汽车发动机可变气门技术及其发展

袁梦颖

摘 要：汽车发动机可变气门技术作为现代汽车发动机的关键设备系统，无论是在低速运行还是高速运行的状态之下，整个发动机的经济性和动力都能处于较高的水准，例如对凸轮相位和气门升程的有效调节可以让整个配气过程实现优化。这样一来，汽车的运行会更加平稳而有序，也是今后汽车发动机的主流研究方向，对相关技术与未来发展的研究也具有明确的现实意义。

关键词：汽车发动机 可变气门 技术发展

Automobile Engine Variable Valve Technology and its Development

Yuan Mengying

Abstract：Automobile engine variable valve technology is the key equipment system of modern automobile engine. Whether it is running at low speed or high speed， the economy and power of the entire engine can be at a high level. For example， the cam phase and the effective adjustment of valve lift can optimize the entire gas distribution process. In this way， the operation of automobiles will be more stable and orderly， which is also the mainstream research direction of automobile engines in the future， and the research on related technologies and future development also has clear practical significance.

Key words：automobile engine， variable valve， technological development

1 引言

汽车发动机的运行环节，当发动机转速提高和气门数量处于增加状态时，气门升程无法同步出现改变，所以当汽车发动机处于转速较低的情况时，燃油消耗问题难以进行稳定消耗，但是在汽车发动机使用单气门的前提之下，燃油供给和控制工作会面临更高的技术难度，这时我们可以考虑换一种模式，借助可变性能的特点展开综合处理，此类问题的解决难度就会显著降低。

2 汽车发动机可变气门技术分析

2.1 气门正时技术

气门正时指的是汽车发动机在运转环节的气门打开时间，在活塞进行运动并到达某个区域后，气门的整个开启和关闭可以得到稳定调节。一般情况下，发动机的进气门，活塞运动保持规律性特点，按照从下到上的顺序。活塞到达某个上止点之后运动空气会存在一定的反映时间，进行排气的过程当中，废气排出气缸，目的在于让更多的空气可以进入其中，此时活塞运动至下止点位置时可以通过活塞运动等手段再进行一次关闭。整个活塞活动的环节当中，进气门、排气门可能会在某个时间点上实现同步打开与控制，即我们熟知的“气门叠加”。在此类现象出现之后曲轴本身会出现一定的转动，产生气门叠加角。

发动机处于不同的转速状态下，气门叠加角也将处于不同的要求之下。低转速前提下气门叠加角变小，反之当汽车发动机转速很高时，则气门叠加角也会较大。通常来说采取气门正时技术就可以同时满足这两个方面的要求。当汽车发动机属于低速运转状态之下，气门的进气速度会同步变得缓慢，这说明我们需要花费更长的时间用于凸轮转速和气门开度的控制工作。我们假设发动机的转速是3000rpm-4000rpm，将汽车的行驶速度设定为120km/h甚至更快的水平，那么汽车发动机的气门开启速度、关闭速度显然会保持非常快的水平。燃烧不充分对于汽车性能也会产生负面干扰。为了解决此类问题，可以考虑到在发动机上采取气门正时技术，显著地改进发动机燃油效率。例如运行过程中对凸轮进行技术改进，在收集相应的传感器属于正常运转状态。无论发动机处于高速还是低速运转时，都可以通过正时技术对气门开度进行相应的调整，或是让发动机的转速始终处于正常水平不出现异常情况。

我们以全可变气门正时技术为例，无论发动机处于怎样的转速条件之下，气门的开启和关闭都能得到有效控制，低转速下的扭矩非常充沛，高转速下的马力也比较大。低转速时采取的时比较小的气门升程，所以气缸内的紊流不仅加速了燃烧速度，也提升了发动机低速扭矩，高转速时的功率输出情况良好。我们熟知的本田i-vtec技术就是有凸轮驱动下的全可变气门正时技术，它也是最早将这项技术进行应用的廠商。从工作原理和整体的系统结构来看，复杂程度并不突出，发动机在达到某个转速的阈值后，系统就会控制连杆将摇臂进行连接，不同的摇臂会随着高角度的凸轮驱动发生改变增加气门的升程，单位时间内的进气量明显提升，发动机动力稳定，让汽车的行驶稳定性得到有效提高、当然这种技术的“缺陷”可能表现在动力输出的线性不够突出。不过整体而言本田的发动机在可变气门正时方面的领先性比较好，低负荷运转状态下，小活塞在原位置之上控制进气门的开闭，气门升量也比较少，与普通发动机看似没有区别，但不会影响到气门的开闭状态。同步对低速运转和高速运转下的气门开闭时间、开闭度进行控制，就能从经济、动力两个层面满足汽车的使用性能。因此，本田也几乎在所有档次的车型当中都利用了i-vtec技术。

