汽车发动机的可变气门技术

陈宝文

摘要：汽车发动机在运行过程中需要通过气门的开闭来获取足够的新鲜空气以及排除废气，汽车发动机在高速运转和低速运转的情况下需要的空气量和空气流通速率都有所不同，可变气门技术可以通过改变气门的升程和开闭时间来实现更加高效的控制，进而使汽车发动机在各种工况之下都可达到最佳的运行状态。本文对这种技术的起源、发展以及未来的趋势进行了深入浅出的的分析。

关键词：汽车发动机;可变气门;应用分析

汽车发动机的稳定性、燃油使用率以及节能环保效果等在很大程度上受到其气门技术的影响，可变气门技术通过动态化的控制气门升程和开启的时间来实现空气流通率的可变控制。这种技术的应用在很大程度上提高了汽车发动机在不同状态下的运行效率，而且其经济性和环保性能也更加显著。

一、可变气门技术概述

第一，可变气门正时技术。汽车发动机在运行过程中需要通过开启气门的方式向内部的燃油提供必需的空气以及排出废气，因为汽车发动机内的油料燃烧过程需要氧气参与相关的化学反应，而气门开启的时间就是所谓的正门技术。现阶段汽车发动机的正时技术可以根据活塞的运动状态对气门的开闭时间进行可变的控制，进而形成了目前普遍使用的可变气门正时技术。汽车发动机在运行过程中必然会产生大量的废气，进气门活塞在自上而下的运动过程中需要通过气门的开启来实现有效的排气且气门关闭的时间点是活塞到达气门终止点。现代汽车不断提高的运行速度导致其发动机需要提供稳定持续的动力，发动机的运行过程对空气形成的严重依赖要求其气门必须在正确的时间打开和关闭，否则就可能导致发动机不能获得足够的氧气或者出现燃料的泄漏等问题。汽车发动机的进气门负责将空气吸进内部而排气门则负责将废气排出到发动机外，汽车发动机在处理某些临时性的动作时需要同时打开排气门和进气门并形成专业上所谓的气门叠加。通过以上分析可知汽车发动机的正常运行在很大程度上受到其可变气门正时技术的影响。

第二，气门升程技术。在可变气门升程技术出现之前，汽油发动机在运行时其气门的开启程度始终处在固定不变的状态之下，也就是说无论汽车高速行驶还是低速行驶，汽车发动机的气门可开启程度总是不会变化的。显而易见的是汽车在高速和低速运行的情况下需要消耗的能量大小是不一致的，前者需要更多的空气供应而后者则相对较少一些，不可变的气门升程设计会导致汽车发动机在这两种运行状态下不能达到最佳的响应。可变气门升程技术可以根据汽车发动机的运行状态自动化的调节气门开启程度，也就是说通过可变气门升程技术可以使汽车发动机实现可变的空气流通效率，汽车低速运行的过程中可以通过小幅度的气门开启来增强空气的絮流效應并促进汽油充分燃烧，而高速运行状态下可以通过更大幅度的气门开启来增加空气的流入效率并满足更多的氧气需求，提高动力供应。这种技术是通过在气门调节机构处设置高速和低速两种不同的凸轮来实现的，二者之间可实现顺畅的切换。

二、作用分析

驾驶汽车的过程中需要通过控制油门的大小来增加或者减少发动机内的供油量，在汽车需要提速时通过油门来提高供应给气缸的喷油量，进而为其提供更多大的动力供应。但是仅仅提高喷油量还不够，汽油在燃烧过程中需要消耗与汽油量相匹配的氧气。传统的汽车发动机技术可以实现供油量的变化而不能实现供气量的变化，由此带来的问题是汽油发动机在高速和低速运行的情况下都不能达到最佳的效率和扭矩。可变气门正时技术和可变气门升程技术配合在一起可以实现汽车发送机供气量的灵活变化，在喷油量较大的情况下通过延长气门开启时间和增大升程来增加新鲜空气的供给量，进而使氧气和汽油之间形成良好的配给率。所以可变气门技术的应用可以大幅度改善汽车发动机的运行状态并提高汽车行驶的稳定性。需要指出的是汽车发动机的喷油量和氧气之间的比例需要做到尽可能精确的程度，可变气门技术在实现这一目标时起到了非常重要的作用。

三、起源及发展

（一）技术起源

汽油发动机一般采用活塞式四冲程的技术路线且其运动过程分别为进气、压缩、做功以及排气，气缸内能够实现自动进气的主要原理是外界大气压强比气缸内的压强大，进而使空气在外部高压强的作用下进入到气缸内部。如果气门开启程度过大就会导致汽缸内外部压强达到或者接近平衡并限制空气的内流，相反气门开启程度过小就会造成外部空气不能快速进入气缸并对汽车的发动机的转速产生制约。传统的汽车气门技术不能实现可变的控制，进而使汽车发动机不能实现高速和低速之间的有效切换且其性能也不能达到最佳状态。

