第三個凸輪即實現了看似復雜的氣門升程變化。


當發動機在中、低轉速時,三根搖臂處于分離狀態,普通凸輪推動主搖臂和副搖臂來控制兩個進氣門的開閉, 氣門升量較小。此時雖然中間凸輪也推動中間搖臂,但由于搖臂之間是分離的,所以兩邊的搖臂不受它控制,也不會影響氣門的開閉狀態。


發動機達到某一個設定的轉速時,電腦即會指令電磁閥啟動液壓系統,推動搖臂內的小活塞,使三根搖臂鎖成一體,一起由高角度凸輪驅動,這時氣門的升程和開啟時間都相應的增大了,使得單位時間內的進氣量更大,發動機動力也更強。這種在一定轉速后突然的動力爆發極大的提升了駕駛樂趣。當發動機 轉速降到某一轉速時,搖臂內的液壓也隨之降低,活塞在回位彈簧作用下退回原位,三根搖臂分開。

點評:這項技術在本田車型上的普及度較高,但是分段式的氣門調節方式還是令發動機的動力輸出不夠線性。

MIVEC

MIVEC全稱為“Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system”,中文解釋為三菱智能可變氣門正時與升程管理系統。


裝備MIVEC系統的發動機與普通發動機一樣采用每缸四氣門,兩進兩排的設計,但不同的是它可以控制每缸兩個進氣門 的開閉大小。如在低速行駛時,MIVEC系統發出指令此時兩個進氣門中的其中一個升程很小,這時基本就相當于一臺兩氣門發動機。由于只有一個進氣門 工作,吸入的空氣不會通過汽缸中心,所以能產生較強的進氣渦流,對于低速行駛,尤其是冷車怠速條件下能增大燃燒速率,使燃燒更充分從而也大大提高了經濟性。在我們日常行車中,經常會遇到這種情況,比如堵車時,這時裝備了MIVEC系統的發動機比普通發動機能節省不少的燃料。

而另一種情況就是當我們需要加速或高轉速行駛時,這時MIVEC系統會讓兩個進氣門同時以同樣的最大升程開啟,這時的進氣效率能顯著提高,令發動機在高轉速運轉時能有充足的儲備。

當然MIVEC并不是只有這兩種可變的工作狀態,它可以根據各傳感器傳來的發動機 工況信號來適時調整最合理的配氣正時,總而言之mivec可以令發動機時刻處在最佳燃燒狀態。

Valvetronic

BMW的Valvetronic系統在傳統的配氣相位機構上增加了一根偏心軸,一個步進電機和中間推桿等部件,該系統借由步進電機的旋轉,再在一系列機械傳動后很巧妙的改變了進氣門升程的大小。


當凸輪軸運轉時,凸輪會驅動中間推桿和搖臂來完成氣門 的開啟和關閉。當電機工作時,蝸輪蝸桿機構會首先驅動偏心軸發生旋轉,然后中間推桿和搖臂會產生聯動,偏心軸旋轉的角度不同,最終凸輪軸通過中間推桿和搖臂頂動氣門產生的升程也會不同。在電機的驅動下,進氣門的升程可以實現從0.18mm到9.9mm之間的無級變化。


BMW的Valvetronic技術已經覆蓋了旗下的多款發動機,包括目前陸續推出的渦輪增壓新動力。該技術能夠讓發動機 對駕駛者的意圖做出更迅捷的反饋,同時通過發動機管理系統對氣門升程的精確控制,實現了車輛在各種工況和負荷下的最佳動力匹配。

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點評:BMW的這項技術已經十分成熟,而且通過不斷的優化,Valvetronic技術也突破了轉速的限制,可以應用在M-power的V8雙渦輪增壓發動機上。如何保證在正確的時間使氣門升程處在合適的位置是這項技術的最大難點,不過它的確做到了對發動機進行更為精準和細致的調控管理。

