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呼吸之道浅析可变气门正时/升程技术
可变气门正时技术几乎已成为当今发动机的标准配置，为了进一步挖掘传统内燃机的潜力，工程人员又在此基础上研发出可变气门升程技术，当二者有效的结合起来时，则为发动机在各种工况和转速下提供了更高的进、排气效率。提升动力的同时，也降低了油耗水平。

● 配气相位机构的原理和作用
    我们都知道，发动机的配气相位机构负责向气缸提供汽油燃烧做功所必须的新鲜空气，并将燃烧后的废气排出，这一套动作可以看做是人体吸气和呼气的过程。从工作原理上讲，配气相位机构的主要功能是按照一定的时限来开启和关闭各气缸的进、排气门，从而实现发动机气缸换气补给的整个过程。

    那么气门的原理和作用又应该怎么理解呢？我们可以将发动机的气门比作是一扇门，门开启的大小和时间长短，决定了进出的人流量。门开启的角度越大，开启的时间越长，进出的人流量越大，反之亦然。同样的道理用于发动机上，就产生了气门升程和正时的概念。气门升程就好象门开启的角度，气门正时就好象门开启的时间。以立体的思维观点看问题，角度加时间就是一个空间的大小，它也决定了在单位时间内的进、排气量。
● 可变气门正时和升程技术可以使发动机的“呼吸”更为顺畅自然

    发动机的气门通常由凸轮轴带动，对于没有可变气门正时技术的普通发动机而言，进、排气们开闭的时间都是固定的，但是这种固定不变的气门正时却很难顾及到发动机在不同转速和工况时的需要。前面说过发动机进、排气的过程犹如人体的呼吸，不过固定不变的“呼吸”节奏却阻碍了发动机效率的提升。

    如果你参加过长跑比赛，就能深刻体会到呼吸节奏的把握对体能发挥的重要性——太急促或刻意的屏息都可能增加疲劳感，使奔跑欲望降低。所以，我们在长跑比赛时往往需要不断按照奔跑步伐来调整呼吸频率，以便时刻为身体提供充足的氧气。对于汽车发动机而言，这个道理同样适用。可变气门正时和升程技术就是为了让发动机在各种负荷和转速下自由调整“呼吸”，从而提升动力表现，提高燃烧效率。

● 可变气门正时技术
    前面说过气门正时控制着气门的开启时间，那么VVT（可变气门正时）技术是如何工作的呢？它又是怎样达到提升效率、节约燃油的效果呢？
——气门重叠角对发动机性能的影响

    当发动机处在高转速区间时，四冲程发动机的一个工作冲程仅需千分之几秒，这么短的时间往往会引起发动机进气不足和排气不净，影响发动机的效率。因此，就需要通过气门的早开和晚关，来弥补进气不足和排气不净的缺憾。这种情况下，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻，配气相位上称为“气门重叠角”。
气门重叠的角度往往对发动机性能产生较大的影响，那么这个角度多大为宜呢？我们知道，发动机转速越高，每个气缸一个工作循环内留给吸气和排气的绝对时间也越短，因此要达到更高的充气效率，就需要延长发动机的吸气和排气时间。显然，当转速越高时，要求的气门重叠角度越大。但在低转速工况下，过大的气门重叠角则会使得废气过多的泻入进气端，吸气量反而会下降，气缸内气流也会紊乱，此时ECU也会难以对空燃比进行精确的控制，从而导致怠速不稳，低速扭矩偏低。相反，如果配气机构只对低转速工况进行优化，那么发动机的就无法在高转速下达到较高的峰值功率。所以发动机的设计都会选择一个折衷的方案，不可能在两种截然不同的工况下都达到最优状态。

    所以为了解决这个问题，就要求配气相位可以根据发动机转速和工况的不同进行调节，高低转速下都能获得理想的进、排气效率，这就是可变气门正时技术开发的初衷。
——工作原理

