從二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始，環(huán)境保護(hù)的呼聲越來(lái)越高，各個(gè)國(guó)家越來(lái)越重視大氣環(huán)境的保護(hù)，苛刻的環(huán)保法規(guī)不斷出臺(tái)，汽車的排放成為進(jìn)入市場(chǎng)的先決條件；而石油資源的日益減少又導(dǎo)致對(duì)汽車耗油量的要求也日益嚴(yán)格；進(jìn)入二十一世紀(jì)后，這些要求更加嚴(yán)格。因此，各個(gè)汽車廠家不惜投入大量的資金進(jìn)行技術(shù)研究、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，電子計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的使用使新技術(shù)的研發(fā)實(shí)驗(yàn)周期大幅度縮短，尤其在這幾年新材料的不斷應(yīng)用，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)展可以說(shuō)是日新月異，出現(xiàn)了長(zhǎng)足的進(jìn)步。除了發(fā)動(dòng)機(jī)本體沒(méi)有太大改動(dòng)之外，其它各個(gè)系統(tǒng)都發(fā)生了質(zhì)的變化，很多原來(lái)在理論上認(rèn)為不可能成立的想法，在今天竟然成為現(xiàn)實(shí)；不管是從體積、質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、功率、穩(wěn)定性還是可靠性方面，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)與現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)直無(wú)法同日而語(yǔ)。
一直以來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率和轉(zhuǎn)矩受到進(jìn)氣量的限制，難以有效提高，多氣門技術(shù)的投入使用使這一長(zhǎng)期困擾發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師的問(wèn)題在一定程度上得到解決，而近幾年通過(guò)各國(guó)汽車工程師的努力，使進(jìn)氣控制技術(shù)更上一層樓，這就是可變氣門正時(shí)和可變進(jìn)氣系統(tǒng)。本文從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制方面簡(jiǎn)單談一談發(fā)動(dòng)機(jī)新的技術(shù)發(fā)展。
1、可變氣門正時(shí)
亦稱可變配氣相位。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，有部分工況將會(huì)出現(xiàn)一些難以解決的矛盾，比如：如何保證低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩輸出、高轉(zhuǎn)速時(shí)的功率輸出以及在這些工況下的燃油耗量等問(wèn)題；如果只采用節(jié)氣門控制的燃油供給方式是難以圓滿解決的！現(xiàn)在可以通過(guò)可變氣門正時(shí)和升程、可變進(jìn)氣管道和可變壓縮比這些方式來(lái)有效地解決。比較典型的是豐田汽車公司的可變配氣正時(shí)控制機(jī)構(gòu)（VVT－i）、本田汽車公司的可變氣門正時(shí)升程電子控制系統(tǒng)（VTEC）及薩博汽車公司（SAAB）的可變壓縮比技術(shù)。 豐田可變配氣正時(shí)控制機(jī)構(gòu)（VVT－i）：它能夠在維持發(fā)動(dòng)機(jī)怠速性能的情況下，有效改善全負(fù)荷性能。它可以保持進(jìn)氣門開(kāi)啟的持續(xù)角度不變，改變進(jìn)氣門開(kāi)閉時(shí)刻來(lái)增加充氣量。它由VVT-i控制器、凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥和傳感器三部分組成，其中傳感器有曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器和VVT傳感器。
豐田VVT-i16氣門4缸發(fā)動(dòng)機(jī)
在工作過(guò)程中，排氣凸輪軸由凸輪軸齒形皮帶輪驅(qū)動(dòng)，其相對(duì)于齒形皮帶輪的轉(zhuǎn)角不變。曲軸位置傳感器測(cè)量曲軸轉(zhuǎn)角，向發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)；凸輪軸位置傳感器測(cè)量齒形帶輪轉(zhuǎn)角；VVT傳感器測(cè)量進(jìn)氣凸輪軸相對(duì)于齒形帶輪的轉(zhuǎn)角。它們的信號(hào)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（ECU），ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的要求控制進(jìn)氣凸輪軸正時(shí)控制閥，控制器根據(jù)指令使進(jìn)氣凸輪軸相對(duì)于齒形帶旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，達(dá)到進(jìn)氣門延遲開(kāi)閉的目的，用以增大高速時(shí)的進(jìn)氣遲后角，從而提高氣缸的充氣效率。
本田可變氣門正時(shí)升程電子控制系統(tǒng)（VTEC）：VTEC系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（ECU）控制，ECU接收發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器（包括轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、車速、水溫）的數(shù)據(jù)、參數(shù)并進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，通過(guò)電磁閥調(diào)節(jié)搖臂活塞液壓系統(tǒng)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速工況下由不同的凸輪控制，影響進(jìn)氣門的開(kāi)度和時(shí)間。
