鱼和熊掌都可兼得 可变气门的奥秘

四行程引擎产生动力必须要经过“进气 、压缩 、爆燃 、排气”四个基本行程。理论上，从进气行程开始活塞在上死点准备下移时，进气门会开启让新鲜混合油气进入气缸后关闭，经过压缩、点火爆燃，于排气行程开启，活塞从下死点准备上移时，排气门便开启，将废气排出燃烧室，接着进气同时进气门再度开启，准备进入下一个循环过程。但实际上，进、排气门并不是在活塞到达上死点或下死点时开启，而是早开晚关。空气流动需要时间，因此进气门在活塞到达上死点前就会开启，让混合油气有提早进入气缸中。直到开始压缩行程活塞上移后才会关闭，使汽缸中尽可能充满新气，排气门则是在排气行程活塞到达下死点前便已经开启。在开始进气行程后才会关闭，如此一来可利用进气惯性使废气排放得更加干净。也能减少活塞上移时的阻力。所以在四个行程中，进排气门会有两段时间是同时开放的。这两段时间就会“气门重叠”。在高转速时引擎换气的时间极短，因此较大的气门重叠角能让混合油气更充分地填充至汽缸中，也有利于高转速时的容积效率；而低转速空气流动较慢时，如果气门重叠角度过大，同时开启的进排气门反而会使混合油气被挤出汽缸外，因此，气门重叠角的大小与引擎输出特性可说是息息相关的。气门重叠角大的“高速”型凸轮会损失低速扭力；重叠角小的“低速”型凸轮，在高速又无法有优异的进气效率。如何取舍低高转速或中低转速域表现，便是工程师在设计引擎时需要考虑的矛盾所在。目前各大厂商的解决方法，就时运用可变气门系统。（因应不同的状况需要，改双凸轮轴相位或是气门扬程）。接下来，就向大家介绍各大厂家引以为傲的可变气门技术。HONDA VTEC （可变气门正时与扬程）系统，凸轮轴上有三组不同作用作用角与扬程的凸轮，分别控制着三组摇臂运动，但真正负责开闭气门的摇臂，是两组扬程与作用角较小的凸轮驱动，这样便能将气门重叠时间与扬程控制在较适合低转数，保有充沛的扭力输出。而高转速时，ECU 便会控制油压系统推动摇臂内的插销，将三组摇臂锁定，是三组摇臂同时运动，并受到中间高角度凸轮轴的驱动，气门便能有比低转速时更大的扬程与作用角。VTEC 在作用时属于阶段式，在切换高角度凸轮轴前后，引擎可说是有两种截然不同的特性，VTEC 也因为这样的特点，拥有两极化的评价，但VTEC 兼顾了低转扭力和高转马力也时不争的事实。代表引擎B 18C DC2 200hp/8000rpm 19.9kgm/6200rpm 、S2000 F20C 250hp/8300rpm  22.2kgm/7500rpmHONDA I-VTEC 在众多对手纷纷推出“无段式”、“连续”运动的可变气门系统后。HONDA 在DC5 的K20A 引擎上。也大胆地将最新的VTC （进气门相位角连续控制系统）与VTEC结合“I-VTEC就此诞生。这样优化组合，带来的改变明显。VTEC依照转速切换不同的凸轮轴，电脑还可另外控制VTC ，并依照转速、节气门开度、引擎负荷等条件，利用电磁阀以无段方式调节进气凸轮普利盘，带动凸轮轴产生相位变化，改进节气门正时。代表引擎 K20A DC5 220hp/8000rpm  21.0kgm/7000rpmTOYOTA ：VVT-I是丰田为了让引擎在不同转速时，都能够有最佳的进气效率与燃烧状态。所开发出来的可变气门相位系统，目前广泛地使用TOYOTA 或 LEXUS 旗下的车款。其原理是，在进气凸轮轴普利盘中，加入一组称为VVT-I CONTROI 圆盘机构。而ECU 在接收转速 负载等讯号后，便驱动电磁阀以连续、无段的方式转动VVT-I CONTROI。