Double-VANOS

Double-VANOS:雙凸輪軸可變氣門正時系統。

Double-VANOS是由BMW開發的雙凸輪軸可變氣門正時系統,這是寶馬技術發展領域中的又一項成就:Double-VANOS雙凸輪軸可變氣門正時系統根據油門踏板和發動機 轉速控制扭矩曲線,進氣和排氣氣門正時則根據凸輪軸上可控制的角度按照發動機的運行條件進行無級的精準調節。

在低發動機轉速時,移動凸輪軸的位置,使氣門延時打開,提高怠速質量并改進功率輸出的平穩性。在發動機轉速增加時,氣門提前打開:增強扭矩,降低油耗并減少排放。高發動機轉速時,氣門 重新又延時打開,為全額功率輸出提供條件。

Double-VANOS雙凸輪軸可變氣門正時系統還控制循環返回進氣歧管的廢氣量以增強燃油經濟性。系統在發動機預熱階段使用一套專用參數以幫助三元催化轉換器更快達到理想工作溫度并降低排放。整個過程由車輛的汽油發動機電子控制系統(DME)控制。


雙VVT

市面上的絕大部分氣門 正時系統都可以實現進氣門正時在一定范圍內的無級可調,而一部分發動機在排氣門也配備了VVT系統,從而在進、排氣門都實現了氣門正時無級可調(也就是D-VVT,雙VVT技術),進一步優化了燃燒效率。


傳統的VVT技術通過合理的分配氣門開啟的時間確實可以有效提高發動機 的效率和燃油經濟性,但是這項技術也有局限性和自身的瓶頸。不過在此基礎上,通過引入可變氣門升程技術可以彌補VVT的缺憾,從而使發動機的呼吸更為順暢、自然。


我們都知道,發動機實質的動力表現是取決于單位時間內氣缸的進氣量。前面說過,氣門正時代表了氣門開啟的時間,而氣門升程則代表了氣門 開啟的大小。從原理上看,可變氣門正時技術也是通過改變進氣量來改善動力表現的,但是氣門正時只能提前或者推遲氣門開啟的時間,并不能有效改善氣缸內單位時間的進氣量,因此對于發動機動力性的幫助是有限的。如果氣門升程大小也可以針對發動機不同的工況和轉速實時調節的話,那么就能提升發動機在各種情況下的動力性能。

VVEL

   英菲尼迪的VVEL系統的工作原理與BMW的Valvetronic類似,但在結構上稍有不同。VVEL系統使用一套螺套和螺桿的組合實現了氣門升程的連續可調。在系統工作時,電機通過ECU信號控制螺桿和螺套的相對位置,螺套則帶動搖臂、控制桿等部件,最終改變氣門升程的大小。


搖臂通過偏心輪套在控制桿上,而控制桿可以在電機的帶動下旋轉一定角度。當發動機 在高轉速或者大負荷時,電機帶動螺桿轉動,套在螺桿上的螺套也會產生相應的橫向移動,與螺套聯動的機構使得控制桿逆時針或順時針發生旋轉。由于搖臂套在控制桿的偏心輪上,因此搖臂的旋轉中心也會隨之上升或下降,從而達到改變氣門 升程的目的。雖然整個機構看起來比較復雜,摩擦副也相對較多,但由于系統中的搖臂,控制桿和螺套等都是剛性連接,沒有彈簧類的回位機構,使得VVEL系統即使在發動機高轉速情況下也無需考慮慣性的問題。

點評:英菲尼迪的這項技術的原理與BMW的Valvetronic可謂大同小異,也是實現了對發動機 的動力輸出做出更為綿密細致的調節,不過這項技術還只是應用在日產旗下的高端車型上。

AVS

    奧迪的AVS可變氣門升程系統在設計理念上與本田的i-VTEC有著異曲同工之妙,只是在實施手段上略有不同。這套系統為每個進氣門 設計了兩組不同角度的凸輪,同時在凸輪軸上安裝有螺旋溝槽套筒。螺旋溝槽套筒由電磁驅動器加以控制,用以切換兩組不同的凸輪,從而改變進氣門的升程。


