可变气门技术大比拼.doc

VTECVTEC系统全称是可变气门正时和升程电子控制系统，是本田的专有技术，它能随发动机转速、负荷、水温等运行参数的变化，而适当地调整配气正时和气门升程，使发动机在高、低速下均能达到最高效率。+在VTEC系统中，其进气凸轮轴上分别有三个凸轮面，分别顶动摇臂轴上的三个摇臂，当发动机处于低转速或者低负荷时，三个摇臂之间无任何连接，左边和右边的摇臂分别顶动两个进气门，使两者具有不同的正时及升程，以形成挤气作用效果。此时中间的高速摇臂不顶动气门，只是在摇臂轴上做无效的运动。当转速在不断提高时，发动机的各传感器将监测到的负荷、转速、车速以及水温等参数送到电脑中，电脑对这些信息进行分析处理。当达到需要变换为高速模式时，电脑就发出一个信号打开VTEC电磁阀，使压力机油进入摇臂轴内顶动活塞，使三只摇臂连接成一体，使两只气门都按高速模式工作。当发动机转速降低达到气门正时需要再次变换时，电脑再次发出信号，打开VTEC电磁阀压力开头，使压力机油泄出，气门再次回到低速工作模式。VTEC为英文Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System的缩写，中文意思为可变气门正时及升程电子控制系统。 一般汽车发动机每缸气门组只由一组凸轮驱动，而VTEC系统的发动机却有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的自动操纵，进行自动转换。 采用VTEC系统，保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何速率运转都达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。 下面将给大家详细介绍一下本田的VTEC发动机技术发动机的性能往往是各方面性能的集中表现。好的发动机的设计应该是在低速时可以发出强劲的扭矩，在高速时可以发出强大的功率。发动机某些部件的设计将会影响发动机工作的状况，比如压缩比、气门的数目、进气歧管调整机构和排气管的体积和长度等，但是这些都没有凸轮轴的设计对发动机性能的影响大。凸轮轴，在它上面有许多蛋状圆形突出的部分，它的作用就是在适当的时候开启和关闭发动机气缸的阀门。凸轮轴看起来并不是一个很特别的东西，但是它却可以称的上是发动机的心脏，对凸轮轴的外廓形状和其初始转角的位置哪怕是微小的改变，都会使发动机的运转将会出现完全不同的另一种状况。在决定凸轮轴的设计之前，工程师必需知道什么样的车采用什么样的发动机。很显然，为牵引机车设计的发动机需要在低速时能够发出大的扭矩，为运动型跑车设计的发动机需要在高速时有更大的功率输出。变速比、传动装置和车重都是我们在选择一个凸轮轴所必需考虑的因素。不正确的使用凸轮轴，不仅会使汽车性能变差，加速无力，行动迟缓，而且还很耗油，任何人驾驶这种车都将是一件痛苦的事情，正确的设计和使用凸轮轴，驾驶对我们来说就会是一件愉快的事情了。很难想象，一根看似结构简单的凸轮轴就可以在低速时让发动机发出大扭矩，在高速时可以让发动机发出高的功率。也有些厂家利用可变凸轮定时机构来使发动机达到这种性能。为了在低转速使时可以得到较大的转矩，此时的凸轮转角相对于机轴会有一个相对提前的角度，这样气门就会比正常情况下提前一段时间关闭，增大气缸的压力，从而达到增加转矩的目的。而在高速时，凸轮轴就会相对于机轴有一个时间延迟，气门比正常情况延迟一段时间关闭，可以增加发动机的效率，从而达到增加功率的目的。可变凸轮正时机构可以解决这个问题，但是本田已经跨越了这一步，并找到了一个更好的办法。本田对这种高性能发动机的解决方法就是采用了一种叫做VTEC的技术。VTEC发动机是每缸4气门（2进2排）、凸轮轴和摇臂等，不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法。