发动机性能——包括功率输出、扭矩、燃油效率和排放——取决于数十个精确调节的因素。其中最关键却常被忽视的因素之一是气门正时：进气门和排气门在每个发动机循环中开启和关闭的精确时刻。可变气门正时（VVT）系统的开发旨在优化所有行驶条件下的正时，它们已经彻底改变了现代发动机的性能表现。
传统发动机中气门的控制方式
在传统的四冲程内燃机中，进气门和排气门由凸轮轴凸角驱动。这些凸角的形状决定了三个关键特性：
- 正时 — 气门相对于活塞位置的开启和关闭时刻
- 持续时间 — 气门保持开启的时长（相位宽度）
- 升程 — 气门从阀座移动的距离
在大多数传统发动机中，这些相位是固定的——无论您是在拥堵中怠速行驶还是在高速公路上加速，凸轮轴型面从不改变。这种刚性是一个根本性的局限。
为何固定气门正时是个问题
气缸、进气道和排气道内的气体行为会随发动机转速和负荷的不同而显著变化。流速不断变化，进排气道中的压力波可能因正时的不同而有助于或有损于气缸充气。正因如此，单一的固定气门正时设置无法在所有工况下都达到最优状态。
以下是两种常见工况下理想气门正时的差异：
- 怠速时：较窄的气门正时相位效果最佳——晚开早闭，气门重叠（进气门和排气门同时开启的短暂时段）极小甚至为零。这可防止废气被压回进气歧管，或未燃混合气逸入排气管。
- 最大功率时：需要较宽的相位——气门应更早开启并保持更长时间的开启状态，以允许最大量的空燃混合气进入气缸。更宽的重叠相位也有助于在高转速下更有效地清除废气。
因此，发动机设计师被迫做出艰难的折中。单一固定的凸轮轴型面必须同时实现：
- 强劲的低中转速扭矩
- 可接受的高转速功率
- 平顺稳定的怠速
- 良好的燃油经济性和低排放
用一个静态凸轮型面满足所有这些要求几乎是不可能的——这正是可变气门正时被发明出来的原因。
可变气门正时的作用
可变气门正时系统允许发动机的气门行为实时适应不断变化的驾驶条件。通过调整相位正时、持续时间和升程，工程师可以在不做机械妥协的情况下大幅重塑发动机的功率曲线。潜在的好处包括：
- 更宽转速范围内的扭矩提升
- 更高的峰值功率输出
- 燃油经济性改善
- 废气排放减少
- 更平顺的怠速和油门响应
可变气门正时系统的类型
相位调节器（凸轮相位器）
最常见的VVT方案使用相位调节器——一种液压驱动的离合器，使凸轮轴相对于曲轴旋转。随着发动机转速升高，系统提前进气凸轮轴，使进气门更早开启，从而改善高转速时的气缸充气效果。大多数应用仅作用于进气凸轮，但双凸轮系统（如宝马的Double VANOS）则可独立调节进气和排气正时。
可变相位宽度系统
更先进的系统不仅仅是移动相位——它们还可以加宽或缩窄相位。一个著名的例子是丰田的VVTL-i系统，它在同一轴上使用两种凸轮型面：
- 6,000转/分以下，标准凸轮凸角控制气门运动
- 6,000转/分以上，具有更激进型面的辅助凸轮接管控制，拓宽正时相位并增大气门升程
- 当发动机接近8,500转/分的转速红线时，这一切换会带来一股明显的动力涌现——在大力加速时有一种明显的”第二春”感觉
可变气门升程系统
改变气门开启时机是一回事——改变气门开启幅度是另一回事。可变升程系统，如宝马的Valvetronic或日产的VVEL，允许根据油门位置持续调节进气门升程。
这种方案提供了一个显著优势：它可以消除对传统节气门的需求。原因如下：
- 传统节气门在低负荷时会在进气道中产生局部真空，增加泵气损失
- 这种真空会减慢气体流速，降低气缸充气质量，并使油门响应迟钝
- 通过气门升程来控制发动机负荷，进气道可以基本保持畅通无阻
效果显著。无节气门可变升程系统通常可实现：
- 燃油经济性提升8–15%
- 峰值功率和扭矩均提升5–15%
- 油门响应明显更灵敏，尤其是在低速时
电磁气门驱动
气门控制领域最先进的概念是用电磁驱动气门完全取代机械凸轮轴。每个气门由电子电磁阀独立开闭，赋予发动机控制系统对每个循环中每个气门的正时、升程和持续时间的完全自由度。
这所开启的可能性是非凡的：
- 针对每种转速和负荷条件的完美优化气门正时
- 轻负荷行驶时单个气缸停缸以节省燃油
- 在燃烧循环之间动态切换——例如，即时将四冲程发动机转换为六冲程配置
- 彻底消除凸轮轴及其相关机械损失
电磁气门系统目前基本仍处于研究和开发阶段，但其重新定义内燃机效率的潜力是巨大的。它们是否能在不久的将来实现量产，还有待观察。
结论
可变气门正时是现代发动机开发中最具影响力的技术之一。通过调整气门行为以适应每种驾驶条件——从城市怠速到全油门加速——VVT系统使工程师能够打造出同时比固定正时设计更强劲、更高效、更清洁的发动机。
尽管如此，气门正时优化也有其局限性。从给定排量中进一步榨取功率、扭矩和效率的提升，将越来越多地依赖其他技术——组合增压系统、可变压缩比发动机和替代燃料。但那是另一篇文章的故事了。
这是一篇翻译。您可以在此处阅读原文：https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
出版 一月 13, 2022 • 2m
