呼吸之道:浅析可变气门正时/升程技术

2013-09-15 20:37:23来源: 互联网

    可变气门正时技术几乎已成为当今发动机的标准配置,为了进一步挖掘传统内燃机的潜力,工程人员又在此基础上研发出可变气门升程技术,当二者有效的结合起来时,则为发动机在各种工况和转速下提供了更高的进、排气效率。提升动力的同时,也降低了油耗水平。

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● 配气相位机构的原理和作用

    我们都知道,发动机的配气相位机构负责向气缸提供汽油燃烧做功所必须的新鲜空气,并将燃烧后的废气排出,这一套动作可以看做是人体吸气和呼气的过程。从工作原理上讲,配气相位机构的主要功能是按照一定的时限来开启和关闭各气缸的进、排气门,从而实现发动机气缸换气补给的整个过程。

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    那么气门的原理和作用又应该怎么理解呢?我们可以将发动机的气门比作是一扇门,门开启的大小和时间长短,决定了进出的人流量。门开启的角度越大,开启的时间越长,进出的人流量越大,反之亦然。同样的道理用于发动机上,就产生了气门升程和正时的概念。气门升程就好象门开启的角度,气门正时就好象门开启的时间。以立体的思维观点看问题,角度加时间就是一个空间的大小,它也决定了在单位时间内的进、排气量。

● 可变气门正时和升程技术可以使发动机的“呼吸”更为顺畅自然

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    发动机的气门通常由凸轮轴带动,对于没有可变气门正时技术的普通发动机而言,进、排气们开闭的时间都是固定的,但是这种固定不变的气门正时却很难顾及到发动机在不同转速和工况时的需要。前面说过发动机进、排气的过程犹如人体的呼吸,不过固定不变的“呼吸”节奏却阻碍了发动机效率的提升。

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    如果你参加过长跑比赛,就能深刻体会到呼吸节奏的把握对体能发挥的重要性——太急促或刻意的屏息都可能增加疲劳感,使奔跑欲望降低。所以,我们在长跑比赛时往往需要不断按照奔跑步伐来调整呼吸频率,以便时刻为身体提供充足的氧气。对于汽车发动机而言,这个道理同样适用。可变气门正时和升程技术就是为了让发动机在各种负荷和转速下自由调整“呼吸”,从而提升动力表现,提高燃烧效率。

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● 可变气门正时技术

    前面说过气门正时控制着气门的开启时间,那么VVT(可变气门正时)技术是如何工作的呢?它又是怎样达到提升效率、节约燃油的效果呢?

——气门重叠角对发动机性能的影响

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    当发动机处在高转速区间时,四冲程发动机的一个工作冲程仅需千分之几秒,这么短的时间往往会引起发动机进气不足和排气不净,影响发动机的效率。因此,就需要通过气门的早开和晚关,来弥补进气不足和排气不净的缺憾。这种情况下,必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻,配气相位上称为“气门重叠角”。

    气门重叠的角度往往对发动机性能产生较大的影响,那么这个角度多大为宜呢?我们知道,发动机转速越高,每个气缸一个工作循环内留给吸气和排气的绝对时间也越短,因此要达到更高的充气效率,就需要延长发动机的吸气和排气时间。显然,当转速越高时,要求的气门重叠角度越大。但在低转速工况下,过大的气门重叠角则会使得废气过多的泻入进气端,吸气量反而会下降,气缸内气流也会紊乱,此时ECU也会难以对空燃比进行精确的控制,从而导致怠速不稳,低速扭矩偏低。相反,如果配气机构只对低转速工况进行优化,那么发动机的就无法在高转速下达到较高的峰值功率。所以发动机的设计都会选择一个折衷的方案,不可能在两种截然不同的工况下都达到最优状态。

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    所以为了解决这个问题,就要求配气相位可以根据发动机转速和工况的不同进行调节,高低转速下都能获得理想的进、排气效率,这就是可变气门正时技术开发的初衷。

