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可变气门正时

有什么用:

    通过改变气门开闭的时间和角度,调整进气和排气量,使缸内混合气达到最佳状态,从而提升动力、节省燃油。

误区:

    可变气门正时与可变气门升程是不同的。简单来讲,气门正时就好象气门开启的时间,气门升程就好象气门开启的角度。

    可变气门正时技术也是通过改变进气量来改善动力表现的,但是气门正时只能增加或者缩小气门开启时间,并不能有效改善汽缸内单位时间的进气量,因此对于发动机动力性的帮助并不大。

    可变气门升程技术可以在发动机不同转速下匹配合适的气门升程,使得低转速下扭矩充沛,而高转速时马力强劲。低转速时系统使用较小的气门升程,这样有利于增加缸内紊流提高燃烧速度,增加发动机低速输出扭矩,而高转速时使用较大的气门升程则可以显著提高进气量,进而提升高转速时的功率输出。  

动态演示图

技术概括:

    配气机构可以看做动物的呼吸器官,主要负责吸气和排气。向汽缸提供汽油燃烧所须的新鲜空气,并将燃烧后的废气排除出。配气机构的主要功能就是按照一定时间开启和关闭个气缸的进、排气门,使空气通过进门进入气缸,并且及时将燃烧后的废气从排气门排出,实现整个换气过程。

    气门正时的普通发动机,进、排气门的开闭时间都是固定的,机械化的“呼吸”过程很难顾及到发动机高速、低速等不同工况的工作需求,也不会使发动机做功效率达到最佳。而可变气门正时可以改变气门的角度和开启时间,气门开启的角度越大,开启时间越长,进出入的人流量越大,气门开启的角度越小,开启时间越短,进出入的人流量就越少。气门开启的角度和时间决定了进入气缸的空气量。而可变进气技术就是为了让发动机能够根据不同的负载情况的能够自由调整“呼吸”,从而提升动力表现,使燃烧更有效率。

技术原理:

    由于发动机工作时的转速很高,四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒,这么短促的时间往往会引起发动机进气不足,排气不净,造成功率下降。因此,就需要利用气流的进气惯性,气门要早开晚关,以满足满足进气充足,排气干净的要求。

    这种情况下,必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻,配气相位上称为“重叠阶段”。重叠持续的相对时程可以用此间活塞运行配气相位的相对角度来衡量,这样就可以抛开转速,把它作为系统的固有特性来看待了。

    这种重叠的角度通常都很小,可是对发动机性能的影响却相当大。那么这个角度多大为宜呢?我们知道,发动机转速越高,每个汽缸一个周期内留给吸气和排气的绝对时间也越短,因此想要达到较好的充气效率,这时发动机需要尽可能长的吸气和排气时间。显然,当转速越高时,要求的重叠角度越大。也就是说,如果配气机构的设计是对高转速工况优化的,发动机容易在较高的转速下,获得较大的峰值功率。

    但在低转速工况下,过大的重叠角则会使得废气过多的泻入进气岐管,吸气量反而会下降,气缸内气流也会紊乱,此时ECU也会难以对空燃比进行精确的控制,从而导致怠速不稳,低速扭矩偏低。相反,如果配气机构只对低转速工况优化,发动机的就无法在高转速下达到较高的峰值功率。所以传统的发动机都是一个折衷方案,不可能在两种截然不同的工况下都达到最优状态。

    所以为了解决这个问题,就要求配气相位角大小可以根据转速和负载的不同进行调节,高低转速下都可以获得理想的进气量从而提升发动机燃烧效率,这就是可变气门正时技术开发的初衷。在低速和怠速工况下,系统缩小进排气时间使得配气相位的重叠角减小,从而改善低速下的扭矩表现,而高速下则适当增加配气相位重叠角以提高提升马力。

扩展阅读:

    气门正时技术在各个厂商的称谓都各不相同,但是实现的方式大多大同小异,其工作原理为:系统由ECU协调控制,来自发动机各部位的传感器随时向ECU报告运转工况。由于在ECU中储存有气门最佳正时参数,所以ECU会随时控制凸轮轴正时控制液压阀,根据发动机转速调整气门的开启时间,或提前,或滞后,或保持不变。

    大部分气门正时系统都可以实现进气门气门正时在一定范围内无级可调,而少数发动机还在排气门也配备了VVT系统,从而在进排气门都实现气门正时无级可调(就是D-VVT,双VVT技术),进一步优化了燃烧效率。

    传统的VVT技术通过合理的分配气门开启的时间确实可以有效提高发动机效率和经济性,但是对发动机性能的提升却作用不大,下面将要介绍的可变气门升程技术则可以弥补这个不足。

    i-VTEC

    i-VTEC全名是Intelligent-Variable Valve Timing and Lift Electronic Control,不单只是本田的看家本领,更是各大厂家大同小异的“CVVT”可变气门正时技术的鼻祖。本田也是最早将可变气门升程技术发扬光大的厂商。其结构和工作原理并不复杂,工程师利用第三根摇臂和第三个凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化。当发动机达到一定转速时,系统就会控制连杆将两个进气摇臂和那个特殊摇臂连接为一体,此时三个摇臂就会同时被高角度凸轮驱动,而气门升程也会随之加大,单位时间内的进气量更大,从而发动机动力更强。这种在一定转速后突然的动力爆发也能够增加驾驶乐趣,缺点则是动力输出不够线性。