是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统。通过计算机控制的气门正时和气门升程系统，可以大大提高发动机的燃烧效率和性能。本田公司在它的几乎所有的车型当中都使用了VTEC技术，从高性能跑车S2000到混和动力汽车INSIGHT，都采用了VTEC技术。在国内生产的98款雅阁轿车中的2.0、2.3、3.0三款发动机也均采用了VTEC技术，与同排量的发动机相比，性能都有所提高。VTEC的设计就好像采用了两根不同的凸轮轴似的，一根用于低转速，一根用于高转速，但是VTEC发动机的不同之处就在于将这样两种不同的凸轮轴设计在了一根凸轮轴上。本田发动机进气凸轮轴中，除了原有控制两个气门的一对凸轮（主凸轮和次凸轮）和一对摇臂（主摇臂和次摇臂）外，还增加了一个较高的中间凸轮和相应的摇臂（中间摇臂），三根摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞。 发动机低速时，小活塞在原位置上，三根摇臂分离，主凸轮和次凸轮分别推动主摇臂和次摇臂，控制两个进气门的开闭，气门升量较少，情形好像普通的发动机。虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间已分离，其它两根摇臂不受它的控制，所以不会影响气门的开闭状态。 发动机达到某一个设定的高转速时，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，一起由中间凸轮c驱动，由于中间凸轮比其它凸轮都高，升程大，所以进气门开启时间延长，升程也增大了。 当发动机转速降低到某一个设定的低转速时，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。 整个VTEC系统由发动机电子控制单元（ECU）控制，ECU接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温等）的参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。 本田的VTEC发动机技术已经推出了十年左右了，事实也证明这种设计是可靠的。它可以提高发动机在各种转速下的性能，无论是低速下的燃油经济性和运转平顺性还是高速下的加速性。可以说，在电子控制阀门机构代替传统的凸轮机构之前，本田的VTEC技术在目前可以说是一种很好的方法。VVT-iVVTi.系统是丰田公司的智能可变气门正时系统的英文缩写，最新款的丰田轿车的发动机已普遍安装了VVTi系统。丰田的VVTi系统可连续调节气门正时，但不能调节气门升程。它的工作原理是：当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60度的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。气门可变驱动机构发动机的进气门和排气门的开启开始与关闭终止的时刻，通常以曲轴转角来表示，称为配气相位。由于发动机工作时的转速很高，四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒，这么短促的时间往往会引起发动机进气不足，排气不净，造成功率下降。因此，设计师为了解决这一个问题，一般发动机都采用延长进，排气门的开启时间，增大气体的进出容量以改善进，排气门的工作状态，藉以提高发动机的性能。从配气相位图上可以看出活塞从上止点移到下止点的进气过程中（绿色），进气门会提前开启（）和延迟关闭（）。当发动机作功完毕，活塞从下止点移到上止点的排气过程中（桔色），排气门会提前开启（）和延迟关闭（）。 