可变配气技术

可变配气技术详解（1）

说到可变配气相位，可变气门行程这类名字大家可能会有点陌生，但如果说到本田的VTEC，丰田的VVTi，还有保时捷的Variocam等这些名字可能就很熟悉了。其实这些只是车厂给他们的可变配气技术的不同命名而已，在技术上都是共通的，而这些英文缩写翻译成中文以后就是上面所说的可变配气相位和可变气门行程技术。要想了解可变配气技术，那首先得了解汽车配气机构的工作原理和特性了。

目前主流车型的配气机构都是用的每缸4气阀（两进两排）设计。（如图）

这种设计最大的好处就是能获得较大的进气支管截面积，从而得到较大的进气流量提高发动机工作效率。传统的多气门发动机的气门行程是不可变的，这就是说他只有一个固定的行程。让我们想想，在设计气门行程参数时会有一个什么样的问题呢？如果气门行程设置得较大，那么在发动机高转速时混合气的进气效率肯定是很高的，因为发动机在高转速时空气流速很快，这就需要较大的气门开口才能让混合气尽可能的充满汽缸，但在低转速范围，效果却截然相反，因为发动机在低转速范围时，进气管内的空气流速很慢，这就需要活塞向下行程时

能产生足够的负压才能尽可能的把混合气体吸入到汽缸。

那么怎么样得到较大的负压呢？我们不妨做个实验。我们可以找一根喝饮料用的塑料软管，当把塑料软管的一头放在空气中另一头放在口中用较慢的速度吸气时可以感到塑料软管内很通畅，但能吸到口中的空气很少；如果用手指稍微堵住吸管的一头再用较慢的速度吸气时，可以明显感觉到吸管内真空度变大，且能吸入口中的空气较多了。发动机的吸气原理也是一样的，所以在低转速时如果气门的开度较大，就会因为进气管内的真空度不够而吸气效率下降。所以汽车设计师在选择气门开度时既不能太大，也不能太小。如果开度大那么虽然高转速时功率能提高，但低转速时由于进气量太小，会让发动机的扭力下降，工作不稳定，严重时甚至熄火。反之如果选择较小的气门开度，那么低转速时的扭力虽然提高了，但高转速时的功率却发挥不出来。这就产生了一对矛盾。所以设计师只能选择一个折中的气门行程来尽可能的兼顾到高低转速的动力发挥。在这种情况，如果能设计一种机构可以随转速的高低来自动调节气门的行程不就可以让发动机既能在低转速时扭力充沛，又能在高转速时发挥出更大的功率了。所以可变气门行程机构就诞生了。其功能就是随发动机转速而改变气门的行程。当发动机低转速时使用短行程，高转速时使用长行程，这样就能很好的解决上面所说的配气

矛盾了。功能都是这样，但不同的厂家在设计时由于控制方式的不同那么在性能的发挥上也就有高低之分了。总的来说可以分为两类：一类是两段可变行程，一类是无级可变行程。前者的代表车型是保时捷和本田，后者的代表就是宝马了。我们先来看看宝时捷的设计（如图）：

图中每个进气门分别有两组凸轮控制，一组是高速凸轮，一组是低速凸轮。红色圆框内就是可变气门行程的控制机构。当发动机在低转速范围时，红色的控制活塞是落在气门座内的。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。当发动机在高转速范围时，红色的控制活塞在液压的驱动下从气门座推入到气门顶中，等于是把气门座和气门刚性的连接在一起，当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。但这种设计只能在一定程度上获得更好的进气，因为他只有两段调节气门开度，本田的VTEC也是相同的功能，只是控制方式不同罢了。所以当驾驶车辆加速时，发动机由高转速向低转速过度到改变气门行程的临界值时，驾驶者会感觉到动力瞬间提升，比较唐突，会影响乘坐的舒适感。要解决这

个问题，就必须让气门行程能够在一定范围内无段级调节。宝马就解决了这个问题（如图）是宝马的可变气门行程控制机构:

