汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門技術(shù)

陳寶文

摘要：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中需要通過氣門的開閉來獲取足夠的新鮮空氣以及排除廢氣，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下需要的空氣量和空氣流通速率都有所不同，可變氣門技術(shù)可以通過改變氣門的升程和開閉時(shí)間來實(shí)現(xiàn)更加高效的控制，進(jìn)而使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況之下都可達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。本文對(duì)這種技術(shù)的起源、發(fā)展以及未來的趨勢(shì)進(jìn)行了深入淺出的的分析。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);可變氣門;應(yīng)用分析

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性、燃油使用率以及節(jié)能環(huán)保效果等在很大程度上受到其氣門技術(shù)的影響，可變氣門技術(shù)通過動(dòng)態(tài)化的控制氣門升程和開啟的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)空氣流通率的可變控制。這種技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上提高了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在不同狀態(tài)下的運(yùn)行效率，而且其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能也更加顯著。

一、可變氣門技術(shù)概述

第一，可變氣門正時(shí)技術(shù)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中需要通過開啟氣門的方式向內(nèi)部的燃油提供必需的空氣以及排出廢氣，因?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的油料燃燒過程需要氧氣參與相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，而氣門開啟的時(shí)間就是所謂的正門技術(shù)。現(xiàn)階段汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)技術(shù)可以根據(jù)活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)氣門的開閉時(shí)間進(jìn)行可變的控制，進(jìn)而形成了目前普遍使用的可變氣門正時(shí)技術(shù)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中必然會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣，進(jìn)氣門活塞在自上而下的運(yùn)動(dòng)過程中需要通過氣門的開啟來實(shí)現(xiàn)有效的排氣且氣門關(guān)閉的時(shí)間點(diǎn)是活塞到達(dá)氣門終止點(diǎn)。現(xiàn)代汽車不斷提高的運(yùn)行速度導(dǎo)致其發(fā)動(dòng)機(jī)需要提供穩(wěn)定持續(xù)的動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程對(duì)空氣形成的嚴(yán)重依賴要求其氣門必須在正確的時(shí)間打開和關(guān)閉，否則就可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能獲得足夠的氧氣或者出現(xiàn)燃料的泄漏等問題。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門負(fù)責(zé)將空氣吸進(jìn)內(nèi)部而排氣門則負(fù)責(zé)將廢氣排出到發(fā)動(dòng)機(jī)外，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在處理某些臨時(shí)性的動(dòng)作時(shí)需要同時(shí)打開排氣門和進(jìn)氣門并形成專業(yè)上所謂的氣門疊加。通過以上分析可知汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行在很大程度上受到其可變氣門正時(shí)技術(shù)的影響。

第二，氣門升程技術(shù)。在可變氣門升程技術(shù)出現(xiàn)之前，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)其氣門的開啟程度始終處在固定不變的狀態(tài)之下，也就是說無論汽車高速行駛還是低速行駛，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門可開啟程度總是不會(huì)變化的。顯而易見的是汽車在高速和低速運(yùn)行的情況下需要消耗的能量大小是不一致的，前者需要更多的空氣供應(yīng)而后者則相對(duì)較少一些，不可變的氣門升程設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在這兩種運(yùn)行狀態(tài)下不能達(dá)到最佳的響應(yīng)?？勺儦忾T升程技術(shù)可以根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)化的調(diào)節(jié)氣門開啟程度，也就是說通過可變氣門升程技術(shù)可以使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可變的空氣流通效率，汽車低速運(yùn)行的過程中可以通過小幅度的氣門開啟來增強(qiáng)空氣的絮流效應(yīng)并促進(jìn)汽油充分燃燒，而高速運(yùn)行狀態(tài)下可以通過更大幅度的氣門開啟來增加空氣的流入效率并滿足更多的氧氣需求，提高動(dòng)力供應(yīng)。這種技術(shù)是通過在氣門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)處設(shè)置高速和低速兩種不同的凸輪來實(shí)現(xiàn)的，二者之間可實(shí)現(xiàn)順暢的切換。

