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詳細描述VVT可變配氣技術及其應用

: 問提問者：網友 | 2017-10-20

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像VVT-i、i-VTEC、VVL、VVTL-i等技術標號。這些顯赫的標號都代表了它們的與眾不同——普通的發動機不一樣，這些發動機都采用了發動機可變配氣的技術。可變配氣技術，從大類上分，包括可變氣門正時和可變氣門行程兩大類，有些發動機只匹配可變氣門正時，如豐田的VVT-i發動機；有些發動機只匹配了可變氣門行程，如本田的VTEC；有些發動機既匹配的可變氣門正時又匹配的可變氣門行程，如豐田的VVTL-i，本田的i-VTEC。為何先進的發動機都要采用這種技術呢？這些技術的工作原理是什么？它能給發動機帶來什么好處呢？ 1)可變氣門正時為了能更好的說清楚可變氣門正時的原理，首先有必要簡單解釋一下發動機相關的幾項工作原理。大家都知道，氣門是由發動機的曲軸通過凸輪軸帶動的，氣門的配氣正時取決于凸輪軸的轉角。在普通的發動機上，進氣門和排氣門的開閉時間是固定不變的，這種固定不變的正時很難兼顧到發動機不同轉速的工作需求，可變氣門正時就是解決這一矛盾的技術。我們在簡單回顧一下“氣門疊加角”的概念——在發動機運轉的時候，我們需要讓更多的新鮮空氣進入到燃燒室，讓廢氣能盡可能的排出燃燒室，最好的解決方法就是讓進氣門提前打開，讓排氣門推遲關閉。這樣，在進氣行程和排氣行程之間，就會發生進氣門和排氣門同時打開的情況，這種進排氣門之間的重疊被稱為氣門疊加角。當發動機處于不同轉速時，氣門疊加角的要求也是不同的。沒有任何一種固定的氣門疊加角設置能讓發動機在高地轉速時都能完美輸出的，如果沒有可變氣門正時技術，發動機只能根據其匹配車型的需求，選擇最優化的固定的氣門疊加角。例如，賽車的發動機一般都采用較小的氣門疊加角，以有利于高轉速時候的動力輸出。而普通的民用車則采用適中的氣門疊加角，同時兼顧高速和低速是的動力輸出，但在低轉速和高轉速時會損失很多動力。而可變氣門正時技術，就是通過技術手段，實現氣門疊加角的可變來解決這一矛盾。采用了可變氣門正時技術，發動機的功率和扭力輸出將會更加線性，同時兼顧高低轉速的動力輸出。引擎的轉速能夠設計得更高，因而獲得更多的功率輸出。例如，尼桑的2升Neo VVL發動機比沒有配備VVT的相同結構的發動機，可以提供超過25％的動力輸出。采用了可變氣門正時技術，發動機在低轉速時能增加扭力輸出，大大增強駕駛的操縱靈活性。例如，菲亞特 Barchetta’s 1.8 VVT發動機，能在2000rpm～6000rpm之間輸出90％的扭力。需要說明的是，發動機采用可變氣門正時技術獲得上述好處的同時，沒有任何負面影響，換句話說，就是沒有對于發動機的工作強度提出更高的要求。 2)可變氣門行程我們知道，發動機的氣門行程是受凸輪軸轉角長度控制的，在普通的發動機上，凸輪軸的轉角長度固定，氣門行程也是固定不變的。類似于不可變氣門正時的發動機，這種氣門行程固定不變的發動機，它采用的氣門行程設計也是根據發動機的需求設定，賽車發動機采用長行程設計，以獲得高轉速是強大的功率輸出，但在低轉速的時候會工作不穩定；普通民用車則采用兼顧高低轉速的氣門行程設計，但會在高低轉速區域損失動力。而采用可變行程技術的發動機，氣門行程能隨發動機轉速的改變而改變。在高轉速時，采用長行程來提高進氣效率，讓發動機的呼吸更順暢，在低速時，采用短行程，能產生更大的進氣負壓及更多的渦流，讓空氣和燃油充分混合，因而提高低轉速時的扭力輸出。下面，我們就按照上文的分類，用實例來解釋這些可變配氣系統的工作原理及好處可變氣門正時可變氣門正時技術，在整個可變配氣技術里，屬于結構簡單成本低的機構系統，它通過液壓和齒輪傳動機構，根據發動機的需要動態調節氣門正時。由于結構簡單，增加的成本有限，這個技術現在已經配備在大多數主流發動機上。