2.2 气门升程技术

在传统汽油发动机当中，气门升程本身是固定不发生改变的，凸轮轴的型线只有一种类型，因此升程无法让发动机在高速区与低速区都获得良好的响应。传统汽油机发动机的气门升程本身是在不同工况下的选择，但是在无法获得高速效率和低速扭矩的前提下就应该作出调整。

汽车发动机在运行状态下，如果气门行程比较远，进气截面面积增加，进气过程中受到的阻碍相对较小，让进气环节平稳而合理，此状态对于汽车而言非常合适，例如汽车在高速公路上行驶时。反之，如果汽车行驶速度缓慢，例如在城区出现堵车现象，那么进气在无法满足负压要求时的汽车平稳程度会明显下降，如气门很小，会让汽车发动机在慢速运转状态下保障氧气充足条件下的充分燃烧。汽车行驶速度加快同样会促进空气流速的加快，气阻增加，气门在进气、排气过程的通畅程度受到影响。如果采用可变气门技术，就可以对此类问题进行控制，进一步保障燃油的燃耗效率并稳定汽车的经济性能。

气门升程技术的发展将以可调节气门大小为主要方向，在不同转速的情况下进行气门大小的自适应调节，从而实现动力输出与进气量的匹配，也能够在一定程度上提高燃油利用效率，实现节能减排的效果。

2.3 步进电机驱动下的可变气门结构

现有的可变气门结构技术研究当中，我们需要将不同类型的技术缺陷进行针对性处理，以此为基础探究一种更加稳定的控制方案，让控制器可以按照传感器信号的差异，对凸轮轴的方向进行控制。这里我们以全可变气门结构MVVA（Moter Variable Valve Action）为例，该技术的主要优势在于解决了电液和电磁控制全可变气门响应性、落座噪声方面存在的问题，同时也可以满足发动机在不同转速和不同负荷情况下对混合气浓度的现实要求，结构如图1所示。

2.4 可变升程控制发动机技术

这里我们以丰田的VVT-i系统作为案例，它作为一种发动机的可变气门系统，是丰田汽车品牌的技术亮点，具体来看系统对发动机性能运动可进行连续调节，发挥良好的辅助功能，但对于气门开度大小却无法进行控制。总体而言该技术的工作原理是通过汽车运行速度的参考来实现涡轮运转。例如汽车运行速度从慢变快时，小涡轮的运转角度是相对于凸轮的60°范围，且在这一角度内进行前后运动。气门的开启时间、闭合时间都得到了合理控制。

如果我们要对凸轮轴转角进行控制，那么需要调整配气时间和燃油配气状态，且只有当燃油处于最佳燃烧状态时，汽车的扭矩才能提升，维持汽车在不同方面的使用要求。

2.5 发展趋势分析

汽车保有量的不断增加使得环境污染问题变得更加严峻，能源紧张问题也更加突出，高效化、环保化的汽车技术方案应用也变得势在必行。在未来的研究当中，也会通过相应的技术手段进行协调应用，实现规模化广泛应用，将这一部分的内容作为发动机的基本配置内容。

例如停缸技术就是可变气门升程技术在低负荷状态下的气缸、气门部分关闭，尤其是小负荷运行状态时可以起到节能效果，降低燃油消耗。另外，为了最大限度地保障发动机的动力，满足低油耗和低污染的发展目标，可變气门升程技术并不会维持单一化工作，而是与其它技术手段进行配合，例如涡轮增压技术、缸内直喷技术等，目的在于改善发动机性能。例如涡轮增加发动机的排气门在使用可变气门技术时就会有效地改进低速状态下的涡轮与发动机配合问题。

3 结语

汽车发动机的可变气门技术当中升程技术对于气门的开合度起到了稳定的控制效果，而正时系统也可以对气门开闭时间进行规划，这两个方面的内容共同配合决定了发动机的进气量变化，也是汽车发动机的可变气门控制系统的关键组成部分。当前该技术发展速度较快，且可变气门结构有多种形式，发动机如何在不同工况下都具备最佳气门升程也成为了后续研究重点。

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