VVT发动机概述

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VVT发动机概述

发动机可变气门正时技术(VVT, Variable Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。


    对于一台4冲程发动机，按照很多人的理解，做功冲程末，活塞处于下止点时排气门开始打开，发动机进入排气冲程，直到活塞到达上止点，排气门关闭，进气门打开，发动机进入吸气冲程。当活塞正好运行一周重新回到下止点时，进气门关闭，发动机进入压缩冲程。这样来理解气门的动作是否正确呢？差不多是吧。然而，可能和与人们的直觉不同的是，这样的气门正时效率并不是最优的。让我们先来考虑一下排气门开启的时机。如果比活塞到达下止点提前一点就开启排气门会怎么样呢？从直觉上，这时废气仍可推动活塞做功，如果打开排气门开始排气，此时气缸内的压强就会降低，能量的利用率也就降低了，发动机性能也会随之下降。是这样吗？其实也不一定。


    我们知道，排气时活塞会压迫废气从而反过来对废气做功，这个过程会消耗一部分发动机已经获得的能量。如果在缸内压强相对较高时提前开始排气，排气过程就会更顺畅，从而在排气冲程减少了能量消耗。这样，一得一失，怎么才会最合算呢？考虑到活塞在下止点附近一定角度内垂直运动距离其实非常短，实际的发动机略微提前打开排气门效果会更好一些。再来看进气门关闭的时机。如果在活塞越过下止点一定角度，开始压缩冲程之后再关闭进气门。如何呢？直观的感觉可能是，这时活塞已经开始上升，刚刚吸入的可燃混合汽岂不是又要被排出去一部分？性能会不会下降？答案是：只要时机适当，这样做反而可以增加吸气量，改善性能。因为在吸气冲程可燃混合汽被活塞抽入汽缸，进气门附近的气流速度可以高达每秒两百多米，而我们前面说过，在下止点附近活塞的垂直运动相对很慢，汽缸内体积变化并不大。此时进气岐管内的可燃混合汽靠惯性继续冲入气缸的趋势还是占了上风。


      那么排气门的关闭时机和进气门的开启时机又该如何呢？这是大家可能都想到了，排气时同样会形成高速气流，如果排气门也在活塞越过上止点一定角度之后再关闭，虽然活塞已经开始下降，排气门附近的废气仍就会继续排出。但是此时进气门不是已经开启了吗？废气难道不会涌入进气岐管？事实上，这又是个时机问题，燃烧室内的废气涡流的方向决定了废气短时间内是不会流向排气门对侧的进气门的，于是，一边进气一边排气的局面是完全可以实现的。事情还可以更理想。由于大部分废气在排气冲程中前期就已排出，并且在排气岐管中形成了高密度的高速气流，冲向排气管方向。这部分废气越是远离气缸，对于缸内尚未排出的废气来说，其需要填充的体积就越大，相应的平均压强也就越低。低到什么程度？低到活塞尚未到达上止点之前，缸内压强可能就已经低于进气岐管内可燃混合汽的压强了。如此看来，进气门也应当提前一点开启才好。


    前边讲到了进气门和排气门同时打开的情况，也就是进气门和排气门的重叠。重叠持续的相对时程可以用此间活塞运行的角度来衡量，这样就可以抛开转速，把它作为系统的固有特性来看待了。重叠的角度通常都很小，可是对发动机性能的影响却相当大。那么这个角度多大为宜呢？我们知道，发动机转速越高，每个汽缸一个周期内留给吸气和排气的绝对时间也越短，但是前面讲到的进气岐管或排气岐管内的气流也越快。想想看，这时发动机需要尽可能长的吸气和排气时间，而且也有有利条件可以利用，还犹豫什么？只要重叠的角度大一些不就行了？当然，也不能太大，前边说了，这里有个时机问题，重叠角度太大肯定也不好，要不干脆让进气门和排气门同时开闭得了。很显然，这个时机是与转速有关的，转速越高，要求的重叠角度越大。


    也就是说，如果配气机构的设计是对高转速工况优化的，发动机就容易得到较高的最大转速，也就容易获得较大的峰值功率。但在低转速工况下，这样的系统重叠角度肯定就偏大了，废气就会过多的泻入进气岐管，吸气量反而会下降，气缸内气流也会紊乱，ECU也会难以对空燃比进行精确的控制，最终的效果是怠速不稳，低速扭矩偏低。相反，如果配气机构只对低转速工况优化，发动机的峰值功率就会下降。所以传统的发动机都是一个折衷方案，不可能在两种截然不同的工况下都达到最优状态。


    刚才讲的主要是发动机的动力性方面，下面让我们看看重叠角度对发动机的经济性和排放的影响。可能大家都知道，发动机的油耗转速特性曲线是马鞍形的，转速太高，超过了一定的范围，可燃混合汽的燃烧就会越发的不充分，发动机的经济性和排放特性都会恶化，尤其如今发达国家的环保法规日益严格，问题就变得更加严重。于是，很多厂商就采用复杂的废气再循环(EGR)装置来改善发动机的高转速经济性和排放。顾名思义，EGR装置的作用就是吸入部分废气，使其中的尚未燃烧的可燃物质有机会继续燃烧，部分有害中间产物得以分解。不难想到，如果此时将进气门和排气门的重叠角度调得高一点，略微超过原来所说的对动力性来讲最合适的角度一些，就会有部分废气和新鲜的可燃混合汽混合，提高了发动机的空燃比，使燃烧更充分，排放更清洁。大家可能发现了，这简直就是不需要额外装置的EGR技术嘛！然而很不幸，这种偏大的重叠角度设置，同样使发动机难以提供令人满意的低转速性能。


    好了，现在不用我说，大家也知道为什么我们如此重视VVT技术了吧！各个厂家的VVT技术千差万别，共同之处就是都要对气门正时进行调节，使发动机在不同的转速下进气门和排气门能有不同的重叠角度，从而改善前面说的那些问题。改变气门正时可以有很多不同的方法，但最主要的无外乎两大类，一类是改变凸轮轴的相位，再一类就是直接改变凸轮的表面形状。想想看就知道，改变凸轮的表面形状哪可能容易呢？所以第一类VVT比较容易实现些。
　
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    回到Valvetronic，它依然保留了Double VANOS可变进、排气凸轮轴相位的气门正时调节系统，那么它又是如何实现对气门升程进行连续调节的呢？BMW为此增加了一种额外的偏心轴，凸轮轴则又通过一个额外的摇臂系统驱动传统的气门摇臂，并且该附加摇臂与气门摇臂的接触的角度取决于附加偏心轴的相位。附加偏心轴的相位可以由一个ECU控制下的调节装置来调整，从而使附加摇臂的角度发生变化，这样，对于相同的凸轮运动，传递到气门摇臂上的反应就可以不同，气门的升程也就会相应发生变化。从BMW的资料看，Valvetronic系统对气门开放时程的影响应当不大，调节的只是气门升程。不过，气门开度很小的时候，气体的进出效率是很低的，如果考察气门开度超过一定程度的持续角度，姑且称之为有效的气体交换时程，通常也是随气门升程的增加而增加的。为了限制发动机的复杂度，目前实际应用的Valvetronic系统在气门升程方面，调整的只是进气门。尽管理论上类似系统也可以作用于排气门，但那样的话整个配气机构就过于复杂了。就目前Valvetronic的发展情况来说，由于参与气门运动的机件还是太多，高转速下机械能损耗就大，不利于提高发动机的最大转速。所以在提高升功率方面，Valvetronic的表现是不及一些诸如VTEC之类的更简单的气门升程调节系统的，它的优势在于综合能力，在于发动机经济性的提高。