可变气门 —— 让引擎增加马力和扭矩的有效方式

2022-12-18 06:13:24

今天

我们来聊聊一项现在在引擎设计当中

很普遍的一种技术

“可变气门”

可变气门技术的优点是可以增加马力和扭矩。

控制引擎换气的关键是控制进气和排气的时间段。高转和低转时，引擎对于进气、排气的时间需求是不同的。

随着转速的上升，进气、排气的时间段越来越短，换气效率也就越来越差（旧气排出的不充分，新气吸进的不足）。

为了提高换气效率，这时就需要调整进气、排气的时间段。也就是：进气门早些打开，排气门晚些关闭。

没有可变气门的话，设计师需要寻找一个适合车型的标定。比如说普通车标定的更适合低转速，性能车标定的更适合高转速。

有了可变气门后，引擎可以在更宽泛的转速区间中都有较好的动力。也就是说可以兼顾到高、低转速。

尼桑2.0引擎的Neo VVL相比一般的可变气门来说，可变气门使得红线转速更高、峰值马力提高了25%。

菲亚特1.8可变气门引擎在2000-6000转之间都可以提供90%的峰值扭矩。

可变升程

在有些可变气门引擎中，气门升程也是根据转速变化的。转速越高，升程越大，以利于进、排气效率（低转速时过大的升程会导致空燃比不稳等问题）。

油耗

可变气门会影响到废弃再循环的效率。小负载巡航时，气门重叠可以降低油耗。这是因为，一部分废气在下一循环中再次参与了燃烧及空燃比计算。这就使得引擎在更稀的空燃比下工作。

可变凸轮

VTEC

VTEC系统可以看作是有时刻和升程都有区别的两套凸轮。非连续的两种凸轮状态之间的转换转速是4500。在接近8000的红线转速时，类似赛用凸轮的设计可以给1.6引擎增加30匹马力。然而，为了保持这么大的马力，需要通过频繁的换挡将转速保持住。虽然低转速凸轮只需要适应到4500的转速（其它引擎可能需要适应到6000），但扭矩却没有太大优势。

优势：更高的红线转速及高转时的马力

劣势：气门非线性变化、扭矩提升不大、结构复杂

适配引擎：本田VTEC、三菱MIVEC、尼桑Neo VVL

本田3段VTEC

低转速时，3个摇臂是独立的。中转速及高转速时，通过液压锁止摇臂，让不同的凸轮发挥作用，进而转换出不同的时段和升程。

尼桑Neo VVL

低转速时，进、排气门都是低转速状态

中转速时，进气门是高转速状态、排气门是低转速状态

高转速时，进、排气门都是高转速状态

可变正时

由液压控制的变正时的可变气门系统是最简单、最便宜和最常用的，性能提升是最少的。

优势：结构简单（只有一组液压控制结构）、可以在较大的转速区间内提高扭矩

劣势：升程不可变、气门开闭的时长不可变导致高转速下马力提升不足

如图所示，在凸轮盘上的可变正时系统中，由黄、绿色腔室中的液压控制皮带或链条与凸轮轴之间的相对角度，进而让凸轮轴的角度早于或晚于曲轴角度。

在宝马的VANOS系统中，只有进气侧有可变正时系统。在Double Vanos 或Bi-Vanos双可变系统中，进、排气侧都装有可变正时。这就可以更好的控制气门重叠了。