    MIVEC

    MIVEC全称为“Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system”,中文解释为三菱智能可变气门正时与升程管理系统。

    装备MIVEC系统的发动机与普通发动机一样采用每缸四气门,两进两排的设计,但不同的是它可以控制每缸两个进气门的开闭大小。如在低速行驶时,MIVEC系统发出指令此时两个进气门中的其中一个升程很小,这时基本就相当于一台两气门发动机。由于只有一个进气门工作,吸入的空气不会通过汽缸中心,所以能产生较强的进气涡流,对于低速行驶,尤其是冷车怠速条件下能增大燃烧速率,使燃烧更充分从而也大大提高了经济性。在我们日常行车中,经常会遇到这种情况,比如堵车时,这时装备了MIVEC系统的发动机比普通发动机能节省不少的燃料。

    而另一种情况就是当我们需要加速或高转速行驶时,这时MIVEC系统会让两个进气门同时以同样的最大升程开启,这时的进气效率能显著提高,令发动机在高转速运转时能有充足的储备。

    当然MIVEC并不是只有这两种可变的工作状态,它可以根据各传感器传来的发动机工况信号来适时调整最合理的配气正时,总而言之mivec可以令发动机时刻处在最佳燃烧状态。

    最近几年,日产宝马则以更为精巧的设计率先推出了自己的连续可变气门升程技术,实现了气门升程的无级可调。日产的VVEL技术为例,工程师在驱动气门运动的摇臂增加了一组螺杆(螺栓)和螺套(螺母),螺套由一根连杆与控制杆相连,连杆又和一个摇臂和控制杆相连带动气门顶端的凸轮。

    螺套的横向移动可以带动控制杆转动,控制杆转动时上面的摇臂随之转动,而摇臂又与link B(连杆B)相连,摇臂逆时针转动时就会带动link B去顶气门挺杆上端的输出凸轮,最后输出凸轮就会顶起气门来改变气门升程。而日产就是通过这么一套简单的连杆和螺杆的组合实现了气门升程的连续可调。

    相比分段可调的i-vtec技术,连续可变的气门升程不仅提供全转速区域内更强的动力,也使得动力的输出更加线性,这项技术最先就被装备在G37VQ37VHR发动机上,而VQ37VHR也是2008年沃德十佳发动机的得主。

    Double-VANOS

    Double-VANOS是由BMW开发的双凸轮轴可变气门正时系统,这是宝马技术发展领域中的又一项成就:Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统根据油门踏板和发动机转速控制扭矩曲线,进气和排气气门正时则根据凸轮轴上可控制的角度按照发动机的运行条件进行无级的精准调节。

    在低发动机转速时,移动凸轮轴的位置,使气门延时打开,提高怠速质量并改进功率输出的平稳性。在发动机转速增加时,气门提前打开:增强扭矩,降低油耗并减少排放。高发动机转速时,气门重新又延时打开,为全额功率输出提供条件。

    Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统还控制循环返回进气歧管的废气量以增强燃油经济性。系统在发动机预热阶段使用一套专用参数以帮助三元催化转换器更快达到理想工作温度并降低排放。整个过程由车辆的汽油发动机电子控制系统(DME)控制。

    发展历史:

    在相当长的一段时间内,发动机的设计一直比较中庸,没有任何一款机器能够既保证高转的有效性,又保证低转的大扭矩。不过,在上世纪70年代初,出于减排目的而开发的可变凸轮正时技术却给了发动机设计界一个重要的启示。在重叠阶段应用气门正时调节可以通过废气来降低温度,从而减少NOx(NOx气体是一种危害大且较难处理的大气污染物)的排放。

    因此,在上个世纪七十年代,废气外循环(EGR)技术在减少NOx方面的效果已经被广泛接受,但是,如果能够形成内循环的话,发动机的设计将更为简单。所以,后来人们应用了更长的重叠时间,从而使部分废气能够在进气冲程时进入气缸。不过,虽然这个问题得到了解决,但是,怠速和低速的工作效果又受到了影响,并使发动机无法在起步阶段通过废气高温来激活催化剂,所以,人们开始使用了可变凸轮正时技术。

    最先将气门正时技术应用在量产车中的公司是意大利的阿尔法罗密欧。作为第一个开发出了双凸轮轴量产发动机的厂商,他们用两根不同的凸轮轴来控制进气气门和排气气门的开闭时间,从而达到了比单凸轮轴更为有效的效果。这家车厂一名叫Giampaolo Garcea的工程师发明了一个装置,就是在进气凸轮轴的主动链轮里加上一个设备,并由螺旋键槽将其与凸轮相连接,来改变气门的正时效果。

    最先配备这种系统的车型就是阿尔法罗密欧Spider。当这款车在欧洲销售的时候,该公司进一步增大了重叠角度以获得更好的燃油经济性。后来在配备了Bosch公司的Motronic发动机管理系统之后,发动机的正时技术便越来越依赖于ECU的作用了。

    紧随阿尔法罗密欧的就是日产和本田。这两家日本公司分别在1987年和1989年,研发出了他们自己的双顶置凸轮轴系统,也就是后来所说的NVCS和VTEC系统。在1992年,宝马公司也开发出了自己的Vanos系统,最先被应用在了进气凸轮轴上,后来,又于1998年,推出了他们的双Vanos系统。而保时捷公司的办法则是在两根凸轮轴之间应用一个链条对气门正时进行调节。

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