讓車輛的呼吸更自由

摘要：隨著能源和環境危機感的不斷加劇，提高發動機的效率和減少排放是各大汽車廠家和相關研究機構面臨的問題，問題的關鍵又在于如何將燃油充分利用，提高熱效率，才能節能減排。核心技術就是如何使發動機的性能再提高。

關鍵詞：進氣系統 VVT VVEL C—VTC 電子氣門

前 言

把空氣或空氣與燃油的混合氣導入發動機氣缸的零部件集合體稱為發動機進氣系統，如果把發動機比喻為汽車的心臟，進氣系統無疑就是汽車的喉管。進氣系統的結構特點，布置安裝均會直接影響汽車發動機工作的穩定性、可靠性及其環保性等各項功能的發揮，嚴重者還會大大縮短發動機的使用壽命，導致發動機的損壞。統計數據表明發動機的各項早期磨損、排放超標、噪聲、無力等故障中有80%是由于進氣系統的設計布置不合理所導致的。

一般來說布置有進氣通道截面積大、彎道少、管壁光滑、空氣濾清器額定流量大的進氣系統的發動機性能就好。近幾十年來汽車研究人員也一直在為了提高發動機的各項性能而努力改進各家車型的進氣系統，從而讓車輛的呼吸更自由。

1、可變氣門正時機構（VVT，Variable Valve Timing）

充氣效率是反應發動機工作效能的一個重要參數。從發動機的使用要求來說，不同的進氣遲閉角可以改變發動機的充氣效率，從而適應發動機在不同工況下的功率和扭矩的需求。縮小進氣遲閉角可以防止在中低速時氣體被推回進氣管，有利于提高扭矩，但降低了最大功率；增大進氣遲閉角可以提高高速時的充氣效率，有利于最大功率的提高但是不利于扭矩的發揮。因此，理想的狀態是進氣遲閉角的大小可以隨發動機的具體使用工況而隨時調整改變。

VVT技術是近年來廣泛應用于現代轎車上的新技術的一種，它的出現使發動機實現了進氣遲閉角隨工況改變大小，從而提高了發動機的扭矩和功率。

Passat B5轎車選用的2.8L V6發動機就配置了典型的VVT系統，從俯視角度看，四根進排氣凸輪軸平行放置，從左至右分別是：排、進、進、排，即兩根排氣凸輪軸分別位于外側，進氣凸輪軸安裝在內測。兩外側排氣凸輪軸直接由曲軸通過齒形帶傳動，之后排氣凸輪軸通過鏈條驅動進氣凸輪軸，同時進氣凸輪軸和排氣凸輪軸之間還安裝有可變氣門正時調節器，該調節器由ECU控制，在內部液壓力的作用下可以上升或下降，從而調整齒形皮帶輪和進氣凸輪相對位置變化，可以改變進氣遲閉角以適應發動機各種工況運行的需求，此種結構屬于凸輪軸配氣相位可變結構。

豐田VVT-i發動機也是一種典型的的代表。VVT-i是智能可變氣門正時系統英文縮寫，豐田VVT-i發動機的電控單元在各種行駛工況下依據發動機轉速、進氣量、節氣門位置和冷卻水溫度等電信號確定車輛實時的最佳氣門正時，電控單元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扭矩，降低油耗和尾氣排放。

2、連續無限可變氣門升程VVEL和連續可變正時控制C—VTC系統

如果把發動機的氣門比作進氣的閘門，那么可變氣門正時實現了閘門開啟的時間變化，從而實現了發動機性能的優化，但是效果欠佳。為了實現更好的效果，就要有一個新的系統，不僅能控制閘門開啟的時間，還能控制閘門開啟的大小，可變氣門升程系統則應運而生。可變氣門升程系統實現了據實際需要控制閘門開啟的大小，從而適應發動機不同工況的最佳進氣量的需求。將兩者整合起來，就能既滿足進氣量又滿足進氣時間的雙重控制，此時的發動機工作性能會更好。