可變氣門正時不能改變氣門開啟持續時間，只能控制氣門提前打開或推遲關閉的時刻。同時，它也不能像可變凸輪軸一樣控制氣門開啟行程，所以它對提升發動機的性能所起的作用有限。不過這種技術是結構簡單，成本低廉的可變配氣技術，因為它只需要一套液壓裝置，就能調整凸輪軸相位，而不像其他系統那樣，在每個氣缸都需要布置一個液壓機構。可變氣門正時的簡單分類連續可變氣門正時和不連續可變氣門正時簡單的可變配氣相位VVT只有兩段或三段固定的相位角可供選擇，通常是0度或30度中的一個。更高性能的可變配氣相位VVT系統能夠連續可變相位角，根據轉速的不同，在0度-30度之間線性調教配氣相位。顯而易見，連續可變氣門正時系統更適合匹配各種轉速，因而能有效提高發動機的輸出性能，特別是發動機的輸出平順性。進氣可變氣門正時和排氣可變氣門正時有一些設計，像BMW的雙可變配氣相位系統（Double Vanos system），它能同時改變進氣凸輪軸和排氣凸輪軸的相位角，從而獲得與轉速更匹配的氣門疊加角，因此其擁有效率更高的配氣效率。這就是為什么BMW M3 3.2發動機（升功率為100匹）擁有比前一代僅配備了進氣門可變相位系統的M3 3.0發動機（升功率為95匹）更高的性能。在E46的3系中，雙可變配氣相位進氣門可變相位0-40度之間調節，排氣門可變相位在0-25度之間調節。優點：結構簡單成本低，連續可變 VVT 改善了整個轉速范圍段的扭力輸出缺點:不能改變氣門行程和氣門開閉持續時間，因此與可變氣門行程發動機相比，峰值功率輸出較弱大部分主流車型都配備該系統： ? 奧迪 2.0 ——進氣凸輪軸連續可變 ? 奧迪 3.0 V6 ——進氣凸輪軸連續可變，排氣凸輪軸分兩段可調 ? 奧迪 V8 ——進氣凸輪軸分兩段可調，排氣凸輪軸不可變 ? 寶馬 Double Vanos ——進排氣均連續可變法拉力 360 Modena ——排氣分兩段可調? 菲亞特 ( 阿爾法 ) SUPER FIRE ——進氣分兩段可調? ? 福特 Puma 1.7 Zetec SE ——進氣分兩段可調 ? 福特 Falcon XR6's VCT ——進氣分兩段可調 ? 捷豹 XJ-V6 and updated XJ-V8 ——進氣連續可調 ? 蘭博基尼 Diablo V12 since SV ——進氣分兩段可調 ? 馬自達 MX-5's S-VT ——進氣連續可調梅塞德斯 V6 and V8 ——進氣分兩段可調? ? 日產 QR four-pot and V8 ——進氣連續可調 ? 日產 VQ V6 ——進氣連續可調 ? 日產 VQ V6 since Skyline V35 ——進氣電子調教 ? 保時捷 Variocam ——進氣分三段可調 PSA /? 雷諾 3.0 V6 ——進氣分兩段可調 ? 雷諾 2.0-litre ——進氣分兩段可調 ? 斯巴魯 AVCS ——進氣分兩段可調 ? 豐田 VVT-i ——大部分為進氣連續可變，有些也配備了排氣連續可變 ? 沃爾沃 L4 、 L5 、 L6 發動機平臺——進氣連續可調 ? 大眾 VR6 ——進氣連續可調 ? 大眾 ( 奧迪 ) W8 and W12 ——進氣連續可調，排氣分兩段可調實例分析： 1、寶馬的 Vanos 從圖上可以看出寶馬的 Vanos的工作原理。在凸輪軸的末端裝配了一個斜線齒輪。在斜線齒輪外套有一個殼體，在殼體內側也加工了相同的斜線花鍵與之相配合。如果將殼體向靠近凸輪軸方向或遠離凸輪軸方向移動，凸輪軸的轉角就被改變了。因為在斜線齒輪的作用下，殼體不能與凸輪軸平行移動，如果殼體向凸輪軸方向運動，凸輪軸的轉角將會提前，如果殼體向遠離凸輪軸的方向運動，那么凸輪軸的轉角將被推遲。不管是推還是拉，都是在液壓的作用下運動的。在殼體上有兩個液壓缸，里面充滿了液壓油（在圖中分別用黃色和綠色表示）。活塞把這個液壓缸分成兩個腔，一個與殼體相連，一個與凸輪軸相連。液壓油在電池閥的控制下，可以改變這兩個液壓缸的壓力差。