發(fā)動(dòng)機(jī)VVT技術(shù)詳解

1、發(fā)動(dòng)機(jī)VVT技術(shù)詳解 近幾十年來，基于提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低排污的要求，許多國(guó)家和發(fā)動(dòng)機(jī)廠商、科研機(jī)構(gòu)投入了大量的人力、物力進(jìn)行新技術(shù)的研究與開發(fā)。目前，這些新技術(shù)和新方法，有的已在內(nèi)燃機(jī)上得到應(yīng)用，有些正處于發(fā)展和完善階段，有可能成為未來內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。 發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)(VVT，Variable Valve Timing)是近些年來被逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代轎車上的新技術(shù)中的一種，發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變氣門正時(shí)技術(shù)可以提高進(jìn)氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率可以得到進(jìn)一步的提高。 如今如本田的i-VTEC、豐田的VVT-i等也都是源自VVT的發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)。 對(duì)于一臺(tái)4沖程發(fā)

2、動(dòng)機(jī)，按照很多人的理解，做功沖程末，活塞處于下止點(diǎn)時(shí)排氣門開始打開，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入排氣沖程，直到活塞到達(dá)上止點(diǎn)，排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入吸氣沖程。當(dāng)活塞正好運(yùn)行一周重新回到下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入壓縮沖程。這樣來理解氣門的動(dòng)作是否正確呢？差不多是吧。 然而，可能和與人們的直覺不同的是，這樣的氣門正時(shí)效率并不是最優(yōu)的。讓我們先來考慮一下排氣門開啟的時(shí)機(jī)。如果比活塞到達(dá)下止點(diǎn)提前一點(diǎn)就開啟排氣門會(huì)怎么樣呢？從直覺上，這時(shí)廢氣仍可推動(dòng)活塞做功，如果打開排氣門開始排氣，此時(shí)氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)就會(huì)降低，能量的利用率也就降低了，發(fā)動(dòng)機(jī)性能也會(huì)隨之下降。是這樣嗎？其實(shí)也不一定。 我們知道，排氣時(shí)活塞

3、會(huì)壓迫廢氣從而反過來對(duì)廢氣做功，這個(gè)過程會(huì)消耗一部分發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)獲得的能量。如果在缸內(nèi)壓強(qiáng)相對(duì)較高時(shí)提前開始排氣，排氣過程就會(huì)更順暢，從而在排氣沖程減少了能量消耗。這樣，一得一失，怎么才會(huì)最合算呢？考慮到活塞在下止點(diǎn)附近一定角度內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)距離其實(shí)非常短，實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)略微提前打開排氣門效果會(huì)更好一些。再來看進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)機(jī)。 如果在活塞越過下止點(diǎn)一定角度，開始?jí)嚎s沖程之后再關(guān)閉進(jìn)氣門。如何呢？直觀的感覺可能是，這時(shí)活塞已經(jīng)開始上升，剛剛吸入的可燃混合汽豈不是又要被排出去一部分？性能會(huì)不會(huì)下降？答案是：只要時(shí)機(jī)適當(dāng)，這樣做反而可以增加吸氣量，改善性能。因?yàn)樵谖鼩鉀_程可燃混合汽被活塞抽入汽缸，進(jìn)氣門附

4、近的氣流速度可以高達(dá)每秒兩百多米，而我們前面說過，在下止點(diǎn)附近活塞的垂直運(yùn)動(dòng)相對(duì)很慢，汽缸內(nèi)體積變化并不大。此時(shí)進(jìn)氣岐管內(nèi)的可燃混合汽靠慣性繼續(xù)沖入氣缸的趨勢(shì)還是占了上風(fēng)。 說到這里，對(duì)一些VVT技術(shù)有所了解的兄弟可能要不耐煩了：講了這么多，和VVT邊還沒沾呢！不要急，還沒討論排氣門的關(guān)閉時(shí)機(jī)和進(jìn)氣門的開啟時(shí)機(jī)呢。這是大家可能都想到了，排氣時(shí)同樣會(huì)形成高速氣流，如果排氣門也在活塞越過上止點(diǎn)一定角度之后再關(guān)閉，雖然活塞已經(jīng)開始下降，排氣門附近的廢氣仍就會(huì)繼續(xù)排出。但是此時(shí)進(jìn)氣門不是已經(jīng)開啟了嗎？廢氣難道不會(huì)涌入進(jìn)氣岐管？ 事實(shí)上，這又是個(gè)時(shí)機(jī)問題，燃燒室內(nèi)的廢氣渦流的方向決定了廢氣短時(shí)間內(nèi)是不會(huì)

