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全球可变气门正时vvt技术大比拼

2020-08-07 15:06分类:故障维修 阅读:

  自然吸气引擎篇---可变气门正时(VVT)技术大比拼

  目前国内汽车市场中,涡轮(TUBRO)引擎已经凭借大众奥迪等厂商的多年努力有了相当程度的推广,但制造维护成本更低、更可靠的自然吸气(NA)引擎却依然占领着大部分市场。而提到自然吸气引擎我们就不得不习惯性的提起三个字母--VVT,这也是本篇文章介绍的重点。

  在这之前我们有必要简单了解一些汽车引擎的基本知识。以我们在初中物理中学到的内燃机知识为基础,平时大家常说发动机的排气量是一个最大值。发动机实际工作效率取决于进气效率,即进入气缸的混合气与排气量的比。气门正时,尤其是进气迟闭角,对发动机充气效率有直接影响。当发动机高转速时,增大进气迟闭角,有利于提高充气效率、提高最大功率。而当发动机处于低转速时,减小进气迟闭角,能防止气体被推回进气管,有利于提高最大扭矩,但降低了最大功率。传统的气门机构调整,也就无法进一步提高发动机性能。

  20世纪60年代起,工程师们开始致力于VVT(Variable Valve Timing)可变气门正时的研究。最早开发出成型技术的是菲亚特和通用,但受技术和成本的限制并没有量产。1982年的阿尔法"罗密欧Spider 2.0是最早采用VVT技术的量产车。

  厂商总吹嘘自己的可变气门正时技术多么先进,事实真是如此吗?在答案揭晓之前,先卖个关子,介绍一下VVT技术的相关知识,以及VVT的几个关键词解惑。

  VVT 对比 CVVT

  CVVT(连续可变气门正时)就是拥有“Coutinous”连续能力的VVT,是众多VVT中的一个种类。目前绝大多数厂商都拥有CVVT技术,一般通过一个凸轮轴位置调节机构来实现(本田的i-VTEC是个异类)。从性能上看,CVVT与VVT的最大功率与最大扭矩并无太大区别,但在中间转速时,CVVT的扭矩更大,且扭矩曲线更为平滑。

  气门升程

  气门升程的作用就像一个水龙头,直接决定了发动机的进气速度。在高转速时配合较大的气门升程能大幅提升发动机的最大功率。低转速时发动机的单位时间进气量本来就小,也就不需要很高的进气速度,减小气门升程有助于形成涡流,提高充气效率。将气门升程的连续可变技术用于量产车的目前仅有宝马一家(注意是“连续”可变,本田也能对气门升程做出调节但为阶段式可变),作用同样是提升中低转速扭矩,但效果并不明显。

  VVT 对比 VIM

  VIM既可变进气歧管技术。在低转速时,细长的进气歧管有助于形成涡流;高转速时,粗短的进气歧管能增加进气量,保证充足的空气供应。与VVT相比,VIM只能算是一种辅助。事实上,很多厂商也只是将VIM作为VVT的配套设备,比如马自达的S-VT+VIS。

  VVT 对比 增压

  VVT与增压的关系,就像剑术与刀法,同样是克敌技艺,却是王道与霸道两种截然不同的风格。VVT通过改善条件提升充气效率,增压(无论是哪种增压方式)都是以强制进气来提升充气效率。哪种方式更好很难说清,就连厂家也是各自有不同的倾向。但是有两点是可以肯定的:一是VVT与增压共存时,发动机性能与单有增压时相差无几;二是从单位排气量的功率来看,增压的效果要更好。

  SOHC 对比 DOHC

  SOHC表示单顶置凸轮轴发动机,即一个进气门一个排气门。低转速时扭据较同排量DOHC发动机大,爆发力更好,动力一般在4000-4500转或者以上爆发。DOHC表示双顶置凸轮轴发动机,一般每缸有多个气门,普遍是4气门(即2个进气门2个排气门),多气门发动机燃烧更充分,能让更多新鲜空气进入发动机,排放效率更好,动力爆发点要早一些,基本上处于2500-3500转左右。相比较而言DOHC技术更先进,SOHC更适合走走停停的城市道路而且结构简单维护保养成本更低。

  各大厂商的VVT技术(排序按在VVT技术领域的影响力)

