汽車發動機可變氣門技術及其發展

袁夢穎

摘 要：汽車發動機可變氣門技術作為現代汽車發動機的關鍵設備系統，無論是在低速運行還是高速運行的狀態之下，整個發動機的經濟性和動力都能處于較高的水準，例如對凸輪相位和氣門升程的有效調節可以讓整個配氣過程實現優化。這樣一來，汽車的運行會更加平穩而有序，也是今后汽車發動機的主流研究方向，對相關技術與未來發展的研究也具有明確的現實意義。

關鍵詞：汽車發動機 可變氣門 技術發展

Automobile Engine Variable Valve Technology and its Development

Yuan Mengying

Abstract：Automobile engine variable valve technology is the key equipment system of modern automobile engine. Whether it is running at low speed or high speed， the economy and power of the entire engine can be at a high level. For example， the cam phase and the effective adjustment of valve lift can optimize the entire gas distribution process. In this way， the operation of automobiles will be more stable and orderly， which is also the mainstream research direction of automobile engines in the future， and the research on related technologies and future development also has clear practical significance.

Key words：automobile engine， variable valve， technological development

1 引言

汽車發動機的運行環節，當發動機轉速提高和氣門數量處于增加狀態時，氣門升程無法同步出現改變，所以當汽車發動機處于轉速較低的情況時，燃油消耗問題難以進行穩定消耗，但是在汽車發動機使用單氣門的前提之下，燃油供給和控制工作會面臨更高的技術難度，這時我們可以考慮換一種模式，借助可變性能的特點展開綜合處理，此類問題的解決難度就會顯著降低。

2 汽車發動機可變氣門技術分析

2.1 氣門正時技術

氣門正時指的是汽車發動機在運轉環節的氣門打開時間，在活塞進行運動并到達某個區域后，氣門的整個開啟和關閉可以得到穩定調節。一般情況下，發動機的進氣門，活塞運動保持規律性特點，按照從下到上的順序。活塞到達某個上止點之后運動空氣會存在一定的反映時間，進行排氣的過程當中，廢氣排出氣缸，目的在于讓更多的空氣可以進入其中，此時活塞運動至下止點位置時可以通過活塞運動等手段再進行一次關閉。整個活塞活動的環節當中，進氣門、排氣門可能會在某個時間點上實現同步打開與控制，即我們熟知的“氣門疊加”。在此類現象出現之后曲軸本身會出現一定的轉動，產生氣門疊加角。

發動機處于不同的轉速狀態下，氣門疊加角也將處于不同的要求之下。低轉速前提下氣門疊加角變小，反之當汽車發動機轉速很高時，則氣門疊加角也會較大。通常來說采取氣門正時技術就可以同時滿足這兩個方面的要求。當汽車發動機屬于低速運轉狀態之下，氣門的進氣速度會同步變得緩慢，這說明我們需要花費更長的時間用于凸輪轉速和氣門開度的控制工作。我們假設發動機的轉速是3000rpm-4000rpm，將汽車的行駛速度設定為120km/h甚至更快的水平，那么汽車發動機的氣門開啟速度、關閉速度顯然會保持非常快的水平。燃燒不充分對于汽車性能也會產生負面干擾。為了解決此類問題，可以考慮到在發動機上采取氣門正時技術，顯著地改進發動機燃油效率。例如運行過程中對凸輪進行技術改進，在收集相應的傳感器屬于正常運轉狀態。無論發動機處于高速還是低速運轉時，都可以通過正時技術對氣門開度進行相應的調整，或是讓發動機的轉速始終處于正常水平不出現異常情況。

我們以全可變氣門正時技術為例，無論發動機處于怎樣的轉速條件之下，氣門的開啟和關閉都能得到有效控制，低轉速下的扭矩非常充沛，高轉速下的馬力也比較大。低轉速時采取的時比較小的氣門升程，所以氣缸內的紊流不僅加速了燃燒速度，也提升了發動機低速扭矩，高轉速時的功率輸出情況良好。我們熟知的本田i-vtec技術就是有凸輪驅動下的全可變氣門正時技術，它也是最早將這項技術進行應用的廠商。從工作原理和整體的系統結構來看，復雜程度并不突出，發動機在達到某個轉速的閾值后，系統就會控制連桿將搖臂進行連接，不同的搖臂會隨著高角度的凸輪驅動發生改變增加氣門的升程，單位時間內的進氣量明顯提升，發動機動力穩定，讓汽車的行駛穩定性得到有效提高、當然這種技術的“缺陷”可能表現在動力輸出的線性不夠突出。不過整體而言本田的發動機在可變氣門正時方面的領先性比較好，低負荷運轉狀態下，小活塞在原位置之上控制進氣門的開閉，氣門升量也比較少，與普通發動機看似沒有區別，但不會影響到氣門的開閉狀態。同步對低速運轉和高速運轉下的氣門開閉時間、開閉度進行控制，就能從經濟、動力兩個層面滿足汽車的使用性能。因此，本田也幾乎在所有檔次的車型當中都利用了i-vtec技術。

