发动机连续可变的气门正时系统的全面介绍

xianrenban

现代引擎多采用DOHC的缸盖设计，两根凸轮轴被设置在引擎顶部，通过齿形带轮或链条从曲轴端取力，并以2：1的速度驱动凸轮轴，此时凸轮轴商凸轮的旋转推动气门进行上下往复运动，从而控制气门的开启和闭合。而我们今天要关注的，其实就是气门开合的问题。
什么要“可变气门行程”？
活塞式四冲程引擎都由进气、压缩、做功、排气4个冲程完成，我们关注的是气门开启程度对引擎进气的问题。气缸进气的基本原理是“负压”，也就是气缸内外的气体压强差。在引擎低速运转时，气门的开启程度切不可过大，这样容易造成气缸内外压力均衡，负压减小，从而进气不够充分，对于气门的工作而言，这个“小程度开启”需要短行程的方式加以控制；而高速恰恰相反，转速动辄5000rpm，倘若气门依然羞羞答答不肯打开，引擎的进气必然受阻，所以，我们需要长行程的气门升程。往往，工程师们既要兼顾引擎在低速区的扭矩特性，又想榨取高速区的功率特性，只能采取一条“折中”的思路，到头来引擎高速没功率，低速缺扭矩……
所以在这样的情况下，就需要一种对气门升程进行调节的装置，也就是我们要说的“可变气门正时技术”。该技术既能保证低速高扭矩，又能获得高速高功率，对引擎而言是一个极大的突破。
80年代，诸多企业开始投入了可变气门正时的研究，1989年本田首次发布了“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”，英文全称“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System，也就是我们常见的VTEC。此后，各家企业不断发展该技术，到今天已经非常成熟，丰田也开发了VVT-i，保时捷开发了Variocam，现代开发了DVVT……几乎每家企业都有了自己的可变气门正时技术。一系列可变气门技术虽然商品名各异，但其设计思想却极为相似。

可变气门正时技术之一：保时捷Variocam
保时捷911跑车引擎采用的可变气门正时技术Variocam
通过气门我们可以发现其两个位置，图中每个进气门分别有2种最大行程，绿色位置显然是高速时气门能够达到的最大行程。控制气门行程变化的，是两组凸轮控制，一组是高速凸轮，既红色部分的凸轮；另一组是低速凸轮，既高速凸轮之间的凸轮。
当引擎在低转速工况时，气门座顶端的黄色的控制活塞落在气门座内。这样高速凸轮只能驱动气门座向下行程而不能带动整个气门动作，整个气门由低速凸轮驱动气门顶向下行程，这样获得的气门开度就较小。反之当发动机在高转速工况时，控制活塞在液压的驱动下从气门座推入到气门顶中，把气门座和气门刚性的连接，高速凸轮驱动气门座时就能带动气门向下行程获得较大的气门开度。

可变气门正时技术之二：本田VTEC
与保时捷Variocam略有相同，本田的VTEC原理接近，而控制方式不同。
凸轮轴上依然布置有高速凸轮与低速凸轮，但由于本田引擎的气门由摇臂驱动，所以不能像保时捷一样紧凑。控制高低速凸轮切换的是一组结构复杂的摇臂，通过传感器测出引擎转速，传送到ECU进行控制，并由ECU发出指令控制摇臂。
简单地说，就是这套摇臂能够根据转速不同自动选取1进1排的2气门工作或者2进2排的4气门工作，从而让发动机在高低速工况下都能顺畅自如。
通常，转速低于3500rpm时，各有一支进气、排气凸轮工作，此时发动机近似为一台2气门发动机，这样的好处是，能够增加负压，利于进气；转速超过3500rpm时，液压系伺服系统接到发动机中央控制器ECU指令，对摇臂内机油加压，压力机油推动定时柱塞移动，使得同步柱塞将高速摇臂与主副摇臂刚性连接，此时低速凸轮虽然转动，但处于空转状态，并不参与工作，从而4支活塞共同工作，以适应高速运转。

可变气门正时技术之三：宝马Valvetronic
与保时捷Variocam、本田VTEC相同的技术还有很多，例如丰田VVT-i，通用ECOtec系列引擎的VVT等等，这些技术能够改变气门升程，但是局限性在于，这些技术都只有“两段式”可调，在气门行程进行变化的一刻会感觉到顿挫感。由此，宝马对气门行程的调节煞费苦心，开发了一套可以连续可变的气门正时技术，目前号称最具科技含量的气门正时技术。
与众不同的是，宝马采用的是电机驱动的方式，电机的周相运动通过蜗杆传动齿轮，准变为摇臂的控制角度变化，然后在凸轮轴的驱动下由摇臂带动气门运动。通过改变摇臂的角度即可改变气门的行程。由于采用了电机控制，在ECU指令下电机能够“无极”变化角度，使得气门升程的改变并不影响引擎工作，没有顿挫感，也更能有针对性地对每个转速范围进行细致的配气分析。