    虽然可变气门正时技术在各个厂商的称谓略有不同，但是实现的方式却大同小异。以丰田的VVT-i技术为例，其工作原理为：该系统由ECU协调控制，发动机各部位的传感器实时向ECU报告运转情况。由于在ECU中储存有气门最佳正时参数，所以ECU会随时对正时机构进行调整，从而改变气门的开启和关闭时间，或提前、或滞后、或保持不变，下面这段视频则清楚的展示了VVT机构的工作原理。

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    简单的说，VVT系统就是通过在凸轮轴的传动端加装一套液力机构，从而实现凸轮轴在一定范围内的角度调节，也就相当于对气门的开启和关闭时刻进行了调整。

——双可变气门正时

    市面上的绝大部分气门正时系统都可以实现进气门正时在一定范围内的无级可调，而一部分发动机在排气门也配备了VVT系统，从而在进、排气门都实现了气门正时无级可调（也就是D-VVT，双VVT技术），进一步优化了燃烧效率。

    传统的VVT技术通过合理的分配气门开启的时间确实可以有效提高发动机的效率和燃油经济性，但是这项技术也有局限性和自身的瓶颈。不过在此基础上，通过引入可变气门升程技术可以弥补VVT的缺憾，从而使发动机的呼吸更为顺畅、自然。

    我们都知道，发动机实质的动力表现是取决于单位时间内气缸的进气量。前面说过，气门正时代表了气门开启的时间，而气门升程则代表了气门开启的大小。从原理上看，可变气门正时技术也是通过改变进气量来改善动力表现的，但是气门正时只能提前或者推迟气门开启的时间，并不能有效改善气缸内单位时间的进气量，因此对于发动机动力性的帮助是有限的。如果气门升程大小也可以针对发动机不同的工况和转速实时调节的话，那么就能提升发动机在各种情况下的动力性能。
 可变气门升程技术   
    可变气门升程技术可以在发动机不同转速下匹配合适的气门升程，使得低转速下扭矩充沛，而高转速时马力强劲。低转速时系统使用较小的气门升程，这样有利于增加缸内紊流提高燃烧速度，增加发动机的低速扭矩，而高转速时使用较大的气门升程则可以显著提高进气量，进而提升高转速时的功率输出。下面就介绍来自不同厂商的6种可变气门升程技术，看看每个厂商在同一项技术的设计理念和技术手段上有什么不同。
——本田i-vtec
    我们最熟悉的可变气门升程系统可能非本田的i-vtec莫属了，本田也是最早将可变气门升程技术发扬光大的厂商。本田的可变气门升程系统的结构和工作原理并不复杂，工程师利用第三根摇臂和第三个凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化。

    当发动机在中、低转速时，三根摇臂处于分离状态，普通凸轮推动主摇臂和副摇臂来控制两个进气门的开闭，气门升量较小。此时虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间是分离的，所以两边的摇臂不受它控制，也不会影响气门的开闭状态。

    发动机达到某一个设定的转速时，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，一起由高角度凸轮驱动，这时气门的升程和开启时间都相应的增大了，使得单位时间内的进气量更大，发动机动力也更强。这种在一定转速后突然的动力爆发极大的提升了驾驶乐趣。当发动机转速降到某一转速时，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。
   点评：这项技术在本田车型上的普及度较高，但是分段式的气门调节方式还是令发动机的动力输出不够线性。
——奥迪AVS
    奥迪的AVS可变气门升程系统在设计理念上与本田的i-vtec有着异曲同工之妙，只是在实施手段上略有不同。这套系统为每个进气门设计了两组不同角度的凸轮，同时在凸轮轴上安装有螺旋沟槽套筒。螺旋沟槽套筒由电磁驱动器加以控制，用以切换两组不同的凸轮，从而改变进气门的升程。

　　发动机在高负载的情况下，AVS系统将螺旋沟槽套筒向右推动，使角度较大的凸轮得以推动气门。在此情况下，气门升程可达到11毫米，以提供燃烧室最佳的进气流量和进气流速，实现更加强劲的动力输出。当发动机在低负载的情况下，为了追求发动机的节油性能，此时AVS系统则将凸轮推至左侧，以较小的凸轮推动气门。 

