可变气门升程技术

1、4.可变气门升程技术我们知道所谓的可变气门正时技术 (TTV) ，其功能主要是改变发 动机气门开启和闭合的时间， 以达到更合理的控制相应发动机转速所 需的空气量，作用主要还是为了降低油耗，提高经济性。而发动机的 实质动力表现却是和单位时间内进入到汽缸内的氧气量有关， 可变气 门正时系统无法有效改变这一点，因此它对动力的提升帮助不大。为了有效的增加发动机的动力，可使用 可变气门升程技术 。相比 于可变气门正时， 可变气门升程系统目前还比较少见， 尤其是连续可 变气门升程技术更是只掌握在几个大厂商手中的绝密核心技术， 因此 市场上能买到的汽车中装备可变气门升程系统的车型也不多。本田是最早将可变气门

2、升程技术应用到车载发动机上的厂商，而 且不同于其它厂商的先使用可变气门正时， 后追加可变气门升程技术 的做法，本田的工程师在研发项目之初就将这两种技术同步进行。 结 构简单、设计巧妙是本田可变气门升程机构的特点。 不过令人有些遗 憾的是，虽然已经投产多年但本田的可变气门升程技术目前似乎没有 太大进步，依然还停留在只有两段或三段可调的程度，而像菲亚特、 丰田、日产和宝马这些可变气门升程技术领域的后来者都已经研发出 连续可变气门升程技术。 不过现在也有消息传出， 本田也研发出了自 己的连续可变气门升程及正时系统 AVTEC ，只是还没有正式开始使 用。在此我们简单介绍一下 VTEC 及 i-VTE

3、C 系统中可变气门升程机 构的工作方式。本田的讴歌目前在国内发售的车型共有 SOHC （单顶 置凸轮轴）及DOHC （双顶置凸轮轴）两种结构的发动机，它们虽然 都配有 VTEC 或 i-VTEC 系统，但具体实现方式不太相同。飞度、锋范以及思域搭载的都是本田的 R 系列发动机，采用的是SOHC结构，两个进气气门和两个排气气门均由一根凸轮轴驱动。首先要说明的是目前大部分可变气门升程技术都被应用在进气气门端， 本田的 R 系列也不例外（图 14 本田的可变气门升程结构）。我们从图中可以看到，两个进气气门摇臂中间还有一个特殊的中 间摇臂， 它对应的是凸轮轴上的一个大凸轮， 而在发动机低转速时两 个进

4、气摇臂和这个中间摇臂是分离的、 毫互无关系的， 进气摇臂只由 两侧的普通凸轮驱动， 因此进气气门的升程较小， 这有助于提高低转 速时的燃油经济性。 但当发动机达到一定转速时， 由电子液压控制的 活动锁销会将两个进气摇臂和那个中间摇臂连接为一体， 此时三个摇 臂就会同时被中间大凸轮驱动， 而气门升程也会随之加大， 单位时间 内的进气量更大，从而发动机动力更强。除了小型车和紧凑型车使用的 R 系列，国内本田的思铂睿、雅阁 和 CR-V 的 2.4L 车型均搭载的是 DOHC （双顶置凸轮轴）结构的 K 系列发动机， 同样都装备了可变气门升程技术。 此外本田的 VTEC 系 统可在 DOHC 发动机

5、的进排气端均进行气门升程的调节，不过这功 能并非所有本田 DOHC 发动机均有，只限定某些车型。工作原理和R系列发动机的进气端完全相同，都是通过三根摇臂 的连接与分离实现的，不过既然排气气门升程也可得到提升， 就表示 高转速下排气效果将更高，可以更默契的和提高效率的进气气门协作 来增强发动机的动力输出。通过上面的介绍我们能看到本田的可变气门升程系统结构并不 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。但这一原理也是羁绊本田可变气门升程技术进步的瓶颈， 因为不可能在凸轮轴上加上更多的凸轮来实现更多级的调节，因此日产和宝马都另辟蹊径，而且最终都实现了让气门升程连续可变，

