發動機氣門正時及升程—電子控制系統

　　如今，進、排氣門正時及升程電子控制系統對提升發動機工作效率可以說功不可沒，這一組合不僅能讓發動機“呼吸”順暢自如，甚至還做到了動力與燃油經濟性的平衡。

　　雖然說發動機的進、排氣猶如人體的呼吸那麼重要，但機械化的“呼吸”過程卻並不能使發動機的做工效率有任何提升。這時，進、排氣正時及升程電子控制機構就發揮了作用。那麼，我們為什麼要改善發動機的進、排氣呢？如果你參加過長跑比賽，就能深刻體會到呼吸的快慢以及長短對體能發揮的影響 ——太急促或刻意的屏息都有可能增加疲勞感，使奔跑欲望降低。所以，我們在長跑比賽時往往需要不斷按照奔跑步伐來調整呼吸頻率，以便隨時為身體提供充足的氧氣。對於汽車發動機而言，這個道理同樣適用。

　　隨著雙頂置凸輪軸和多氣門（一般L4發動機為16氣門，V6為24氣門）結構成為應用主流。我們不難發現，各個廠商都在絞盡腦汁不斷優化這一技術結構以提升發動機燃燒效率和性能。其實對於多氣門發動機而言，進、排氣猶如一門藝術，在新興的電子機構控制下，進、排氣門的協同工作仿佛是在演奏一曲交響樂，而它的作用就是調整發動機的“呼吸”頻率。這樣做的目的只有一個，在不增加燃油消耗的前提下始終讓發動機保持良好和平順的動力輸出，並且減少有害排放物。

　　進、排氣正時及升程電子控制系統是為提高發動機工作效率而研發的

　　傳統的發動機氣門工作狀態如下：當發動機處於低轉速時，凸輪軸的運轉速度較慢，進氣速度也相對較慢，氣門則保持相對較長的開啟時間和較小的開度。而當車輛在高速路上以120km/h的速度行駛時，發動機的轉速則會維持在3000~4000rpm，甚至更高。這一狀態下，氣門開閉頻率加快，進氣速度也加快，雖然進氣量大，但氣門的開啟時間短，這必然會使進氧量較少，造成燃燒不完全。如果在這一傳統的發動機配氣機構上引入電子控制系統--氣門正時和升程控制，那麼發動機的工作效率將得到大幅改善。通過對凸輪軸的改造以及對傳感器信號的收集，在低轉速時，正時系統可控制凸輪軸使進氣門提前開啟或延時關閉，以保證氣缸在低轉速下的進氣通暢；高轉速時，還可對氣門的開度實現適時調整，確保氣缸內的燃燒更充分。如此一來，發動機在低速時便可實現大扭矩輸出，而在高速時又可保持大功率的釋放。

　　實際上，我們經常提到的氣門正時和升程控制系統卻是各司其職的，前者控制著發動機氣門的開啟時間，而後者則負責調整氣門的開度。這兩項氣門控制技術已經在許多車型上得到運用，豐田的VVT-i和本田的i-VTEC最為大家熟悉。這兩項技術最早由本田於1989年提出，即著名VTEC（Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System），中文全稱為：可變氣門正時和氣門升程電子控制系統。在本田的VETC以後，世界范圍內大部分汽車廠商陸續發布了名不同，但質相近的可變氣門正時系統，如豐田的 VVT-i 、保時捷的variocam、寶馬的Valvetronic 以及日產的CVTC等。下面我們就以著名的本田的i-VTEC和豐田的VVT-i來分別解析可變氣門升程和可變氣門正時系統。

　　本田i-VETC

　　業內第一套氣門正時及升程控制系統，可實現發動機全段轉速控制

本田的VTEC應該算是業內第一個能同時控制氣門開閉時間和開度的正時控制系統，整套VTEC系統由ECU控制，ECU根據發動機各個傳感器（轉速、車速、進氣壓力以及水溫等）給予的信號發出指令，通過電磁閥調整搖臂實現特定的凸輪和搖臂運轉，以實現控制氣門開閉時間和升程的功能。i-VTEC作為舊版VTEC的改良產物，組合單詞前面的"i"表示發動機所處的系列。i-VTEC增加了一個VTC凸輪軸可變正時控制功能，即通過ECU控制一組進氣門的凸輪軸、使進、排氣門重疊時間更精確，使發動機功率提高20%左右。