十分明显，这种延长气门开启时间的做法，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“重叠阶段”，可能会造成废气倒流。这种现象在发动机的转速仅1000转以下的怠速时候最明显（怠速工作下的“重叠阶段”时间是中等速度工作条件下的7倍）。这容易造成怠速工作不畅顺，振动过大，功率下降等现象。尤其是采用四气门的发动机，由于“帘区”值大，“重叠阶段”更容易造成怠速运转不畅顺的现象。设计师为了消除这一缺陷，就以“变”对“变”，采用了“可变式”的气门驱动机构。可变式气门驱动机构就是在发动机急速工作时减少气门行程，缩少“帘区值”，而在发动机高速工作时增大气门行程，扩大“帘区值”，改变“重叠阶段”的时间，使发动机在高转速时能提供强大的马力，在低转速时又能产生足够的扭力。从而改善了发动机的工作性能。现代轿车发动机上的气门可变驱动机构能根据轿车的运行状况，随时改变配气相位，改变气门升程和气门开启的持续时间，它们的凸轮轴，凸轮轴上的凸轮和气门挺杆等元件是可以变动的。发动机上的气门可变驱动机构可以通过两种形式实现，一种是凸轮轴和凸轮可变系统，就是通过凸轮轴或者凸轮的变换来改变配气相位和气门升程；另一种是气门挺杆可变系统，工作时凸轮轴和凸轮不变动，气门挺杆，摇臂或拉杆靠机械力或者液压力的作用而改变，从而改变配气相位和气门升程。(2001.2.2)丰田VVTi发动机近年生产的丰田轿车，大都装配了标注有“VVTi”字样的发动机，经过商业宣传，很多人已经知道VVTi这一新名词，但它的具体内容却鲜为人知。VVT是英文缩写，全称是“Variable Valve Timing”，中文意思是“可变气门正时”，由于采用电子控制单元（ECU）控制，因此丰田起了一个好听的中文名称叫“智慧型可变气门正时系统”。该系统主要控制进气门凸轮轴，又多了一个小尾巴“i”，就是英文“Intake”（进气）的代号。这些就是“VVTi”的字面含义了。VVTi是一种控制进气凸轮轴气门正时的装置，它通过调整凸轮轴转角配气正时进行优化，从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性，降低尾气的排放。VVTi系统由传感器、ECU和凸轮轴液压控制阀、控制器等部分组成。ECU储存了最佳气门正时参数值，曲轴位置传感器、进气歧管空气压力传感器、节气门位置传感器、水温传感器和凸轮轴位置传感器等反馈信息汇集到ECU并与预定参数值进行对比计算，计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀，控制阀根据ECU指令控制机油槽阀的位置，也就是改变液压流量，把提前、滞后、保持不变等信号指令选择输送至VVTi控制器的不同油道上。VVTi系统视控制器的安装部位不同而分成两种，一种是安装在排气凸轮轴上的，称为叶片式VVTi，丰田PREVIA（大霸王）安装此款。另一种是安装在进气凸轮轴上的，称为螺旋槽式VVTi，丰田凌志400、430等高级轿车安装此款。两者构造有些不一样，但作用是相同的。叶片式VVTi控制器由驱动进气凸轮轴的管壳和与排气凸轮轴相耦合的叶轮组成，来自提前或滞后侧油道的油压传递到排气凸轮轴上，导致VVTi控制器管壳旋转以带动进气凸轮轴，连续改变进气正时。当油压施加在提前侧油腔转动壳体时，沿提前方向转动进气凸轮轴；当油压施加在滞后侧油腔转动壳体时，沿滞后方向转动进气凸轮轴；当发动机停止时，凸轮轴液压控制阀则处于最大的滞后状态。螺旋槽式VVTi控制器包括正时皮带驱动的齿轮、与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮，以及一个位于内齿轮与外齿轮之间的可移动活塞，活塞表面有螺旋形花键，活塞沿轴向移动，会改变内、外齿轮的相位，从而产生气门配气相位的连续改变。当机油压力施加在活塞的左侧，迫使活塞右移，由于活塞上的螺旋形花键的作用，进气凸轮轴会相对于凸轮轴正时皮带轮提前某个角度。