6、 下面 我们一起来看看日产是如何做到的。日产是可变气门升程领域的后来者，多年来日产车型上都没有这项功 能的身影。但2007年末，随着第四代G37的上市，日产也终于发布 了自己的可变气门升程技术 VVEL，这项技术最先就被装备在 G37 的VQ37VHR发动机上，而VQ37VHR也是2008年沃德十佳发动机 的得主。随后上市的FX50的那台VK50VE发动机是第二款使用 VVEL的发动机。同时日产也有计划将 VVEL普及到自己的低端车型 上。目前VVEL技术只应用在日产高端品牌英菲尼迪的两款车型上本田的VETC是利用不同的凸轮来实现不同转速下气门升程的改变，而日产则是在驱动气门运动的摇臂上做文章

7、。为了实现连续可变这个功能就必须研发出一种可无级改变工作状况的机构，日产的VVEL 系统利用一个电动机驱动的螺杆和螺套达到了这个目的（图15 日产的可变气门升程工作原理）。螺杆我们可以理解为日常生活中常见的螺栓，而螺套就是拧在螺 栓上的螺母， 螺母随着转动就可沿着螺栓上的螺纹上下运动， 换个角 度来看这就是一种无级调节方式。 日产的工程师就是将一组螺杆 （螺 栓）和螺套（螺母）加到了发动机的气门摇臂上来使气门升程连续 （无 级）可变的。首先车载电脑根据当前的发动机转速来决定螺套的所在 位置，那个直流电动机就是用来驱动螺套的。 而螺套由一根连杆与控 制杆相连， 螺套的横向移动可以带动控制杆转动，

8、 控制杆转动时上面 的偏心调节轮随之转动， 从而改变了摇臂与气门的相对位置， 这样就 可以改变气门升程。原来的凸轮轴位置现在换成了下边的偏心驱动轴，当偏心驱动轴 随发动机转动时，套在偏心驱动轴偏心桃上的 1 号连杆必然上下运 动，牵动套在控制杆偏心桃上的摇臂，绕控制杆的偏心桃左右摆动， 而摇臂的另一端铰链连接有 2 号连杆，该连杆的下端推动套在偏心驱 动轴正圆轴颈上的驱动凸轮进行上下摆动， 用来推动液压挺杆来推开 气门。日产的这套 VVEL 连续可变气门升程系统在一定范围内（这个范 围的大小由螺杆的长度和输出凸轮的角度来决定） 可实现无级连续调 节，针对不同的发动机转速都有相应的气门升程， 这

9、种形式无疑更加灵活自主，不过目前VVEL系统只应用在进气端，因此还存在进化 的余地。宝马可变气门升程技术:Valvetro nic应用车型：国内在售的除 M3和M5外的宝马车型相比日产的VVEL，宝马的Valvetronic可变气门升程技术更加为 人所知，这是宝马于2001年发布的独家可变气门升程技术，被广泛 应用在宝马发动机上，目前国内在售的除 M3及M5外的宝马车型的 发动机均有此功能。和日产的 VVEL 一样，宝马的Valvetronic也是 目前少数可以实现连续可变的气门升程技术之一。宝马的Valvetronic系统同样是依靠改变摇臂结构来控制气门升 程。传统的发动机大多都是利用凸轮轴

10、上的凸轮挤压摇臂带动气门挺 杆来使气门上下运动，而宝马的工程师在凸轮轴与传统摇臂间加装了 一根偏心凸轮轴，利用偏心凸轮轴上的凸轮位置的改变来实现气门升 程的改变（图16宝马的可变气门升程工作原理图）。该系统的工作原理是：在缸盖原进气凸轮轴的上方，又增加了一 根受电动机轴蜗杆和蜗轮驱动的调节凸轮轴，该调节凸轮轴上对应每 一个气门上都设有一个调节凸轮，该调节凸轮在需要改变气门升程时 会缓慢转动（当然是发动机电脑控制的了），推动滑动推臂上部的滚 轮固定在某一位置。原进气凸轮轴的凸轮不再直接压动气门摇臂，而是通过滑动推臂来间接压动气门摇臂。 平时滑动推臂中间滚轮被弹簧（图上未示出）顶着，紧靠在进气凸轮

