可变气门正时技术

可变气门正时技术诞生于20世纪80年代末，现在已经是非常成熟的技术了，很多厂商都将此技术应用在自己生产的发动机上，然而这项成熟的发动机技术得益于计算机技术的发展又焕发出了新的生命。我们首先从介绍这项技术的鼻祖开始我们今天的“剑客对决”。
    首先上场的是“本田武士”。他手中的武士刀诞生于19**，由日本本田公司推出的VTEC。本田通过自行研制的“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”，英文全称“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System”，缩写就是“VTEC”，首先实现了可变气门正时。我们可以从这项技术的名字长度看出，它在当时还是非常先进的。它使得发动机的凸轮轴承首次能同时控制气门开闭时间及升程这两种不同情况。与普通发动机相比，要实现这项技术首先发动机型式应是DOHC（双顶置凸轮轴发动机），本田的VTEC发动机就是每缸4气门（2进2排，即两个凸轮轴分别控制进气门和排气门），区别于普通发动机的地方是凸轮与摇臂的数目及控制方法。我并不想用过于华丽的词藻介绍这项发动机的技术，我们的读者大多数只想了解这种技术的好处，那我们就简单地介绍一下这项技术能给汽车消费者带来什么样的好处。
    采用这项技术的本田发动机低负荷运转情况下，小活塞在原位置上，三根摇臂分离，主凸轮和次凸轮分别推动主摇臂和次摇臂，控制两个进气门的开闭，气门升量较少，其情形好像普通的发动机。虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间已分离，其它两根摇臂不受它的控制，所以不会影响气门的开闭状态。但当发动机达到某一个设定的高转速（例如3500转/分时，本田S2000型跑车要达到5500转/分），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，一起由中间凸轮驱动，由于中间凸轮比其它凸轮都高，升程大，所以进气门开启时间延长，升程也增大了。当发动机转速降低到某一个设定的低转速时，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。这样一来就保证了您在低转速时对油耗的控制，同时满足你在发动机处于高转速下澎湃动力输出的需要。驾驶装备这种引擎的车子让您在平时像一位彬彬有礼的绅士，体面且平静的出行，当您穿上运动装，与几位好友结伴郊游时，澎湃的动力储备让您游刃于延绵的山路之上。
    整个VTEC系统由发动机主电脑（ECU）控制，ECU接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温等）的参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。从而产生出您最希望获取的动力输出。
    VTEC技术至今已经有17岁了，作为人类来讲，正是风华正茂的时候，然而面对目益严格的排放及动力性能要求，17岁的VTEC也应该像人类一样要通过不断的学习和进修，提升自身的能力，为毕业之后能在社会上找到一份好的工作而努力，本田的VTEC我们不得不说是一位好学生，通过刻苦的学习，他将最新的计算机智能控制技术应用在了自己的身上，更名为i-VTEC系统。