丰田的VVT-i可变正时系统的控制逻辑除了转速外，还有引擎负载等因素。

这种系统只能改变气门开闭的时刻，不能改变开闭过程的时间长短，也不能改变升程。有些变正时系统只有两三个固定的正时角度可选，有些则是正时角度可以连续变化的。

可变凸轮+可变正时

将可变凸轮和可变正时结合在一起的优势是可以在较大转速区间内线性控制气门的同时，还可以提升红线转速及峰值马力。

丰田VVTL-i系统的主要特点是连续可变正时（60°范围）、2档升程转换、开闭时长可变、进排气侧双可变。

和VTEC不同的是，这套系统中开闭时长由凸轮形状控制，而升程是有一个滑动销子控制的。

优势：连续可变、在较大转速区间内提升扭矩、高转马力的提升
劣势：结构复杂
适配引擎：丰田1.8 VVTL-i、莲花111R

保时捷早期的设计是通过正时链条来控制可变气门，这就导致了它的可变范围较小。

现在的设计和其它品牌一样，也是通过液压凸轮盘控制可变正时了。升程和气门开闭时长是由液压顶杆控制的（通过顶杆长度的变化选用不同的凸轮）。

优势：兼顾低转速扭矩和高转速马力
劣势：结构复杂
适配引擎：996 turbo之后的多数引擎

本田i-VTEC的特点是连续可变正时（液压凸轮盘）、2端可变升程及开闭时长、进排气侧可变

优势：兼顾低转速扭矩和高转速马力
劣势：结构复杂
适配引擎：本田i-VTEC引擎

如图，奥迪的可变气门系统的特点是：通过摇臂在凸轮中的滑动改变所用的凸轮形状。完成这个滑动转换过程需要凸轮转动2圈。整套系统有弹簧锁止。

优势：兼顾低转速扭矩和高转速马力
劣势：结构复杂

奔驰可变气门的设计初衷是减少油耗，而非提高动力。低负载时的凸轮可以限制进气量，从而让节气门的开度尽量大，以便减少泵气损失。

优势：成本低、油耗低
劣势：高转速时的动力没有提升
适配引擎：M270、M274

可变开闭过程的时长

VVC系统的进气时长可变范围是220°-295°，可变时长使这种引擎在很大的转速区间内都可以提升扭矩。高转速下，进气门打开过程的时长应该加长、关闭过程的时长应该减小。想要实现这种控制，就需要凸轮轴本身能够变速。

如图，VVC系统使用了偏心驱动轮。

在偏心驱动轮围绕偏心轴旋转的过程中，如果外驱动环以恒定速度转动，则轴将以非恒定的脉动方式转动。其转速差取决于轴与轮心之间的距离。距离越长，转速差越大。

每个缸对于进气的需求是不同步的，对于凸轮轴转速的需求也就是不同步。因此，VVC系统有4个凸轮轴，2个一组，每组有内外两根凸轮轴。考虑到结构的复杂性，VVC系统在排气侧没有可变功能。

VVC系统将1.8引擎的马力由120匹提高到了145匹，扭矩从122磅尺提高到了128磅尺。

优势：连续可变的开闭过程时长可以提高动力
劣势：升程不可变导致峰值马力不足、结构复杂
适配引擎：MGF 1.8 VVC、莲花111S

可变升程

可变升程的主要作用出了提高高转速时的动力外，还可以在低转速时让节气门开度尽可能增大，进而减少泵气损失，提高引擎效率。对于歧管喷射引擎来说，低转速时的升程也影响混合气混合状态的好坏。

宝马的ValeTrPoic系统的设计初衷是根据油门踏板的信号，通过调节升程来降低油耗。结构上由电机、偏心轮、中间臂等组成。电机控制中间臂，进而控制气门升程。

这套系统过大的内部摩擦损耗和惯性损耗导致其不适用于提高高转速下的动力。

优势：降低油耗
劣势：结构大、不适用于高转速

同样出于降低油耗的目的，相比于ValeTrPoic来说，尼桑的VVEL系统更适合高转速工况。

其凸轮不是和凸轮轴连接在一起的。偏心控制轴转动后，摇臂的位置发生改变，连杆A和B的几何发生改变，凸轮的摆角改变。凸轮摆角的大小决定了气门的升程。

优势：降低油耗的同时兼顾高转速
劣势：结构过于复杂
适配引擎：VQ37VHR V6

丰田Valvematic系统的特点是有一根中间轴。通过中间轴角度的变化控制升程的变化。这套系统可以将2.0引擎的马力冲143匹提高到158匹。

优势：结构紧凑、提高马力
适配引擎：丰田Valvematic系列引擎

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