可變氣門升程技術(shù)

1、4.可變氣門升程技術(shù)我們知道所謂的可變氣門正時(shí)技術(shù) (TTV) ，其功能主要是改變發(fā) 動(dòng)機(jī)氣門開啟和閉合的時(shí)間， 以達(dá)到更合理的控制相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所 需的空氣量，作用主要還是為了降低油耗，提高經(jīng)濟(jì)性。而發(fā)動(dòng)機(jī)的 實(shí)質(zhì)動(dòng)力表現(xiàn)卻是和單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到汽缸內(nèi)的氧氣量有關(guān)， 可變氣 門正時(shí)系統(tǒng)無法有效改變這一點(diǎn)，因此它對動(dòng)力的提升幫助不大。為了有效的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，可使用 可變氣門升程技術(shù) 。相比 于可變氣門正時(shí)， 可變氣門升程系統(tǒng)目前還比較少見， 尤其是連續(xù)可 變氣門升程技術(shù)更是只掌握在幾個(gè)大廠商手中的絕密核心技術(shù)， 因此 市場上能買到的汽車中裝備可變氣門升程系統(tǒng)的車型也不多。本田是最早將可變氣門

2、升程技術(shù)應(yīng)用到車載發(fā)動(dòng)機(jī)上的廠商，而 且不同于其它廠商的先使用可變氣門正時(shí)， 后追加可變氣門升程技術(shù) 的做法，本田的工程師在研發(fā)項(xiàng)目之初就將這兩種技術(shù)同步進(jìn)行。 結(jié) 構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)巧妙是本田可變氣門升程機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。 不過令人有些遺 憾的是，雖然已經(jīng)投產(chǎn)多年但本田的可變氣門升程技術(shù)目前似乎沒有 太大進(jìn)步，依然還停留在只有兩段或三段可調(diào)的程度，而像菲亞特、 豐田、日產(chǎn)和寶馬這些可變氣門升程技術(shù)領(lǐng)域的后來者都已經(jīng)研發(fā)出 連續(xù)可變氣門升程技術(shù)。 不過現(xiàn)在也有消息傳出， 本田也研發(fā)出了自 己的連續(xù)可變氣門升程及正時(shí)系統(tǒng) AVTEC ，只是還沒有正式開始使 用。在此我們簡單介紹一下 VTEC 及 i-VTE

3、C 系統(tǒng)中可變氣門升程機(jī) 構(gòu)的工作方式。本田的謳歌目前在國內(nèi)發(fā)售的車型共有 SOHC （單頂 置凸輪軸）及DOHC （雙頂置凸輪軸）兩種結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，它們雖然 都配有 VTEC 或 i-VTEC 系統(tǒng)，但具體實(shí)現(xiàn)方式不太相同。飛度、鋒范以及思域搭載的都是本田的 R 系列發(fā)動(dòng)機(jī)，采用的是SOHC結(jié)構(gòu)，兩個(gè)進(jìn)氣氣門和兩個(gè)排氣氣門均由一根凸輪軸驅(qū)動(dòng)。首先要說明的是目前大部分可變氣門升程技術(shù)都被應(yīng)用在進(jìn)氣氣門端， 本田的 R 系列也不例外（圖 14 本田的可變氣門升程結(jié)構(gòu)）。我們從圖中可以看到，兩個(gè)進(jìn)氣氣門搖臂中間還有一個(gè)特殊的中 間搖臂， 它對應(yīng)的是凸輪軸上的一個(gè)大凸輪， 而在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)兩 個(gè)進(jìn)

4、氣搖臂和這個(gè)中間搖臂是分離的、 毫互無關(guān)系的， 進(jìn)氣搖臂只由 兩側(cè)的普通凸輪驅(qū)動(dòng)， 因此進(jìn)氣氣門的升程較小， 這有助于提高低轉(zhuǎn) 速時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性。 但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)， 由電子液壓控制的 活動(dòng)鎖銷會(huì)將兩個(gè)進(jìn)氣搖臂和那個(gè)中間搖臂連接為一體， 此時(shí)三個(gè)搖 臂就會(huì)同時(shí)被中間大凸輪驅(qū)動(dòng)， 而氣門升程也會(huì)隨之加大， 單位時(shí)間 內(nèi)的進(jìn)氣量更大，從而發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力更強(qiáng)。除了小型車和緊湊型車使用的 R 系列，國內(nèi)本田的思鉑睿、雅閣 和 CR-V 的 2.4L 車型均搭載的是 DOHC （雙頂置凸輪軸）結(jié)構(gòu)的 K 系列發(fā)動(dòng)機(jī)， 同樣都裝備了可變氣門升程技術(shù)。 此外本田的 VTEC 系 統(tǒng)可在 DOHC 發(fā)動(dòng)機(jī)