發動機在高負載的情況下,AVS系統將螺旋溝槽套筒向右推動,使角度較大的凸輪得以推動氣門。在此情況下,氣門 升程可達到11毫米,以提供燃燒室最佳的進氣流量和進氣流速,實現更加強勁的動力輸出。當發動機在低負載的情況下,為了追求發動機的節油性能,此時AVS系統則將凸輪推至左側,以較小的凸輪推動氣門。


這套系統中還有一個設計細節需要注意,那就是兩個進氣門 無論是在普通凸輪還是高角度凸輪下的相位和升程是有差別的,也就是說兩個進氣門開啟和關閉的時間以及升程并不相同。這種不對稱的進氣設計是為了讓空氣在流經兩個進氣門后,同時配合特殊造型的燃燒室和活塞頭,可以令混合氣在氣缸內實現翻轉和紊流,進一步優化混合氣的狀態。


奧迪AVS可變氣門升程系統在發動機700至4000轉之間工作,當發動機處于中間轉速區域進行定速巡航 時,AVS系統可以為車輛提供很好的節油效果。

點評:奧迪這套系統的氣門升程依然是兩段式的,沒有做到氣門升程的無級調節,所以對進氣流量的控制還不夠精確。然而一個巧妙之處在于對同一氣缸內兩個進氣門采用不同步的開啟和關閉時間,從而實現油、氣的充分混合。

Multiair

菲亞特的Multiair電控液壓進氣系統相比寶馬的Valvetronic和英菲尼迪的VVEL的結構來說比較復雜,而且復雜的配氣機構也會在一定程度上增加制造成本。然而菲亞特的Multiair電控液壓進氣系統卻采用了一種相對獨特的手段實現了氣門 升程的無級調節,在技術上可謂另辟蹊徑。


Multiair最大的特點就是開創性的使用了電控液壓控制系統來驅動氣門的正時和升程,雖然發動機為每缸4氣門的結構,但是卻取消了進氣門一側凸輪軸,排氣門側的凸輪軸通過液壓機構來驅動進氣門。


Multiair系統的工作原理要直接得多,而且結構相對簡單。進氣門上方設計有活塞 和液壓腔,液壓腔一端與電磁閥相連,電磁閥則通過ECU信號,根據工況的不同適時調節流向液壓腔內的油量。由凸輪軸驅動的活塞通過推動液壓腔內的油液,控制氣門的開啟。系統只需要控制液壓腔內的油量的多少即可以完成對氣門升程的無級可調。


簡單的結構不僅可以減小整個配氣機構 的慣性,而且在高速運轉時,能量的損失也更小,而且電控加液壓的配合方式還讓Multiair系統擁有極快的響應速度,因此可以實現在一個沖程內多次開啟氣門的模式,使得在怠速和低負荷工況下擁有更高的燃燒效率。然而Multiair最大的優勢在于成本,由于配氣機構 相對簡單,整套Multiair系統也不需要太高的成本,因此這項技術可以更好的向中低端車型覆蓋。

點評:這項技術的設計可謂大膽和創意十足,取消了傳統的凸輪軸機械傳動方式,通過液壓系統來完成對氣門升程的調節,但是這也對電控液壓機構的可靠性提出了更高的要求。

simple structure can not only reduce the valvetrain inertia, but also in the high-speed operation, the energy loss is smaller, and with the electronic control and hydraulic also allow Multiair system with fast response speed, so it can realize the multiple mode opens the valve in one stroke, which has higher combustion efficiency in the idle speed and low load conditions. However, the biggest advantage is that the cost of Multiair, due to the relatively simple gas distribution mechanism, the whole Multiair system does not require too much cost, so this technology can be better to cover the low-end models.

comments: this technology design is bold and creative, canceled the camshaft of traditional mechanical transmission mode, through the hydraulic system to complete the adjustment of the valve lift, but also the reliability of the electric hydraulic mechanism put forward higher requirements.

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