一般情況下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)每缸氣門組只由一組凸輪驅(qū)動(dòng)，而VTEC系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)卻有中低速用和高速用兩組不同的氣門驅(qū)動(dòng)凸輪，并可通過(guò)電子控制系統(tǒng)的智能控制，進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換。它保證了發(fā)動(dòng)機(jī)中低速與高速不同的配氣相位及進(jìn)氣量的要求，使發(fā)動(dòng)機(jī)不論在任何轉(zhuǎn)速情況下運(yùn)轉(zhuǎn)均能達(dá)到動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與低排放的統(tǒng)一和極佳狀態(tài)。
薩博（SAAB）可變壓縮比技術(shù)：一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮比是不可變動(dòng)的，原因是燃燒室容積及氣缸工作容積都是固定的參數(shù)，在設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定。不過(guò)，為了使得現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)能在各種不斷變化的工況中發(fā)揮更高的效率，來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能；氣門可變驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，壓縮比這一重要參數(shù)雖然過(guò)去也曾經(jīng)有人嘗試過(guò)，試圖由固定不變改為隨機(jī)應(yīng)變，但由于改變氣缸壓縮比必然會(huì)涉及到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改變，難度非常大，因此，這一技術(shù)革新進(jìn)展得非常緩慢。 紳寶（SAAB）開(kāi)發(fā)的SVC發(fā)動(dòng)機(jī)以改變氣缸壓縮比的方式來(lái)達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量的目的。它的核心就是在缸體與缸蓋之間安裝楔型滑塊，缸體可以沿滑塊的斜面運(yùn)動(dòng)，使得燃燒室與活塞頂面的相對(duì)位置發(fā)生變化，改變?nèi)紵业娜莘e，從而改變氣缸壓縮比。其壓縮比可從8:1至14:1之間范圍變化。在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷時(shí)采用高壓縮比以實(shí)現(xiàn)節(jié)約燃油；在發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷時(shí)采用低壓縮比，并輔以機(jī)械增壓器以實(shí)現(xiàn)大功率和高轉(zhuǎn)矩輸出。SVC發(fā)動(dòng)機(jī)采用5缸1.6排量，氣缸缸徑68mm，沖程88mm，最大功率166kw，最大扭矩305Nm，綜合工況油耗比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)降低30%，并能夠滿足苛刻的歐洲Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)。
2、可變進(jìn)氣系統(tǒng)
若要提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能只有提高充氣效率，提高充氣效率的途徑除了采用增壓之外，可以采用適當(dāng)?shù)呐錃庀辔徊⒛茈S發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同而變化，也可以利用進(jìn)氣的慣性及諧振效應(yīng)；這些都是提高充氣效率的最佳方式。進(jìn)氣慣性及諧振效應(yīng)是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣管長(zhǎng)度及管徑大小的變化而變化。在不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣管長(zhǎng)度應(yīng)有所不同，才能獲得良好的進(jìn)氣慣性效應(yīng)。因此，只有結(jié)合可變配氣相位控制，可變進(jìn)氣系統(tǒng)才能適應(yīng)不同工況的要求，比較全面的提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。
可變進(jìn)氣系統(tǒng)分為兩類：多氣門分別投入工作和可變進(jìn)氣道系統(tǒng)；目的都是為了改變進(jìn)氣渦流強(qiáng)度、提高充氣效率；或是為了形成諧振及進(jìn)氣脈沖慣性效應(yīng)，以適應(yīng)低速及中高速工況都能提高性能的需要。
多氣門分別投入工作：多氣門分別投入工作的方式有以下兩種：一是通過(guò)凸輪或搖臂控制氣門按時(shí)開(kāi)或關(guān)；二是在氣道中設(shè)置旋轉(zhuǎn)閥門，按需要打開(kāi)或關(guān)閉該氣門的進(jìn)氣通道；后者比采用凸輪、搖臂控制簡(jiǎn)單。
可變進(jìn)氣道系統(tǒng)：可變進(jìn)氣道系統(tǒng)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況，采用不同長(zhǎng)度及容積的進(jìn)氣管向氣缸內(nèi)充氣，以便能形成慣性充氣效應(yīng)及諧振脈沖波效應(yīng)，從而提高充氣效率及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。它有三種工作形式：雙脈沖進(jìn)氣系統(tǒng)、四氣門二段進(jìn)氣系統(tǒng)和三段進(jìn)氣系統(tǒng)。 （1）雙脈沖進(jìn)氣系統(tǒng)：雙脈沖進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣室及兩根脈沖進(jìn)氣管組成，空氣室的入口處設(shè)置節(jié)氣門，與兩根直徑較大的進(jìn)氣管相連接，作用是在于防止兩組（每三缸一組）進(jìn)氣管中諧振空氣柱的相互干擾。每根脈沖管子成為形成諧振空氣波的通道，分別連接兩組氣缸。
