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可变气门正时技术大比拼(2008-10-27 09:46:19)

常见的气门正时技术中,

本田i-VTEC>丰田双VVT-i>日产CVTC,

为什么?本文会做详细剖析。

 

 

什么是可变气门正时技术

我们常说发动机的排气量是一个最大值。发动机实际工作效率取决于进气效率,既进入气缸的混合气与排气量的比。气门正时,尤其是进气迟闭角,对发动机充气效率有直接影响。当发动机高转速时,增大进气迟闭角,有利于提高充气效率、提高最大功率。而当发动机处于低转速时,减小进气迟闭角,能防止气体被推回进气管,有利于提高最大扭矩,但降低了最大功率。传统的气门机构调整,也就无法进一步提高发动机性能。

1960年代起,工程师们开始致力于VVT(Variable Valve Timing、并非丰田的VVT-i)可变气门正时的研究。最早开发出成型技术的是菲亚特和通用,但受技术和成本的限制并没有量产。1982年的阿尔法·罗密欧Spider 2.0是最早采用VVT技术的量产车。

目前汽车市场中,厂商总吹嘘自己的可变气门正时技术多么先进,事实真是如此吗?在答案揭晓之前,请允许我卖个关子,先介绍一下VVT技术的相关知识。

 

VVT的几个关键词解惑

VVT VS CVVT

CVVT(连续可变气门正时)就是拥有“Coutinous”连续能力的VVT,是VVT的一个子集。目前绝大多数厂商都拥有CVVT技术,一般通过一个凸轮轴位置调节机构来实现(本田的VTEC-i是个异类)。从性能上看,CVVT与VVT的最大功率与最大扭矩并无太大区别,但在中间转速时,CVVT的扭矩更大,且扭矩曲线更为平滑。

 

气门升程

气门升程的作用就像一个水龙头,直接决定了发动机的进气速度。在高转速时配合较大的气门升程能大幅提升发动机的最大功率。低转速时发动机的单位时间进气量本来就小,也就不需要很高的进气速度,减小气门升程有助于形成涡流,提高充气效率。将气门升程的连续可变技术用于量产车的目前仅有BMW一家,作用同样是提升中低转速扭矩,但效果并不明显。

 

VVT VS VIM

VIM既可变进气歧管技术。在低转速时,细长的进气歧管有助于形成涡流;高转速时,粗短的进气歧管能增加进气量,保证充足的空气供应。与VVT相比,VIM只能算是一种辅助。事实上,很多厂商也只是将VIM作为VVT的配套设备,比如马自达的S-VT+VIS。

 

VVT VS 增压

VVT与增压的关系,就像剑术与刀法,同样是克敌技艺,却是王道与霸道两种截然不同的风格。VVT通过改善条件提升充气效率,增压——无论是哪种方式——都是以强制进气来提升充气效率。哪种方式更好很难说清,就连厂家也是各自有不同的倾向。但是有两点是可以肯定的:一是VVT与增压共存时,发动机性能与单有增压时相差无几;二是从单位排气量的功率来看,增压的效果要更好。

 

各大厂商的VVT技术

 

本田

本田的VTEC技术,是VVT发展史上的里程碑。正是兼顾性能与成本的VTEC的出现,才让VVT技术开始大行其道。

本田VTEC目前已经发展到第三代i-VTEC,该系统由一个三段式的VTEC和VTC控制器组成。VTEC通过凸轮轴上的高低行程两组凸轮和驱动气门的两级摇臂机构来实现对气门正时和升程的控制,凸轮和摇臂共有三种组合,是一种阶段式的VVT系统。VTC能根据发动机转速和负荷,调整进排气正时的重叠角,让i-VTEC具有连续可变正时的性能。

本田自2002年开始全面使用i-VTEC,但需注意的是本田还有一种SOHC i-VTEC。SOHC i-VTEC以三段式的VTEC为基础,没有VTC(VTC只能用于DOHC),增加了一个省油模式。在省油模式下,节气门在低转速也保持全开,从而提升发动机的进气效率,达到省油的目的。国产的思域1.8L和雅阁2.0L用的都是这种SOHC i-VTEC。

 

 

BMW

BMW的Double VANOS+Valvetronic是目前唯一能做到连续可变气门正时和升程的系统。

VANOS通过一个液压驱动的杯型齿轮,联接凸轮轴和链轮,通过杯型齿轮的动作提前或延迟凸轮轴的转动,从而实现连续可变气门正时。Double VANOS就是进排气都有VANOS来控制。Valvetronic使用液压调整的摇臂来控制气门升程,不同于其他气门升程调节机构只是阶段式的,Valvetronic可以做到连续调节。

Double VANOS+Valvetronic系统在功能上接近完美,结构也非常清晰,但对液压部件的要求非常高,因此成本一直居高不下。

 

丰田

丰田最早在1992年的卡罗拉车型上使用了搭载VVT技术的4A-GE发动机,但只是气门正时2阶段可变的。1996年,丰田推出了VVT-i,并沿用至今。VVT-i的结构类似于BMW的VANOS,不同的是VANOS通过液压机械结构,而VVT-i通过电机提前或延迟凸轮轴的转动,控制精度没有VANOS那么高。同样,Daul VVT-i就是进排气都有VVT-i。

同时日本最具代表性的汽车厂商,丰田的自然吸气发动机始终不如本田,2001年他们决定反戈一击。新推出的塞利卡SS-II,使用编号为2ZZ-GE的1.8L发动机,该发动机采用VVTL-i技术,L既“Left”,表示该技术能对气门升程做出调节。有趣的是,VVTL-i的气门升程调节机构与本田的VTEC非常相似,也仅有2段调节。国内目前还没有使用VVTL-i技术的丰田车型。

 

 

保时捷

保时捷的VarioCam Plus结合了VTEC和VANOS的特点。在调节气门正时方面,采用了与VANOS近似的做法。但VarioCam Plus没有摇臂机构,而是直接用凸轮轴推动气门,采用与VTEC类似的高低行程两组凸轮,达成对气门升程2段调节的功能。

保时捷的车比较稀少,所以VarioCam Plus在国内名气也不是那么大。据说VarioCam Plus的特性非常类似于早期的VTEC,在特定转速开启之后能给发动机性能带来质的飞跃。

 

VAG(大众奥迪集团)

好像很少听说大众的VVT技术,这是为什么呢?