當發動機管理系統打開電磁閥，讓綠色的液壓缸與高壓油路相連，那么活塞會向凸輪軸方向運動，隨之而來的是凸輪軸的轉角被提前。這種結構可以很容易實現連續可變氣門正時，以實現與發動機各個轉速的完美匹配。2、豐田的VVTI 豐田在很多車型都配備了VVTI（Variable Valve Timing – Intelligent）系統，從Vitz到Supra。它的機械結構與寶馬的Vanos很相似，也是連續可變設計。然而，VVTI中的“I”（Integillent）強調的是智能控制，系統不僅能根據發動機的轉速改變氣門正時，還能考慮到如加速度、上坡、下坡等其他因素。可變氣門行程本田是倡導在民用車上使用可變配氣技術的先驅。在80年代末，本田推出了它著名的VTEC系統（Valve Timing Electronic Control），并率先運用在其Civic, CRX 和 NS-X車型上。之后，VTEC成為了本田旗下全系列車型的標準配備。在采用了VTEC技術的發動機上，我們能在一根凸輪軸上看到兩組凸輪，它們會讓氣門產生不同的氣門持續開啟時間和氣門行程。其中一組在低于4500rpm轉速下工作，另一組在高轉速下工作。很明顯，這樣的設計不能實現連續的可變配氣——在4500rpm以下，VTEC發動機與普通發動機一樣，表現很平常，但一旦突破4500rpm，VTEC發動機的動力就會像野獸一樣爆發出來，產生強大的后段加速度，給人以后勁十足的感覺。這套系統改善了峰值功率，他能讓發動機的紅線達到8000rpm以上（s2000能達到9000rpm的高轉速），就像賽車發動機采用的凸輪軸一樣，VTEC系統能讓1.6升的發動機增加超過30匹的功率輸出。要想充分發揮這樣的發動機性能，就需要讓發動機在近乎瘋狂的高轉速運轉，并且變速器需要采用較大的齒輪比來獲得更多的扭力（普通的民用發動機多采用0-6000rpm的轉速范圍，而VTEC發動機在0-4500 rpm的轉速范圍都采用低速凸輪軸驅動氣門）。采用這套系統的發動機匹配的車型，帶來的運動感十足的操控性給人留下深刻印象，由此可見，可變凸輪軸系統最適合匹配在運動車型上。之后，本田將兩段可調式VTEC系統改進成三段可調式，因此它擁有更多的調節范圍，扭矩能在更廣的轉速范圍內得到釋放，其性能接近于無級可變凸輪軸系統。雖然可變凸輪軸系統不是無極可調的，但它卻是可變配氣系統系統中一項很先進的設計。要知道，多數的可變配氣系統都是不能改變氣門行程的。優點：可以改變氣門行程，峰值功率輸出強勁缺點:只能實現 2 段或 3 段控制，不能實現連續控制，所以扭力輸出不線性；結構復雜使用車型：Honda VTEC, Mitsubishi MIVEC, Nissan Neo VVL.實例分析 1)本田的三段可調式VTEC 在日本，本田的三段可調式VTEC系統被應用在SOHC發動機的Civic上，它每組氣門由三個擁有不同氣門開啟持續時間和氣門行程的凸輪驅動。這三個凸輪的尺寸各有不同，中間的凸輪為高速凸輪（高速開啟持續時間，長行程），；右邊的的凸輪相對較小（標準開啟持續時間，中段行程）；左邊的凸輪尺寸最小（標準開啟持續時間，短行程）.其控制過程如下：第一段（低轉速時）：3個搖臂各自獨立，因此左邊的搖臂帶動左邊的進氣閥運動，它被低速凸輪驅動，右邊的搖臂帶動右側的進氣閥運動，它被中行程的凸輪驅動，兩個凸輪的正時比中部的搖臂慢。第二段（發動機中等轉速時）：液壓（圖中桔紅色的部分）他能將左右兩個搖臂鏈接在一起，但是并不干涉中間搖臂的工作。由于右側的凸輪比左側的凸輪行程更長，因此連接在一起的搖臂實際是被右側凸輪驅動的，其結果是兩個進氣閥以中等行程和標準正時打開。第三段（發動機高轉速時）：液壓將三個搖臂連接在一起，中間的凸輪行程最長，因此兩個進氣門被中間的長行程凸輪驅動，從而獲得高速正時和長開啟行程。2)日產的Neo VVL 與本田的系統非常相似，但是左右兩個凸輪擁有相同的形狀，在低轉速時，兩個搖臂被標準氣門開啟持續時間獨立驅動，左右凸輪處于短行程，在高轉速時，三個搖臂被連接在一起，被中間的高速凸輪驅動，從而獲得長行程。