    这套系统中还有一个设计细节需要注意，那就是两个进气门无论是在普通凸轮还是高角度凸轮下的相位和升程是有差别的，也就是说两个进气门开启和关闭的时间以及升程并不相同。这种不对称的进气设计是为了让空气在流经两个进气门后，同时配合特殊造型的燃烧室和活塞头，可以令混合气在气缸内实现翻转和紊流，进一步优化混合气的状态。

    奥迪AVS可变气门升程系统在发动机700至4000转之间工作，当发动机处于中间转速区域进行定速巡航时，AVS系统可以为车辆提供很好的节油效果。

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   点评：奥迪这套系统的气门升程依然是两段式的，没有做到气门升程的无级调节，所以对进气流量的控制还不够精确。然而一个巧妙之处在于对同一气缸内两个进气门采用不同步的开启和关闭时间，从而实现油、气的充分混合。
相比两段式的气门升程系统，气门升程无级可调技术则更为先进，其最大优势就是可以利用气门升程来控制进气量，这样节气门的作用就被弱化，大大降低了泵气损失，同时发动机进气迟滞的现象也会减轻，直接提升了发动机的响应速度。由于进气不存在迟滞，因此发动机的点火正时和配气正时的配合也更为精确，最终发动机的效率得到提升。
——BMW的Valvetronic电子气门技术
    BMW的Valvetronic系统在传统的配气相位机构上增加了一根偏心轴，一个步进电机和中间推杆等部件，该系统借由步进电机的旋转，再在一系列机械传动后很巧妙的改变了进气门升程的大小。

    当凸轮轴运转时，凸轮会驱动中间推杆和摇臂来完成气门的开启和关闭。当电机工作时，蜗轮蜗杆机构会首先驱动偏心轴发生旋转，然后中间推杆和摇臂会产生联动，偏心轴旋转的角度不同，最终凸轮轴通过中间推杆和摇臂顶动气门产生的升程也会不同。在电机的驱动下，进气门的升程可以实现从0.18mm到9.9mm之间的无级变化。

    BMW的Valvetronic技术已经覆盖了旗下的多款发动机，包括目前陆续推出的涡轮增压新动力。该技术能够让发动机对驾驶者的意图做出更迅捷的反馈，同时通过发动机管理系统对气门升程的精确控制，实现了车辆在各种工况和负荷下的最佳动力匹配。

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   点评：BMW的这项技术已经十分成熟，而且通过不断的优化，Valvetronic技术也突破了转速的限制，可以应用在M-power的V8双涡轮增压发动机上。如何保证在正确的时间使气门升程处在合适的位置是这项技术的最大难点，不过它的确做到了对发动机进行更为精准和细致的调控管理。
——英菲尼迪VVEL
    英菲尼迪的VVEL系统的工作原理与BMW的Valvetronic类似，但在结构上稍有不同。VVEL系统使用一套螺套和螺杆的组合实现了气门升程的连续可调。在系统工作时，电机通过ECU信号控制螺杆和螺套的相晕恢茫萏自虼”邸⒖刂聘说炔考钪崭谋淦派痰拇笮　?/FONT>

    摇臂通过偏心轮套在控制杆上，而控制杆可以在电机的带动下旋转一定角度。当发动机在高转速或者大负荷时，电机带动螺杆转动，套在螺杆上的螺套也会产生相应的横向移动，与螺套联动的机构使得控制杆逆时针或顺时针发生旋转。由于摇臂套在控制杆的偏心轮上，因此摇臂的旋转中心也会随之上升或下降，从而达到改变气门升程的目的。虽然整个机构看起来比较复杂，摩擦副也相对较多，但由于系统中的摇臂，控制杆和螺套等都是刚性连接，没有弹簧类的回位机构，使得VVEL系统即使在发动机高转速情况下也无需考虑惯性的问题。