二、作用分析

駕駛汽車的過程中需要通過控制油門的大小來增加或者減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的供油量，在汽車需要提速時(shí)通過油門來提高供應(yīng)給氣缸的噴油量，進(jìn)而為其提供更多大的動(dòng)力供應(yīng)。但是僅僅提高噴油量還不夠，汽油在燃燒過程中需要消耗與汽油量相匹配的氧氣。傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)供油量的變化而不能實(shí)現(xiàn)供氣量的變化，由此帶來的問題是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在高速和低速運(yùn)行的情況下都不能達(dá)到最佳的效率和扭矩?？勺儦忾T正時(shí)技術(shù)和可變氣門升程技術(shù)配合在一起可以實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)送機(jī)供氣量的靈活變化，在噴油量較大的情況下通過延長(zhǎng)氣門開啟時(shí)間和增大升程來增加新鮮空氣的供給量，進(jìn)而使氧氣和汽油之間形成良好的配給率。所以可變氣門技術(shù)的應(yīng)用可以大幅度改善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并提高汽車行駛的穩(wěn)定性。需要指出的是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量和氧氣之間的比例需要做到盡可能精確的程度，可變氣門技術(shù)在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)時(shí)起到了非常重要的作用。

三、起源及發(fā)展

（一）技術(shù)起源

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用活塞式四沖程的技術(shù)路線且其運(yùn)動(dòng)過程分別為進(jìn)氣、壓縮、做功以及排氣，氣缸內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)進(jìn)氣的主要原理是外界大氣壓強(qiáng)比氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)大，進(jìn)而使空氣在外部高壓強(qiáng)的作用下進(jìn)入到氣缸內(nèi)部。如果氣門開啟程度過大就會(huì)導(dǎo)致汽缸內(nèi)外部壓強(qiáng)達(dá)到或者接近平衡并限制空氣的內(nèi)流，相反氣門開啟程度過小就會(huì)造成外部空氣不能快速進(jìn)入氣缸并對(duì)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生制約。傳統(tǒng)的汽車氣門技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)可變的控制，進(jìn)而使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)高速和低速之間的有效切換且其性能也不能達(dá)到最佳狀態(tài)。

日本汽車廠商本田于1989年首次研發(fā)出了可變化的氣門升程控制技術(shù)和正時(shí)技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)原理是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣配系統(tǒng)中設(shè)置了可以實(shí)現(xiàn)多階段調(diào)節(jié)功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過搖臂帶動(dòng)凸輪來控制氣門的開閉幅度和開閉時(shí)間。這一技術(shù)被命名為VTEC。其中的可變氣門升程技術(shù)和可變氣門正時(shí)技術(shù)也就是現(xiàn)在被人們熟知的VVL和VVT，很多汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上都具有這種技術(shù)標(biāo)志。德國汽車制造廠商奧迪利用相似的原理研發(fā)出了AVS配氣系統(tǒng)。由于這種技術(shù)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可控且極大的提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，進(jìn)而得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。

需要指出的是VTEC和AVS技術(shù)在進(jìn)行發(fā)動(dòng)起氣門調(diào)節(jié)時(shí)只能實(shí)現(xiàn)階段式的改變，也就是兩段或者三段，由此帶來的問題是不同階段之間進(jìn)行切換時(shí)汽車的動(dòng)力性能會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變化，進(jìn)而使人可以感受到不太平穩(wěn)的動(dòng)力輸出。

本田公司多年來不斷對(duì)其VTEC技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)并在原有的基礎(chǔ)上升級(jí)開發(fā)出可實(shí)現(xiàn)連續(xù)氣門可變控制的Advance VTEC技術(shù)。

另外，由本田公司率先研發(fā)且經(jīng)過其他汽車廠商大力跟進(jìn)的可變氣門控制技術(shù)可以提高汽車噴油量與空氣之間的配給合理性，進(jìn)而使汽油燃燒的更加充分，其造成的空氣污染和燃料消耗都比傳統(tǒng)的不可變氣門技術(shù)更小，因而這種技術(shù)對(duì)汽車的節(jié)能環(huán)保改造也具有非常突出的效果。