　　其實基於VTEC技術，本田最初一共開發了 3 種規格的發動機。第一種是DOHC VTEC，這種機型以大功率和高扭矩輸出為主，可以實現進、排氣門正時和升程的分別控制。第二種是SOHC VTEC ，可以實現進、排氣門低高速時不同的正時及升程控制。第三種就是VTEC-E, 這種機型可以在發動機低轉速下停止氣缸的某個氣門工作，使燃燒室的混合氣渦流達到最佳狀態，盡可能實現稀薄燃燒，降低油耗。現在的i-VTEC顯然是三種機型結合的產物，在發動機運轉中還實現氣門關閉控制，如同VTEC-E一樣可實現稀薄燃燒，改善油耗

　　我們以本田F22B1發動機為例，來看看VTEC系統的特別之處。這款發動機裝備於第四代雅閣上，排量為2.2L ，最大功率108kW/5500rpm，最大扭矩199N.m/4500rpm，采用SOHC 16V （2進2排）結構。它和普通發動機的最大區別在於凸輪軸上，除了原有控制每缸2進、2 排氣門的一組
凸輪和一對搖臂外，還增加了一個較高的中間凸輪和中間搖臂。三個搖臂連成一體，配有液壓鎖止活塞。當發動機處於低轉速時，較高的中間凸輪不參與氣門控制，雖然此時這個凸輪也會推動搖臂運動，但由於中間搖臂與兩側搖臂呈分離狀態，所以並不影響氣門的開閉，此時配氣機構與普通發動機無異。假設當發動機達到預設轉速4000rpm時，電磁閥啟動開始控制液壓鎖止活塞使三根搖臂連成一體運轉，並且一並由較高的中間凸輪驅動，由於這個凸輪的尺寸較大，所以不論是氣門的開啟時間還是開度都比普通凸輪驅動時要大。如果發動機轉速降低到預設轉速1500rpm時，搖臂的驅動液壓降低，鎖止活塞則自動歸位使中間搖臂與兩側分開，恢復到兩側凸輪驅動狀態。

　　由於VTEC系統對於氣門正時的控制存在階段性，即當達到預設轉速時才啟動，所以它對於改善發動機的工作效率並不明顯，甚至平順性不佳。i-VTEC則徹底解決了這個問題，它不僅以電子控制方式進行精確控制，更是在進氣歧管上增加了可變長度功能，從而有利刊氏速扭矩提升，這也使得i-VTEC可隨發動機一同啟動。

　　豐田VVT-i

　　為我們所熟知的VVT-i系統實際上只能對進氣正時進行控制

　　VVT-i智能可變氣門正時系統，是我們常在豐田的車型介紹中看到的發動機配置，顯然這個名字的商業味很濃，不過在功能上較本田的i-VTEC少了氣門升程控制。VVT-i智能可變氣門正時的英文全稱為Variable Valve Timing，其中“i”為Intake ，指進氣的意思，這從側面也直接說明了它是控制進氣系統的。在工作原理上，它和本田i-VTEC中的VTC一樣，都是通過調整凸輪軸的運轉速度對進氣門進行主動控制，從而提高發動機所有轉速范圍內的動力性和燃油經濟性。而在曲軸的結構上，它們也幾乎是一樣的。

　　VVT-i同樣由ECU協調控制，來自發動機各部位的傳感器隨時向ECU報告運轉工況。由於在ECU中儲存有氣門最佳正時參數，所以ECU會隨時控制凸輪軸正時控制液壓閥，根據發動機轉速調整氣門的開啟時間，或提前，或滯後，或保持不變。在VVT-i系統中，它的“感觸神經”有兩種不同的形式—— 葉片式和螺旋槽式，但它們的安裝位置都在進氣凸輪軸上。

　　葉片式監控器由進氣凸輪軸油壓驅動輪和排氣凸輪軸藕合葉輪組成。它的工作過程其實並不復雜，來自發動機轉速傳感器的信號會告知E CU是否提前或延後將液壓油傳遞到進氣凸輪軸驅動輪上，以便可以及時帶動這根凸輪軸實現連續改變進氣門正時。油壓的傳遞是隨著發動機的速高低而改變的，當發動機停止運轉時，凸輪軸液壓下降，控制閥則會使氣門處於最大滯後狀態。相對於葉片式監控器來說，螺旋槽式監控的構成則要復雜得多，它由正時皮帶驅動齒輪、進氣凸輪軸內齒輪以及進氣凸輪軸內齒輪和外齒輪間隔移動活塞組成。在這個活塞表面有螺花鍵，活塞會隨著液壓油的指令與進氣凸輪軸內、外齒輪咬合，以此改變氣門相位或提前，或延後，達到氣門連續可變的目的。當達到ECU 設的相位參數後，凸輪軸正時液壓控制閥就會減小油壓使活塞兩側壓力平衡，停止運動。

　　由於螺旋槽式監控器的復雜性和組成結構，它目前多出現在裝備V6發動機的雷克薩斯車上，而結構和工作過程簡單的葉片式監控器則多裝備在直列4缸發動機上。