超越VTEC的无级可变气门扬程系统解析
2010年07月13日 18:50
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前言:
    人时时刻刻都需要呼吸,呼吸贯穿于人的一生。人在睡觉时呼吸平缓,在运动时贪婪地呼吸。发动机在工作的时候也是一样,在高负载时气缸需要吸进更多的混合气;在低负载时,为了减少油耗和排放则应该减少进气量。而控制进气量的多少除了节气门开合,更为直接的就是气门正时和扬程控制技术了。

正文:
   为使发动机在不同转速工况下的效率最优化,汽车工程师发明了可变气门正时技术。可变气门正时技术,业内也叫VVT(variable valve timing),通过对凸轮轴转角的控制,推迟和延后气门的开闭时间达到进排气效率最优化。在高转速时,进气门推迟关闭,排气门推迟打开,提升进气量同时让燃料燃烧更加充分;在低转速时,进气门提早关闭,排气门提早打开,节省燃料同时排气更充分。可变气门正时技术基本上被标配于现在市面上的几乎所有车型,VVT对于车主们来说已经是习以为常的标识。随着发动机系统和工艺的日益精细化,气门扬程可变系统被引入到发动机系统中。VTEC可能是大家耳熟能详的一种气门扬程可变技术,也是本田发动机引以为傲的一种技术,在过去十多年间本田的VTEC经过几代的改进,气门扬程控制也更为精确和快速。时至今日,VTEC技术已经不是最先进和最为精确的气门扬程可变技术,其根本致命伤在于其气门扬程调节是分段式的(最新但未被广泛使用的本田AVTEC已经具备无级气门扬程控制能力)。当今最先进的气门扬程可变技术都是无级可调式的扬程可变技术,实时根据发动机工况对气门扬程进行调节。这种无级可调式气门扬程调节系统大多采用了偏心轴或者中间杠杆的机构,使得气门扬程调节无级化。本文将对比介绍3款无级可变气门扬程调节系统——宝马的Valvetronic、日产的VVEL、丰田的Valvematic。

宝马的Valvetronic
   宝马永远是走在技术的前沿的。在2001年1月,第一代Valvetronic系统被首次运用于3系E46上的直列4缸N42发动机。Valvetronic扬程可变系统搭配Bi-Vanos气门正时系统使得N42发动机在当时业内显得非常先进。第二代Valvetronic被应用于宝马N46、N52、N62等发动机上。而N52这款直列六缸自然吸气发动机则是最受到人们关注的型号,被搭配于E60、E66、E90等同代车型上。而第三代Valvetronic系统则配合最新的涡轮增压发动机被应用于最新一代的N55发动机上。
   Valvetronic的核心是中间杠杆技术,凸轮轴通过驱动相位可调节的中间杠杆实现气门扬程的无级调节。下图为宝马最新第三代Valvetronic机构结构图,Valvetronic机构由5个重要部分组成:偏心轴驱动电机、偏心轴驱动齿轮、偏心轴、凸轮轴、中间杠杆。


从下图中可以看到,Valvetronic可以通过调节中间杠杆的位置实现了气门扬程的无级调节。在负荷较低的发动机工况下,Valvetronic控制气门开度较小,吸入的空气量较少,燃油使用量较少;当发动机负载增加,Valvetronic控制气门开度较大,吸入的空气量较大,燃油吸入量多,做功较多,输出动力更大。有了Valvetronic,节气门的负载控制功能则被取代了,在正常工作时,发动机进气量由Valvetronic机构控制,节气门全开。节气门只在发动机出问题时进入紧急模式后才控制发动机进气量。这样一来,由于节气门全开,使得空气进入气缸畅通无阻,不会在进气门背面产生负压,也极大减少了发动机进气损失,最终达到提高燃油经济性和提升发动机效能的目的。


优点:减少节气损失,减少油耗。
  缺点:结构较大;增加的机构增加了摩擦损失和惯性使得此机构不适用于超高转速发动机。

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