從表面上看，這好像是一套兩段可調氣門系統，但事實卻不是這樣。日產 Neo VVL將同樣的系統應用在排氣凸輪軸上，其三段可調行程如下：第一段（標準轉速時）：進氣門和排氣門使用低速凸輪驅動第二段（中轉速時）：進氣采用高轉速，排氣采用標準轉速，進氣門采用高速凸輪，排氣門采用標準凸輪第三段（高轉速時）：進氣門和排氣門都采用高速凸輪。3) 可變氣門正時+可變氣門行程可變氣門正時+可變氣門行程，能滿足末端動力輸出和高低轉速時候動力輸出的線性，但是結構極其復雜。實例分析： 1、豐田的VVTL-i 豐田的VVTL-I是采用了最常見的VVT設計，它強大的功能包括：連續可變氣門正時分兩段可變氣門行程和氣門打開持續時間進排氣都可變雖然結構與本田不同，但這套系統實際是結合了現有的VVTI技術和本田的VTEC技術。像VVTI一樣，這套可變氣門正時系統也是通過發動機的管理系統根據發動機的轉速、加速度、上坡、下坡等參數，計算出合適的氣門正時，并通過布置在凸輪軸末端的一個液壓機構來控制。此外其相位角能在0-60度范圍內連續可變。因此氣門正時能與發動機的工作完美匹配。 VVTL-I與傳統的VVTI相比，多出的這個“L”代表的是氣門行程。正如VTEC一樣，豐田的這套系統采用了一組搖臂設計，它位于兩個進氣門之間（或排氣門）。它也有兩個不同形狀的凸輪來驅動搖臂，其橫切面有著不同的形狀，一個有較長的氣門打開時間（用于高轉速時），另一個有較短的氣門打開時間（用于低轉速時）。在低轉速時，低速凸輪通過滾動軸承驅動搖臂運動（為了減小摩擦阻力）。高轉速時，由于這個凸輪與下面的液壓頂桿之間留有足夠的間隙，無法直接驅動搖臂。當轉速增加到極限的時候，滑塊在液壓的作用下，被推到液壓頂桿的間隙中。高速凸輪開始有效的工作。在高速凸輪的驅動下，氣門開啟的持續時間更長，此時行程也更長（就像本田的VTEC一樣，氣門開啟行程和打開持續時間都取決于凸輪軸的形狀）。很明顯，這是一套分兩段可變氣門開啟持續時間的設計，不像羅孚VVC的連續可變設計。然而，與本田VTEC的設計相類似，VVTL-I的可變氣門行程能提高發動機高轉速時的功率輸出。三菱和日產設計也是這樣的。豐田的該系統還擁有連續可變氣門正時設計來適應發動機從高轉速到低轉速的扭力輸出，從這里可以看出，它是當今世界上最先進的VVT系統。然而，它的結構也是極其的復雜，大量的成本花費在設計和制造工藝上。優點 :連續可調的 VVT 系統，改善了整個轉速范圍段內的扭力輸出，可變氣門行程和開啟持續時間能獲得更大的功率輸出缺點：成本高，結構復雜使用車型：豐田 1.8-litre 190 的的賽利卡 GT-S 和花冠2、保時捷Variocam Plus Variocam Plus采用液壓調節配氣相位和氣門行程保時捷的Variocam Plus是從Variocam 的基礎上發展來的，該系統被應用在Carrera 和Boxster上。Variocam技術在1991年的968車型上被首次應用。它利用正時鏈條改變凸輪軸的相位角，因此它能分三段改變氣門正時。996Carrera和Boxster也采用了該系統。這是保時捷的專利技術，但是其性能要次于用液壓機構驅動的其他車型，特別是不能實現大范圍的其氣門相位角的變化方面。因此，在新一代911 Turbo上采用的Variocam Plus用液壓機構取代了鏈條機構。保時捷的工程師門改變了過去分兩段可調的可變氣門正時系統，開發出連續可變氣門正時系統。然而，所謂“Plus”指的是增加了可變氣門行程設計，它是由液壓頂桿來實現的，如圖，每個氣門被三個凸輪控制，很明顯中間的凸輪帶來較小的氣門行程（僅3毫米）和較短的氣門開啟時間，我們叫他低速凸輪。外部的兩個凸輪形狀相同，它帶來的是高速正時和更長的行程（10毫米），凸輪由氣門頂部的液壓機構頂桿來選擇，在氣門頂的內部，布置有液壓頂桿，他們能在液壓的作用下，把氣門和氣門頂鎖在一起，通過這種方法，可以使高速凸輪軸驅動氣門。