启飞汽车

摘要

    可变气门技术是汽车发动机技术的一个重要组成部分, 这项技术的提出带来了发动机燃油系统的一场革命, 既改善了发动机的整体性能, 又在其质量上做出了保障。本文主要研究了发动机可变气门正时技术的各种运用场景, 特别是在各商业组织中研发的典型系统, 比如宝马集团的Valvetronic系统, 它保证了汽车能够更加顺利的吸收新鲜空气, 不仅如此还能够对升程进行无极调节。当前, 可变气门正时技术正在被不断的优化, 该技术也在被各大高性能发动机制造商家所运用。其强大的动力性和优良的经济性, 以及对环境的友好性引起了业界的重点关注。
    遍观整个汽车发动机技术走过的历史, 不难看出, 可变化技术越来越受到人们的关注。汽车在正常运作条件下, 由于外界环境的变化, 自身的工作情况也会发生改变, 为了避免发动机不正常运行, 就需要改变部分系统的结构, 或者对相关参数做出调整, 以此来优化各项性能, 使得发动机能够适应各种工作情况, 进而防止超负荷运作等不正常现象的出现。本文主要研究了可变气门技术在现代汽车上的使用情况, 并对其中出现的一些问题进行了探讨。

一、早期的可变气门技术

    发动机可变气门正时技术 (简称为VVT, 英文全称为Variable Valve Timing) 是汽车发动机领域的一项重要研究成果, 随着工业社会的发展, 在现代轿车上这项技术被运用的越来越普遍。该技术能够使进气充量得到显著的提升, 进而增加发动机的扭矩, 同时发动机功率也得到了显著提升。当前社会, 混合动力汽车性能正在逐渐的优化, 发动机可变气门正时技术同样也能够在该领域一展拳脚, 主要实现的就是对动力模式的随意切换, 进而极大地降低来自于内燃机的污染排放。在行业内部都知道, 宝马的VANOS系统与丰田的VVT-i系统算是业界先驱, 它们率先为该问题提供了解决方案。而这两者还不算最早的, 在八十年代中期来自本田公司的VTEC发动机才是真正的业界鼻祖。

1.本田VTEC系统

    “VTEC”系统用中文来说就是“可变气门正时及升程电子控制系统”。该技术被创始方丰田公司于上世纪八十年代申请并获受专利, 它的智能之处在于, 能够随着发动机转速、环境温度等相关参数的改变而合理的调控配气正时和气门升程, 主要实现的是让发动机在速度较低时能够输出大的扭矩, 在速度变高时能够达到较高的功率。

2.宝马VANOS系统

    VANOS系统如若用中文表述则是“可变凸轮轴控制系统”, 该项技术的核心是一个可以改变吸入新鲜空气的进气凸轮轴与曲轴相对位置的调节部件, 该技术第一次展示在世人面前是使用在M50发动机上。该技术发展至今依旧经历着不断的技术革新。
    对于VANOS系统而言, 当发动机运转速度比较低时, 进气门就会自动打开, 目的在于改善发动机的平稳度。当发动机运转速度处于不高不低的状况时, 进气门就会预先打开, 用来增加扭矩, 同时实现废气的再循环利用, 减少用油量的同时也实现了对环境的保护。最后一种就是发动机处于极高的运转条件下, 这时的进气门将延缓打开时间, 这样做的目的在于达到发动机的最大功率。

3.丰田VVT-i系统

    丰田公司作为汽车行业的领先者, 自然掌握了多项汽车核心科技, 其中VVT-i技术就是其拥有自主知识产权的先进的发动机技术, 在过去几十年间, 该技术仅仅被使用在丰田公司原装进口的顶级汽车上。对于VVT-i的中文翻译为“智能可变配气正时”。它的优点在于能够持续的调控节气门正时, 缺点则是无法实现节气门升程的调控。

二、二十一世纪的可变气门技术

1.从VVT-i到VVTL-i

    由于市场的需要以及客户的需求, 丰田公司在原有的VVT-i技术上进行改良, 研发出了新一代的VVTL-i技术。从结构上来看, 就是在发动机凸轮轴上进行了改动, 具体而言就是增加了一个自由改变大小与角度的凸轮。相较于传统技术, 先进的VVTL-i技术以油压为动力, 驱动各个销的移动来挤压不同尺寸的凸轮, 这种形式的优点在于更加灵活、更加可靠和安全。

