汽車引擎揭密：可變氣門技術(shù)大比拼（摘）

benzturbo

汽車引擎揭密：可變氣門技術(shù)大比拼fficeffice" />

　　短短一年內(nèi)，在引擎可變技術(shù)方面有相當(dāng)資深實力的BMW與Honda車廠又有驚人之舉,，但是，更令人眼睛一亮的是在這兩家發(fā)表新引擎之前呢,， Toyota車廠于去年全新改款的'01 Celica身上搭載一顆新設(shè)計的VVTL-i引擎，這顆引擎可不同于之前的VVT-i引擎喔!.....VVTL-i比VVT-i多了個"L"，到底有何先進(jìn)？有何突破呢,？還是天下引擎一大抄呢？!而Honda去年底推出的STREAM車上,，用的就是新一代i-VTEC引擎,，它可跟S2000上的VTEC不同,，那有何差異呢,？再者是最近剛在日內(nèi)瓦車展中，BMW則發(fā)表一顆全新的Valvetronic引擎,，它更被比喻成最完美的可變氣門引擎,，它到底有何能耐？它跟之前的VANOS引擎又有什么不同呢,？現(xiàn)在我們就來具體介紹介紹,。

　　一.前言:

　　還記得工程師們?yōu)槭裁葱枰�設(shè)計一顆具有"可變氣門正時"的引擎嗎,？簡單的回答就是，我們希望引擎能隨著不同時候的需求,，而能表現(xiàn)出最符合我們期望的狀態(tài),，而這需求可以是從"動力"的觀點，也可以是從"油耗經(jīng)濟(jì)"的觀點,，也可以是"排氣環(huán)保"的觀點,，但是，你要在同一時刻一樣的引擎轉(zhuǎn)速,，車速,，工作溫度，而要求既要大Power,，又要省油,，還要環(huán)保。這豈不是改寫熱力學(xué)第二定律而顛覆Carnot Cycle的極限,？那是不可能的! 但是,，工程師要作的就是努力地去接近這樣的極限，那也就是效率的觀點,。

　　"效率”這字對學(xué)理工的朋友應(yīng)該不陌生,，它也是應(yīng)用科學(xué)的研究者數(shù)十年如一日的努力目標(biāo)，做光電元件的人在設(shè)計時,，要用到這個字!做家電產(chǎn)品的工程師也要用這個字!連是否應(yīng)該蓋一座電廠,，也需要用這個字來度量我們的能源政策!所以才有買冷氣機(jī)或冰箱應(yīng)該要選用高EF值(high efficiency value高效率值)的建議；而一具引擎的熱效率,，直接的表現(xiàn)就是功率與油耗之間的取舍!就為了改善引擎的效率,，又要滿足不同引擎轉(zhuǎn)速時的動力渴望，所以才需要發(fā)展"可變氣門"引擎!

                                             圖一

　　二.90年代可變氣門引擎的遺憾:

　　工程師為了克服同一具引擎要高轉(zhuǎn)速大馬力,，也要低轉(zhuǎn)速高扭力,，對不同需求的進(jìn)排氣相位角差異，VANOS與VVT-i直接改變進(jìn)排氣時的timing(正時)與duration()來解決這個問題,，此機(jī)構(gòu)簡單,，又一針見血，是BMW與Toyota的驕傲之作,；而最早在可變氣門引擎上獲得表現(xiàn)的Honda,，于80年代中期推出VTEC引擎，它則藝高人膽大地把兩顆引擎擺在同一顆引擎當(dāng)中,，因為它們在同一支凸輪軸上同時塞下了兩種不同角度的凸輪(lobe),，利用搖臂內(nèi)的切換以決定是否頂?shù)酱蠡蛐⊥馆啠�而成功地改變引擎的進(jìn)排氣的正時，重疊角外,，還多個life(升程),，但是它在凸輪軸未切換前，正時,，重疊時間與升程是不變的,，所以VTEC是階段性的可變氣門，而VANOS與VVT-i雖連續(xù)性的變化正時與重疊時間,，但是升程卻無法改變,，就因為這樣的差異，VTEC一直拿下每公升排氣量的最大馬力輸出(125hp/Liter,，S2000,，量產(chǎn)化DOHC_VTEC)紀(jì)錄!所以VANOS、VVT-i治標(biāo)不治本,，而VTEC治本但有時卻不治標(biāo)!