——工作原理

    虽然可变气门正时技术在各个厂商的称谓略有不同,但是实现的方式却大同小异。以丰田的VVT-i技术为例,其工作原理为:该系统由ECU协调控制,发动机各部位的传感器实时向ECU报告运转情况。由于在ECU中储存有气门最佳正时参数,所以ECU会随时对正时机构进行调整,从而改变气门的开启和关闭时间,或提前、或滞后、或保持不变,下面这段视频则清楚的展示了VVT机构的工作原理。

    简单的说,VVT系统就是通过在凸轮轴的传动端加装一套液力机构,从而实现凸轮轴在一定范围内的角度调节,也就相当于对气门的开启和关闭时刻进行了调整。

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    VVT-i

    VVT-i.系统是丰田公司的智能可变气门正时系统的英文缩写。近几十年来,基于提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污的要求,许多国家和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力进行新技术的研究与开发。目前,这些新技术和新方法,有的已在内燃机上得到应用,有些正处于发展和完善阶段,有可能成为未来内燃机技术的发展方向。

   丰田VVT-i发动机的ECM在各种行驶工况下自动搜寻一个对应发动机转速、进气量、节气门位置和冷却水温度的最佳气门正时,并控制凸轮轴正时液压控制阀,并通过各个传感器的信号来感知实际气门正时,然后再执行反馈控制,补偿系统误差,达到最佳气门正时的位置,从而能有效地提高汽车的功率与性能,尽量减少耗油量和废气排放。

    发动机可变气门正时技术(VVT,Variavle Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种,发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量,使充量系数增加,发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。

    i-VTEC

    我们最熟悉的可变气门升程系统可能非本田的i-vtec莫属了,本田也是最早将可变气门升程技术发扬光大的厂商。本田的可变气门升程系统的结构和工作原理并不复杂,工程师利用第三根摇臂和第三个凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化。

    当发动机在中、低转速时,三根摇臂处于分离状态,普通凸轮推动主摇臂和副摇臂来控制两个进气门的开闭,气门升量较小。此时虽然中间凸轮也推动中间摇臂,但由于摇臂之间是分离的,所以两边的摇臂不受它控制,也不会影响气门的开闭状态。

    发动机达到某一个设定的转速时,电脑即会指令电磁阀启动液压系统,推动摇臂内的小活塞,使三根摇臂锁成一体,一起由高角度凸轮驱动,这时气门的升程和开启时间都相应的增大了,使得单位时间内的进气量更大,发动机动力也更强。这种在一定转速后突然的动力爆发极大的提升了驾驶乐趣。当发动机转速降到某一转速时,摇臂内的液压也随之降低,活塞在回位弹簧作用下退回原位,三根摇臂分开。

   点评:这项技术在本田车型上的普及度较高,但是分段式的气门调节方式还是令发动机的动力输出不够线性。

    MIVEC

    MIVEC全称为“Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system”,中文解释为三菱智能可变气门正时与升程管理系统。

    装备MIVEC系统的发动机与普通发动机一样采用每缸四气门,两进两排的设计,但不同的是它可以控制每缸两个进气门的开闭大小。如在低速行驶时,MIVEC系统发出指令此时两个进气门中的其中一个升程很小,这时基本就相当于一台两气门发动机。由于只有一个进气门工作,吸入的空气不会通过汽缸中心,所以能产生较强的进气涡流,对于低速行驶,尤其是冷车怠速条件下能增大燃烧速率,使燃烧更充分从而也大大提高了经济性。在我们日常行车中,经常会遇到这种情况,比如堵车时,这时装备了MIVEC系统的发动机比普通发动机能节省不少的燃料。

    而另一种情况就是当我们需要加速或高转速行驶时,这时MIVEC系统会让两个进气门同时以同样的最大升程开启,这时的进气效率能显著提高,令发动机在高转速运转时能有充足的储备。

    当然MIVEC并不是只有这两种可变的工作状态,它可以根据各传感器传来的发动机工况信号来适时调整最合理的配气正时,总而言之mivec可以令发动机时刻处在最佳燃烧状态。

    Valvetronic

    BMW的Valvetronic系统在传统的配气相位机构上增加了一根偏心轴,一个步进电机和中间推杆等部件,该系统借由步进电机的旋转,再在一系列机械传动后很巧妙的改变了进气门升程的大小。