2.从VTEC到i-VTEC

    VTEC技术在1989年被研发出来, 之后一直被投入市场运用, 在十二年之后, 丰田公司正式推出了VVTL-i技术, 也正是在同年, VTEC技术受到的来自业界的质疑声达了巅峰。不久之后, 本田公司再次震惊了世界, 它在行业内发布了一种全新的VTEC技术, 我们将其命名为iVTEC系统。i-VTEC系统一个极其重要的创新之处在于, 其在原有的VTEC系统上, 新加了一个系统, 我们称之为“可变正时控制”系统。这个时候, 排气阀门的正时与开启的重叠时间是不定的, 其大小的调节由VTC来实现, 由于VTC机构的运用, 使得发动机不论在何种大小的转速下, 都可以找到相适应的配气相位, 这就意味着i-VTEC达到了与VVTL-i相同的可变气门技术。
    因为创造性的使用了VTC机构, 才使得配气相位可以很适合的随发动机负荷的变化而做出调整。在发动机正常工作条件下, VTC主要使用在三个方面。
    (1)最佳怠速区域。在这个区域范围中, VTC系统不进行工作, 这种情况下的气门重叠角是最小的。同时VTEC发挥作用, 制造出很大的涡流, 这个涡流的作用使得发动机怠速工作趋于稳定。
    (2)最佳油耗和排气控制区域。在这个范围下, VTEC实现它强大的功能, 利用产生的大涡流让可燃混合气体能够实现更加均匀的融合, 这时VTC也开始工作, 增加气门的重叠角, 实现废气的重新利用, 充分发挥EGR的功能, 并借此实现最理想的油耗和对排气的管控。
    (3)最佳扭矩控制区域。在这个范围内, VTC将发挥作用, 用最科学合理的气门重叠角, 同时结合VTEC系统, 使发动机达到最大的输出扭矩。此外, 在整个i-VTEC发动机中, 会将进气歧管放置在最前端, 排气歧管则是靠后放置。排气歧管的变化在于长度上的减小, 这种结构上的改变能够使废气排放的量达到最小。由发动机运行原理可知, 在开启设备之后i-VTEC系统就开始运行, 这时候, 不管发动机转速有多高, VTC都会处于正常运行状态, 这也是在之前VTEC系统之上, 实现的一次大的提升。
由上文可知, 因为在发动机中创造性的使用了VTC机构, 配气相位便可以与发动机的负载相适应, 不管发动机处于何种工作条件, 系统总能够找到最合适的配气相位, 通过最科学的气门重叠角, 达到在中低速条件下的省油与节能减排, 以及高速运行时的大功率和大扭矩, 这个控制过程就像是人脑的运作一般智能, 这也是其被冠名为智能化VTEC的缘由。

3.从VANOS到Valvetronic

    Valvetronic是宝马公司推出的得意产品, 它相比于上述两种技术, 显得更有优势:首先, Valvetronic直接去掉了节气阀, 使得进气更加通畅。可变电阻的运用可以更加随心所欲的控制进气量。再者, Valvetronic升程部分实施了优化, 使其可以持续微调, 这又是一项技术上大的提升。

三、结论

    可变气门技术从研发至今, 已经有几十年的历史了, 有鉴于此, 再加上文章篇幅有限, 就只举出了一些典型的系统结构。对于有凸轮轴式的可变气门系统而言, 要想实现气门正时或升程的设计, 就需要借助凸轮轴传动、对摇臂进行调整等措施来实现, 这种方式实现起来比较容易, 技术经过多年的发展也比较成熟, 但是缺点也是不容忽视的, 它的调节范围比较小, 气门运动会直接受制于凸轮型线的变化等;反观无凸轮轴式的可变气门系统, 它最突出的特点就是去除了凸轮, 这样做的优点在于气门打开和关闭更加便捷, 并且花费的时间更短, 此外还能够持续调节气门正时, 但它的劣势在于不能精准控制, 花费的成本太高。可以预见, 在不久的将来, 发动机可变气门正时技术将会被不断的完善, 届时将会有更多的高性能发动机运用这项技术, 从而实现动力性和经济性方面的提升, 同时还能减少废气的排放, 实现节能环保。
 
作者：乐吉祥  来源：内燃机与配件
 

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