2.2 氣門升程技術

在傳統汽油發動機當中，氣門升程本身是固定不發生改變的，凸輪軸的型線只有一種類型，因此升程無法讓發動機在高速區與低速區都獲得良好的響應。傳統汽油機發動機的氣門升程本身是在不同工況下的選擇，但是在無法獲得高速效率和低速扭矩的前提下就應該作出調整。

汽車發動機在運行狀態下，如果氣門行程比較遠，進氣截面面積增加，進氣過程中受到的阻礙相對較小，讓進氣環節平穩而合理，此狀態對于汽車而言非常合適，例如汽車在高速公路上行駛時。反之，如果汽車行駛速度緩慢，例如在城區出現堵車現象，那么進氣在無法滿足負壓要求時的汽車平穩程度會明顯下降，如氣門很小，會讓汽車發動機在慢速運轉狀態下保障氧氣充足條件下的充分燃燒。汽車行駛速度加快同樣會促進空氣流速的加快，氣阻增加，氣門在進氣、排氣過程的通暢程度受到影響。如果采用可變氣門技術，就可以對此類問題進行控制，進一步保障燃油的燃耗效率并穩定汽車的經濟性能。

氣門升程技術的發展將以可調節氣門大小為主要方向，在不同轉速的情況下進行氣門大小的自適應調節，從而實現動力輸出與進氣量的匹配，也能夠在一定程度上提高燃油利用效率，實現節能減排的效果。

2.3 步進電機驅動下的可變氣門結構

現有的可變氣門結構技術研究當中，我們需要將不同類型的技術缺陷進行針對性處理，以此為基礎探究一種更加穩定的控制方案，讓控制器可以按照傳感器信號的差異，對凸輪軸的方向進行控制。這里我們以全可變氣門結構MVVA（Moter Variable Valve Action）為例，該技術的主要優勢在于解決了電液和電磁控制全可變氣門響應性、落座噪聲方面存在的問題，同時也可以滿足發動機在不同轉速和不同負荷情況下對混合氣濃度的現實要求，結構如圖1所示。

2.4 可變升程控制發動機技術

這里我們以豐田的VVT-i系統作為案例，它作為一種發動機的可變氣門系統，是豐田汽車品牌的技術亮點，具體來看系統對發動機性能運動可進行連續調節，發揮良好的輔助功能，但對于氣門開度大小卻無法進行控制。總體而言該技術的工作原理是通過汽車運行速度的參考來實現渦輪運轉。例如汽車運行速度從慢變快時，小渦輪的運轉角度是相對于凸輪的60°范圍，且在這一角度內進行前后運動。氣門的開啟時間、閉合時間都得到了合理控制。

如果我們要對凸輪軸轉角進行控制，那么需要調整配氣時間和燃油配氣狀態，且只有當燃油處于最佳燃燒狀態時，汽車的扭矩才能提升，維持汽車在不同方面的使用要求。

2.5 發展趨勢分析

汽車保有量的不斷增加使得環境污染問題變得更加嚴峻，能源緊張問題也更加突出，高效化、環保化的汽車技術方案應用也變得勢在必行。在未來的研究當中，也會通過相應的技術手段進行協調應用，實現規模化廣泛應用，將這一部分的內容作為發動機的基本配置內容。

例如停缸技術就是可變氣門升程技術在低負荷狀態下的氣缸、氣門部分關閉，尤其是小負荷運行狀態時可以起到節能效果，降低燃油消耗。另外，為了最大限度地保障發動機的動力，滿足低油耗和低污染的發展目標，可變氣門升程技術并不會維持單一化工作，而是與其它技術手段進行配合，例如渦輪增壓技術、缸內直噴技術等，目的在于改善發動機性能。例如渦輪增加發動機的排氣門在使用可變氣門技術時就會有效地改進低速狀態下的渦輪與發動機配合問題。

3 結語

汽車發動機的可變氣門技術當中升程技術對于氣門的開合度起到了穩定的控制效果，而正時系統也可以對氣門開閉時間進行規劃，這兩個方面的內容共同配合決定了發動機的進氣量變化，也是汽車發動機的可變氣門控制系統的關鍵組成部分。當前該技術發展速度較快，且可變氣門結構有多種形式，發動機如何在不同工況下都具備最佳氣門升程也成為了后續研究重點。

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