    当凸轮轴运转时,凸轮会驱动中间推杆和摇臂来完成气门的开启和关闭。当电机工作时,蜗轮蜗杆机构会首先驱动偏心轴发生旋转,然后中间推杆和摇臂会产生联动,偏心轴旋转的角度不同,最终凸轮轴通过中间推杆和摇臂顶动气门产生的升程也会不同。在电机的驱动下,进气门的升程可以实现从0.18mm到9.9mm之间的无级变化。

    BMW的Valvetronic技术已经覆盖了旗下的多款发动机,包括目前陆续推出的涡轮增压新动力。该技术能够让发动机对驾驶者的意图做出更迅捷的反馈,同时通过发动机管理系统对气门升程的精确控制,实现了车辆在各种工况和负荷下的最佳动力匹配。

   点评:BMW的这项技术已经十分成熟,而且通过不断的优化,Valvetronic技术也突破了转速的限制,可以应用在M-power的V8双涡轮增压发动机上。如何保证在正确的时间使气门升程处在合适的位置是这项技术的最大难点,不过它的确做到了对发动机进行更为精准和细致的调控管理。

    Double-VANOS

    Double-VANOS:双凸轮轴可变气门正时系统。

    Double-VANOS是由BMW开发的双凸轮轴可变气门正时系统,这是宝马技术发展领域中的又一项成就:Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统根据油门踏板和发动机转速控制扭矩曲线,进气和排气气门正时则根据凸轮轴上可控制的角度按照发动机的运行条件进行无级的精准调节。  

    在低发动机转速时,移动凸轮轴的位置,使气门延时打开,提高怠速质量并改进功率输出的平稳性。在发动机转速增加时,气门提前打开:增强扭矩,降低油耗并减少排放。高发动机转速时,气门重新又延时打开,为全额功率输出提供条件。

    Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统还控制循环返回进气歧管的废气量以增强燃油经济性。系统在发动机预热阶段使用一套专用参数以帮助三元催化转换器更快达到理想工作温度并降低排放。整个过程由车辆的汽油发动机电子控制系统(DME)控制。

    双VVT

    市面上的绝大部分气门正时系统都可以实现进气门正时在一定范围内的无级可调,而一部分发动机在排气门也配备了VVT系统,从而在进、排气门都实现了气门正时无级可调(也就是D-VVT,双VVT技术),进一步优化了燃烧效率。

    传统的VVT技术通过合理的分配气门开启的时间确实可以有效提高发动机的效率和燃油经济性,但是这项技术也有局限性和自身的瓶颈。不过在此基础上,通过引入可变气门升程技术可以弥补VVT的缺憾,从而使发动机的呼吸更为顺畅、自然。

    我们都知道,发动机实质的动力表现是取决于单位时间内气缸的进气量。前面说过,气门正时代表了气门开启的时间,而气门升程则代表了气门开启的大小。从原理上看,可变气门正时技术也是通过改变进气量来改善动力表现的,但是气门正时只能提前或者推迟气门开启的时间,并不能有效改善气缸内单位时间的进气量,因此对于发动机动力性的帮助是有限的。如果气门升程大小也可以针对发动机不同的工况和转速实时调节的话,那么就能提升发动机在各种情况下的动力性能。

    VVEL

    英菲尼迪的VVEL系统的工作原理与BMW的Valvetronic类似,但在结构上稍有不同。VVEL系统使用一套螺套和螺杆的组合实现了气门升程的连续可调。在系统工作时,电机通过ECU信号控制螺杆和螺套的相对位置,螺套则带动摇臂、控制杆等部件,最终改变气门升程的大小。

    摇臂通过偏心轮套在控制杆上,而控制杆可以在电机的带动下旋转一定角度。当发动机在高转速或者大负荷时,电机带动螺杆转动,套在螺杆上的螺套也会产生相应的横向移动,与螺套联动的机构使得控制杆逆时针或顺时针发生旋转。由于摇臂套在控制杆的偏心轮上,因此摇臂的旋转中心也会随之上升或下降,从而达到改变气门升程的目的。虽然整个机构看起来比较复杂,摩擦副也相对较多,但由于系统中的摇臂,控制杆和螺套等都是刚性连接,没有弹簧类的回位机构,使得VVEL系统即使在发动机高转速情况下也无需考虑惯性的问题。