四冲程汽油机的工作原理。进气冲程，发动机进气门开，排气门闭，活塞下行将空气吸入汽缸；压缩冲程，进排气门关闭，活塞上行，将混合燃气压缩；做功冲程，进排气门关闭，火花塞点火将燃气点燃，高压燃气将活塞向下推动；排气冲程，进气门闭，排气门开，活塞上行将废气挤出汽缸。就这么周而复始的活塞上下往复运动，通过连杆连接到曲轴，转变成为圆周运动，源源不断地传输动力……
如果，事情就这么简单就好了，工程师们也就不用费尽心思设计配气机构了。可是，空气在汽缸里的运动并非想象中那么规规矩矩，巨大的运动惯量和复杂的热运动让燃气的脾气变得错综复杂。进气门和排气门的工作也并非严格按照上述的时刻开启和关闭。
在排气形成接近终了，活塞即将达到上止点前，进气门就开启。这是为了保证进气行程开始时进气门已经开大，新鲜空气可以顺利充入汽缸；
进气冲程结束，直到活塞过了下止点又上行开始压缩冲程，进气门才关闭。在压缩冲程开始阶段，活塞上行速度缓慢，气流惯性与活塞内外压力差依然能够让汽缸进气。
同样，排气门也在作功行程末，活塞达到下止点前即开启，此时汽缸内虽然有0.3-0.5Bar的气压，但是对作功作用并不大，索性打开排气门，将其排出汽缸。
排气门的关闭点也在排气过程末，进气冲程开始后。活塞处于上止点时，汽缸内废气压力依然高于大气压，加之排气具有惯性，晚关排气门有利于更彻底的排气。
这个特征当然需要在配气机构得以体现，那么控制气门开启和关闭的任务当然就交给了凸轮轴。凸轮轴设计了进排气提前和延时的角度，这个角度统称为配气正时角。

配气正时可变
发动机技术发展到今天，民用车转速范围已经拓展到6000rpm乃至9000rpm，低速和高速时，气门开启关闭的时刻需要与转速匹配。
在低转速时，进气速度慢，所以气门重叠角可以相对大一些，应该应该让进气门提前打开和延时关闭的时间更长一些，以保证充分进气；在高转速情况下，由于混合气流速很快，那么气门重叠角就应变小，让气门提前开启和延时关闭的时间减短，这样才不会造成进排气干涉。发动机才能在保证不发生进排气干涉的情况下，让其在各个工况都能得到充分的进气，从而提高了发动机的工作效率，也让发动机在低转时能有充分的扭力输出，高转速时能有更强大的功率输出，让发动机扭力输出得更平稳，特性曲线更线性。
为了达到这种“可变”的效果，各家企业都有自己的一套手段来对配气正时进行调整。
可变气门正时技术之一：保时捷Variocam

如上图可以发现，在凸轮轴左边有一凸轮轴同步齿形带轮，曲轴动力通过正时链条传递到带轮，并进一步输送到凸轮轴上，以控制凸轮轴角度，进而控制配气正时角。保时捷在凸轮轴同步齿形带轮上设置了一个液压装置，当ECU接收位于曲轴的传感器的讯息，并进行处理后，将该转速下的配气正时角转变成为电信号传送到液压装置，由液压装置加压，使凸轮轴同步齿形带轮能够顺、逆时针在红色和兰色位置之间自由转动，达到控制配气正时角的目的。

可变气门正时技术之二：本田VTEC

下图是本田VTEC系统，该发动机匹配的是单VTEC系统，其配气正时角的调整只设置于进气门，而对排气门并无此作用。齿形皮带驱动白色部分凸轮轴同步齿形带轮，而凸轮轴与图中兰色部分相连，兰色部分为凸轮轴末端，其位置与凸轮轴同步齿形带轮存在一定的夹角，通过液压对该角度进行调整，从而控制凸轮轴偏摆的位置，达到改变配气正时角的目的。

可变气门正时技术之三：雷诺—日产CVTC

雷诺、日产合并之后，多项技术都在集团内部进行共用。其中就包括日产潜心研究的CVTC连续可变气门正时系统。其原理与本田VTEC接近，也是采用液压作用改变凸轮轴同步齿形带轮与凸轮轴末端的夹角，从而改变配气正时角。
在凸轮轴与正时齿轮之间有高压油区和低压油区。只要调节两个油区之间的压力差，就能改变配气正时角了。两个油区的油压通过油压控制阀调节的。当高压油路（图中红色的通道）接通时，整个油室处于加压状态，凸轮轴顺时针偏转一定角度，配气正时被推迟，重叠角增大，适用于低转速；当电磁阀控制黄色区域压力高于红色区域压力时，凸轮轴逆时针偏转一定角度，配气正时被提前，这样重叠角减小，适用于高转速。

