可变气门正时如何调节发动机的呼吸?
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可变气门正时 (VVT) 是指根据发动机转速和负荷持续重新调整进气门和排气门开启与关闭时刻的技术.由于单一固定正时无法在整个转速范围内保持高效,VVT通过在低转速时保留扭矩、高转速时保留功率,同时提升性能、燃油经济性和排放表现.
亮点
- 采用VVT后,扭矩和功率曲线的两端通常可获得 %5-10 的输出提升.
- 进气门延迟或提前关闭策略可将部分负荷下的泵气损失降低至多 %40.
- 对于进气道喷射发动机,优化的气门正时策略可带来 超过%8 的燃油经济性改善.
- 量产车上首次应用VVT见于 1980年的Alfa Romeo Spider;而VTEC则在 1989年问世.
- 第一项专利的历史出人意料地久远: 1903年,Cadillac Runabout.
为什么单一正时不够用?
在活塞式发动机中,气门由凸轮轴驱动开启.凸轮轴通过皮带、链条或齿轮由曲轴驱动,其轮廓上的每一个凸轮都决定了气门开启的准确时刻、持续时间和升程.问题在于:这个轮廓是一块固定的金属部件,但发动机的需求并非一成不变.
高转速下,发动机需要大量的空气.如果进气门在气缸充分充气之前就关闭,就会损失性能.相反,像赛车凸轮那样开启时间较长的轮廓,在低转速下则是件麻烦事:如果进气门在排气门仍开启时打开(这种情况被称为气门重叠,即overlap),排气的高压可能会将新鲜进气推回,并让进气歧管被废气污染.用工程师David Vizard的话来说,这意味着在两个气门都开启的窗口期内,燃油会随废气一起排出.
一个数字足以说明这个尺度:在3000转/分钟时,凸轮轴每秒旋转25次.气门动作要在如此快速的循环中发挥作用,就必须在正确的时刻发生.而这正是VVT的工作所在:发动机控制单元通过相对于曲轴独立调整凸轮正时,在任何工况下重新设定重叠时间.
可变气门正时如何影响功率、扭矩和燃油消耗?
正时调整的方向决定了你想要获得什么.凸轮轴提前时,气门提早开启和关闭,这会提升低转速扭矩和燃油经济性——代价是牺牲高转速功率.延后则会在高转速下延长功率曲线.现代系统会根据转速持续平衡这两个极端.
结果是可量化的:采用VVT后,扭矩和功率曲线两端通常可观察到%5-10的输出提升,许多发动机的低转速扭矩可提升%5-15.这不仅仅是一条理论上的优化曲线,更意味着在日常使用中发动机能更早升挡、需要更少的油门微调.
燃油消耗方面的收益
真正的静默胜利出现在部分负荷工况下,也就是发动机大部分时间工作的区域.延迟关闭进气门(延迟IVC)可将泵气损失降低至40%,同时减少24%的氮氧化物排放,仅在峰值扭矩上做出1%的妥协.提前关闭进气门同样能降低40%的泵气损失,提升7%的燃油经济性;但由于会明显降低燃烧室温度,可能增加碳氢化合物排放.这种提前关闭策略是采用强制进气的米勒循环发动机的标准手段.对于进气道喷射发动机,理论上的最优正时策略可带来8%以上的燃油经济性改善;在专注于部分负荷工况的研究中,据报道改善幅度高达5%.
技术阶梯:从凸轮相位到可变升程
"VVT"并非单一技术,而是一个通向不同控制层级的阶梯.最底层的一级是 凸轮相位调节:凸轮轴相对于曲轴提前或延后旋转;气门开启提前或延后,但升程和开启持续时间不变.早期系统是分级式的,例如3500转以下和以上采用不同正时.第一个连续(无级可调)系统是1992年保时捷968上的 VarioCam ,但它也仅作用于进气门.
第二级是在两个凸轮型线之间切换.执行器通常在特定转速下从低升程型线跳转到高升程型线.升程和持续时间会变化,但调节是断续的.最早的量产应用是 本田VTEC :通过液压压力移动一根销,使高升程摇臂与相邻的低升程摇臂锁合.
第三级是摆动凸轮系统: 宝马Valvetronic、 日产VVEL 和 丰田Valvematic 可连续调节升程和持续时间;但升程与持续时间成正比,两者无法独立设定,且这些系统仅作用于进气侧.更奇特的方案也有尝试过:包括使升程独立于持续时间变化的偏心盘系统(MG Rover的VVC),以及沿凸轮轴轴线型线渐变的滑动锥形凸轮概念,后者虽与法拉利有关联,但据知并未投入量产.
理论巅峰是无凸轮系统:用电磁或气动执行器直接控制气门,在正时和升程上实现完全自由.Koenigsegg宣布将通过 Freevalve 在Gemera上实现这一技术;但由于需求低迷,无凸轮三缸版本在投产前被取消,车辆最终搭载V8上市.经济高效的量产仍是这一设想面前的壁垒.
正时还是升程?
概念混淆的代价就在于此:VVT通常以排放和正时控制为目标,而可变气门升程(VVL)则以根据转速和负荷提升性能为目标.梅赛德斯的 Camtronic 这对组合很好地说明了其分工:可变气门正时(相位)改善低转速和中转速扭矩,而可变升程加持续时间则提升高转速功率;代价是结构稍微复杂一些.在排气侧使用两种不同凸轮轮廓的VVL系统也是存在的.