    点评:英菲尼迪的这项技术的原理与BMW的Valvetronic可谓大同小异,也是实现了对发动机的动力输出做出更为绵密细致的调节,不过这项技术还只是应用在日产旗下的高端车型上。

    AVS

    奥迪的AVS可变气门升程系统在设计理念上与本田的i-VTEC有着异曲同工之妙,只是在实施手段上略有不同。这套系统为每个进气门设计了两组不同角度的凸轮,同时在凸轮轴上安装有螺旋沟槽套筒。螺旋沟槽套筒由电磁驱动器加以控制,用以切换两组不同的凸轮,从而改变进气门的升程。

    发动机在高负载的情况下,AVS系统将螺旋沟槽套筒向右推动,使角度较大的凸轮得以推动气门。在此情况下,气门升程可达到11毫米,以提供燃烧室最佳的进气流量和进气流速,实现更加强劲的动力输出。当发动机在低负载的情况下,为了追求发动机的节油性能,此时AVS系统则将凸轮推至左侧,以较小的凸轮推动气门。

    这套系统中还有一个设计细节需要注意,那就是两个进气门无论是在普通凸轮还是高角度凸轮下的相位和升程是有差别的,也就是说两个进气门开启和关闭的时间以及升程并不相同。这种不对称的进气设计是为了让空气在流经两个进气门后,同时配合特殊造型的燃烧室和活塞头,可以令混合气在气缸内实现翻转和紊流,进一步优化混合气的状态。

    奥迪AVS可变气门升程系统在发动机700至4000转之间工作,当发动机处于中间转速区域进行定速巡航时,AVS系统可以为车辆提供很好的节油效果。

    点评:奥迪这套系统的气门升程依然是两段式的,没有做到气门升程的无级调节,所以对进气流量的控制还不够精确。然而一个巧妙之处在于对同一气缸内两个进气门采用不同步的开启和关闭时间,从而实现油、气的充分混合。

    Multiair

    菲亚特的Multiair电控液压进气系统相比宝马的Valvetronic和英菲尼迪的VVEL的结构来说比较复杂,而且复杂的配气机构也会在一定程度上增加制造成本。然而菲亚特的Multiair电控液压进气系统却采用了一种相对独特的手段实现了气门升程的无级调节,在技术上可谓另辟蹊径。

    Multiair最大的特点就是开创性的使用了电控液压控制系统来驱动气门的正时和升程,虽然发动机为每缸4气门的结构,但是却取消了进气门一侧凸轮轴,排气门侧的凸轮轴通过液压机构来驱动进气门。

    Multiair系统的工作原理要直接得多,而且结构相对简单。进气门上方设计有活塞和液压腔,液压腔一端与电磁阀相连,电磁阀则通过ECU信号,根据工况的不同适时调节流向液压腔内的油量。由凸轮轴驱动的活塞通过推动液压腔内的油液,控制气门的开启。系统只需要控制液压腔内的油量的多少即可以完成对气门升程的无级可调。

    简单的结构不仅可以减小整个配气机构的惯性,而且在高速运转时,能量的损失也更小,而且电控加液压的配合方式还让Multiair系统拥有极快的响应速度,因此可以实现在一个冲程内多次开启气门的模式,使得在怠速和低负荷工况下拥有更高的燃烧效率。然而Multiair最大的优势在于成本,由于配气机构相对简单,整套Multiair系统也不需要太高的成本,因此这项技术可以更好的向中低端车型覆盖。

   点评:这项技术的设计可谓大胆和创意十足,取消了传统的凸轮轴机械传动方式,通过液压系统来完成对气门升程的调节,但是这也对电控液压机构的可靠性提出了更高的要求。

关键字:呼吸  浅析  技术

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0915/article_7893.html
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