当机油压力施加在活塞的石侧，迫使活塞左移，就会使进气凸轮轴延迟某个角度。当得到理想的配气正时，凸轮轴正时液压控制阀就会关闭油道使活塞两侧压力平衡，活塞停止移动。现在，先进的发动机都有“发动机控制模块”（ECM），统管点火、燃油喷射、排放控制、故障检测等。丰田VVTi发动机的ECM在各种行驶工况下自动搜寻一个对应发动机转速、进气量、节气门位置和冷却水温度的最佳气门正时，并控制凸轮轴正时液压控制阀，并通过各个传感器的信号来感知实际气门正时，然后再执行反馈控制，补偿系统误差，达到最佳气门正时的位置，从而能有效地提高汽车的功率与性能，尽量减少耗油量和废气排放。（2001年6月9日）汽车引擎揭密：可变气门技术大比拼短短一年内，在引擎可变技术方面有相当资深实力的BMW与Honda车厂又有惊人之举，但是，更令人眼睛一亮的是在这两家发表新引擎之前呢， Toyota车厂于去年全新改款的01 Celica身上搭载一颗新设计的VVTL-i引擎，这颗引擎可不同于之前的VVT-i引擎喔!.VVTL-i比VVT-i多了个L，到底有何先进？有何突破呢？ 还是天下引擎一大抄呢？!而Honda去年底推出的STREAM车上，用的就是新一代i-VTEC引擎，它可跟S2000上的VTEC不同，那有何差异呢？再者是最近刚在日内瓦车展中，BMW则发表一颗全新的Valvetronic引擎， 它更被比喻成最完美的可变气门引擎，它到底有何能耐？它跟之前的VANOS引擎又有什么不同呢？现在我们就来具体介绍介绍。一.前言:还记得工程师们为什么需要设计一颗具有可变气门正时的引擎吗？简单的回答就是，我们希望引擎能随着不同时候的需求，而能表现出最符合我们期望的状态，而这需求可以是从动力的观点，也可以是从油耗经济的观点，也可以是排气环保的观点，但是， 你要在同一时刻一样的引擎转速，车速，工作温度，而要求既要大Power，又要省油，还要环保。这岂不是改写热力学第二定律而颠覆Carnot Cycle的极限？那是不可能的! 但是，工程师要作的就是努力地去接近这样的极限，那也就是效率的观点。效率”这字对学理工的朋友应该不陌生，它也是应用科学的研究者数十年如一日的努力目标，做光电元件的人在设计时，要用到这个字!做家电产品的工程师也要用这个字!连是否应该盖一座电厂，也需要用这个字来度量我们的能源政策!所以才有买冷气机或冰箱应该要选用高EF值(high efficiency value高效率值)的建议；而一具引擎的热效率，直接的表现就是功率与油耗之间的取舍!就为了改善引擎的效率，又要满足不同引擎转速时的动力渴望，所以才需要发展可变气门引擎!二.90年代可变气门引擎的遗憾:工程师为了克服同一具引擎要高转速大马力，也要低转速高扭力，对不同需求的进排气相位角差异，VANOS与VVT-i直接改变进排气时的timing(正时)与duration()来解决这个问题，此机构简单，又一针见血，是BMW与Toyota的骄傲之作；而最早在可变气门引擎上获得表现的Honda，于80年代中期推出VTEC引擎，它则艺高人胆大地把两颗引擎摆在同一颗引擎当中，因为它们在同一支凸轮轴上同时塞下了两种不同角度的凸轮(lobe)，利用摇臂内的切换以决定是否顶到大或小凸轮，而成功地改变引擎的进排气的正时，重叠角外，还多个life(升程)，但是它在凸轮轴未切换前，正时，重叠时间与升程是不变的，所以VTEC是阶段性的可变气门，而VANOS与VVT-i虽连续性的变化正时与重叠时间，但是升程却无法改变，就因为这样的差异，VTEC一直拿下每公升排气量的最大马力输出(125hp/Liter，S2000，量产化DOHC_VTEC)纪录!所以VANOS、VVT-i治标不治本，而VTEC治本但有时却不治标!