　　三.2000年Toyota的力作─VVTL-i介紹:
　　豐田的VVTL-i引擎全名就是-Variable Valve 正時 & 升程 - Intelligent,，它跟VVT-i是不同的引擎，VVT-i目前已漸漸必被Toyota或Lexus旗下車款所使用,，從最高級的LS430,，GS300，IS200到最平民的Corolla身上都已經(jīng)廣泛地運(yùn)用到這項科技,，而2000年中發(fā)表的全新一代Celica(可惜臺灣還沒引進(jìn))則進(jìn)一步地發(fā)展VVTL-i引擎,，這引擎也用類似Honda VTEC的原理，在原來的VVT-i引擎上的凸輪軸,，多了可以切換大小不同角度的凸輪(凸輪),，也利用"搖臂"的機(jī)置來決定是否頂?shù)礁呓腔蛐〗嵌鹊耐馆啠�而作�?可連續(xù)式"地改變引擎的正時(正時),，重疊時間(重疊相位角)與"兩階段式"的升程(升程)!
　　還記得VVT-i引擎是如何作到變化進(jìn)氣時的氣門正時嗎,？它就是在圖一中，有一個VVT-I control圓盤,，以轉(zhuǎn)動此控制盤,，而來提早或延遲氣閥的開與關(guān)的時間，所以,，VVT-I BMW Vanos一樣的原里,，VVT-i用類似的機(jī)置來作到"連續(xù)式"的可變氣門正時，只是VVT-i是用電動方式來驅(qū)動這controller,，而Vanos則是用油壓的方式,，兩者皆能跟著不同引擎轉(zhuǎn)速來達(dá)到氣門正時的連續(xù)性變化!而VVTL-i則在VVT-i引擎上再多了于"搖臂"與"凸輪軸"內(nèi)下功夫，它這回就運(yùn)用到跟VTEC一樣的方法來根本解決引擎在高轉(zhuǎn)速時所需要更多的氣門重疊時間與氣門的開關(guān)升程深度,，小小不同的地方在搖臂內(nèi)VVTL-i藉由油壓來使一小小個銷的移動來決定頂?shù)侥欠N尺寸的凸輪!
　　VVTL-i在引擎轉(zhuǎn)速變高時,，雖然凸輪軸一樣地在轉(zhuǎn)動,，但是,，由於搖臂內(nèi)的pin已移動,， 所以是換成高角度的凸輪部份有效地頂?shù)綋u臂，進(jìn)而驅(qū)動到valve的開關(guān),，此時,，小角度的突輪一樣在轉(zhuǎn)動(因為在同一根凸輪軸上嘛)，但是卻是無效地空轉(zhuǎn)!這現(xiàn)象跟Honda VTEC是一模一樣的道理!
　　就是這樣的方式,，VVTL-i結(jié)合了VVT-i的連續(xù)式可變正時與重疊角,，與VTEC式的凸輪軸切換，而首先達(dá)到第一具可以說是"近似"完美式的引擎,，VVT-i加入可以變化valve揚(yáng)程(升程)後的新引擎VVTL-i,，果然在性能版的Celica身上有超過每公升100hp以上的實力，1.8升的它能有180hp/7800rpm(美規(guī))的的超強(qiáng)實力(日規(guī)的Celica更高達(dá)192ps)!而且它還保有扭力曲線高而平原式的表現(xiàn),，0-96km/hr,，美規(guī)Celica就有7.5秒的路測實力，VVTL-i真是Toyota劃時代的力作!

　　四.世紀(jì)末的禮物─Honda的i-VTEC介紹:
　　Honda一看到Toyota VVTL-i發(fā)表後,，大概就氣的半死吧,？!豐田用了本田最得意的VTEC原理，還用Celica來跟Honda最引以為傲的前驅(qū)車中性能與操控都數(shù)一數(shù)二的Inetgra來比個高下,，兩個都是1.8升的引擎,，兩者都是雙方最得意的可變氣門代表作，所以,，去年Celica一推出,，當(dāng)時最熱門的話題，就是Celica vs. Integra,，結(jié)果呢,？姜還是老的辣!實際數(shù)據(jù)勝於一切雄辯或紙上談兵，Integra還是贏Celica,，無論是在加速,，還是引擎於高轉(zhuǎn)速時的性能表現(xiàn)，Integra還是老當(dāng)益壯,，不過,，Toyota只是可變氣門引擎上的新兵，對于視VTEC如命的本田而言,，真是個重大打擊.
　　本田的VTEC引擎一直是享有"可變氣門引擎的代名詞"之稱,，它不只是輸出馬力超強(qiáng)，它還強(qiáng)調(diào)低轉(zhuǎn)速能有排氣標(biāo)準(zhǔn)環(huán)保又低油耗的特點,，而這樣完全不同的特點在同一具引擎上面發(fā)生,，就因為它在一支凸輪軸上有2種，甚至於3種不同角度的凸輪(凸輪)，中.低轉(zhuǎn)速用小角度凸輪,，高轉(zhuǎn)速時,，就再切換成高角度的凸輪，所以才有兩種完全不同性能表現(xiàn)的輸出曲線而同一顆引擎上發(fā)生,，但是就因為這樣的特性,，它也種下VTEC被批評成"stage"式的可變氣門引擎!本田的工程師把它VTEC分成"平時駕駛"與"戰(zhàn)時的激烈駕駛"，所以在引擎轉(zhuǎn)速的最兩側(cè),，都有被消費者們喜歡或抱怨的兩極看法存在,，這也是VTEC引擎長期在網(wǎng)上倍受爭議的原因之一!

