解析新悦动环保型发动机究竟有多少技术含量

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如今汽车科技含量越来越高,发动机各种节能减排新技术的应用已成为汽车制造商的必争之地,新悦动发动机有1.6L和1.8L两款,技术靓点主要是1.6L发动机采用了CVVT技术,可称得上是一款具备节能减排新技术的发动机。可变配气机构技术是得到最广泛认同及最广泛应用的技术之一,早在20世纪90年代,该技术的研究就在国外成为发动机节能减排新技术的热点,几十年来,可变配气机构技术已从概念发展为性价比相当高的成熟产品,成为环保型发动机不可缺少的一项新技术。

连续可变气门正时机构CVVT是英文Continue Variable Valve Timing的缩写,是近年来被逐渐应用于现代轿车上众多可变气门正时VVT(Variable Valve Timing)技术中的一种,业内,这种技术经常和可变气门升程Variable Valve Lift(VVL)相混淆。事实上,VVT和VVL同属于VVA(Variable Valve Actuator,可变气门执行机构)技术。笔者将就可变配气机构技术做详细的解析,从中网友们自可探明新悦动发动机究竟具备多少新技术含量。

一.VVA技术按技术路线的分类及其节能效果

VVA技术的产生在于,传统的机械凸轮配气系统无法在汽车发动机运行中进行调节,而只能在某一工况下优化汽车发动机性能。随着汽车发动机转速范围的扩大,配气相位和升程固定不变已经难以满足发动机在各转速下性能优化的需要。可变配气执行机构的出现则满足了在发动机整个工作范围内,提供最优的气门正时、升程,从而优化汽车发动机性能。

VVA技术主要包括可变气门正时(VVT)、可变气门升程(VVL)和停缸三类。其中,VVT技术又可分为三种技术形势:分段调节,液压驱动式连续调节和电动VVT。VVL技术可分为分段调节和连续调节。

如果假设没有配置VVA系统的发动机油耗为100%,那么进排气VVT的油耗为96%,分段VVL+VVT技术的油耗为93%~95%,可变进气+VVT技术的油耗为92%~94%,停缸技术油耗为90%,分段VVL+停缸技术的油耗为88%~90%。

二.可变气门正时(VVT)技术工作原理

合理选择配气正时,保证最优的充气效率,是保证发动机优秀性能极为重要的技术。在进气、排气门开闭的四个时期中,进气门晚关角(晚关角越大,发动机进气门开启的时间就越长)的改变对充气效率和发动机功率的影响最大。

实验表明,当晚关角为40°时,充气效率在大约1800r/min的转速下达到最高值,说明在这个转速下工作能最好地利用气流的惯性充气。当转速高于此转速时,气流惯性增加,就使一部分本来可以利用气流惯性进入气缸的气体被关在气缸之外,加之转速上升,流动阻力增加,所以使充气效率下降。当转速低于此转速时,气流惯性减小,压缩行程初始时就可能使一部分新鲜气体被推回进气管,充气效率也下降。在不同配气正时下,由于转速增加,气流速度加大,大的晚关角可充分利用高速的气流惯性来增加充气。

毫无疑问,改变进气晚关角可以改变充气效率,进而调整发动机扭矩曲线来满足不同的使用要求。但进气晚关角保持恒定不变是不行的,当加大进气晚关角,高转速时充气效率增加有利于最大功率的提高,但对低速和中速性能不利。减小进气晚关角,能阻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。因此,理想的气门正时应该是根据发动机的工况及时做出调整,具有一定程度的灵活性。

在进气冲程中,进气管内由于活塞下行产生的向下压力波达到进气门即将反射的瞬间,关闭进气门,可以较好的利用这种惯性增压。当发动机转速增高时,这种压力波的波峰随曲轴转角的变化向曲轴转角增大的方向推移,也就是需要增大进气晚关角,才能充分利用进气充气的惯性增压效应,提高转矩;低转速时,进气充气惯性增压效应减弱,为保证最大有效压缩比,不再推迟进气门关闭。

目前,广泛应用的液压驱动叶片式VVT系统零部件主要有相位调整器(CAM PHASER)、机油控制阀(OCV阀)以及相应的传感器等。

相位调整器中的转子与凸轮轴末端紧固连接。定子上的链轮或带轮通过链条或齿带与曲轴相连,并保持固定的相位关系。转子上有叶片,每个叶片和定子构成两个腔体,当腔体充满机油后,通过控制机油压力,可以是转子带动凸轮轴一起向相位提前或推迟的方向移动,使转子带动凸轮轴向相位提前方向移动的油腔称为前进腔,另一个油腔称为后退腔。