將六缸機(jī)的進(jìn)氣道分成前后兩組，這就相當(dāng)于兩個(gè)三缸機(jī)的進(jìn)氣管，每個(gè)氣缸有240°的進(jìn)氣沖程，各氣缸之間不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)氣脈沖波的相互干擾。該系統(tǒng)能夠使每個(gè)氣缸都會(huì)產(chǎn)生空氣諧振波的動(dòng)力效應(yīng)，而直徑較大的空氣室、中間產(chǎn)生諧振空氣波的通道與歧管一起，形成脈沖波諧振循環(huán)系統(tǒng)。它的工作分為兩段：即低速段（轉(zhuǎn)速<4400r/min）和高速段（轉(zhuǎn)速>4400r/min）。
?。?）四氣門二段進(jìn)氣系統(tǒng)：二段即低中速段（轉(zhuǎn)速<3800r/min）和高速段（轉(zhuǎn)速>3800r/min）；該進(jìn)氣系統(tǒng)由彎曲的長(zhǎng)進(jìn)氣管和短的直進(jìn)氣管與空氣室相連接，分別連接到缸蓋的兩個(gè)進(jìn)氣門上。在發(fā)動(dòng)機(jī)低、中速工況，動(dòng)力閥關(guān)閉短進(jìn)氣管的通道，空氣通過(guò)長(zhǎng)的彎曲氣道向氣缸供氣，使氣流速度增加，并且形成較強(qiáng)的渦流，促進(jìn)良好混合氣的形成。而在高速工況，動(dòng)力閥打開(kāi)，額外的空氣從空氣室經(jīng)過(guò)短進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸，改善了容積效率，并且由另一氣門進(jìn)入氣缸的這股氣流，將低、中速工況形成的渦流改變成滾流運(yùn)動(dòng)，更能滿足高速高負(fù)荷時(shí)改善燃燒的需要。可提高氣缸充氣率，實(shí)現(xiàn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的目的。另外，進(jìn)氣管的長(zhǎng)度能夠在進(jìn)氣門即將關(guān)閉時(shí)，形成較強(qiáng)的反射壓力波峰，增加進(jìn)入氣缸的空氣量。這都有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩。
?。?）三段進(jìn)氣系統(tǒng)：三段即低速段（轉(zhuǎn)速<4000r/min）、中速段（轉(zhuǎn)速>4000r/min）和高速段（轉(zhuǎn)速>5000r/min）；與兩段進(jìn)氣系統(tǒng)不同，它由末端連在一起的兩根空氣室管組成，并布置在V形夾角之間。每根空氣室通過(guò)三根單獨(dú)的脈沖管連接到左側(cè)或者右側(cè)的氣缸上。每一側(cè)氣缸形成獨(dú)立的三缸機(jī)，各缸的進(jìn)氣沖程相位為均勻隔開(kāi)的240°。兩根空氣室的入口處有各自的節(jié)流閥，在兩根空氣室中部有用閥門控制的連接通道，在空氣室末端U形連接管處布置有兩個(gè)蝶形閥門，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況，兩空氣室管之間的閥及高速工況用閥關(guān)閉。每根空氣室管及與其相連接的三根脈沖進(jìn)氣管形成完整的諧振系統(tǒng)，將在一定轉(zhuǎn)速工況下（轉(zhuǎn)速＝3500r/min），將慣性及波動(dòng)效應(yīng)綜合在一起，從而使充氣效率及轉(zhuǎn)矩達(dá)到峰值。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于3500r/min時(shí)，諧振壓力波的波幅值變小，因此可變系統(tǒng)的效果也變差，相應(yīng)地每個(gè)氣缸的充氣效率也會(huì)變小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于4000～5000r/min之間，即中速工況時(shí)，連接兩根空氣室的閥門打開(kāi)，因此部分損壞了低速工況諧振壓力波頻率，然而卻在轉(zhuǎn)速為4500r/min的工況下，形成新的諧振壓力波峰，從而使更多的空氣或混合氣進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，如達(dá)到5000r/min以上時(shí)，短進(jìn)氣道中蝶閥打開(kāi)，在兩個(gè)空氣室之間的短的及直接通道的空氣流動(dòng)，影響了第二階段的慣性及脈沖效應(yīng)。然而在高速范圍（5000～6000r/min）內(nèi)，通過(guò)各缸進(jìn)氣管的脈沖及諧振作用，建立了新的脈沖壓力波及效果。于是三階段的可變進(jìn)氣系統(tǒng)在三段轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能形成一個(gè)高的轉(zhuǎn)矩峰值，從而提高了整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)矩特性更平坦，數(shù)值更高。
氣缸燃燒所必需的空氣通過(guò)進(jìn)氣歧管進(jìn)入氣缸。較長(zhǎng)的進(jìn)氣歧管能使發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得較大轉(zhuǎn)矩，但在高轉(zhuǎn)速時(shí)卻會(huì)出現(xiàn)較低的最大輸出功率這一矛盾；而較短的進(jìn)氣歧管可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得較小的轉(zhuǎn)矩，但在高轉(zhuǎn)速時(shí)卻會(huì)出現(xiàn)較高的最大輸出功率的矛盾。這些矛盾可以通過(guò)雙級(jí)可變進(jìn)氣歧管來(lái)解決，可以保證在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)始終具有一定的有效長(zhǎng)度，保證低轉(zhuǎn)速時(shí)具有較大轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，在高轉(zhuǎn)速時(shí)也具有較高的最大輸出功率，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高速行駛時(shí)具有較好的加速性。
可變進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度控制技術(shù)能兼顧高速及低速的不同工況，改善發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及低速時(shí)的性能及穩(wěn)定性；提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性；降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。
（轉(zhuǎn)載）