　　而Toyota的VVTL-i發(fā)表之后，VTEC的技術(shù)已經(jīng)受到嚴(yán)厲的挑戰(zhàn),，幾個月後,，本田發(fā)表的i-VTEC于加入"可連續(xù)性"變化的正時與重疊角的設(shè)計，配合原本的VTEC機(jī)置,，使i-VTEC也跟VVTL-i一樣達(dá)到"近似"完美的可變氣門引擎!
　　VTEC如何切換凸輪(凸輪)的機(jī)置,，在此voliron已不必多說，i-VTEC多的就是在VTEC引擎上加入VTC=valve overlap control,，從名字就可以看出來,，它也利用到跟VANOS與VVT-i類似的方式來"連續(xù)式"地轉(zhuǎn)動凸輪軸的開與關(guān)，所以就達(dá)到了所謂的"氣門重疊角的控制",，這就是進(jìn).排氣閥門的正時與開啟的重疊時間的可變是由油壓控制的VTC,，使凸輪軸轉(zhuǎn)動些角度(向右，向左),，進(jìn)而提早或延遲去驅(qū)動到valve的開或關(guān)的時間,，這跟VVT-i中的controller有一樣的功能!

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                                                  圖二

 

VTC于不同轉(zhuǎn)速時，提早(上)或延遲(下)valve的開關(guān)

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　　就這樣的原理,，i-VTEC也跟VVTL-i一樣的組合出"可連續(xù)性"變化的氣門正時與氣門重疊時間,，"2-stage" 改變升程的可變氣門機(jī)構(gòu)於引擎的進(jìn)氣端與排氣端；而i-VTEC身上也用上S2000一樣的金屬正時鏈條,，而為了進(jìn)一步改善低轉(zhuǎn)速扭力,，與高轉(zhuǎn)速時更有效率與直接的換氣，i-VTEC也加上可變進(jìn)氣歧管為標(biāo)準(zhǔn)裝置,，其中編號:K20C的引擎將在下一代的integra上使用,，排氣量2.0升的它有220ps的馬力(日規(guī))，海外版也有200hp的性能輸出!而STREAM上用的K20A,，雖然也是"DOHC"的iVTEC,，但是它只使用"進(jìn)氣端"有可變氣門裝置，也有2.0升154匹馬力的性能(BMW的320i是150hp)更難能可貴的是,，這顆i-VTEC引擎,，2.0升居然有14.2km/L的低油耗實力,，提前符合2010年才要施行的油耗效率(fuel efficiency),，而排放的廢氣標(biāo)準(zhǔn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低過LEV的低空污標(biāo)準(zhǔn)!唉呀!這不就是工程師們想努力克服的夢想嗎,？

　　五.21世紀(jì)的初衷─BMW的VALVETRONIC介紹:

　　講到車壇上的引擎科技,，自然不會把這藍(lán)天白云mark的BMW車廠給遺忘，那簡易的機(jī)置即作到連續(xù)性的可變氣門引擎,，原理理是簡單卻原創(chuàng)性十足，那就是它的得力作Variable Camshaft Control,，叫作"可變凸輪軸控制系統(tǒng)"-VANOS，而Toyota的VVT-i,，就是采用BMW這類似的裝置,；以前，VANOS只被M3等超性能跑車使用,，但是，日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),，加上科技的平民化，如今VANOS系統(tǒng),，那怕是雙-VANOS也都被廣泛地使用在BMW的全車系，這代表可變氣門的科技已經(jīng)慢慢地平民化,，而大量使用!BMW的VANOS是連續(xù)性的可變氣門正時與重疊時間，但是由於沒有變化進(jìn).排氣閥門的"升程",，使得它總是有那麼點點的缺憾，特別Toyota與Honda都已經(jīng)克服這樣的問題,，那麼以引擎科技傲視全球的BMW車廠怎會就此罷休呢,？