5、的進(jìn)排氣端均進(jìn)行氣門升程的調(diào)節(jié)，不過這功 能并非所有本田 DOHC 發(fā)動(dòng)機(jī)均有，只限定某些車型。工作原理和R系列發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣端完全相同，都是通過三根搖臂 的連接與分離實(shí)現(xiàn)的，不過既然排氣氣門升程也可得到提升， 就表示 高轉(zhuǎn)速下排氣效果將更高，可以更默契的和提高效率的進(jìn)氣氣門協(xié)作 來增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。通過上面的介紹我們能看到本田的可變氣門升程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不 復(fù)雜，工程師利用第三根搖臂和第三個(gè)凸輪即實(shí)現(xiàn)了看似復(fù)雜的氣門 升程變化。但這一原理也是羈絆本田可變氣門升程技術(shù)進(jìn)步的瓶頸， 因?yàn)椴豢赡茉谕馆嗇S上加上更多的凸輪來實(shí)現(xiàn)更多級的調(diào)節(jié)，因此日產(chǎn)和寶馬都另辟蹊徑，而且最終都實(shí)現(xiàn)了讓氣門升程連續(xù)可變，

6、 下面 我們一起來看看日產(chǎn)是如何做到的。日產(chǎn)是可變氣門升程領(lǐng)域的后來者，多年來日產(chǎn)車型上都沒有這項(xiàng)功 能的身影。但2007年末，隨著第四代G37的上市，日產(chǎn)也終于發(fā)布 了自己的可變氣門升程技術(shù) VVEL，這項(xiàng)技術(shù)最先就被裝備在 G37 的VQ37VHR發(fā)動(dòng)機(jī)上，而VQ37VHR也是2008年沃德十佳發(fā)動(dòng)機(jī) 的得主。隨后上市的FX50的那臺VK50VE發(fā)動(dòng)機(jī)是第二款使用 VVEL的發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)日產(chǎn)也有計(jì)劃將 VVEL普及到自己的低端車型 上。目前VVEL技術(shù)只應(yīng)用在日產(chǎn)高端品牌英菲尼迪的兩款車型上本田的VETC是利用不同的凸輪來實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下氣門升程的改變，而日產(chǎn)則是在驅(qū)動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)的搖臂上做文章

7、。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變這個(gè)功能就必須研發(fā)出一種可無級改變工作狀況的機(jī)構(gòu)，日產(chǎn)的VVEL 系統(tǒng)利用一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿和螺套達(dá)到了這個(gè)目的（圖15 日產(chǎn)的可變氣門升程工作原理）。螺桿我們可以理解為日常生活中常見的螺栓，而螺套就是擰在螺 栓上的螺母， 螺母隨著轉(zhuǎn)動(dòng)就可沿著螺栓上的螺紋上下運(yùn)動(dòng)， 換個(gè)角 度來看這就是一種無級調(diào)節(jié)方式。 日產(chǎn)的工程師就是將一組螺桿 （螺 栓）和螺套（螺母）加到了發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門搖臂上來使氣門升程連續(xù) （無 級）可變的。首先車載電腦根據(jù)當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來決定螺套的所在 位置，那個(gè)直流電動(dòng)機(jī)就是用來驅(qū)動(dòng)螺套的。 而螺套由一根連桿與控 制桿相連， 螺套的橫向移動(dòng)可以帶動(dòng)控制桿轉(zhuǎn)動(dòng)，

8、 控制桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)上面 的偏心調(diào)節(jié)輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而改變了搖臂與氣門的相對位置， 這樣就 可以改變氣門升程。原來的凸輪軸位置現(xiàn)在換成了下邊的偏心驅(qū)動(dòng)軸，當(dāng)偏心驅(qū)動(dòng)軸 隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，套在偏心驅(qū)動(dòng)軸偏心桃上的 1 號連桿必然上下運(yùn) 動(dòng)，牽動(dòng)套在控制桿偏心桃上的搖臂，繞控制桿的偏心桃左右擺動(dòng)， 而搖臂的另一端鉸鏈連接有 2 號連桿，該連桿的下端推動(dòng)套在偏心驅(qū) 動(dòng)軸正圓軸頸上的驅(qū)動(dòng)凸輪進(jìn)行上下擺動(dòng)， 用來推動(dòng)液壓挺桿來推開 氣門。日產(chǎn)的這套 VVEL 連續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)（這個(gè)范 圍的大小由螺桿的長度和輸出凸輪的角度來決定） 可實(shí)現(xiàn)無級連續(xù)調(diào) 節(jié)，針對不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速都有相應(yīng)的氣門升程， 這

