汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門(mén)技術(shù)

陳寶文

摘要：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中需要通過(guò)氣門(mén)的開(kāi)閉來(lái)獲取足夠的新鮮空氣以及排除廢氣，汽車(chē)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(mén)技術(shù)可以通過(guò)改變氣門(mén)的升程和開(kāi)閉時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)更加高效的控制，進(jìn)而使汽車(chē)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(lái)的趨勢(shì)進(jìn)行了深入淺出的的分析。

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

汽車(chē)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(mén)技術(shù)的影響，可變氣門(mén)技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)化的控制氣門(mén)升程和開(kāi)啟的時(shí)間來(lái)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(chē)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(mén)技術(shù)概述

第一，可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中需要通過(guò)開(kāi)啟氣門(mén)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?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的油料燃燒過(guò)程需要氧氣參與相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，而氣門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間就是所謂的正門(mén)技術(shù)?，F(xiàn)階段汽車(chē)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(mén)的開(kāi)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(mén)正時(shí)技術(shù)。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣，進(jìn)氣門(mén)活塞在自上而下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要通過(guò)氣門(mén)的開(kāi)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的排氣且氣門(mén)關(guān)閉的時(shí)間點(diǎn)是活塞到達(dá)氣門(mén)終止點(diǎn)。現(xiàn)代汽車(chē)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(guò)程對(duì)空氣形成的嚴(yán)重依賴要求其氣門(mén)必須在正確的時(shí)間打開(kāi)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(wèn)題。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門(mén)負(fù)責(zé)將空氣吸進(jìn)內(nèi)部而排氣門(mén)則負(fù)責(zé)將廢氣排出到發(fā)動(dòng)機(jī)外，汽車(chē)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(kāi)排氣門(mén)和進(jìn)氣門(mén)并形成專業(yè)上所謂的氣門(mén)疊加。通過(guò)以上分析可知汽車(chē)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(mén)正時(shí)技術(shù)的影響。

第二，氣門(mén)升程技術(shù)。在可變氣門(mén)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(mén)的開(kāi)啟程度始終處在固定不變的狀態(tài)之下，也就是說(shuō)無(wú)論汽車(chē)高速行駛還是低速行駛，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)可開(kāi)啟程度總是不會(huì)變化的。顯而易見(jiàn)的是汽車(chē)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(mén)升程設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)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(mén)升程技術(shù)可以根據(jù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)化的調(diào)節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟程度，也就是說(shuō)通過(guò)可變氣門(mén)升程技術(shù)可以使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可變的空氣流通效率，汽車(chē)低速運(yùn)行的過(guò)程中可以通過(guò)小幅度的氣門(mén)開(kāi)啟來(lái)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(guò)更大幅度的氣門(mén)開(kāi)啟來(lái)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(guò)在氣門(mén)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(lái)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(chē)的過(guò)程中需要通過(guò)控制油門(mén)的大小來(lái)增加或者減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的供油量，在汽車(chē)需要提速時(shí)通過(guò)油門(mén)來(lái)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(guò)程中需要消耗與汽油量相匹配的氧氣。傳統(tǒng)的汽車(chē)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(lái)的問(wèn)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(mén)正時(shí)技術(shù)和可變氣門(mén)升程技術(shù)配合在一起可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)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(guò)延長(zhǎng)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)間和增大升程來(lái)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(mén)技術(shù)的應(yīng)用可以大幅度改善汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并提高汽車(chē)行駛的穩(wěn)定性。需要指出的是汽車(chē)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(mén)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(guò)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(mén)開(kāi)啟程度過(guò)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(mén)開(kāi)啟程度過(guò)小就會(huì)造成外部空氣不能快速進(jìn)入氣缸并對(duì)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生制約。傳統(tǒng)的汽車(chē)氣門(mén)技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)可變的控制，進(jìn)而使汽車(chē)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(chē)廠商本田于1989年首次研發(fā)出了可變化的氣門(mén)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(chē)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(guò)搖臂帶動(dòng)凸輪來(lái)控制氣門(mén)的開(kāi)閉幅度和開(kāi)閉時(shí)間。這一技術(shù)被命名為VTEC。其中的可變氣門(mén)升程技術(shù)和可變氣門(mén)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上都具有這種技術(shù)標(biāo)志。德國(guó)汽車(chē)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(chē)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(mén)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(lái)的問(wèn)題是不同階段之間進(jìn)行切換時(shí)汽車(chē)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(lái)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(kāi)發(fā)出可實(shí)現(xiàn)連續(xù)氣門(mén)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(guò)其他汽車(chē)廠商大力跟進(jìn)的可變氣門(mén)控制技術(shù)可以提高汽車(chē)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(mén)技術(shù)更小，因而這種技術(shù)對(duì)汽車(chē)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(guó)的寶馬公司和日本日產(chǎn)汽車(chē)作為世界著名的汽車(chē)生產(chǎn)制造廠商在本田之后也快速進(jìn)入到可變氣門(mén)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(mén)升程技術(shù)。由此帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)在于汽車(chē)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(chē)的過(guò)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(guò)程中主要是通過(guò)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(mén)升程的調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)程中主要是利用凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)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(chē)制造商基本上都是通過(guò)電機(jī)或者液壓這兩種主要技術(shù)路線來(lái)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(lái)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(lái)的VVT-i技術(shù)路線?？勺儦忾T(mén)控制技術(shù)最早僅僅是應(yīng)用于氣缸的進(jìn)氣門(mén)上，后來(lái)進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)都采用了這種控制方式，于是便形成了雙可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，也就是DVVT。當(dāng)可變氣門(mén)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(guó)的寶馬公司在后來(lái)也對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行研究并將其與可變氣門(mén)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(mén)正時(shí)與升程管理系統(tǒng)）、Double-VANOS（雙凸輪軸可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)）（見(jiàn)表1）。

（三）發(fā)展趨勢(shì)

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)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(lái)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(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化來(lái)提高空氣的流通效率，并提高汽車(chē)配氣系統(tǒng)的可靠性，這些才是汽車(chē)氣門(mén)可控技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。另外，智能可變氣門(mén)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(mén)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(mén)可變控制技術(shù)可以根據(jù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)化的調(diào)節(jié)開(kāi)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(kāi)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(chē)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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