2007年3月日產公司推出了連續無限可變氣門升程VVEL（Variable Valve Event and Lift）和連續可變正時控制C—VTC（Continuous Valve Timing Control）系統。VVEL由偏心凸輪構成的凸輪軸、套在偏心凸輪上的搖臂、由直流馬達帶動螺桿運動副驅動的搖臂控制機構三部分組成。當發動機在中低速或低負荷時，ECU控制馬達驅動螺套做遠離的橫向移動，聯動機構使控制軸順時針方向旋轉，使搖臂遠離氣門，導致凸輪軸旋轉時氣門升程減小，反之，氣門行程增大。

英菲尼迪G37跑車發動機首先應用這種先進技術。主要有以下幾個方面的特點：在中低轉速時，（1）進氣門升起迅速且可控制進氣門提前開啟，減小了進氣阻力，使氣流更好的充滿燃燒室，進氣充分。（2）升起的行程很低，減少了凸輪軸摩擦，提升了燃油經濟性。（3）氣門升起時間短暫，能有效的防止混合氣回竄，提升發動機轉矩。在高速時，氣門升程增大，允許更多的氣流入內，可以輸出更高的轉矩。

將C—VTC和VVEL相結合后將發動機的進氣量進氣時間控制到最佳狀態，更加顯著的提升了進氣效率，更好的實現了環境和動力的平衡。

3、無節氣門的電子氣門機構

節氣門是目前大多數汽車發動機控制進氣量的一個重要部件，節氣門由駕駛員操縱加速踏板控制，發動機依據從節氣門進入的空氣量來決定噴油量。這種控制方式由于存在一定的“泵氣損失”，所以造成一定的能量損耗，研究發現不帶節氣門的電子氣門可以改善這樣的情況：減少進氣阻礙，使燃燒充分，提高了燃料經濟性，也減少了排放。

（1）寶馬Valvetronic電子氣門

寶馬Valvetronic系統誕生于2001年，它是模擬人的呼吸系統設計，通過改變吸氣過程的長短來改變進氣量。當氣門上端的步進電機接收到加速踏板信號時會作適度的轉動，并經由一系列的軸、活塞頂上的搖臂、挺桿改變氣門開啟深度，深度隨加速踏板的位移而成正比變化，從而使氣門開啟適應車輛運行需求。由于整套機構由電子控制，所以大大提高了氣門的響應度，實驗表明電子氣門整體機構所需要的反應時間大約只要0.3S。

（2）Valeo公司的e-Valve電子氣門

寶馬的Valvetronic系統固然有諸多優點，但由于其結構復雜，重量增加等缺點的存在并沒有得到廣泛的推廣應用。目前我們急需進氣效率高且結構精簡的進氣系統，e-Valve電子氣門即符合這樣的需求。

e-Valve電子氣門系統不依靠凸輪軸來控制氣門的開啟和關閉，而是電磁系統依靠曲軸位置信號，由氣門控制單元單獨控制每個氣門開啟和關閉的時間。每個氣門都有執行器，均由兩個反向彈簧和上下兩個電磁鐵控制，兩個反向彈簧提供相互作用力：氣門關閉時，氣門被下面的電磁鐵釋放，下面彈簧反彈使氣門閉合，上面電磁鐵使氣門保持在關閉狀態，并完全壓縮上面彈簧，開啟氣門正好相反。

這樣的系統可以使發動機的怠速更低，給了發動機氣門更廣泛的選擇，控制更加精確，使其在低速時響應比凸輪軸控制的快，減少了進氣損失，具有更大的轉矩，更好的性能，更低的油耗和排放。其不足之處就是當氣門到達上止點時速度越大產生的噪聲就越大。隨著研究的深入，這項技術將會得到不斷的改進和推廣應用。

結論：

通過前述的內容我們了解到各種不同類型的進氣系統都有自己獨特的一面，但是也都有各自需要改進的問題存在，這些將是各大汽車廠家以后努力的方向，相信在不久的將來一定會有更加適應發動機各種工況需求的進氣控制系統出現，從而使發動機的性能更加的優越，具有更大的轉矩，更低的油耗和排放。

參考文獻：

[1] 宋衛東，汽車元素：汽車技術的今天與明天，北京：機械工業出版社，2009，6

[2] 張弟寧，汽車發動機構造與維修，北京：人民交通出版社，2004，1