宝马的控制机构是由电机驱动的，电机通过蜗杆传动齿轮，然后由齿轮上的凸轮带动摇臂运动来改变摇臂的控制角，然后在凸轮轴的驱动下由摇臂带动气门运动。所以通过改变摇臂的角度就可以改变气门的行程了。由于是通过电机控制的，所以可以在一定区域内做无段级调节气门开度，这样驾驶起来就会毫无唐突感，舒适性更强，配气机构在各转速下的适应性也更强，能最大限度的提高发动机充气效率。目前宝马已经把这套系统装备到了他的主流发动机机上，象以宝马745i,530i,330i为代表的直列6缸发动机和V型8缸发动机都装备了该系统。

可变配气技术详解（2）

既然通过改变气门行程这个办法可以改善发动机在高转速和低转速时的动力表现，那么改变其他的配气参数能不能同样达到兼顾高低转速是动力输出的目的呢？让我们来看看在配气机构中还有哪些参数是随转速影响的吧。

四行程发动机的四个行程（进气，压缩，做功，排气）想必大家一定都了解吧。而这种四个行程的描述方法是对于活塞汽缸而言的，那么在与此同时，配气机构又是如何工作的呢？当发动机处于进气行程是，进气门打开排气门关闭；压缩冲程时进气门和排气门都关闭，做功冲程是进气门和排气门也是同时关闭以保证汽缸内能产生足够的压力，排气行程时进气门关闭排气门打开。从理论上来说这些动作都是严格按照四个冲程的顺序循环进行的，那么理所当然人们会想到，当汽缸活塞做功完成以后，活塞到达下止点时排气门打开，活塞从下止点运动到上止点这个行程用来排出汽缸内的废气，当排气完成活塞达到上止点时排气门关闭进气门打开开始进气形成，然后活塞继续运动到下止点时进气门关闭完成进气，准备压缩。

但事实上并不完全是这样的。由于混合气体本身的质量，使它也存在一定的惯性。当活塞运动到排气终了的上止点时，理应在这个时候打开进气门，通过马上到来的活塞进气行程产生的负压来吸气，由于混合气存在一定惯性，如果此时才打开进气门那么还需要一个时间给进气支管中的混合气加速，在这个时间内，混合气是不能进入到汽缸中的，所以这就浪费了一段活塞的行程，如果在排气终了活塞到达上止点之前进气门就打开了，那么就争取了混合气因为加速而浪费掉的时间，可以充分利用进气冲程时活塞向下运动的

全部行程吸气，这样效率更高；同样的道理当活塞到达进气冲程下止点时理论上应该要关闭进气门了，但由于混合气体的惯性，此时仍然能够进气，也就是说混合气体仍然在进入汽缸，这个过程虽然只有一瞬间，但是不容忽视，如果在活塞刚好达到下止点的时候关闭了进气门，那么势必会有一部分混合气体进入不到汽缸中，造成功率下降，发动机工作效率减低，所以此时进气门必须延时关闭才能保证混合气体尽可能的进入到汽缸中来。排气冲程也是一样的道理。所以必须在设计凸轮轴转角时考虑到这一点，给它设计一个进排气提前和延时的角度，这个角度统称为配气相位角，也叫配气正时角。有人肯定会有疑问，如果像这样进排气门都设置提前和延时角的话，那势必会让进气门和排气门有一个同时开启的瞬间？那么在压缩和做功的时候不会漏气吗？其实在气体质量惯性的作用下压缩和做功也是有一定迟滞的，只要配气相位角时间配合得好，就不会影响到压缩和做功。（如下图）是传统发动机配气相位角的设置方法。

了解了配气相位角的设置方法以后，我门就不难理解为什么需要可变配气相位了。就像前文所说的可变气门行程一样，发动机在不同的工况下吸气特征是不一样的，发动机在低转速时，进气速度慢，所以气门重叠角可以相对大一些，言下之意就是让气门提前打开和延时关闭的时间更长一些，这样才能充分进气；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。

那么发动机是怎么做到随着转速的变化而改变配气正时的呢？我们不妨先看看下图。图为保时捷可变配气正时的控制系统：

红色圆圈内的就是用来改变配气正时的控制机构了。实际上它是在凸轮轴的末端装上了一个带有液压控制机构的壳体，而正时链条是直接驱动该壳体的，壳体与凸轮轴之间充满了液压油，壳体就是通过液压油驱动凸轮轴运动的。（如图）：