日本汽车厂商本田于1989年首次研发出了可变化的气门升程控制技术和正时技术，其实现原理是在汽车发动机的气配系统中设置了可以实现多阶段调节功能的机械结构，通过摇臂带动凸轮来控制气门的开闭幅度和开闭时间。这一技术被命名为VTEC。其中的可变气门升程技术和可变气门正时技术也就是现在被人们熟知的VVL和VVT，很多汽车发动机上都具有这种技术标志。德国汽车制造厂商奥迪利用相似的原理研发出了AVS配气系统。由于这种技术对汽车发动机的进气量调节实现了动态可控且极大的提高了发动机的效率，进而得到了快速的发展和应用。

需要指出的是VTEC和AVS技术在进行发动起气门调节时只能实现阶段式的改变，也就是两段或者三段，由此带来的问题是不同阶段之间进行切换时汽车的动力性能会出现比较明显的变化，进而使人可以感受到不太平稳的动力输出。

本田公司多年来不断对其VTEC技术进行改进并在原有的基础上升级开发出可实现连续气门可变控制的Advance VTEC技术。

另外，由本田公司率先研发且经过其他汽车厂商大力跟进的可变气门控制技术可以提高汽车喷油量与空气之间的配给合理性，进而使汽油燃烧的更加充分，其造成的空气污染和燃料消耗都比传统的不可变气门技术更小，因而这种技术对汽车的节能环保改造也具有非常突出的效果。

（二）进一步发展

第一，可变升程技术的发展。德国的宝马公司和日本日产汽车作为世界著名的汽车生产制造厂商在本田之后也快速进入到可变气门控制技术的研发，这两家公司分别推出了Valvetronic和VVEL这两种可实现连续调节的气门升程技术。由此带来的优势在于汽车发动机在不同转速之间的切换可以实现更加平稳的控制。人们在驾驶和乘坐汽车的过程中不会因为动力的提升或者下降而产生不顺畅的感受。这两种技术在实现过程中主要是通过步进电机带动控制杆和偏心凸轮的持续运动，气门升程的调节过程在凸轮的持续运动之下也可以实现连续的变化。表1对DVVL和CVVL两种主流的技术路径进行了对比，其中反映出了这两种技术路线各自的优点和缺点。

第二，可变正时技术的发展。这种技术在实现过程中主要是利用凸轮轴的转动来控制配气相位的角度，进而使发动机负荷、转速与配气相位之间形成良好的配合。各大汽车制造商基本上都是通过电机或者液压这两种主要技术路线来控制凸轮轴的转角。这种技术在早期发展阶段只是单独使用液压方式来分段式地控制进气凸轮轴，这一阶段将其称之为VVT技术，日本丰田公司在研究这种技术时在其中融入了智能控制系统并形成了后来的VVT-i技术路线。可变气门控制技术最早仅仅是应用于气缸的进气门上，后来进气门和排气门都采用了这种控制方式，于是便形成了双可变气门正时技术，也就是DVVT。当可变气门正时技术从阶段式可控发展为连续可控时就产生了现在的仍然广泛使用的CVVT技术。日本的三菱公司和德国的宝马公司在后来也对这种技术进行研究并将其与可变气门升程技术进行了有效的综合，分别研发出MIVCE（智能可變气门正时与升程管理系统）、Double-VANOS（双凸轮轴可变气门正时系统）（见表1）。

（三）发展趋势

汽车发动机的气门控制技术对发动机的运行效率、运行稳定性以及节能环保等具有非常重要的作用，在未来的发展中需要对突轴的角度进行更加精细化的切换并实现更为精确的控制，如何通过机械结构模型的优化来提高空气的流通效率，并提高汽车配气系统的可靠性，这些才是汽车气门可控技术的发展重点。另外，智能可变气门正时及升程控制系统和智能点火技术配合在一起可以实现发动机工况的实时调整。提高气门可变控制系统的智能化程度、可靠性、经济性以及基节能性等是关键的技术发展方向。

气门可变控制技术可以根据汽车发动机的运行状态自动化的调节开闭时间和升程，其核心为可变正时技术和可变升程技术。自上个世纪80年代末开始，这种技术已经逐渐从早期的阶段式控制模式转变成现在的智能控制和连续控制。将这种技术应用于汽车发动机的控制中可以有效地提高其对不同动力需求的适应能力，对这种技术进行研究具有非常重要的意义。

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