图：i-VTEC 图：i-VTEC的“可变进气歧管”    i-VTEC系统是在现有系统的基础上，添加一个称为“可变正时控制”VTC（Variable timing control），即一组进气门凸轮轴正时可变控制机构，通过ECU控制程序，控制进气门的开启关闭。它的原理是当发动机低转速时令每缸其中一只进气门关闭，让燃烧室内形成一道稀薄的混合气涡流，结集在火花塞周围点燃做功。发动机高转速时则在原有基础上提高进气门的开度及时间，以获取最大的充气量。VTC令气门重叠时间更加精确，达到最佳的进、排气门重叠时间，提高发动机输出功率的同时降低油耗。由于发动机一启动后i-VTEC系统就进入状态，不论低转速或者高转速VTC都在工作，也就消除了原来VTEC系统所存在反应时间慢的缺陷。较之从前，让车主几乎无法察觉发动机的输出性能的变化，车主唯一做的事就是控制油门，剩下的由计算机来完成车主的指令，并准确地传达给发动机执行驾驶者想要的意图，即使驾驶者想要的意图瞬时改变，计算机也可以迅速地做出调整以适应驾驶意图的变化。而且新的技术同时满足了日益严格的国家排放标准，在保证发动机动力输出的前提下，进一步地降低油耗及废气排放量。本田的Civic系列车型装备这款引擎在全球取得了不俗的销售业绩。
接下来的这位剑客是位真正的日本武士，丰田是日本销售量最好的品牌，同时也是日本品牌中地位最高的，新技术应用在这样品牌的车上是理所应当的事，从它装备技术的英文解释中可以得知，它的技术原理与本田的VTEC有着非常惊人的相似之处，丰田给它命名为VVT-i引擎全名是（Variable Valve Timing Intelligent）, 目前已经普遍应用在国产的丰田系列车型及进口的雷克萨斯系列车款之上。

图：VTC    VVT-i引擎是如何作到变化发动机气门正时的？其实其原理与本田的VTEC所应用的技术原理几乎是完全相同的。丰田与本田的根本不同之处在于采用的是将一个名为VVT-i control的圆盘,以转动此控制盘而来提早或延迟气门的开闭时间,来做到"连续式"的可变气门正时,能根据不同引擎转速来达到气门正时的连续性变化。作为VVT-i技术的发展技术VVTL-i（Variable Valve Timing & Lift Intelligent）则在VVT-i引擎上再对“摇臂”与“凸轮轴”下功夫,这就回到了跟本田VTEC一样的方法来根本解决引擎在高转速时所需要更多的进排气重叠时间与气门开关行程,不同的地方在摇臂内VVTL-i用油压来使一个小垫片“pin”的移动来决定顶到哪个尺寸的凸轮。2000年发表的全新一代Celica则进一步地使用VVTL-i引擎。在原来的VVT-i引擎上的凸轮轴,加了可以切换大小不同角度的凸轮,利用“摇臂”机构来决定是否顶到高角或小角度的凸轮,而作到“可连续式”地改变引擎的正时,相位与“两段式”的气门升程。
    就是应用这样的方式，VVTL-i结合了VVT-i的连续式可变正时与重叠角,与本田VTEC式的凸轮轴切换,首先达到可以说是近乎完美式的引擎。VVT-i加入可变气门升程后的新引擎VVTL-i,达到100马力以上的升功率,1.8升的排量有180hp/7800rpm的超强动力输出(日本标准的Celica更高达192马力)!而且它还保有扭矩曲线高而平原式的表现，VVTL-I可以算是丰田划时代的力作。
    日本的三剑客的最后一位来自日本三菱汽车，提到三菱，它的Lancer EVO系列车型可谓无人不知无人晓，它的系列车型多次获得世界拉力锦标赛的冠军，而让它能取得如此多骄人战绩的利器就是它的4G系列引擎，而这种引擎使用的一项核心技术被称之为MIVEC（连续可变阀门正时）发动机，它可以改变吸气阀门的提升量及开闭时序。其特点是，无需使用节流阀通过吸气阀门便可调节空气量，德国宝马公司已经将其作为“ValveTronic S”发动机投入使用。 而三菱的MIVEC可对吸气阀门的提升量进行可变控制，三菱的MIVEC发动机采用在高速旋转时加大提升量的设计，这样一来，便可吸入更多的空气，从而实现输出功率的提高。另外，还可在低速旋转时防止泵吸损失，从而就可提高燃效。“其目标是将燃效提高10%左右”。该发动机还附带有节流阀，主要在可变阀门机构不工作时用于安全保护功能，以及用于调节吸入气压。虽说是用于调节吸入气压，而实际上节流阀则是接近全开状态。在实际投入使用时也将考虑配备节流阀。