5、流向排氣門對(duì)側(cè)的進(jìn)氣門的，于是，一邊進(jìn)氣一邊排氣的局面是完全可以實(shí)現(xiàn)的。事情還可以更理想。由于大部分廢氣在排氣沖程中前期就已排出，并且在排氣岐管中形成了高密度的高速氣流，沖向排氣管方向。這部分廢氣越是遠(yuǎn)離氣缸，對(duì)于缸內(nèi)尚未排出的廢氣來說，其需要填充的體積就越大，相應(yīng)的平均壓強(qiáng)也就越低。低到什么程度？低到活塞尚未到達(dá)上止點(diǎn)之前，缸內(nèi)壓強(qiáng)可能就已經(jīng)低于進(jìn)氣岐管內(nèi)可燃混合汽的壓強(qiáng)了。如此看來，進(jìn)氣門也應(yīng)當(dāng)提前一點(diǎn)開啟才好。 前邊講到了進(jìn)氣門和排氣門同時(shí)打開的情況，也就是進(jìn)氣門和排氣門的重疊。重疊持續(xù)的相對(duì)時(shí)程可以用此間活塞運(yùn)行的角度來衡量，這樣就可以拋開轉(zhuǎn)速，把它作為系統(tǒng)的固有特性來看待了。重疊的角

6、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，但是前面講到的進(jìn)氣岐管或排氣岐管內(nèi)的氣流也越快。想想看，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，而且也有有利條件可以利用，還猶豫什么？只要重疊的角度大一些不就行了？當(dāng)然，也不能太大，前邊說了，這里有個(gè)時(shí)機(jī)問題，重疊角度太大肯定也不好，要不干脆讓進(jìn)氣門和排氣門同時(shí)開閉得了。很顯然，這個(gè)時(shí)機(jī)是與轉(zhuǎn)速有關(guān)的，轉(zhuǎn)速越高，要求的重疊角度越大。 也就是說，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)就容易得到較高的最大轉(zhuǎn)速，也就容易獲得較大的峰值功率。但在低

7、轉(zhuǎn)速工況下，這樣的系統(tǒng)重疊角度肯定就偏大了，廢氣就會(huì)過多的瀉入進(jìn)氣岐管，吸氣量反而會(huì)下降，氣缸內(nèi)氣流也會(huì)紊亂，ECU也會(huì)難以對(duì)空燃比進(jìn)行精確的控制，最終的效果是怠速不穩(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)的峰值功率就會(huì)下降。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)。 說到這里，我們終于和VVT的主題接近一些了。不過還是再耐心一下，前面講了半天，都只把注意力放在發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性方面了，下面讓我們看看重疊角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放的影響。可能大家都知道，發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗轉(zhuǎn)速特性曲線是馬鞍形的，轉(zhuǎn)速太高，超過了一定的范圍，可燃混合汽的燃燒就會(huì)越發(fā)

8、的不充分，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放特性都會(huì)惡化，尤其如今發(fā)達(dá)國(guó)家的環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，問題就變得更加嚴(yán)重。 于是，很多廠商就采用復(fù)雜的廢氣再循環(huán)（EGR）裝置來改善發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速經(jīng)濟(jì)性和排放。顧名思義，EGR裝置的作用就是吸入部分廢氣，使其中的尚未燃燒的可燃物質(zhì)有機(jī)會(huì)繼續(xù)燃燒，部分有害中間產(chǎn)物得以分解。不難想到，如果此時(shí)將進(jìn)氣門和排氣門的重疊角度調(diào)得高一點(diǎn)，略微超過原來所說的對(duì)動(dòng)力性來講最合適的角度一些，就會(huì)有部分廢氣和新鮮的可燃混合汽混合，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比，使燃燒更充分，排放更清潔。大家可能發(fā)現(xiàn)了，這簡(jiǎn)直就是不需要額外裝置的EGR技術(shù)嘛！然而很不幸，這種偏大的重疊角度設(shè)置，同樣使發(fā)動(dòng)機(jī)難以提供