这里另外说一下，大众公司相似的技术是 “Variable Valve Timing”，中文叫做“可变进气相位（正时）”。其原理与本田的VTEC 相似，不过相对较简单，少了升程控制系统，对气门的控制没有VTEC精确。但在ea888上的1.8t fsi采用的是新一代的可变正时控制系统，也是液压控制，比以前的老引擎上的控制系统要精确，响应更加敏捷,但也只是进气门正时控制，并没有实现对排气门的正时控制。大众好像没有采用气门升程控制技术，因此不能控制气门升程大小，不知道为什么，是不是因为在进气歧管上已经有变截面技术来控制气流了？

本田
VTEC 分级可变气门升程 分级可变配气正时
i－VTEC 分级可变气门升程 连续可变配气正时

丰田
vvt-i 连续可变配气正时
dual vvti 连续可变配气正时(进排气门分别独立控制）
vvtl-i 分级可变气门升程 连续可变配气正时

bmw
Valvetronic 连续可变气门升程
Double VANOS 连续可变配气正时(进排气门分别独立控制）

vw
Variable Valve Timing 连续可变配气正时（进气门）
好像audi有款 fsi发动机又已经采用了包括可变气门升程，连续可变进气门，排气门配气正时技术

三菱
MIVEC 分级可变气门升程 连续可变配气正时

马自达
s-vt 分级可变气门升程 连续可变配气正时

日产
CVTC 连续可变配气正时

xiaoaxiaob

不过这些可变气门正时的实现都需要附加机构，应该有一种更优秀的气门正时系统，就是去掉凸轮轴！

咖啡824

我来补充下：
丰田VVT-i技术对比本田i-VTEC技术

　　只要一有日本和韩国新车上市，就可能在新车发布会上及广告中吹嘘一通可变进气系统，更有一些厂家把可变进气系统的英文缩写印在车屁股或侧身上，向人标榜我如何如何先进。有些媒体还会随声附和给出一堆似是而非的解释说明，然后你就觉得只要有带V字的什么可变进气系统，车子就会猛得飞上天。
　　实际上，可变进气系统的最大作用并不是提升动力、降低能耗，而是提升技术形象、降低库存。
　　闲话少叙，今天我们只简单谈谈VVT—i和i—VTEC，这两个在中国最红最火的可变进气技术。
　　VVT—i，吸引买主的法宝
　　丰田引以为荣的VVT—i技术已经应用了10年，这10年中并没有什么大的技术提升和改变。VVT-i即英文VariableValve Timing with intelligence的英文缩写，其中文翻译是“智能.可变配气正时系统”。该系统的最大特点是可根据发动机的状态控制进气凸轮轴，通过调整凸轮轴转角对配气时机进行优化，以获得最佳的配气正时，从而在所有速度范围内提高扭矩，并能改善燃油经济性，有效提高汽车的功率与性能，减少油耗和废气排放。
　　发动机都有“发动机控制模块”(ECU)，统管点火、燃油喷射、排放控制、故障检测等。丰田VVT—i发动机的ECU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，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。
　　VVT—i偏重的是低转速时的特性，但实际上丰田的VVT—i在低于2000rpm时扭力并不丰厚，低转速高挡行车更有扭力不足的感觉。这是因为VVT—i的运作并不能覆盖低转速的范围，只能靠挡位的配合。而丰田的排挡太注重行驶的平顺，也就导致了整合车的行驶并没有任何激情可言。但起步加速阶段的冲力不错，这也是特意调校用来满足城市驾驶的特点。
　　i—VTEC，冲击市场的利器
　　VTEC是本田开发的先进发动机技术，也是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程两种不同情况的气门控制系统。VTEC即英文Variable ValveTiming and Valve Lift Electronic ControlSystem的英文缩写，其中文意思是“可变气门配气正时和气门升程电子控制系统”。与普通发动机相比，VTEC发动机所不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法，它有中低速和高速两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的调节进行自动转换。通过VTEC系统装置，发动机可以根据行驶工况自动改变气门的开启时间和提升程度，即改变进气量和排气量，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。
　　VTEC的设计类似于采用了两根不同的凸轮轴，一根用于低转速，一根用于高转速，但VTEC发动机的特别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ECU控制，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，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，获得所需的动力。
　　由于VTEC技术的成功和越来越多消费者对其认可，本田继而推出了比VTEC更先进的i—VTEC系统。i—VTEC系统是在现有的基础上，添加了一个“可变正时控制系统”，通过ECU控制程序调节进气门的开启关闭，使气门的重叠时间更加精确，达到最佳的进、排气时机，并且进一步提高了发动机的功率。
　　CIIVC装备的1.8升i—VTEC发动机，其最大功率为103kW／6300rpm，最高扭矩输出为174Nm／4300rpm，这是本田应用第三代VTEC技术的首款发动机。其最大特点在于根据实际使用状况，电脑自动调节凸轮轴升程，当发动机在较大负荷下需要更高动力输出时，可在2000rpm即改变凸轮轴升程，获得更充足的动力，而匀速驾驶时发动机会在4000rpm时提高凸轮轴升程，为的是获得良好的燃油经济性与动力表现的平衡。同时，通过ECU对节气门闭合时间和角度的控制，有效减少了发动机在驾驶中收油时的泵气损失，因此使油耗也有所降低。