11、轴的上，当进气凸轮轴的凸轮 顶部转过来时， 由于滑动推臂上部滚轮位置被限制不能动， 中部又受 进气凸轮轴的凸轮顶动必须左移，下部只好推动气门摇臂顶开气门。 改变气门升程时， 只要转动调节凸轮轴， 调节凸轮轴上的调节凸轮就 会改变滑动推臂上部滚轮的位置， 也同时改变了滑动推臂下部与气门 摇臂的相对位置，从而改变了气门升程。虽然都是改变凸轮轴与气门挺杆间的摇臂机构，但宝马的 Valvetronic 和日产的 VVEL 设计思路完全不同， 可谓异曲同工。 但是 目前也有人认为宝马的这套系统结构有些复杂， 在高转速极限状态下 的作用并不理想，这也是 M3 和 M5 的高转速发动机不用 Valvetro

12、nic 的原因。同时和VVEL 样，Valvetronic目前也只应用在发动机的进 气端，因此研发出更强大、更轻巧的新型 Valvetronic 系统也许正是 宝马目前在做的事情。菲亚特的 Multiair 是目前世界上最先进的配气系统，其工作原 理则要直接的多。 它的结构非常简单： 整个发动机只使用一根凸轮轴， 每缸的两个进气门由凸轮轴上的一个进气驱动凸轮来顶动一个摇臂， 该摇臂推动一个高压柱塞泵， 该高压柱塞泵的活塞推动高压机油， 高 压机油通过电磁阀进入驱动分泵内的活塞来推开气门。 电磁阀则通 过ECU言号控制，根据工况的不同适时调节流向液压腔内的油量，控制气门的开启行程。 系统只需要控

13、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（图 17 菲亚特的可变气门升程原理图）。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，电磁加液压的配合方式还让Multiair系统拥有极快的响应速度，因此可以使用在一个冲程内多次开启气门的Multilift模式，使得怠速和低负荷工况下拥有更高的燃烧效率。而multiair最大的优势在于成本，由于配气机构简单，整套Multiair系统也不需要太高的成本，因此它既适合于高级车，也适合低端的经济性轿车，目 前搭载了 Multiair系统的菲亚特500,大多都是价格便宜的经济型小 车，Multiair系统的优点是

14、：第一，液压腔电磁阀的控制是非常快速而且灵活的，相比起 部分其他品牌可变气门正时技术的分段式控制，Multiair可以实现“无级变速”，从而减少动力输出的顿挫感。第二，这是非常关键的一点，Multiair在进气管道上取消了节气门。既然汽缸进气门开闭时刻和幅度可以无级调节，进入汽缸 内的气体已经完全可以只通过进气门开启的高度来控制了，那么 发动机节气门的存在也就没有意义了。第三，节气门取消之后，可以大幅度降低引擎进气管道的气阻，发动机的呼吸自然就更加通畅了，燃烧效率自然就提高了。 此外，没有节气门的进气管道可以大大降低发动机的泵气损失， 减少能量损耗。最新应用于即将到来的使用1.75L四缸发动机

15、的 MiToGTA动力达到240hp（ 179kw），为了提高输出功率和扭矩，降低油耗 和排放，菲亚特运用涡轮增压技术和MultiAir 技术，它的目标就是运用最新技术提升其发动机的动力。注意：菲亚特Multiair在使用上述两项技术之后，发动机的升功率竟然达到了令人吃惊的102.3KW/L，要知道我国曾经的主力车型解放牌的升功率只有12.6 KW/L，目前就连最新式的一汽大众迈腾1.8T用上涡轮增压后也不过118KW升功率只有65.5KW/L，就连最先进的宝马 535i 3.0T 功率225 KV，升功率不过 75KW/L， 不使用涡轮增压的诸如奔驰S级S350的功率225 KW,升功率只有

16、64.2KW/L。像本田雅阁（2011年款）升功率仅有 57.5 KW/L， 标致508（ 2011年款）升功率仅有 54 KW/L，经过以上对比，才 知道菲亚特Multiair技术是遥遥领先的。这四项技术的最大优势就是利用气门升程控制进气，节气门的作用被弱化或者是取消，大大降低了泵气损失，使得发动机进气迟滞的现象 大大减轻，直接提升了发动机响应速度。而且由于进气不在存在迟滞， 因此发动机的点火和配气的配合也更精确，使得发动机效率得到提 升，减低油耗和排放。随着时代的推移，气门控制技术的发展也是一 步一个脚印，从最早的本田vtec技术实现了气门升程的分段可调， 再到宝马Valvetronic取消了节气门，而再到最新的Multiair实现了电