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 VVT發動機概述

發動機可變氣門正時技術(VVT, Variable Valve Timing)是近些年來被逐漸應用于現代轎車上的新技術中的一種,發動機采用可變氣門正時技術可以提高進氣充量,使充量系數增加,發動機的扭矩和功率可以得到進一步的提高。


    對于一臺4沖程發動機,按照很多人的理解,做功沖程末,活塞處于下止點時排氣門開始打開,發動機進入排氣沖程,直到活塞到達上止點,排氣門關閉,進氣門打開,發動機進入吸氣沖程。當活塞正好運行一周重新回到下止點時,進氣門關閉,發動機進入壓縮沖程。這樣來理解氣門的動作是否正確呢?差不多是吧。然而,可能和與人們的直覺不同的是,這樣的氣門正時效率并不是最優的。讓我們先來考慮一下排氣門開啟的時機。如果比活塞到達下止點提前一點就開啟排氣門會怎么樣呢?從直覺上,這時廢氣仍可推動活塞做功,如果打開排氣門開始排氣,此時氣缸內的壓強就會降低,能量的利用率也就降低了,發動機性能也會隨之下降。是這樣嗎?其實也不一定。


    我們知道,排氣時活塞會壓迫廢氣從而反過來對廢氣做功,這個過程會消耗一部分發動機已經獲得的能量。如果在缸內壓強相對較高時提前開始排氣,排氣過程就會更順暢,從而在排氣沖程減少了能量消耗。這樣,一得一失,怎么才會最合算呢?考慮到活塞在下止點附近一定角度內垂直運動距離其實非常短,實際的發動機略微提前打開排氣門效果會更好一些。再來看進氣門關閉的時機。如果在活塞越過下止點一定角度,開始壓縮沖程之后再關閉進氣門。如何呢?直觀的感覺可能是,這時活塞已經開始上升,剛剛吸入的可燃混合汽豈不是又要被排出去一部分?性能會不會下降?答案是:只要時機適當,這樣做反而可以增加吸氣量,改善性能。因為在吸氣沖程可燃混合汽被活塞抽入汽缸,進氣門附近的氣流速度可以高達每秒兩百多米,而我們前面說過,在下止點附近活塞的垂直運動相對很慢,汽缸內體積變化并不大。此時進氣岐管內的可燃混合汽靠慣性繼續沖入氣缸的趨勢還是占了上風。


      那么排氣門的關閉時機和進氣門的開啟時機又該如何呢?這是大家可能都想到了,排氣時同樣會形成高速氣流,如果排氣門也在活塞越過上止點一定角度之后再關閉,雖然活塞已經開始下降,排氣門附近的廢氣仍就會繼續排出。但是此時進氣門不是已經開啟了嗎?廢氣難道不會涌入進氣岐管?事實上,這又是個時機問題,燃燒室內的廢氣渦流的方向決定了廢氣短時間內是不會流向排氣門對側的進氣門的,于是,一邊進氣一邊排氣的局面是完全可以實現的。事情還可以更理想。由于大部分廢氣在排氣沖程中前期就已排出,并且在排氣岐管中形成了高密度的高速氣流,沖向排氣管方向。這部分廢氣越是遠離氣缸,對于缸內尚未排出的廢氣來說,其需要填充的體積就越大,相應的平均壓強也就越低。低到什么程度?低到活塞尚未到達上止點之前,缸內壓強可能就已經低于進氣岐管內可燃混合汽的壓強了。如此看來,進氣門也應當提前一點開啟才好。