图为雷诺的可变配气正时控制机构。在凸轮轴与正时齿轮之间有两个液压室。一个为高压油区一个为低压油区。因此，只要调节两个油区之间的压力差，就能改变配气正时角了。而两个油区的油压是通过上图所标示的油压控制阀调节的。油压调节阀实质上就是一个电磁阀，通过电脑传输过来的脉冲电流来控制阀门的通断。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，根据图中红色箭头的方向很容易判断，此时配气正时被推迟，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，凸轮轴会如图中黄色箭头所示，提前一个角度，这样重叠角减小，适用于高转速。下图能更直观的表现这一工作过程：

注：“图中蓝色部分是凸轮轴末端，白色部分是正时齿轮”。对于可变配气正时控制，虽然各大车厂的名字叫法各不相同，但其功能作用和控制方法多为大同小异，所以了解了这些控制方式和性能特征，对于车型的选择也可以重新定位。我国汽车工业起步较晚，所以技术比较落后。由于这种技术结构复杂，成本相对比传统技术要高一些，所以国内车厂大多没有使用这些技术，他们的配器机构都是传统设计。但也有少数厂家，引进了这些先进的发动机控制技术，比如现在广州本田雅格 2.4，新奥德塞 2.4，还有东风本田CR-V上使用的I-VTEC发动机都使用了这些技术。在家用经济型车中，广本飞度的1.5VTEC发动机是唯一使用了可变配气技术的车型。

可变配气技术详解（3）

除了配气会影响发动机吸气效率外，还有一个不容忽视的影响进气的因素就是进气管。不论是纯空气还是空气和汽油的混合物，都可以看成是有一定质量的流体，而流体是在进气管中流过的，根据流体力学和震动学的原理来优化进气管的设计对于提高发动机的吸气效率是非常重要的。具体方法有：把进气歧管内壁加工得非常光滑来减小气阻，也可以设计特殊的进气道形状让流体阻力得到优化，还可以减小空气滤清器的吸气阻力等等。这些都是传统对进气管的优化方法，现在大部分车都是这样做的。这里我们来介绍一种技术含量更高的进气道优化方法——可变进气管长度技术。

首先让我门来看看进气歧管的长度对汽车的进气有哪些影响吧。大家都知道，4行程发动机是曲轴每旋转两圈为一个周期，而这个周期的1/4的时间是用来进气的，也就是说在一个周期内1/4的时间进气门打开，剩下的3/4的时间进气门是关闭的。这就造成进气管内的空气存在一定的进气频率。所以我们不妨把它假设成震动来进行分析。根据震动学的原理，当震动物体的震动周期和频率与他的固有周期和固有频率频率相同时，震动能量最大，震动波叠加，这就是人们常说的共振。对于震动的物体而言共振的能量是最大的。那么如果把进气看成是震动，那么当发动机的吸气频率与进气管中空气的固有频率相同时，进气能量最大。但发动机的吸气频率是随发动机转速的变化而变化的。当发动机转速高时，吸气频率也高；当发动机转速降低时，吸气频率就随之降低了。那怎么样才能让进气管内的空气的固有频率能与发动机的吸气频率保持一致呢？最可行的办法就是改变进气管的长度。当发动机处于低转速时使用长进气管，因为进气管越长，空气在管内的震动频率越低，只要长度与转速相匹配就能得到最大的进气能量；反过来说，当发动机处于高转速时，由于吸气频率高，所以就要换上较短的进气管来提高空气在进气管内的固有频率，得到最大的进气能量。所以就需要设计一套可以让进气管长度变化的系统来达到这一目的，那么可变进气管长度技术就诞生了。如下图就是可变进气管长度的控制机构：