　　Valvetronic就是BMW的實現(xiàn)這理想的作品，它比VVTL-i或i-VTEC有更進(jìn)一步的地方,，所以，才被比喻成更"完美的"可變氣門引擎!那到底厲害在何處呢,？請繼續(xù)看下去,。
　　首先,，Valvetronic少了節(jié)流閥(throttle)的設(shè)計，如同我們鼻子或肺在作呼吸動作時一樣地跟空氣直接接觸,，而省略掉throttle後,，引擎在進(jìn)新鮮空氣時，將更順暢,，少掉因為空氣流動的一些黏著力與磨擦力,，而使引擎在運(yùn)轉(zhuǎn)時省去不必的的loss!一般的車子,，當(dāng)我們用腳踏加油門時，是驅(qū)動著鋼索而通到throttle這開關(guān)的,，而踏油門的深淺正控制著throttle的開或關(guān)的程度，而引進(jìn)的就是將進(jìn)入引擎燃燒室燃燒的新鮮空氣,，所以,，throttle正控制著燃燒室的空氣量與流動速率,；然而,，取代這"機(jī)械式"的進(jìn)氣節(jié)流閥(throttle)機(jī)置后,，取代的是"電子式"的可變電阻,，依我們踏油門的深淺,，經(jīng)過這可變電阻而來決定"進(jìn)氣量"。
　　而Valvetronic比起VVTL-i與i-VTEC更進(jìn)一步的地方是它除了可連續(xù)性變化valve的開管正時與phase外，Valvetronic連揚(yáng)程(升程)也是連續(xù)性微調(diào)!!!這比VVTL-i與跟i-VTEC在升程上是"階段式"地更進(jìn)一步了!要作到valve的升程變化幾乎都要透過搖臂的設(shè)計來完成這動作，而BMW更進(jìn)一步的地方就是在此處比Honda或Toyota多下點功夫,，Valvetronic的搖臂是"偏心軸"的轉(zhuǎn)動，所以當(dāng)搖臂作動時,，非固定在圓心轉(zhuǎn)動,，而是稍微偏離中心點，雖然量不大,，但是一經(jīng)過搖臂的長度施力(如杠桿原理一樣),，閥門開與關(guān)的"深度"就可以被改變了!(如圖十，是正常的搖臂,，它作動時即固定在圓心,，而Valvetronic的"偏心軸"搖臂則巧妙地使它在作動時，會有不等量的伸長來驅(qū)動到valve的開關(guān)深度,，所以升程就被微量的變化了!)請看圖九的綠色與紅色部份,，Valvetronic透過電動馬達(dá)來驅(qū)動偏心軸搖臂!

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圖三

 

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凸輪軸藉由搖臂去驅(qū)動氣門的開與關(guān)!(此搖臂是正常地在圓心處來回轉(zhuǎn)動)

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　　就這樣，Valvetronic配合著雙VANOS原本就有的連續(xù)性可變氣門正時機(jī)構(gòu),，而作到了"正時與 重疊時間,，還有升程"都可以『連續(xù)性』的變化,，這就是它厲害的地方ㄛ!!!而搭載這新引擎的316ti是顆1.8升的引擎，它馬力只有115hp/5500rpm,，但是扭力有18kgm/3500rpm的高原式曲線,，性能上算是還可以的水準(zhǔn)，但它比以前的1.8升引擎更省油,，每公升可以跑14.5km,，且這顆新引擎可以說是個不挑食的，即使是低辛烷值的汽油,，到高品質(zhì)的油品,，它都可以正常的work...，而Valvetronic的排污標(biāo)準(zhǔn)更提前通過歐盟EU-4的標(biāo)準(zhǔn)呢!

　　六.總結(jié):

　　看過了這三款最新的引擎設(shè)計,，大伙多少會有上面這句話的感受吧,；可變氣門引擎，說穿了就是這樣的道理,，希望各位能從中了解各家的巧妙之處,；現(xiàn)在呢，我們再回頭想想,，這樣的設(shè)計是否有完成工程師的理想與設(shè)計初衷呢,？

　　其實以目前的以上三家的可變氣門引擎來講，大家已經(jīng)都作的越來越像了,，原本大家各車廠都保有各自在VVT-i,，VTEC，VANOS上的優(yōu)點,，之後各家或多或少地解決自己不足的地方,，套句政治語言:大伙都往"中間"靠攏哩@_@試著去想想人類這麼辛苦地設(shè)計并改良這些引擎的目的又是為了什麼？除了商業(yè)上的競爭外,，不就是對我們生存的空間-地球,，許下科技與環(huán)保共存的允諾，所以,，我們才需要一具既符合我們的動力期待,，又能低油耗與低排污的引擎，而今天介紹的這三具自然進(jìn)氣引擎VVTL-i,，i-VTEC,，Valvetronic正是我們剛進(jìn)入21世紀(jì)時，獻(xiàn)給大自然與全人類的代表作!

, B) d' ?# M; S) O" X+ v7 z" F0 W

 

fwl8118

Very Good!!!

無線風(fēng)箏

有關(guān)可變氣門技術(shù),，置頂鏈接中已經(jīng)有了
希望樓主以后發(fā)貼時注意查閱
6 n# ]6 I$ Y! K/ K謝謝，暫時將該篇資料保留

zoudengji

我這里有個寶馬的 ,，給大家看看,。