OCV阀是一个三位四通阀,受发动机ECU的控制,是一个闭环控制系统。可通过控制OCV阀中的柱塞靠控制通向前进腔或后退腔的机油流向及流速,从而在机油压力作用下驱动转子相对旋转到一指定位置,进而关闭通向前进腔和后退腔的机油攻击,使转子位置保持不动。这样凸轮轴就可以提供一个指定的最优配气正时。

在控制系统中,传感器的作用是感知当前凸轮轴和曲轴的相位,与ECU中标定好的VVT MAP进行比较,计算出两者的差值,然后发出PWM信号,驱动OCV阀移动,控制CAM PHASER中前进腔或后退腔中的机油攻击,是凸轮轴相位调整到指定的相位。

叶片式VVT的优点:调整范围大;调整速度快;质量轻;成本低。当前液压润滑油驱动的叶片式VVT成为VVT的主流产品。但它也有其固有的缺点。

三.可变气门升程(VVL)技术工作原理

可变气门技术也可同时改变气门的正时、持续期和升程,分为分段式改变和连续式改变两种方式。本田公司的VTEC、保时捷公司的Vario Cam Plus以及三菱公司的MIVEC等均属于分段式改变。宝马公司的Valvetronic、本田公司的AVTEC和日产公司的VVEL则属于连续式改变。

1. 分段式VVL技术工作原理

分段式VVL技术最典型的应用当属本田公司的VTEC,它是世界上第一个能同时控制气门开闭时间和升程的气门控制系统,本田公司在其几乎所有车型上都应用了该项技术。VTEC是英文“Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System”的缩写,中文的含义为“可变气门正时和气门升程电子控制系统”。

整个VTEC系统由发动机ECU控制,当发动机的转速、负荷、进气压力和冷却液温度等信号被输入ECU时,ECU经分析处理,可输出相应的控制信号,决定VTEC电磁阀的打开或者关闭来控制配齐机构,电磁阀的开关可以控制液压执行阀和气门机构的动作。每对气门在不同工况由凸轮轴上的滞止凸轮(0.65mm最大升程)、中速凸轮(7.3mm升程)和高速凸轮(10mm升程)分别控制;相应的凸轮推杆臂为主摇臂、中间摇臂和次摇臂。此外还有两个转换柱塞协同转换驱动凸轮。低速时,VTEC开启一个气门实现稀燃;中速时,采用中速凸轮型线驱动两个进气门,确保中速扭矩;高速时,VTEC加大气门升程及延长开启时间,使进气量增加,以输出更大功率。

2. 连续式VVL技术工作原理

宝马公司的汽车发动机机械式全可变气门升程机构Valvetronic的结构为例,看看汽车工程师们是如何实现连续可变气门升程的。在该结构在进气凸轮轴和摇臂之间增加一个中间摇杆,并且在缸盖上增加一根偏心轴,在偏心轴上有与中间摇杆对应数目的偏心凸轮。在发动机整个工作过程中,中间摇杆始终由偏心凸轮和进气凸轮共同控制。在偏心轴中部有一个扇形齿轮,该齿轮与另一个伺服电机的齿杆组成一对蜗杆涡轮机构。伺服电机为步进电机,可以通过驱动扇形齿轮是偏心轴在0-170°CA范围内连续转动。

当进气凸轮轴固定不动时,中间摇臂支撑在进气凸轮上,偏心轴旋转一定的角度,则中间摇臂杆的足部与摇臂的滚轮接触弧线工作区域发生变化。偏心轴旋转的角度不同,中间摇臂的旋转中心发生变化,导致工作区域不同,气门升程随之发生变化。当偏心轴旋转到初始位置时,进气凸轮转动到凸轮顶部与中间摇臂接触,气门升程达到最小为0.20mm。当偏心轴旋转到极端位置170°CA时,进气凸轮转动到凸轮顶部与中间摇杆接触,气门升程达到最大为9.90mm。

综上所述,VVL系统可同时改变气门的正时和升程,其优点有:

(1)在低速时输出较大的转矩,高速时输出较大的功率。

(2)实现无节气门负荷控制,降低泵气损失,减小油耗。

(3)促进燃料雾化,改善冷启动性能。

四.停缸技术VCM

概况来说,发动机的停缸技术就是当汽车发动机部分负荷时切断部分气缸的供油使工作气缸的负荷提高以改善汽车发动机性能的技术。VCM是英文“Variable Cylinder Management”的缩写,中文含义为可变气缸管理技术。该技术可以使工作的发动机依据负荷状况在不同工作气缸数目的模式之间进行切换,从而改善燃油经济性和排放净化性能。

五.结论

近年来,随着电子技术的发展,可变配气相位机构的产品化得到促进,技术的发展日新月异,很多技术已在轿车的应用上取得了良好的节能减排效果。但称谓众多,这时消费者难免会感到无所适从。笔者从技术角度,详细解读了各种可变配气机构的技术原理,希望能对消费者购车有所帮助。

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