（二）進(jìn)一步發(fā)展

第一，可變升程技術(shù)的發(fā)展。德國的寶馬公司和日本日產(chǎn)汽車作為世界著名的汽車生產(chǎn)制造廠商在本田之后也快速進(jìn)入到可變氣門控制技術(shù)的研發(fā)，這兩家公司分別推出了Valvetronic和VVEL這兩種可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)的氣門升程技術(shù)。由此帶來的優(yōu)勢(shì)在于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速之間的切換可以實(shí)現(xiàn)更加平穩(wěn)的控制。人們?cè)隈{駛和乘坐汽車的過程中不會(huì)因?yàn)閯?dòng)力的提升或者下降而產(chǎn)生不順暢的感受。這兩種技術(shù)在實(shí)現(xiàn)過程中主要是通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)控制桿和偏心凸輪的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，氣門升程的調(diào)節(jié)過程在凸輪的持續(xù)運(yùn)動(dòng)之下也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的變化。表1對(duì)DVVL和CVVL兩種主流的技術(shù)路徑進(jìn)行了對(duì)比，其中反映出了這兩種技術(shù)路線各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

第二，可變正時(shí)技術(shù)的發(fā)展。這種技術(shù)在實(shí)現(xiàn)過程中主要是利用凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制配氣相位的角度，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速與配氣相位之間形成良好的配合。各大汽車制造商基本上都是通過電機(jī)或者液壓這兩種主要技術(shù)路線來控制凸輪軸的轉(zhuǎn)角。這種技術(shù)在早期發(fā)展階段只是單獨(dú)使用液壓方式來分段式地控制進(jìn)氣凸輪軸，這一階段將其稱之為VVT技術(shù)，日本豐田公司在研究這種技術(shù)時(shí)在其中融入了智能控制系統(tǒng)并形成了后來的VVT-i技術(shù)路線?？勺儦忾T控制技術(shù)最早僅僅是應(yīng)用于氣缸的進(jìn)氣門上，后來進(jìn)氣門和排氣門都采用了這種控制方式，于是便形成了雙可變氣門正時(shí)技術(shù)，也就是DVVT。當(dāng)可變氣門正時(shí)技術(shù)從階段式可控發(fā)展為連續(xù)可控時(shí)就產(chǎn)生了現(xiàn)在的仍然廣泛使用的CVVT技術(shù)。日本的三菱公司和德國的寶馬公司在后來也對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行研究并將其與可變氣門升程技術(shù)進(jìn)行了有效的綜合，分別研發(fā)出MIVCE（智能可變氣門正時(shí)與升程管理系統(tǒng)）、Double-VANOS（雙凸輪軸可變氣門正時(shí)系統(tǒng)）（見表1）。

（三）發(fā)展趨勢(shì)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門控制技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率、運(yùn)行穩(wěn)定性以及節(jié)能環(huán)保等具有非常重要的作用，在未來的發(fā)展中需要對(duì)突軸的角度進(jìn)行更加精細(xì)化的切換并實(shí)現(xiàn)更為精確的控制，如何通過機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化來提高空氣的流通效率，并提高汽車配氣系統(tǒng)的可靠性，這些才是汽車氣門可控技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。另外，智能可變氣門正時(shí)及升程控制系統(tǒng)和智能點(diǎn)火技術(shù)配合在一起可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的實(shí)時(shí)調(diào)整。提高氣門可變控制系統(tǒng)的智能化程度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及基節(jié)能性等是關(guān)鍵的技術(shù)發(fā)展方向。

氣門可變控制技術(shù)可以根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)化的調(diào)節(jié)開閉時(shí)間和升程，其核心為可變正時(shí)技術(shù)和可變升程技術(shù)。自上個(gè)世紀(jì)80年代末開始，這種技術(shù)已經(jīng)逐漸從早期的階段式控制模式轉(zhuǎn)變成現(xiàn)在的智能控制和連續(xù)控制。將這種技術(shù)應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的控制中可以有效地提高其對(duì)不同動(dòng)力需求的適應(yīng)能力，對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行研究具有非常重要的意義。

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