  【本田VTEC】

  本田的VTEC技术,是VVT发展史上的里程碑。正是兼顾性能与成本的VTEC出现,才让VVT技术开始大行其道。本田VTEC目前已经发展到第三代i-VTEC(智能可变气门正时及升程电子控制系统),该系统由一个三段式的VTEC和VTC控制器组成。VTEC通过凸轮轴上的高低行程两组凸轮和驱动气门的两级摇臂机构来实现对气门正时和升程的控制,凸轮和摇臂共有三种组合,是一种阶段式的VVT系统。VTC能根据发动机转速和负荷,调整进排气正时的重叠角,让i-VTEC具有连续可变正时的性能。目前本田所有成型的i-VTEC引擎均为同时控制进排气门。本田自2002年开始在旗下所有车型中全面使用i-VTEC,但需注意的是本田还有一种SOHC i-VTEC。SOHC i-VTEC以三段式的VTEC为基础,没有VTC(VTC只能用于DOHC),增加了一个省油模式。在省油模式下,节气门在低转速也保持全开,从而提升发动机的进气效率,达到省油的目的。国产的思域1.8L和雅阁2.0L用的都是这种SOHC i-VTEC。

  【宝马VANOS】

  宝马的Double VANOS+Valvetronic是目前唯一能做到连续可变气门正时和升程的系统。VANOS通过一个液压驱动的杯型齿轮,联接凸轮轴和链轮,通过杯型齿轮的动作提前或延迟凸轮轴的转动,从而实现连续可变气门正时。Double VANOS就是进排气都有VANOS来控制。Valvetronic使用液压调整的摇臂来控制气门升程,不同于其他气门升程调节机构只是阶段式的,Valvetronic可以做到连续调节。Double VANOS+Valvetronic系统在功能上接近完美,结构也非常清晰,但对液压部件的要求非常高,因此成本一直居高不下。

  【丰田VVT-i】

  丰田最早在1992年的卡罗拉车型上使用了搭载VVT技术的4A-GE发动机,但只是气门正时二阶段可变的。1996年,丰田推出了VVT-i,并沿用至今。VVT-i的结构类似于宝马的VANOS,不同的是VANOS通过液压机械结构,而VVT-i通过电机提前或延迟凸轮轴的转动,控制精度没有VANOS那么高。同样,双VVT-i就是进排气都有VVT-i。同是日本最具代表性的汽车厂商,丰田的自然吸气发动机始终不如本田,2001年他们决定反戈一击。新推出的塞利卡SS-II,使用编号为2ZZ-GE的1.8L发动机,该发动机采用VVTL-i技术,L既“Left”,表示该技术能对气门升程做出调节。有趣的是,VVTL-i的气门升程调节机构与本田的VTEC非常相似,也仅有两段调节。国内目前还没有使用VVTL-i技术的丰田车型。

  【保时捷VarioCam Plus】

  保时捷的VarioCam Plus结合了VTEC和VANOS的特点。在调节气门正时方面,采用了与VANOS近似的做法。但VarioCam Plus没有摇臂机构,而是直接用凸轮轴推动气门,采用与VTEC类似的高低行程两组凸轮,达成对气门升程两段调节的功能。保时捷的车比较稀少,所以VarioCam Plus在国内名气也不是那么大。据说VarioCam Plus的特性非常类似于早期的VTEC,在特定转速开启之后能给发动机性能带来质的飞跃。

  【通用DVVT】

  通用的“VVT”系统(加引号以示区别),是一套连续可变的VVT系统,技术含量较高。无论对于OHV或OHC形式的发动机都能匹配,是通用VVT系统的最神奇之处。通用在其一系列高性能V6发动机(HFV6)中运用了进排气连续可变气门正时和电子节气门技术,但是通用并没有对这项技术命名。此外HFV6系列发动机为序列式燃油直喷。通用新君威,科鲁兹搭载源自欧宝的ECOTEC引擎,技术含量还是很高的。

  【日产N-VCT】

  1993年日产开始采用福特的VCT技术,自称N-VCT。N-VCT是最早期的VVT,只能对进气正时进行阶段式的调节,但是结构简单效果不错,到目前还广泛运用于旗下的发动机,比如VQ35DE。1997年~2001年,日产在其RB系列发动机上使用了VVL技术,该技术非常类似VTEC。唯一的区别是,VVL的气门升程和正时是分开控制的。目前广泛用于日产小型车的HR16DE、MR20DE发动机(骐达,轩逸所搭载)采用的是2004年公布的CVTC技术,该技术类似丰田VVT-i,能对进气正时做连续可变控制。