    前邊講到了進氣門和排氣門同時打開的情況,也就是進氣門和排氣門的重疊。重疊持續的相對時程可以用此間活塞運行的角度來衡量,這樣就可以拋開轉速,把它作為系統的固有特性來看待了。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,但是前面講到的進氣岐管或排氣岐管內的氣流也越快。想想看,這時發動機需要盡可能長的吸氣和排氣時間,而且也有有利條件可以利用,還猶豫什么?只要重疊的角度大一些不就行了?當然,也不能太大,前邊說了,這里有個時機問題,重疊角度太大肯定也不好,要不干脆讓進氣門和排氣門同時開閉得了。很顯然,這個時機是與轉速有關的,轉速越高,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,發動機就容易得到較高的最大轉速,也就容易獲得較大的峰值功率。但在低轉速工況下,這樣的系統重疊角度肯定就偏大了,廢氣就會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,ECU也會難以對空燃比進行精確的控制,最終的效果是怠速不穩,低速扭矩偏低。相反,如果配氣機構只對低轉速工況優化,發動機的峰值功率就會下降。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。


    剛才講的主要是發動機的動力性方面,下面讓我們看看重疊角度對發動機的經濟性和排放的影響。可能大家都知道,發動機的油耗轉速特性曲線是馬鞍形的,轉速太高,超過了一定的范圍,可燃混合汽的燃燒就會越發的不充分,發動機的經濟性和排放特性都會惡化,尤其如今發達國家的環保法規日益嚴格,問題就變得更加嚴重。于是,很多廠商就采用復雜的廢氣再循環(EGR)裝置來改善發動機的高轉速經濟性和排放。顧名思義,EGR裝置的作用就是吸入部分廢氣,使其中的尚未燃燒的可燃物質有機會繼續燃燒,部分有害中間產物得以分解。不難想到,如果此時將進氣門和排氣門的重疊角度調得高一點,略微超過原來所說的對動力性來講最合適的角度一些,就會有部分廢氣和新鮮的可燃混合汽混合,提高了發動機的空燃比,使燃燒更充分,排放更清潔。大家可能發現了,這簡直就是不需要額外裝置的EGR技術嘛!然而很不幸,這種偏大的重疊角度設置,同樣使發動機難以提供令人滿意的低轉速性能。


    好了,現在不用我說,大家也知道為什么我們如此重視VVT技術了吧!各個廠家的VVT技術千差萬別,共同之處就是都要對氣門正時進行調節,使發動機在不同的轉速下進氣門和排氣門能有不同的重疊角度,從而改善前面說的那些問題。改變氣門正時可以有很多不同的方法,但最主要的無外乎兩大類,一類是改變凸輪軸的相位,再一類就是直接改變凸輪的表面形狀。想想看就知道,改變凸輪的表面形狀哪可能容易呢?所以第一類VVT比較容易實現些。
 
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    回到Valvetronic,它依然保留了Double VANOS可變進、排氣凸輪軸相位的氣門正時調節系統,那么它又是如何實現對氣門升程進行連續調節的呢?BMW為此增加了一種額外的偏心軸,凸輪軸則又通過一個額外的搖臂系統驅動傳統的氣門搖臂,并且該附加搖臂與氣門搖臂的接觸的角度取決于附加偏心軸的相位。附加偏心軸的相位可以由一個ECU控制下的調節裝置來調整,從而使附加搖臂的角度發生變化,這樣,對于相同的凸輪運動,傳遞到氣門搖臂上的反應就可以不同,氣門的升程也就會相應發生變化。從BMW的資料看,Valvetronic系統對氣門開放時程的影響應當不大,調節的只是氣門升程。不過,氣門開度很小的時候,氣體的進出效率是很低的,如果考察氣門開度超過一定程度的持續角度,姑且稱之為有效的氣體交換時程,通常也是隨氣門升程的增加而增加的。為了限制發動機的復雜度,目前實際應用的Valvetronic系統在氣門升程方面,調整的只是進氣門。盡管理論上類似系統也可以作用于排氣門,但那樣的話整個配氣機構就過于復雜了。就目前Valvetronic的發展情況來說,由于參與氣門運動的機件還是太多,高轉速下機械能損耗就大,不利于提高發動機的最大轉速。所以在提高升功率方面,Valvetronic的表現是不及一些諸如VTEC之類的更簡單的氣門升程調節系統的,它的優勢在于綜合能力,在于發動機經濟性的提高。

 

 

 

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