9、令人滿意的低轉(zhuǎn)速性能。 好了，現(xiàn)在不用我說，大家也知道為什么我們?nèi)绱酥匾昖VT技術(shù)了吧！各個(gè)廠家的VVT技術(shù)千差萬別，共同之處就是都要對(duì)氣門正時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣門和排氣門能有不同的重疊角度，從而改善前面說的那些問題。改變氣門正時(shí)可以有很多不同的方法，但最主要的無外乎兩大類，一類是改變凸輪軸的相位，再一類就是直接改變凸輪的表面形狀。想想看就知道，改變凸輪的表面形狀哪可能容易呢？所以第一類VVT比較容易實(shí)現(xiàn)些。 回到Valvetronic，它依然保留了Double VANOS可變進(jìn)、排氣凸輪軸相位的氣門正時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，那么它又是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門升程進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的呢？BMW為此增加了

10、一種額外的偏心軸，凸輪軸則又通過一個(gè)額外的搖臂系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的氣門搖臂，并且該附加搖臂與氣門搖臂的接觸的角度取決于附加偏心軸的相位。附加偏心軸的相位可以由一個(gè)ECU控制下的調(diào)節(jié)裝置來調(diào)整，從而使附加搖臂的角度發(fā)生變化，這樣，對(duì)于相同的凸輪運(yùn)動(dòng)，傳遞到氣門搖臂上的反應(yīng)就可以不同，氣門的升程也就會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。 從BMW的資料看，Valvetronic系統(tǒng)對(duì)氣門開放時(shí)程的影響應(yīng)當(dāng)不大，調(diào)節(jié)的只是氣門升程。不過，氣門開度很小的時(shí)候，氣體的進(jìn)出效率是很低的，如果考察氣門開度超過一定程度的持續(xù)角度，姑且稱之為有效的氣體交換時(shí)程，通常也是隨氣門升程的增加而增加的。為了限制發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜度，目前實(shí)際應(yīng)用的Val

11、vetronic系統(tǒng)在氣門升程方面，調(diào)整的只是進(jìn)氣門。盡管理論上類似系統(tǒng)也可以作用于排氣門，但那樣的話整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)就過于復(fù)雜了。就目前Valvetronic的發(fā)展情況來說，由于參與氣門運(yùn)動(dòng)的機(jī)件還是太多，高轉(zhuǎn)速下機(jī)械能損耗就大，不利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。所以在提高升功率方面，Valvetronic的表現(xiàn)是不及一些諸如VTEC之類的更簡(jiǎn)單的氣門升程調(diào)節(jié)系統(tǒng)的，它的優(yōu)勢(shì)在于綜合能力，在于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的提高。 如果說VVTL-i、i-VTEC和VarioCam Plus是融合了第一類和第二類VVT的話，Valvetronic在可變氣門升程方面采用的方式似乎可以看作是獨(dú)辟蹊徑的第三條道路。還有其他的

12、VVT嗎？有。BMW的工程師強(qiáng)調(diào)對(duì)氣門升程進(jìn)行調(diào)節(jié)，Rover的工程師則選擇了氣門的開放時(shí)程作為調(diào)整的目標(biāo)。在Rover VVC中，由于凸輪可以受設(shè)計(jì)獨(dú)特的偏心輪驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)并非勻速，這樣一來，在調(diào)整氣門正時(shí)的同時(shí)，氣門的開放時(shí)程也發(fā)生了改變，盡管升程并沒有變化。VVC系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，我也沒見過具體的結(jié)構(gòu)圖，對(duì)其具體原理也不太清楚，只知道它通常只用于調(diào)節(jié)進(jìn)氣門，而且可以做到連續(xù)的改變進(jìn)氣門正時(shí)和開放時(shí)程。瘋狂的英國(guó)人！ 本文寫到這里，還從來沒有提到Mercedes-Benz發(fā)動(dòng)機(jī)的VVT技術(shù)呢，很多人會(huì)感到奇怪了吧？其實(shí)盡管Mercedes-Benz發(fā)明了無數(shù)的電子技術(shù)，各種新配置總是層出不窮，D-C在發(fā)動(dòng)機(jī)方面卻一貫比較保守，目前為止，它的確在VVT領(lǐng)域走在了后面，大部分車型的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)在是乏善可陳，還是多年未變的每缸三氣門SOHC結(jié)構(gòu)，也沒有使用任何VVT技術(shù)。所以，Mercedes-Benz車在同級(jí)車中往往是升功率偏小，動(dòng)力一般，油耗不低。然而世事無絕對(duì)，最近我也注意到，在新款CLK等車型上，D-C也在暗暗的拋出猛料。 不但順應(yīng)主流，改為使用四氣門DOHC結(jié)構(gòu)，什么汽油直噴，雙火花塞，VVT全都一下子冒了出來。永遠(yuǎn)不要低估D-C的技術(shù)儲(chǔ)備，