VTEC等可变气门技术,是怎么让车子跑的更快的?



80年代,众多汽车企业开始可变气门正时的研究,1989年本田首次发布了“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”,英文全称“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System,也就是我们常见的VTEC。

(原文来自www.77y77.com)


各家企业不断发展该技术,到今天已经非常成熟,丰田也开发了VVT-i,保时捷开发了Variocam,现代开发了DVVT……几乎每家企业都有了自己的可变气门正时技术。而这个技术,究竟对汽车产生了怎样的影响呢?

Author / 蟹爪朝天
(原创文章www.77y77.com)

可变气门技术的优点是可以增加马力和扭矩。 (自媒体www.77y77.com)


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 

“可变升程”只表明了升程是可变的,并没有表明极限动力性能就一定比不可变的更好。


升程可能是两段可变,可能是三段可变,也可能是连续可变,由凸轮轴的形状决定,后期不可调。每一段的具体升程是多少至关重要。某一固定的升程值和正时值,只能在一个小范围内达到较好的容积效率(VE)、新气消耗率和比油耗。


通常来说,可变升程的设计初衷多是为了兼顾高、低转速,让扭矩平台更宽泛一些,让综合油耗和排放更低一些。

比如:老款不可变升程引擎的扭矩平台(假设取最大扭矩的90%)在3500-4300转。在新款可变升程的引擎上,低段的升程小于老款升程,高段的升程大于老款升程。


这样可以让扭矩平台两段都延伸一些,比如2500-4800转。

在中低转速范围内,较小的进气门升程(气门开口)可以让进气流速稍微高一些,利于歧管喷射引擎油气的混合。


在中高转速范围内,较大的气门升程可以减小泵气损失,并在高转速较短的进气时段内,让进气量尽量大一些。

 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 

“可变正时”相比于“可变升程”来说,更灵活一些,其作用也更重要一些。

和升程一样,正时也影响着进气管路内压力波的频率和振幅。而且还起着匹配气门升程和控制缸内残余温度等任务。一根凸轮轴的正时,是由其皮带(或链条)端的正时轮控制的,多为可在一定范围内随时连续调整。


仅以双凸轮轴引擎来说,对于同一根凸轮轴上的进(或排)气门来说,开始打开和开始关闭之间的曲轴角度差是固定的,不可改变,除非换凸轮轴。


所以,早打开就以为着早关闭,迟闭也就意味着迟开。

ECU根据计算出的负载、转速、歧管压力等诸多数据控制着进、排气的正时,旨在平衡多种数据的均衡适度。


其中的控制目标很多,逻辑和各个目标在不同工况下的权重比也是比较复杂的。所以,什么时候ECU会将什么样的指令值送至正时轮上的控制器阀,是个不太容易在文章中完全说清楚的。

 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

 常见的一些控制逻辑如下 

 1  低转速时,进气门会偏晚一些打开(关闭),以便让废气充分排出,减少废气向进气道内的回流,减少下一次燃烧时的残留废气和残余温度。这种策略可以让怠速和油耗都更低一些。

 2  高转速时,进气门会偏晚一些关闭(打开),以便让活塞在到达下止点(BDC)后还有一些新气可以冲入缸内。

 3  中等转速时,活塞到达下止点(BDC)后再冲入缸内的新气并不多,所以进气门会偏早一些关闭(打开),以减少活塞经过下止点后,新气向进气门外的返吐量。

 4  让进气歧管内的压力波正压到达进气门位置时,进气门已打开了一定的升程,而不是刚开始打开,这样可以让活塞下行抽吸新气的阻力更小些。

 5  让活塞刚开始从下止点上移时,排气门已打开了一定的升程,而不是刚开始打开,这样可以让废气向缸外排出时的阻力更小些。这样,对其它几个缸的运行阻力也会更小些。

 6  出现了爆震之后,进、排气门的重叠角更大一些,以将部分新气流经缸内后不参与燃烧,直接排出缸外,降低缸温。

 7  适度的气门重叠角有利于降低排放。其原理和废气再循环(EGR)类似,让部分废气参与到下一次燃烧过程中,降低燃烧时的峰值温度,减少氮氧化物。同时节气门开度也会适度加大,降低进气阻力。

 ECU调校 

在高、低升程切换时,以及正时大幅度调整时,出现爆震的概率可能会大一些。

所以在调写ECU时,要特别注意气门的变化,特别是升程的变化。如果可以设定正时和升程,那是最好的。考虑到涡轮负载和缸温等问题,比较合适的做法是在气门切换到高负载状态后再大幅提升指令增压值了。


从实际驾驶感受上讲,在较低转速就开始大幅增压可能会带来较好的体验。但从原理和寿命上讲,如果气门主要是根据转速变化的,这样的设计思路可能并不合理。

如果气门更偏重于根据增压值变化,会好一些,但也有问题。


在缸盖换气能力不高(气门处于低负载状态)的情况下提高指令增压值,缸盖造成的泵气损失和排气阻力会让涡轮的负载更大一些、温度更高一些、出现喘振的倾向更大一些。


对于非电子(可变)水泵、非电子(可变)机油泵的引擎来说,冷却液和机油的循环是由曲轴转速决定的。在不减小泵轮直径(齿数)的情况下,低转速时的散热能力也不会太好。


在Log数据流中,进、排气正时的执行值和指令值可能会显示出不同的数据。

在有些车型或Log记录软件中,可能这两个角度就是有些差异的,只是软件读取数据流的问题,并不是真的有差异。

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