三.2000年Toyota的力作VVTL-i介绍:丰田的VVTL-i引擎全名就是-Variable Valve 正时 & 升程 - Intelligent，它跟VVT-i是不同的引擎，VVT-i目前已渐渐必被Toyota或Lexus旗下车款所使用，从最高级的LS430，GS300，IS200到最平民的Corolla身上都已经广泛地运用到这项科技，而2000年中发表的全新一代Celica(可惜台湾还没引进)则进一步地发展VVTL-i引擎，这引擎也用类似Honda VTEC的原理，在原来的VVT-i引擎上的凸轮轴，多了可以切换大小不同角度的凸轮(凸轮)，也利用摇臂的机置来决定是否顶到高角或小角度的凸轮，而作到可连续式地改变引擎的正时(正时)，重叠时间(重叠相位角)与两阶段式的升程(升程)!还记得VVT-i引擎是如何作到变化进气时的气门正时吗？它就是在图一中，有一个VVT-I control圆盘，以转动此控制盘，而来提早或延迟气阀的开与关的时间，所以，VVT-I BMW Vanos一样的原里，VVT-i用类似的机置来作到连续式的可变气门正时，只是VVT-i是用电动方式来驱动这controller，而Vanos则是用油压的方式，两者皆能跟著不同引擎转速来达到气门正时的连续性变化!而VVTL-i则在VVT-i引擎上再多了于摇臂与凸轮轴内下功夫，它这回就运用到跟VTEC一样的方法来根本解决引擎在高转速时所需要更多的气门重叠时间与气门的开关升程深度，小小不同的地方在摇臂内VVTL-i藉由油压来使一小小个销的移动来决定顶到那种尺寸的凸轮!VVTL-i在引擎转速变高时，虽然凸轮轴一样地在转动，但是，由於摇臂内的pin已移动， 所以是换成高角度的凸轮部份有效地顶到摇臂，进而驱动到valve的开关，此时，小角度的突轮一样在转动(因为在同一根凸轮轴上嘛)，但是却是无效地空转!这现象跟Honda VTEC是一模一样的道理!就是这样的方式，VVTL-i结合了VVT-i的连续式可变正时与重叠角，与VTEC式的凸轮轴切换，而首先达到第一具可以说是近似完美式的引擎，VVT-i加入可以变化valve扬程(升程)後的新引擎VVTL-i，果然在性能版的Celica身上有超过每公升100hp以上的实力，1.8升的它能有180hp/7800rpm(美规)的的超强实力(日规的Celica更高达192ps)!而且它还保有扭力曲线高而平原式的表现，0-96km/hr，美规Celica就有7.5秒的路测实力，VVTL-i真是Toyota划时代的力作!四.世紀末的礼物Honda的i-VTEC介紹:Honda一看到Toyota VVTL-i发表後，大概就气的半死吧？!丰田用了本田最得意的VTEC原理，还用Celica来跟Honda最引以为傲的前驱车中性能与操控都数一数二的Inetgra来比个高下，两个都是1.8升的引擎，两者都是双方最得意的可变气门代表作，所以，去年Celica一推出，当时最热门的话题，就是Celica vs. Integra，结果呢？姜还是老的辣!实际数据胜於一切雄辩或纸上谈兵，Integra还是赢Celica，无论是在加速，还是引擎於高转速时的性能表现，Integra还是老当益壮，不过，Toyota只是可变气门引擎上的新兵，对于视VTEC如命的本田而言，真是个重大打击.本田的VTEC引擎一直是享有可变气门引擎的代名词之称，它不只是输出马力超强，它还强调低转速能有排气标准环保又低油耗的特点，而这样完全不同的特点在同一具引擎上面发生， 就因为它在一支凸轮轴上有2种，甚至於3种不同角度的凸轮(凸轮)，中.低转速用小角度凸轮，高转速时，就再切换成高角度的凸轮，所以才有两种完全不同性能表现的输出曲线而同一颗引擎上发生，但是就因为这样的特性，它也种下VTEC被批评成stage式的可变气门引擎!本田的工程师把它VTEC分成平时驾驶与战时的激烈驾驶，所以在引擎转速的最两侧，都有被消费者们喜欢或抱怨的两极看法存在，这也是VTEC引擎长期在网上倍受争议的原因之一!