    我们以排气量同为2.4L的4G69发动机及4G64发动机做个比较，4G69发动机的提高并不仅仅停留在数据上，发动机的动力输出非常理想，噪音控制也很出色，不再因转速的提高而大幅增加发动机噪音，所以不用像4G64频繁换挡。虽然4G69的最大扭矩输出转速提高了1300rpm，但是低转扭矩仍比4G64强劲，轻踏油门已有很强的加速感出现，市区行车保持在2000rpm左右非常舒适，此时的发动机运转非常细腻。操控变得舒适的重要原因除了动力输出和运转细腻之外，最重要的是MIVEC系统带来的线性输出，而且这种线性的覆盖范围相当广，直到5500rpm才感到扭矩的回落，并且转速的攀升和扭矩的保持都非常自然，一气呵成。三菱MIVEC和我们熟悉的本田VTEC虽然都是可变气门系统，但是两者的目的完全不同，MIVEC的目的并不是压榨最大功率的输出，而是追求中后段平坦宽阔的扭矩输出，同时照顾到燃油经济性和废气排放，所以著名的三菱4G69发动机的中高转表现非常杰出。这就保证了日常车时动力储备，我们知道，日常在公路上超车时车速一般在60公里——100公里左右，这时正是需要发动机在中高转速下的表现的时候，三菱的这项技术可以让您淋漓地享受中速超车的快感。
    最后出场的这位剑客来自韩国，作为汽车工业的后起之秀，韩国现代汽车公司生产的汽车继日本汽车开始大举进攻全球汽车市场，并通过高性价比的家用轿车很快地占据了老牌汽车厂商的固有领地，甚至对汽车质量要求极端苛刻的美国市场也不得不对这位年轻的生产厂商打开了自己的国门，让其占据了家用轿车市场的很大一部分市场份额。拥有如此高的销售业绩及消费人气，其发动机所使用的技术也要与其他大的生产厂商有一较高下的本领才行，这次韩国现代公司非常厚道，将其最新的CVVT技术应用到在中国生产的全系列车型当中，就连其子公司，韩国其亚公司的系列车型也一并换装了新的发动机来应对市场的激烈竞争。下面我们就来简单介绍一下这项技术。
    其实当您走进北京现代或东风起亚悦达的经销店时，销售员往往用一个CVVT的发动机技术来向您灌输现代或起亚的发动机是如何的先进，换装的发动机较原来有什么样的好处。但长期以来日系本田的i-VTEC、丰田的VVT-i是被人熟知的气门可变技术，韩国现代或起亚所应用的CVVT技术其实是借鉴丰田的VVT-i而来，所以它的工作原理和方式都与VVT-i无异。 CVVT的工作原理与VVT-i并无本质差别，只是有控制气门正时的功能，但去掉了控制气门升程的功能。因此引擎只会改变吸、排气的时间差，无法改变进气量。简单来说它的工作原理就是当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60度的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。所以在上述结构的作用下，可以保证发动机按照不同的路况改变气门开启、关闭时间，在保证输出足够牵引力的同时提高燃油经济性。当发动机启动或关闭时油压控制阀位置受到改变，从而使得进气凸轮正时出于延后状态。当引擎怠速或低速负荷时，正时也是处于延后的位置，比增进引擎稳定的工作状态。当在中符合时则进气凸轮在提前的位置，当中低速高负荷时则处于提前角位置增加扭矩输出。而在高速符合时则处于延迟位置以利于高转速操作。当引擎温度较低时凸轮位置则处于延迟位置，稳定怠速降低油耗。
    不仅如此，我国也于2006年8月8日，由吉利汽车公司自主研发出了我国的首款CVVT发动机——JL4G18发动机。从发动机的命名上可以看出这款发动机的核心技术来自三菱公司，之所以用CVVT来阐述自己所拥有的技术，是因为它同韩国现代公司的CVVT一样，只是有控制气门正时的功能，但去掉了控制气门升程的功能。因此引擎只会改变吸、排气的时间差，无法改变进气量而得名。