并可向进角、 远角两种不同方向转动，提前或延后整个气门相位。虽然，VVT-I并没有控制气门扬程的机构。但是能改变双凸轮轴相位角达到60度之多，已经足够让低转速与高转速气门重叠角拥有相当大的差异。因为日益苛刻的环保法规，丰田目前旗下几款新引擎上搭载了DUAL VVT-I机构。也就是进、排气侧普利上都有VVT-I机构。更加地强化各转速域的出力与省油、环保的诉求。代表引擎：2GR-FE CAMRY 3.5 268hp/6200rpm 34.3kgm/4700rpmTOYOTA VVTL-I：VVT-I 虽然能够借由改变凸轮轴相位来控制气门重叠时间，让引擎在各转速域都兼顾了输出与经济性能。但在高转速时无法改变气门扬程。也使得最大马力输出受到先天上的限制。因此，在2000年时，TOYOTA 发表了由VVT-I所进化而来的VVTL-I，并搭载在七代CELICA 的2ZZ-GE引擎上，VVTL-I与VVT-I最大的差别，就是多了可变气门扬程的设计，构造上与HONDA的VTEC类似。，以一组摇臂内的PIN，决定该由何种凸轮轴来顶开气门。低速时，摇臂中的PIN并未移动，气门由角度较小的凸轮轴驱动；而在高转时PIN会移动，使得气门转由高角度凸轮轴驱动，以得到更大的气门扬程。引擎代表：2ZZ-GE ZZT231190hp/7600rpm  18.4kgm/6800NISSON VVL ：日产的VVL，原理类似于HONDA VTEC 机构，拥有两组低速凸轮轴及一组高速凸轮，并借由油压系统决定摇臂锁定是否，决定该由那组凸轮轴顶开气门，与VTEC以水平移动插销固定摇臂的方式不同，VVL在高转速时，摇臂内部的活塞是以垂直方向将两旁低速凸轮的摇臂下压固定，使得高速凸轮得以控制气门开启。并可分为三阶段来改变气门扬程，也能比两段式的VTEC的动作更加的柔顺。阵营中的SR20VET 这具涡轮引擎也因为有了VVL 的加持，才让SR 系列引擎初次到达280匹的法规上限。引擎代表：SR20VE P12 204hp/7200rpm  21.0kgm/5200rpm.最后，就是BMW 引擎制作大师。早年在摩托车上的引擎造诣就让人肃然起敬。BMW 的VANOS ，最早出现于E34 车系的M50引擎上。利用油压系统控制凸轮轴普利盘中的杯状齿轮，并随着引擎转速及负载状况，自动无段地调整凸轮轴的相位。怠速时为了稳定转速，节气门开启得较慢，而在引擎的中低转速，节气门较早开启，确保废气回收进入燃烧室与增加扭力，减少燃油的消耗及排放的废气，而在引擎高转速时，进气门再度延迟打开增加气门重叠时间，如此兼顾了引擎在各速域的表现。而在E46 车型出现后，BMW 在进排气凸轮轴上都使用了该系统。称为（DOUBLE-VANOS）J进气门的可变角度范围时40度，排气门则为25度，让进气门与排气部分都能有无段连续性的相位变化，大幅度地强化了引擎在中低转速域的表现。代表引擎：S54 E46 M3 360hp/7900rpm  37.7kgm/4900 BMW 近年更推出了（VALVETRONIC）的可变气门扬程技术，配合VANOS 后也使得凸轮轴相位、气门扬程皆能有连续性的变化。看完了，这么多厂家的可变气门机构的介绍大家觉得很多厂家的设计都差不多，其实欧州厂家没有想日系车厂家大力宣传而已。其实，不管结构如何目的就是如何榨出更多的引擎马力，目前在维持马力的前提下再提升更多的扭力。未来，如何利用新的材料工艺如“炭纤维活塞“、“陶瓷发动机”等等让引擎更环保、更省油.