淺析可變氣門正時/升程技術

　　VVTi，i-Vtec和VVEL等各種可變氣門技術相信大家都有所了解，基本上，目前市面上新車所搭載的絕大部分發動機都或多或少的使用了可變氣門技術。可能大家也都知道可變氣門技術都可以有效提升發動機動力并節省油耗，但是它們都是通過什么原理實現的呢？

　　我們都知道，發動機的配氣機構負責向汽缸提供汽油燃燒做功做必須的新鮮空氣，并將燃燒后的廢氣排除出去，這一套動作的工作原理可以看做是動物呼吸器官的吸氣和呼氣。從工作原理上講，配氣機構的主要功能是按照一定時限自動開啟和關閉各氣缸的進、排氣門，從而使空氣及時通過進氣門向氣缸內供給新鮮空氣或者可燃混合氣，并且及時將燃燒做功后形成的廢氣從排氣門排出，實現發動機氣缸換氣補給的整個過程。

　　那么氣門的原理和作用應該怎么理解呢？我們將發動機的氣門比作是一扇門，門的開啟的大小和時間長短，決定了進出入的人流量。門開啟的角度越大，開啟時間越長，進出入的人流量越大，門開啟的角度越小，開啟時間越短，進出入的人流量就越少。在電影院入場看戲時，需要觀眾挨個驗票進場，因此就要控制大門的開啟角度，有些匣道還設置欄桿，象地鐵出入口一樣。在劇院散場時要盡快疏散觀眾，就要撤除匣道欄桿，將大門完全打開。

　　大門開啟角度和時間決定人流量，這非常容易理解。同樣的道理用于發動機上，就產生了氣門升程和正時以及可變進氣歧管的概念。氣門升程就好象門開啟的角度，正時就好象門開啟的時間，而進氣歧管就是匣道欄桿。以立體的思維觀點看問題，角度加時間就是一個容積空間的大小，它的大小則決定了耗油量。

　　發動機氣門是由曲軸通過凸輪軸帶動的，氣門的配氣正時則是由凸輪決定的。對于沒有可變氣門正時技術的普通發動機而言，進排氣們開閉時間都是固定的，但是這種固定不變的氣門正時卻很難顧及到發動機在不同轉速工況時的工作需要。前面我們說過發動機的進、排氣猶如人體的呼吸，不過機械化的“呼吸”過程卻并不能使發動機的做功效率有任何提升。

　　如果你參加過長跑比賽，就能深刻體會到呼吸的快慢以及長短對體能發揮的影響——太急促或刻意的屏息都有可能增加疲勞感，使奔跑欲望降低。所以，我們在長跑比賽時往往需要不斷按照奔跑步伐來調整呼吸頻率，以便隨時為身體提供充足的氧氣。對于汽車發動機而言，這個道理同樣適用。而可變進氣技術就是為了讓發動機能夠根據不同的負載情況的能夠自由調整“呼吸”，從而提升動力表現，使燃燒更有效率。

　　回到正題上，前面我們說過氣門正時控制著氣門的開啟時間，那么VVT(可變氣門正時)技術是如何工作的呢？它又是怎樣實現提升效率節約燃油的效果呢？

　　由于發動機工作時的轉速很高，四沖程發動機的一個工作行程僅需千分之幾秒，這么短促的時間往往會引起發動機進氣不足，排氣不凈，造成功率下降。因此，就需要利用氣流的進氣慣性，氣門要早開晚關，以滿足滿足進氣充足，排氣干凈的要求。

　　這種情況下，必然會出現一個進氣門和排氣門同時開啟的時刻，配氣相位上稱為“重疊階段”。重疊持續的相對時程可以用此間活塞運行配氣相位的相對角度來衡量，這樣就可以拋開轉速，把它作為系統的固有特性來看待了。

　　這種重疊的角度通常都很小，可是對發動機性能的影響卻相當大。那么這個角度多大為宜呢？我們知道，發動機轉速越高，每個汽缸一個周期內留給吸氣和排氣的絕對時間也越短，因此想要達到較好的充氣效率，這時發動機需要盡可能長的吸氣和排氣時間。顯然，當轉速越高時，要求的重疊角度越大。也就是說，如果配氣機構的設計是對高轉速工況優化的，發動機容易在較高的轉速下，獲得較大的峰值功率。

但在低轉速工況下，過大的重疊角則會使得廢氣過多的瀉入進氣岐管，吸氣量反而會下降，氣缸內氣流也會紊亂，此時ECU也會難以對空燃比進行精確的控制，從而導致怠速不穩，低速扭矩偏低。相反，如果配氣機構只對低轉速工況優化，發動機的就無法在高轉速下達到較高的峰值功率。所以傳統的發動機都是一個折衷方案，不可能在兩種截然不同的工況下都達到最優狀態。   所以為了解決這個問題，就要求配氣相位角大小可以根據轉速和負載的不同進行調節，高低轉速下都可以獲得理想的進氣量從而提升發動機燃燒效率，這就是可變氣門正時技術開發的初衷。在低速和怠速工況下，系統縮小進排氣時間使得配氣相位的重疊角減小，從而改善低速下的扭矩表現，而高速下則適當增加配氣相位重疊角以提高提升馬力。