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   点评：英菲尼迪的这项技术的原理与BMW的Valvetronic可谓大同小异，也是实现了对发动机的动力输出做出更为绵密细致的调节，不过这项技术还只是应用在日产旗下的高端车型上。
菲亚特Multiair电控液压进气系统
    前面说到的Valvetronic和VVEL的结构相对来说比较复杂，而且复杂的配气机构也会在一定程度上增加制造成本。然而菲亚特的Multiair电控液压进气系统却采用了一种相对独特的手段实现了气门升程的无级调节，在技术上可谓另辟蹊径。

    Multiair最大的特点就是开创性的使用了电控液压控制系统来驱动气门的正时和升程，虽然发动机为每缸4气门的结构，但是却取消了进气门一侧凸轮轴，排气门侧的凸轮轴通过液压机构来驱动进气门。

    Multiair系统的工作原理要直接得多，而且结构相对简单。进气门上方设计有活塞和液压腔，液压腔一端与电磁阀相连，电磁阀则通过ECU信号，根据工况的不同适时调节流向液压腔内的油量。由凸轮轴驱动的活塞通过推动液压腔内的油液，控制气门的开启。系统只需要控制液压腔内的油量的多少即可以完成对气门升程的无级可调。

    简单的结构不仅可以减小整个配气机构的惯性，而且在高速运转时，能量的损失也更小，而且电控加液压的配合方式还让Multiair系统拥有极快的响应速度，因此可以实现在一个冲程内多次开启气门的模式，使得在怠速和低负荷工况下拥有更高的燃烧效率。然而Multiair最大的优势在于成本，由于配气机构相对简单，整套Multiair系统也不需要太高的成本，因此这项技术可以更好的向中低端车型覆盖。
   点评：这项技术的设计可谓大胆和创意十足，取消了传统的凸轮轴机械传动方式，通过液压系统来完成对气门升程的调节，但是这也对电控液压机构的可靠性提出了更高的要求。
——Cam-in-Cam凸轮轴
   这套机构是零部件制造商马勒公司提出的一项新的凸轮轴方案。这与以上介绍的几种系统都有所不同，这项技术简单的说就是将一个凸轮轴上再套上另外一个凸轮轴，而且二者之间可以旋转40度，这样就在一根凸轮轴上实现了进、排气门不同的开闭时间。

    在每缸4气门的发动机上，通过这一根凸轮轴即可实现对进、排气门正时的控制，这就大大降低了空间结构的限制。这套凸轮轴装置使同一气缸的两个进气门之间的相位角不同，在吸气冲程中，一个气缸内的两个进气门由于有相位角，从而实现了进气门的早开或者迟闭，排气门也同样如此。

    在高转速区域，让两根凸轮轴之间产生较大的相位差来实现较大的气门重叠角，从而降低气体交换过程中的损失。在低转速区域，缩小两根凸轮轴之间的相位差，也就缩小了排气门的开启时间，对于涡轮增压发动机来说，这也降低了邻近气缸在废气排放时的互相妨碍。
    点评：这项设计的巧妙之处在于将进、排气门正时的控制和调节集成在了一根凸轮轴上用相对简单的结构和原理实现了同样的功能，但是目前这项技术还只是对气门正时进行调节。
全文总结：
    如何提高进、排气效率是对传统内燃机效率提升的一个重要方向和手段。随着时间的推移，气门控制技术也在一步一个脚印的向前发展。从最早的本田vtec技术实现了气门升程的分段可调，到BMW的Valvetronic气门升程无级可调，再到菲亚特的Multiair电控液压气门技术。技术人员始终在利用更简单的原理来实现更为出色的性能。虽然可变气门正时技术已经得到大规模普及，但是可变气门升程技术由于成本等诸多原因，还无法得到大规模应用。但是搭配了可变气门正时和升程技术，无疑可以将发动机的动力、经济性、排放以及平顺性提升到一个新的高度。(