9、種形式無疑更加靈活自主，不過目前VVEL系統(tǒng)只應(yīng)用在進(jìn)氣端，因此還存在進(jìn)化 的余地。寶馬可變氣門升程技術(shù):Valvetro nic應(yīng)用車型：國內(nèi)在售的除 M3和M5外的寶馬車型相比日產(chǎn)的VVEL，寶馬的Valvetronic可變氣門升程技術(shù)更加為 人所知，這是寶馬于2001年發(fā)布的獨(dú)家可變氣門升程技術(shù)，被廣泛 應(yīng)用在寶馬發(fā)動(dòng)機(jī)上，目前國內(nèi)在售的除 M3及M5外的寶馬車型的 發(fā)動(dòng)機(jī)均有此功能。和日產(chǎn)的 VVEL 一樣，寶馬的Valvetronic也是 目前少數(shù)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變的氣門升程技術(shù)之一。寶馬的Valvetronic系統(tǒng)同樣是依靠改變搖臂結(jié)構(gòu)來控制氣門升 程。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)大多都是利用凸輪軸

10、上的凸輪擠壓搖臂帶動(dòng)氣門挺 桿來使氣門上下運(yùn)動(dòng)，而寶馬的工程師在凸輪軸與傳統(tǒng)搖臂間加裝了 一根偏心凸輪軸，利用偏心凸輪軸上的凸輪位置的改變來實(shí)現(xiàn)氣門升 程的改變（圖16寶馬的可變氣門升程工作原理圖）。該系統(tǒng)的工作原理是：在缸蓋原進(jìn)氣凸輪軸的上方，又增加了一 根受電動(dòng)機(jī)軸蝸桿和蝸輪驅(qū)動(dòng)的調(diào)節(jié)凸輪軸，該調(diào)節(jié)凸輪軸上對應(yīng)每 一個(gè)氣門上都設(shè)有一個(gè)調(diào)節(jié)凸輪，該調(diào)節(jié)凸輪在需要改變氣門升程時(shí) 會(huì)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)（當(dāng)然是發(fā)動(dòng)機(jī)電腦控制的了），推動(dòng)滑動(dòng)推臂上部的滾 輪固定在某一位置。原進(jìn)氣凸輪軸的凸輪不再直接壓動(dòng)氣門搖臂，而是通過滑動(dòng)推臂來間接壓動(dòng)氣門搖臂。 平時(shí)滑動(dòng)推臂中間滾輪被彈簧（圖上未示出）頂著，緊靠在進(jìn)氣凸輪

11、軸的上，當(dāng)進(jìn)氣凸輪軸的凸輪 頂部轉(zhuǎn)過來時(shí)， 由于滑動(dòng)推臂上部滾輪位置被限制不能動(dòng)， 中部又受 進(jìn)氣凸輪軸的凸輪頂動(dòng)必須左移，下部只好推動(dòng)氣門搖臂頂開氣門。 改變氣門升程時(shí)， 只要轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)凸輪軸， 調(diào)節(jié)凸輪軸上的調(diào)節(jié)凸輪就 會(huì)改變滑動(dòng)推臂上部滾輪的位置， 也同時(shí)改變了滑動(dòng)推臂下部與氣門 搖臂的相對位置，從而改變了氣門升程。雖然都是改變凸輪軸與氣門挺桿間的搖臂機(jī)構(gòu)，但寶馬的 Valvetronic 和日產(chǎn)的 VVEL 設(shè)計(jì)思路完全不同， 可謂異曲同工。 但是 目前也有人認(rèn)為寶馬的這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有些復(fù)雜， 在高轉(zhuǎn)速極限狀態(tài)下 的作用并不理想，這也是 M3 和 M5 的高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)不用 Valvetro

12、nic 的原因。同時(shí)和VVEL 樣，Valvetronic目前也只應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn) 氣端，因此研發(fā)出更強(qiáng)大、更輕巧的新型 Valvetronic 系統(tǒng)也許正是 寶馬目前在做的事情。菲亞特的 Multiair 是目前世界上最先進(jìn)的配氣系統(tǒng)，其工作原 理則要直接的多。 它的結(jié)構(gòu)非常簡單： 整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)只使用一根凸輪軸， 每缸的兩個(gè)進(jìn)氣門由凸輪軸上的一個(gè)進(jìn)氣驅(qū)動(dòng)凸輪來頂動(dòng)一個(gè)搖臂， 該搖臂推動(dòng)一個(gè)高壓柱塞泵， 該高壓柱塞泵的活塞推動(dòng)高壓機(jī)油， 高 壓機(jī)油通過電磁閥進(jìn)入驅(qū)動(dòng)分泵內(nèi)的活塞來推開氣門。 電磁閥則通 過ECU言號控制，根據(jù)工況的不同適時(shí)調(diào)節(jié)流向液壓腔內(nèi)的油量，控制氣門的開啟行程。 系統(tǒng)只需要控