而Toyota的VVTL-i发表之后，VTEC的技术已经受到严厉的挑战，几个月後，本田发表的i-VTEC于加入可连续性变化的正时与重叠角的设计，配合原本的VTEC机置，使i-VTEC也跟VVTL-i一样达到近似完美的可变气门引擎!VTEC如何切换凸轮(凸轮)的机置，在此voliron已不必多说，i-VTEC多的就是在VTEC引擎上加入VTC=valve overlap control，从名字就可以看出来，它也利用到跟VANOS与VVT-i类似的方式来连续式地转动凸轮轴的开与关，所以就达到了所谓的气门重叠角的控制，这就是进.排气阀门的正时与开启的重叠时间的可变是由油压控制的VTC，使凸轮轴转动些角度(向右，向左)，进而提早或延迟去驱动到valve的开或关的时间，这跟VVT-i中的controller有一样的功能!VTC于不同转速时，提早(上)或延迟(下)valve的开关就这样的原理，i-VTEC也跟VVTL-i一样的组合出可连续性变化的气门正时与气门重叠时间，2-stage 改变升程的可变气门机构於引擎的进气端与排气端；而i-VTEC身上也用上S2000一样的金属正时链条，而为了进一步改善低转速扭力，与高转速时更有效率与直接的换气，i-VTEC也加上可变进气歧管为标准装置，其中编号:K20C的引擎将在下一代的integra上使用，排气量2.0升的它有220ps的马力(日规)，海外版也有200hp的性能输出!而STREAM上用的K20A，虽然也是DOHC的iVTEC，但是它只使用进气端有可变气门装置，也有2.0升154匹马力的性能(BMW的320i是150hp)更难能可贵的是，这颗i-VTEC引擎，2.0升居然有14.2km/L的低油耗实力，提前符合2010年才要施行的油耗效率(fuel efficiency)，而排放的废气标准也远远低过LEV的低空污标准!唉呀!这不就是工程师们想努力克服的梦想吗？五.21世紀的初衷BMW的VALVETRONIC介紹:讲到车坛上的引擎科技，自然不会把这蓝天白云mark的BMW车厂给遗忘，那简易的机置即作到连续性的可变气门引擎，原理理是简单却原创性十足，那就是它的得力作Variable Camshaft Control，叫作可变凸轮轴控制系统-VANOS，而Toyota的VVT-i，就是采用BMW这类似的装置；以前，VANOS只被M3等超性能跑车使用，但是，日益严格的环保标准，加上科技的平民化，如今VANOS系统，那怕是双-VANOS也都被广泛地使用在BMW的全车系，这代表可变气门的科技已经慢慢地平民化，而大量使用!BMW的VANOS是连续性的可变气门正时与重叠时间，但是由於没有变化进.排气阀门的升程，使得它总是有那麽点点的缺憾，特别Toyota与Honda都已经克服这样的问题，那麽以引擎科技傲视全球的BMW车厂怎会就此罢休呢？Valvetronic就是BMW的实现这理想的作品，它比VVTL-i或i-VTEC有更进一步的地方，所以，才被比喻成更完美的可变气门引擎!那到底厉害在何处呢？请继续看下去。首先，Valvetronic少了节流阀(throttle)的设计，如同我们鼻子或肺在作呼吸动作时一样地跟空气直接接触，而省略掉throttle後，引擎在进新鲜空气时，将更顺畅，少掉因为空气流动的一些 黏著力与磨擦力，而使引擎在运转时省去不必的的loss!一般的车子，当我们用脚踏加油门时，是驱动著钢索而通到throttle这开关的，而踏油门的深浅正控制著throttle的开或关的程度，而引进的就是将进入引擎燃烧室燃烧的新鲜空气，所以，throttle正控制著燃烧室的空气量与流动速率；然而，取代这机械式的进气节流阀(throttle)机置后，取代的是电子式的可变电阻，依我们踏油门的深浅，经过这可变电阻而来决定进气量。而Valvetronic比起VVTL-i与i-VTEC更进一步的地方是它除了可连续性