当发动机在2000转左右时电脑控制进气管长度控制阀关闭，让空气先流经螺旋形状的长进气管后再进入汽缸，此时为长进气管状态。

当发动机转速上升到5000转时，进气管长度控制阀打开，让空气不经螺旋管道而直接进入到汽缸，此

时为短进气管状态。（如下图）

图为奔驰SLK发动机的进气管设计。该设计就是用的控制阀来控制进气管的长度，目前多数车厂喜欢采用这种机构控制。

但也有使用其他控制方式的（如下图）：

图为宝马新7系的发动机进气管设计，从图中可以看出，他不是采用控制阀来切换进气管的长度，而是在进气管中间设计了一个可以旋转的转子，当这个转子旋转一定角度后进气管的长度就发生了改变，同样达到了优化进气的目的。有了这套系统，发动机就能在高低转速时都能保持良好的进气效率，进气效率提高了发动机的整个工作效率也就提高了。随之而来的就是节能，环保以及动力输出线性，扭力分布均匀等优点了。

可变配气技术详解（4）

前文已经介绍了可变气门行程，可变配气正时，可变进气管长度技术，这篇文章介绍配气和进气系统中最后一个需要可变参数的技术：可变进气歧管截面积技术。

别听这名字这么长这么绕口，其实道理很简单。就同上文介绍的可变气门行程的道理一样，发动机在低转速时为了能够增强汽缸内的负压，而使用短行程的进气门设置。可变进气歧管截面积技术也是为了发动机低转速时提高缸内负压而设计的可变机构。

根据流体力学的原理，在其他参数不变的情况下，管道的截面积越大流体压力越小；管道截面积越小流体压力越大。这就象高压水枪的管口一样。高压水枪的出水口直径要比高压水管的直径小很多倍，所以水流的压力也上升了很多倍，这样才能把水推到很远的距离。根据这一原理，再分析发动机各个工况的工作特性，就需要我们设计一套机构能在发动机高转速时使用较大的进气歧管截面积提高进气流量；在发动机低转速时使用较小的进气歧管截面积，提高汽缸的进气负压，也能在汽缸内充分形成涡流，让空气跟汽油更好的混合。下图是不同进气歧管截面积下发动机进气情况的模拟：

图中所视的是发动机在低转速时，使用不同进气歧管截面积情况下的进气情况模拟。图（1）表示的是进气歧管截面积较大时汽缸的吸气状况和气门关闭后缸内气体混合情况。图（2）表示的是进气歧管截面积较小时汽缸的吸气状况和气门关闭后缸内气体的混合情况。从图中很容易看出，图（2）的吸气效率更高，吸入缸内的混合气更多，而且缸内更容易形成涡流，气门关闭后空气与汽油的混合更加充分。有了这些可靠的实验数据，在配气机构中设计一套可以随发动机转速变化的可变进气歧管截面积的机构就显得由为必要了。

现在大多数发动机都采用了多气门设计，主流发动机使用的每缸4气门设计（两进两排），也有极少数厂家使用每缸5气门设计（三进两排）。我们就以主流的4气门为例。由于有两个进气门，那就意味着有两跟进气歧管。所以要改变进气歧管的截面积实现起来就比较容易了。我们只需要在其中一个进气歧管中装入一个可随电脑控制开闭的气阀，就能控制该歧管的使用状况了。当发动机处于高转速时，改气阀打开，这时两根进气歧管同时进气，获得大流量的混合气体；当发动机处于低转速时，该气阀关闭，理论上可以看成是使用一根进气歧管进气。这样进气歧管的截面积就减小了一倍。能获得更好的进气负压和混合气涡流，发动机的工作效率在高转速和低转速时都得到了提高。如下图就是进气歧管截面积的控制方法

宗上所述，现代发动机与传统发动机相比。主要技术区别就是在自动控制方面的大力提高。随着电子行业的飞速发展，嵌入式技术有了很大的提高。在可靠性，响应速度，数据处理方面，都能达到汽车各个工况的要求。在自动控制技术的帮助下，传统发动机的很多不可变参数，如今已经可以在计算机的控制下随行车状况的改变而改变。以往设计师们需要左右兼顾的设计矛盾，如今已经在计算机的帮助下实现各个工况的最佳配合。上世纪的汽车技术，是建立在大排量，多缸，多气门上的。可以遇见，未来的汽车发展方向应该是机构控制的自动化和操作的智能化。