　　雖然可變氣門正時技術在各個廠商的稱謂都各不相同，但是實現的方式大多大同小異，以豐田的VVT-i技術為例，其工作原理為：系統由ECU協調控制，來自發動機各部位的傳感器隨時向ECU報告運轉工況。由于在ECU中儲存有氣門最佳正時參數，所以ECU會隨時控制凸輪軸正時控制液壓閥，根據發動機轉速調整氣門的開啟時間，或提前，或滯后，或保持不變。

　　市面上的大部分氣門正時系統都可以實現進氣門氣門正時在一定范圍內無級可調，而少數發動機還在排氣門也配備了VVT系統，從而在進排氣門都實現氣門正時無級可調(就是D-VVT，雙VVT技術)，進一步優化了燃燒效率。

　　傳統的VVT技術通過合理的分配氣門開啟的時間確實可以有效提高發動機效率和經濟性，但是對發動機性能的提升卻作用不大，下面將要介紹的可變氣門升程技術則可以彌補這個不足。

　　我們都知道，發動機的實質動力表現是取決與單位時間內汽缸的進氣量的，前面說過，氣門正時代表了氣門開啟的時間，而氣門升程則代表了氣門開啟的大小，從原理上看，可變氣門正時技術也是通過改變進氣量來改善動力表現的，但是氣門正時只能增加或者縮小氣門開啟時間，并不能有效改善汽缸內單位時間的進氣量，因此對于發動機動力性的幫助并不大。

　　而如果氣門開啟大小(氣門升程)也可以時間可變調節的話，那么就可以針對不同的轉速使用合適的氣門升程，從而提升發動機在各個轉速內的動力性能，這就是和VVT技術相輔相承的可變氣門升程技術。

　　可變氣門升程技術可以在發動機不同轉速下匹配合適的氣門升程，使得低轉速下扭矩充沛，而高轉速時馬力強勁。低轉速時系統使用較小的氣門升程，這樣有利于增加缸內紊流提高燃燒速度，增加發動機低速輸出扭矩，而高轉速時使用較大的氣門升程則可以顯著提高進氣量，進而提升高轉速時的功率輸出。

　　我們最熟悉的可變氣門升程系統無疑就是本田的i-vtec技術了，本田也是最早將可變氣門升程技術發揚光大的廠商。本田的可變氣門升程系統結構和工作原理并不復雜，工程師利用第三根搖臂和第三個凸輪即實現了看似復雜的氣門升程變化。

　　當發動機達到一定轉速時，系統就會控制連桿將兩個進氣搖臂和那個特殊搖臂連接為一體，此時三個搖臂就會同時被高角度凸輪驅動，而氣門升程也會隨之加大，單位時間內的進氣量更大，從而發動機動力更強。這種在一定轉速后突然的動力爆發也能夠增加駕駛樂趣，缺點則是動力輸出不夠線性。

　　而隨后像奧迪，三菱和豐田等廠商也都研發出了自己的可變氣門升程技術，它同樣是通過增加凸輪軸上的凸輪來實現了氣門升程的分段可調。

　　而在近幾年，日產和寶馬則以更為精巧的設計率先推出了自己的連續可變氣門升程技術，實現了氣門升程的無級可調。日產的VVEL技術為例，工程師在驅動氣門運動的搖臂增加了一組螺桿(螺栓)和螺套(螺母)，螺套由一根連桿與控制桿相連，連桿又和一個搖臂和控制桿相連帶動氣門頂端的凸輪。

　　螺套的橫向移動可以帶動控制桿轉動，控制桿轉動時上面的搖臂隨之轉動，而搖臂又與link B(連桿B)相連，搖臂逆時針轉動時就會帶動link B去頂氣門挺桿上端的輸出凸輪，最后輸出凸輪就會頂起氣門來改變氣門升程。而日產就是通過這么一套簡單的連桿和螺桿的組合實現了氣門升程的連續可調。

　　相比分段可調的i-vtec技術，連續可變的氣門升程不僅提供全轉速區域內更強的動力，也使得動力的輸出更加線性,這項技術最先就被裝備在G37的VQ37VHR發動機上，而VQ37VHR也是2008年沃德十佳發動機的得主。

　　此外，寶馬的Valvetronic技術同樣是依靠改變搖臂結構來控制氣門升程的，同樣可以實現氣門升程無級可調，只是連桿搖臂的設計思路截然不同。此外，目前的可變氣門升程技術的運用基本還只停留在進氣端，因此可變氣門升程技術在未來還擁有很大的提升空間。

　　結語：

　　我們所熟悉的可變氣門正時技術在國內已經得到了普遍運用，各個廠商叫法不同但是技術上大同小異。不過，可變氣門升程技術則還是少數幾家廠商的寶貝技術，特別是連續可變氣門升程技術目前只在少數高端進口車上使用。而搭配了可變氣門正時和升程技術之后，無疑可以將發動機動力、經濟性、排放和平順性之間的均衡性提升到一個新的境界，這也將會是自然吸氣發動機未來的發展方向。