13、制液壓腔內(nèi)的油量的多少即可以完 成對氣門升程的無級可調(diào)（圖 17 菲亞特的可變氣門升程原理圖）。簡單的結(jié)構(gòu)不僅可以減小整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的慣性，而且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， 能量的損失也更小，電磁加液壓的配合方式還讓Multiair系統(tǒng)擁有極快的響應(yīng)速度，因此可以使用在一個(gè)沖程內(nèi)多次開啟氣門的Multilift模式，使得怠速和低負(fù)荷工況下?lián)碛懈叩娜紵?。而multiair最大的優(yōu)勢在于成本，由于配氣機(jī)構(gòu)簡單，整套Multiair系統(tǒng)也不需要太高的成本，因此它既適合于高級車，也適合低端的經(jīng)濟(jì)性轎車，目 前搭載了 Multiair系統(tǒng)的菲亞特500,大多都是價(jià)格便宜的經(jīng)濟(jì)型小 車，Multiair系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是

14、：第一，液壓腔電磁閥的控制是非?？焖俣异`活的，相比起 部分其他品牌可變氣門正時(shí)技術(shù)的分段式控制，Multiair可以實(shí)現(xiàn)“無級變速”，從而減少動(dòng)力輸出的頓挫感。第二，這是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)，Multiair在進(jìn)氣管道上取消了節(jié)氣門。既然汽缸進(jìn)氣門開閉時(shí)刻和幅度可以無級調(diào)節(jié)，進(jìn)入汽缸 內(nèi)的氣體已經(jīng)完全可以只通過進(jìn)氣門開啟的高度來控制了，那么 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門的存在也就沒有意義了。第三，節(jié)氣門取消之后，可以大幅度降低引擎進(jìn)氣管道的氣阻，發(fā)動(dòng)機(jī)的呼吸自然就更加通暢了，燃燒效率自然就提高了。 此外，沒有節(jié)氣門的進(jìn)氣管道可以大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失， 減少能量損耗。最新應(yīng)用于即將到來的使用1.75L四缸發(fā)動(dòng)機(jī)

15、的 MiToGTA動(dòng)力達(dá)到240hp（ 179kw），為了提高輸出功率和扭矩，降低油耗 和排放，菲亞特運(yùn)用渦輪增壓技術(shù)和MultiAir 技術(shù)，它的目標(biāo)就是運(yùn)用最新技術(shù)提升其發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。注意：菲亞特Multiair在使用上述兩項(xiàng)技術(shù)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率竟然達(dá)到了令人吃驚的102.3KW/L，要知道我國曾經(jīng)的主力車型解放牌的升功率只有12.6 KW/L，目前就連最新式的一汽大眾邁騰1.8T用上渦輪增壓后也不過118KW升功率只有65.5KW/L，就連最先進(jìn)的寶馬 535i 3.0T 功率225 KV，升功率不過 75KW/L， 不使用渦輪增壓的諸如奔馳S級S350的功率225 KW,升功率只有

16、64.2KW/L。像本田雅閣（2011年款）升功率僅有 57.5 KW/L， 標(biāo)致508（ 2011年款）升功率僅有 54 KW/L，經(jīng)過以上對比，才 知道菲亞特Multiair技術(shù)是遙遙領(lǐng)先的。這四項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)勢就是利用氣門升程控制進(jìn)氣，節(jié)氣門的作用被弱化或者是取消，大大降低了泵氣損失，使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣遲滯的現(xiàn)象 大大減輕，直接提升了發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度。而且由于進(jìn)氣不在存在遲滯， 因此發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火和配氣的配合也更精確，使得發(fā)動(dòng)機(jī)效率得到提 升，減低油耗和排放。隨著時(shí)代的推移，氣門控制技術(shù)的發(fā)展也是一 步一個(gè)腳印，從最早的本田vtec技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氣門升程的分段可調(diào)， 再到寶馬Valvetronic取消了節(jié)氣門，而再到最新的Multiair實(shí)現(xiàn)了電