zchapfiori

漏了audi的AVS

博燕志海

可变正时气门 在低转速时，进气速度慢，所以气门重叠角可以相对大一些，应该应该让进气门提前打开和延时关闭的时间更长一些，以保证充分进气；在高转速情况下，由于混合气流速很快，那么气门重叠角就应变小，让气门提前开启和延时关闭的时间减短，这样才不会造成进排气干涉。发动机才能在保证不发生进排气干涉的情况下，让其在各个工况都能得到充分的进气，从而提高了发动机的工作效率，也让发动机在低转时能有充分的扭力输出，高转速时能有更强大的功率输出，让发动机扭力输出得更平稳，特性曲线更线性。

所以原理上没有省油的意思，最多也就是个提高了扭矩和功率但不费油，所以省油很有限，所以厂家宣传的很有问题，忽悠不少人。

个人观点，有问题请指正。

sailor

省油的能力的确是有限的。不过原理好像完全说反了，这个问题在本论坛上也多次讨论了。
    在低速时，因为进气速率比较慢，可以使得进气门提前角相对再提前些打开，而进气门迟闭角相对提前关闭，避免进气倒流。而在高速时，利用高速气流的进气惯性，可以使得进气门相对推迟些关闭，以增加进气量。  请多批评指教！

xidamoon

提高了功率但不费油实际上就省油了，因为比油耗降低了，这就是为什么增压发动机省油的原因。

demobilize

可变气门技术是为解决发动机高、低转速对气门正时和升程要求的矛盾，主要意义在于扩展扭矩曲线的平台区，通俗地讲就是使发动机在较宽的转速范围内都能输出接近最大的扭矩从而改善发动机性能。不是为了节油和提高升功率。

smmztt

我个人认为5L的同学说的有道理，但是都有点问题，我分析如下：
5L说应低速进气早开晚关，早开是对的，因为低速时气体流动较慢，应考虑进气效率问题，及早打开，使进气更加充分，但是我考虑到此时肯定会有较大的进排气重叠角，过早开启造成废气进入进气歧管回流，所以综合考虑折中的进气提前；但是考虑到流速较低，为防止活塞上行时将进气泵回歧管，所以应早关，不是晚关！
高速时，进气应晚开晚关，晚开，避免进排气干扰，晚关，充分利用进气动量提升充气效率。
请高手指正

dusdy

怎么就没有国产的呢？

alexshar

原帖由 博燕志海 于 30-8-2009 10:42 发表
可变正时气门 在低转速时，进气速度慢，所以气门重叠角可以相对大一些，应该应该让进气门提前打开和延时关闭的时间更长一些，以保证充分进气；在高转速情况下，由于混合气流速很快，那么气门重叠角就应变小，让气门提 ...

你这个观点是原则性的错误！发动机在低转速时，若气门重叠角开启过大，由于气流惯性的减弱，可能会导致废气倒流，从而造成怠诉不稳，功率下降。而在告转时，形成进气时间变短，若气门重叠角开启过小，很容易就造成进气不足，排气不净，功率下降。利用气流惯性进行汽缸扫气，适当的加大气门重叠角。可有效提高高速时发动机功率。
所以说这是一套低速增矩，高速增功的系统！

jfeng

我同意11楼主前面的说法，但是总结性的那句“这是一套低速增矩，高速增功的系统”，我不赞同。
出于不同的考虑，对气门特性参数也有不同的要求。为了提高标定功率，要提早开启、推迟关闭进气门，并提高进气门升程；为了提高低速扭矩，要提早关闭进气门；为了改善启动性能并提高怠速稳定性，则要推迟开启进气门，减小气门叠开。所以我认为提高标定功率和低速扭矩是有冲突的，不会达到两者都满足的效果。

依然黑山老妖

各位真的都是高人，我只是看了一个皮毛，才刚注册，以后多向大家学习！