如果氣門與氣門頂沒有鎖在一起，那么氣門則被中間的低速凸輪直接驅動，氣門頂的運動與氣門無關。這套可變氣門行程機構結構簡單，占用空間小。可變氣門頂比普通的可變氣門行程機構占用更少的空間。但是目前Variocam Plus僅在進氣系統上配備。優點：VVT 改善了中低轉速時的扭矩輸出，可變行程和氣門開啟時間提高了高轉速時的功率輸出缺點：結構復雜成本高使用車型：保時捷 911 Turbo, 911 Carrera 3.63、本田的I-VTEC 如果你了解VTEC和VVTI的工作原理，那么你就很容易想象這兩套機構結合在一起能帶來的好處，本田稱之為I-VTEC，就像豐田的VVTL-i一樣，它有以下功能：連續可變氣門正時分兩段可調氣門行程和氣門開啟持續時間被同時應用在進氣門和排氣門的控制上基本上，i-VTEC的凸輪軸與VTEC的不同在于，它是分兩段可調氣門行程和開啟時間的，同時，在凸輪軸末端設置有液壓機構它能根據需要連續改變凸輪軸的配氣相位。 i-VTEC首先被采用在時韻mpv上，但僅在進氣系統上配備了i-VTEC，理論上講，它能同時運用在進氣和排氣凸輪軸上，但是本田似乎沒有豐田慷慨，僅在Integra Type R上配備了進排氣系統都運用了i-VTEC的發動機。優點：連續可變 VVT 改善了整個轉速范圍內的扭力輸出；可變氣門行程和持續時間提高了高轉速時的功率輸出缺點：結構復雜成本高使用車型： 2.0 i-VTEC 運用在時韻 , Civic, Integra 等車型上4、羅孚獨特的VVC系統 1995年MGF成羅孚這套系統為VVC（Variable Valve Control）。許多專家認為它是最好的VVT，與單一的可變氣門行程不同，它能連續可變正時，因而改善了中低轉速時的扭力輸出，與簡單的可變氣門正時不同，它能連續延長氣門打開持續時間，從而獲得更多的動力。 VVC使用了一套古怪的轉盤來驅動每兩個氣缸的進氣門。這種古怪的外形造成了非線性的旋轉，氣門開口各式各樣。弄不明白嗎？那就對了！任何精妙的機械設計都是很復雜也很難理解的。不過有趣的是，羅孚并沒有給它旗下任何量產車型配備該系統。 VV：每兩個相鄰的氣缸有一套嗣服機構，一個六缸發動機需要4個這樣的機構，而且它并不便宜，V8也需要4套這樣的機構，而V12則不可能配備改系統，因為它沒有足夠的空間在兩個氣缸之間布置偏心盤和齒輪驅動系統。優點：連續可變氣門正時和氣門開啟持續時間既改善了操縱靈活性和高轉速時的功率輸出缺點：沒有最終實現可變凸輪軸，因為它不能改變氣門行程；在 V6 和 V8 上使用該系統價格昂貴， V12 則無法實現使用車型：MGF 的羅孚 1.8 VVC 發動機， Caterham 和蓮花 Elise 111S.可變配氣技術的在節能和環保方面的優勢可變配氣技術在大幅度提升發動機性能的同時，在節能和環保方面也有其獨特的優勢。我們知道，EGR（廢氣再循環）是一套普通的用于降低排放和提高燃燒效率的系統，二可變配氣技術則能發揮EGR更大的潛能。理論上說，進排氣的混合需要根據發動機轉速的不同與之相配合。當汽車在公路上中速行駛的時候，發動機的負荷很小，長時間的疊加角可能會有益于減小燃料消耗和降低廢氣排放。排氣門延時關閉直到進氣門打開，一部分廢氣同時被引入到氣缸中，與新鮮混合氣混合燃燒。因為廢氣里主要為不可燃燒的成分，引入新鮮混合氣以后，可以降低混合氣的濃度，達到減小燃油消耗和降低廢氣排放的目的。以上說到的可變配氣技術都是汽油機，柴油機很少采用這種技術。這主要是因為這種技術主要是在發動機高轉速的時候作用明顯，柴油機的轉速一般比較低，這種技術運用在柴油機上意義不大。可變配氣技術帶來的優勢是顯而易見的，這種技術將逐步成為先進發動機的標準配備。隨著這一技術的普及，不配備這種技術的發動機在大多數領域將面臨淘汰。也許有一天，我們會驚喜的發現，連入門級最低價的微型車也配備了配備這一系統。: 回答者：網友

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