    从技术上说,VVT和涡轮增压是相冲突的,一个需要精确控制一个是填鸭式的。据说大众曾在其EA117平台1.8T发动机的后期型号使用过保时捷的VarioCam技术,但涡轮与VarioCam合作的结果却是1+1<2,效果不理想。就目前的TSI技术太说,开发与之配套的VVT系统意义不大,而且成本较高,所以大众干脆专心于直喷发动机。

 

阿尔法·罗密欧

阿尔法·罗密欧虽然最早量产使用VVT技术汽车,却没有发展更先进的VVT技术。他们的Twin Spark发动机已经生产了22年,从1994年开始,Twin Spark 16v系列的1.8L、2.0L发动机开始使用Variator技术。Variator几乎和BMW的VANOS一模一样,从今天看,数据上已经比较落伍。阿尔法的最新技术来自通用的HFV6发动机。

 

日产

1993年日产开始采用福特的VCT技术,自称N-VCT。N-VCT是最早期的VVT,只能对进气正时进行阶段式的调节,但是结构简单效果不错,到目前还广泛运用于旗下的发动机,比如VQ35DE。

1997年~2001年,日产在其RB系列发动机上使用了VVL技术,该技术非常类似VTEC。唯一的区别是,VVL的气门升程和正时是分开控制的。

目前广泛用于日产小型车的HR16DE、MR20DE采用的是2004年公布的CVTC技术,该技术类似丰田VVT-i,能对进气正时做连续可变控制。

 

福特

    福特一直都在使用自己开发的VCT技术,由于福特并不将VCT作为主要卖点,多年来也没有投入太多精力在上面。至于长安福特蒙迪欧-致胜的i-VCT技术,其实那就是马自达的S-VT,而Duratec HE发动机也就是稍作修改的马自达MZR发动机。

 

马自达

    S-VT结构类似于BMW的VANOS。不过马自达通过一系列工作来改善发动机的工作效率,包括VIS可变进气歧管控制、VICS可变涡流控制等,从其他方面完善了发动机的进气性能。

 

PSA

PSA标致雪铁龙集团与BMW合作开发了一套CVVT系统,CVVT既连续的(Coutinous)VVT。整套系统相当于简化版的VANOS,用于一系列小排量,其中最著名的当属Mini Cooper使用的Prince发动机。

 

克莱斯勒

    上文提到的Prince发动机,其前身是克莱斯勒、罗孚和BMW合作开发的Tritec发动机。2005年克莱斯勒与BMW一拍两散,联合三菱、现代组成GEMC世界发动机联盟,开发“世界”发动机。我们很惊奇地看到“世界”同样采用名为CVVT的技术,从结构上看和PSA的也没什么区别的。不妨大胆猜测,其实无论是克莱斯勒、现代、起亚的CVVT都是源于BMW的VANOS

 

三菱

三菱的MIVEC因为Evolution IX而变得非常著名。MIVEC的结构非常类似本田的VTEC(注意没有i)。所以除了涡轮增压的Evolution IX,其他采用MIVEC技术的发动机性能都较差。

 

通用

通用的“VVT”系统(加引号以示区别),是一套连续可变的VVT系统,技术含量较高。无论对于OHV或OHC形式的发动机都能匹配,是通用VVT系统的最神奇之处。

通用在其一系列高性能V6发动机(HFV6)中运用了进排气连续可变气门正时和电子节气门技术,但是通用并没有对这项技术命名。此外HFV6系列发动机为序列式燃油直喷,忽然间我对大众为什么不用VVT感到更加困惑了。

 

各种VVT技术孰优孰劣

为了量化地评价各家的技术,我们将结构的先进程度作为评价的主要指标,将发动机的升功率作为辅助的参考指标,将目前市场上主要的VVT技术分成五个级别。

最先进VVT:当然是BMW的Double VANOS+Valvetronic,这套系统在功能上接近于完美的VVT,对气门正时、重叠角和升程都能进行连续可变的控制,且控制精度精确到毫秒。

高性能VVT:保时捷、本田、丰田再加上BMW,就是当前在量产发动机上拥有最高VVT技术的厂商。保时捷的VarioCam Plus虽然不那么有名,事实上在欧洲有不少厂商采用该技术,保时捷的合作供应商每年能卖出100万套VarioCam Plus系统。

进排气正时均连续可变VVT:目前较为先进的技术,只掌握在少数厂商手中(前四家再加通用)。由于缺少可变气门升程控制,高转速性能远不如高性能VVT组的“选手”。

进气正时连续可变VVT:目前大部分厂商广泛使用的技术。性能相对进排气连续可变的系统稍低,

阶段可变VVT:技术比较陈旧,发动机综合表现较差。但在某一方面,比如油耗或者高转速性能,会有独到的优势,且成本最低。

 

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