  【大众奥迪集团】

  各位应该很少听说大众的VVT技术,这是因为从技术上说VVT和涡轮增压是相冲突的,一个需要精确控制一个是填鸭式的。大众曾在其EA117平台1.8T发动机的后期型号使用过保时捷的VarioCam技术,但涡轮与VarioCam合作的结果却是1+1<2,效果不理想。就目前的TSI技术来说,开发与之配套的VVT系统意义不大,而且成本较高,所以大众干脆专心于直喷发动机。此外09年1月国内上市的新一代奥迪A4上装备了奥迪自行研发的AVS(气门升程控制系统),其原理与本田的VTEC差不多,这款AVS与增压结合的引擎会表现如何还有待市场的考验。

  【阿尔法"罗密欧Variator】

  阿尔法"罗密欧虽然最早量产使用VVT技术汽车,却没有发展更先进的VVT技术。他们的Twin Spark发动机已经生产了22年,从1994年开始,Twin Spark 16v系列的1.8L、2.0L发动机开始使用Variator技术。Variator几乎和宝马的VANOS一模一样,从今天看,数据上已经比较落伍。阿尔法"罗密欧的最新技术来自通用的HFV6发动机。

  【马自达S-VT】

  马自达的S-VT结构类似于宝马的VANOS。不过马自达通过一系列工作来改善发动机的工作效率,包括VIS可变进气歧管控制、VICS可变涡流控制等,从其他方面完善了发动机的进气性能。

  【福特VCT】

  福特一直都在使用自己开发的VCT技术,由于福特并不将VCT作为主要卖点,多年来也没有投入太多精力在上面。至于长安福特蒙迪欧-致胜的i-VCT技术,其实就是马自达的S-VT,而Duratec HE发动机也就是稍作修改的马自达MZR发动机。

  【标致雪铁龙集团】

  PSA与宝马合作开发了一套CVVT系统。整套系统相当于简化版的VANOS,用于一系列小排量,其中最著名的当属Mini Cooper使用的Prince发动机。

  【克莱斯勒】

  上面提到的Prince发动机,其前身是克莱斯勒、罗孚和宝马合作开发的Tritec发动机。2005年克莱斯勒与宝马一拍两散,联合三菱、现代组成GEMC世界发动机联盟,开发“世界”发动机。我们很惊奇地看到“世界”同样采用名为CVVT的技术,从结构上看和PSA的也没什么区别的。不妨大胆猜测,其实无论是克莱斯勒、现代起亚集团的CVVT都是源于宝马的VANOS。

  【三菱MIVEC】

  三菱的MIVEC因为Evolution IX而变得非常著名。MIVEC的结构类似本田的VTEC(注意没有i)。所以除了涡轮增压的Evolution IX,其他采用MIVEC技术的发动机性能都较差。

  各家VVT技术孰优孰劣

  为了量化地评价各家的技术,我们把结构的先进程度作为评价的主要指标,并以发动机的升功率作为辅助的参考指标,将目前市场上主要的VVT技术分成五个级别。

  技术最先进VVT:宝马Double VANOS+Valvetronic,这套系统在功能上接近于完美的VVT,对气门正时、重叠角和升程都能进行连续可变的控制,且控制精度精确到毫秒。

  性能最强劲VVT:本田VTEC当之无愧,神奇跑车S2000创造的125匹/升(92千瓦/升)最强升功率世界记录至今没有另外一家厂商能够打破。

  技术最可靠VVT:本田 宝马 保时捷 丰田,当前在量产发动机上拥有最高VVT技术的厂商。(保时捷VarioCam Plus虽不如另外三家那么有名,但在欧洲也有不少厂商采用该技术。)

  进排气正时连续可变VVT:目前较为先进的技术,只掌握在少数厂商手中(前四家再加通用)。此外由于国产通用、丰田汽车缺少可变气门升程控制,因此高转速性能不强。

  进气正时连续可变VVT:目前大部分厂商广泛使用的技术。性能相比进排气连续可变系统稍低,

  阶段可变VVT:技术比较陈旧,发动机综合表现较差。但在某一方面,比如油耗或者高转速性能,会有独到的优势,且成本最低。

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