目前,將全氣門控制系統使用在量產車上的廠商主要有三家,分別是寶馬,英菲尼迪和菲亞特。它們分別以不同的方式實現了氣門正時和升程的無級可變,從而達到了利用控制氣門開度來控制進氣量的目的。從目前看,那么這三種氣門技術又有何相似和不同呢?
在這里,我們所討論的三種氣門升程技術,包括寶馬的Valvetronic,英菲尼迪的VVEL和菲亞特的Multiair,他們的共同點就是使用氣門升程的變化來控制進氣量。而氣門升程分段可調的本田vtec,奧迪AVS技術等不包括在內。
這三項技術的最大優勢就是利用氣門升程控制進氣,節氣門的作用被弱化或者是取消,大大降低了泵氣損失,使得發動機進氣遲滯的現象大大減輕,直接提升了發動機響應速度。而且由于進氣不在存在遲滯,因此發動機的點火和配氣的配合也更精確,使得發動機效率得到提升,減低油耗和排放。
從最終目的上看,這三者的效果是基本相同的,不過他們的具體工作原理和結構都不小差距。首先,我們簡單看一下這三種技術的結構和原理。
首先是名氣最大的寶馬Valvetronic,它利用一根附加的偏心軸,步進馬達和一些中置搖臂,來控制氣門的開啟和關閉。系統借由步進電機偏心凸輪的偏移量,再一系列機械傳動后間接地改變進氣門的升程大小。
從圖上看,寶馬的Valvetronic的主要部件包括偏心軸驅動電機、偏心軸驅動齒輪、偏心軸、凸輪軸、中間杠桿和滾子軸承。當系統工作時,電機驅動偏心軸齒輪改變相位,從而帶動中間杠桿的角度,此時凸輪軸驅動中間杠桿,完成氣門的開啟和關閉。當系統工作時,凸輪軸,中間杠桿和滾子軸承是通過一系列聯動的來驅動氣門的,所以在系統高速運轉時,這一系列搖臂和連桿就會產生較大的慣性 ,因此想要獲得高轉速也越困難,因此Valvetronic技術并不適合用于超高轉速發動機,這也就是寶馬M的V8,V10發動機不使用Valvetronic的原因。
優勢:與缸內直噴,渦輪增壓技術的搭配默契,性能出色,現已經全線裝備在寶馬旗下車型上,是目前使用范圍最廣的全氣門控制系統。
不足:由于機構中彈性受到極限轉速的限制,無法使用在高轉速發動機上。
英菲尼迪的VVEL實現的原理和寶馬有些類似,但是結構卻并不相同。VVEL系統使用一套連桿和螺桿的組合實現了氣門升程的連續可調。在系統工作時,直流電機通過ECU信號控制螺桿和螺套的相對位置,螺套則帶動一系列連桿和搖臂間接改變氣門升程的大小。
搖臂通過偏心輪套在控制軸上,而控制軸可以在直流馬達帶動下,旋轉一定角度。當發動機在高轉速或者大負荷時,如圖所示:直流馬達帶動螺桿轉動,套在螺桿上的螺套向馬達這邊橫向移動,與螺套聯動的機構使得控制軸逆時針或順時針旋轉一定角度。由于搖臂套在控制軸的偏心輪上,因此搖臂的旋轉中心也會隨之上升或下降,從而達到改變氣門升程的目的。雖然整個機構看起來比較復雜,摩擦副也相對較多,但由于系統中的搖臂,控制軸和螺套等都是屬于剛性連接,沒有Valvetronic上的彈簧類的回位機構,使得VVEL更適合于高轉速發動機而無需考慮慣性的問題。英菲尼迪G37上的VQ37VHR發動機在增加了VVEL系統之后,最高轉速反而由原來的7000rpm提高到了7500rpm,不像Valvetronic發動機那樣受到高轉速的限制。
不過和取消了節氣門的Valvetronic和multiair不同,日產的VVEL發動機依然保留著節氣門,不過在VVEL發動機中,節氣門在大部分工況下都會保持全開,因此也并不會對進氣造成阻礙,動力同樣可以保證足夠高的響應性。日產工程師保留節氣門的意圖是要通過節氣門的截流作用對進氣正時變化做更精確的控制,使動力輸出更加順暢。
優點:不會受到高轉速的限制
缺點:機構復雜,對極限性能提升的幫助較小
前面說到的Valvetronic和VVEL的結構相對來說都比較復雜,增加的機構也會大大增加系統工作的阻力和磨損,節能和效率都會受到影響,而且更復雜的配氣機構也會使制造的成本過高,這兩項技術因此目前還只在應用在高端豪華車上。而菲亞特的multiair工作原理則要直接的多。它的結構非常簡單:整個系統只使用一根凸輪軸,進氣門由一個活塞,液壓腔和電磁閥氣門上方設計有一個液壓腔,液壓腔一端與電磁閥相連,電磁閥則通過ECU信號,根據工況的不同適時調節流向液壓腔內的油量。由凸輪軸驅動的活塞通過推動液壓腔內的油液,控制氣門的開啟。系統只需要控制液壓腔內的油量的多少即可以完成對氣門升程的無級可調。
簡單的結構不僅可以減小整個配齊機構的慣性,而且在高速運轉時,能量的損失也更小,而且電磁加液壓的配合方式還讓Multiair系統擁有極快的響應速度,因此可以使用在一個沖程內多次開啟氣門的Multilift模式,使得怠速和低負荷工況下擁有更高的燃燒效率。而multiair最大的優勢在于成本,由于配氣機構簡單,整套Multiair系統也不需要太高的成本,因此它更適合低端的經濟性轎車,目前搭載了Multiair系統的菲亞特500,朋多都是價格便宜的經濟型小車。
優勢:結構簡單,成本低廉,響應快
不足:液壓系統的質量穩定性不高
總結:
隨著時代的推移,氣門控制技術的發展也是一步一個腳印,從最早的本田vtec技術實現了氣門升程的分段可調,再到寶馬Valvetronic取消了節氣門,而再到最新的Multiair實現了電磁液壓氣門技術。所謂青出于藍而勝于藍,multiair等電磁氣門技術使用更簡單的原理實現了更為出色的性能,可以說代表了未來的趨勢。目前還在籌備量產的電磁氣門技術EMVT同樣擁有廣闊的前景。隨著中國汽車市場重要性的不斷提升,廠商新技術的引進也會越來越快,我們希望這些革命性的技術能夠盡快造福我們國內的消費者。