VTEC、VVT-i、VANOS:不同的名称,相同的原理
每家制造商都有自己的缩写,但它们背后的物理原理是相同的.区别只在于控制在何处以及如何实现. VTEC 在大约6000转时切换凸轮轮廓——一种突然而干脆的切换. VVT-i 在没有跳变的情况下连续提前进气正时. VANOS 同时移动进气和排气,并在整个转速范围内连续工作;单VANOS的有效范围约为1200-4000转,而VTEC通常在4500-5000转以上才介入.现代的 i-VTEC 实际上是将VTEC的升程机构与类似VVT-i的凸轮相位调节器(VTC)相结合的产物.
| 系统 | 制造商 | 方式 |
|---|---|---|
| VTEC / i-VTEC | 本田 | 在两种凸轮轮廓之间液压切换;i-VTEC还结合了相位调节器 |
| VVT-i / VVTL-i | 丰田、雷克萨斯 | 连续凸轮相位调节;VVT-i只负责进气侧 |
| VANOS / Valvetronic | 宝马 | 连续相位调节(进气+排气);Valvetronic为可变升程 |
| VarioCam | 保时捷 | 最早的连续可调系统(1992年,保时捷968) |
| MIVEC / VVL / VVEL | 三菱 / 日产 | 可变升程与相位调节的组合 |
| Ti-VCT | 福特 | 双独立可变凸轮正时 |
| MultiAir / Valvelift / CVVT | FCA / 奥迪 / 现代起亚 | 各制造商自己的升程-相位解决方案 |
自然吸气和涡轮增压发动机中的不同角色
在自然吸气发动机中,空气依靠自身的吸入能力进入气缸;效率完全依赖于气门动作的精确性.因此,现代自然吸气发动机几乎无一例外地配备了缸内直喷和VVT.它们需要更大的排量才能获得功率,但作为回报,它们提供更简单、更可预测的特性以及更可预测的油耗.
在涡轮增压发动机中,VVT的角色略有偏移:涡轮增压可以提供类似大排量自然吸气发动机的低转速扭矩;即使能感觉到延迟,车辆仍会感觉更快.VVT正是通过在涡轮介入之前的低转速区域提供扭矩来平滑这一过渡的技术之一.代价则是更多的热量、更多的压力、更多的运动部件以及电子系统.在强制进气发动机中,提前关闭进气门(米勒循环)也是控制压缩充气的标准方法.
驾驶者在日常使用中如何感受这项技术?
最明显的效果是低转速扭矩的提升:松开离合器时发动机运转更平稳、较少出现抖动,爬坡时降挡的需求减少,甚至最高转速也可以被拉高.性格上的差异也能感受到:配备VVT-i的发动机线性而安静地运转,而经典的VTEC在低转速下保持平顺,在凸轮廓形切换时则明显变得激进.在这两种理念之间的取舍是论坛上的经典争论;有些驾驶者觉得市区内VTEC的突然切换令人疲惫,但凸轮廓形切换仍是发动机文化中最广为人知的时刻之一.而推崇线性增压的一派则主张持续而顺滑的特性.
历史的视角很好地说明了这项技术的成熟.据知,最早的VVT专利于1903年由Alanson Partridge Brush提出申请,1904年获得授权,并应用于Cadillac Runabout and Tonneau;随着最高转速限制的提高,对可变正时的需求在20世纪20年代催生了最初的专利.Giovanni Torazza在20世纪60年代末的Fiat专利通过液压压力改变凸轮随动件的支点,是首个包含可变升程的实用汽车VVT设计,通常提供37%的开启变化.1980年,Alfa Romeo凭借Spider 2000的喷射版车型成为首家在量产车上使用VVT的制造商;1989年,Honda VTEC(首款发动机为B16A)通过独立的凸轮廓形提升了峰值功率.这项技术随后扩展到摩托车(2007年,Kawasaki 1400GTR),并于2010年随Mitsubishi 4N13 1.8进入全球首款带VVT的乘用柴油发动机;甚至在2007年,Caterpillar在EPA排放要求之后,用VVT取代EGR来降低卡车发动机的NOx排放.
维护方面:系统靠机油生存
VVT系统依靠机油压力进行控制;凸轮相位器和VVT电磁阀既处于运行的中心,也是诊断的核心.机油液位过低可能在正时链条、电磁阀或齿轮传动中引发问题;因此,定期检查机油液位并遵循制造商的保养计划,是预防VVT故障最实际的步骤.当系统无法正常工作时,最初的症状通常表现为性能和燃油经济性的下降.
结语:用一个配气机构勾勒发动机的性格
无论VTEC、VANOS还是VVT-i,其背后的理念都是一样的:根据发动机工况调整气门的开启与关闭时机.固定的凸轮轮廓在某些转速下表现完美,在另一些转速下则不得不做出妥协;VVT正是消除了这一妥协.从凸轮相位可调到气门升程可变,每一个技术台阶都是对低转速扭矩与高转速功率之间平衡的进一步精细调校.尽管无凸轮系统尚未跨越成本壁垒,但如今道路上的大多数发动机都在依靠这项百年原理的成熟成果运转——而驾驶者会在每一次平顺的加速中,不知不觉地感受到它.