一、可变气门的差异
在介绍这些可变气门机构前,我们先来介绍 "气门正时",再由它来引入工程师们在设计一颗引擎时所面临的问题,而他们的解决 之道就是VANOS、VTEC与VVT-i的发展了!
二.气门正时(Valve Timing):
凸轮轴是决定一个引擎性能的灵魂,它在转动的时候,它凸出来的桃尖形部份,就会去驱动到气阀,或先顶起摇臂,再藉由摇臂去驱动气阀,当气阀一开一关时就决定了引擎的进气时间,也决定了气门扬程(lift)的深度,同样的,排气阀门那边也是一样的道理... so凸轮轴之所以重要,就是它能深远的影响该引擎的气门正时,所以它是决定引擎性能的关键之一。
以引擎在进气行程为例,当引擎运转时吸入汽缸内的混合油气有一定的惯性质量, 油气间是有黏滞性且与汽缸之间也有磨擦力,所以,在实际的otto-cycle运转时, 并不是进气阀门关紧之后才开排气阀门的,尤其在高转速时,这样可能会使进气的量不足,影响此时的扭力,也会造成排气之后的汽缸之负压量不足,无法在下一个循环使更多的油气进来,而造成引擎的效率不佳!所以,在一般的引擎设计中,是有一段在进气行程还没完全结束以前会先开打排气阀门,让一部份的废气回流,让引擎在此时会有较好的扭力表示,而这进、排气阀门同时开启的时间(角度)就是称为"气门重叠角"! 在高性能引擎中,会使用较大的凸轮轴就是因为这样可以使气门重叠角的角度越大, 在高转速时提供更好的进、排气汇换的效率
三.工程师们遇到的问题:
但是,当一部引擎的凸轮轴被决定以后,气门正时、气门扬程、配气相位重叠角都再也不能改变了,however,随着引擎不同的转速,燃烧室(气缸)的情况会改变,例如:
A.低转速时:油气流动比较缓慢,燃烧的速率也比较低,所以希望进气阀门提早开启, 利用进气惯性把多一点油气给引进来,但是,进气门提早开的太早,排气行程尚未结束, 活塞正在上升当中,如此一来,反而会把油气混合气给挤出汽缸,不但浪费油耗,也达不到气门重叠角的预期好处!
B.高转速时:这时候引擎转速很快,油气也快速的流动,而每次的燃烧时间很短, 为了多一点混合气进来,进气阀门就提早开,进气阀门也要晚一点关避,这样的气门重叠角也会变大,在高转速时提供更好的扭力值,也由于进气效率的提升,排气也完全, 所以马力也可以持续榨出.....
问题来啦:~之前我们说过一部引擎的凸轮轴被决定以后,气门正时、气门扬程、配气相位重叠角都再也不能改变了!用高性能的引擎使用大凸轮轴,配气相位重叠角大, 如此是可以解决高转速时的问题,可是,在低转速的时候,由于油气流动变慢,过大的进排气重叠角将会造成进气阀一提前开时,混合气反而被挤出去了,如此一来,就会造成怠速时不稳定;在赛车上使用大凸轮轴是可以,因此它们几乎都work在高转速范围,也因此我们在看F1等赛车比赛时偶尔会看到赛车反而在休息区中熄火,一部份就是这个原故!那如果使用小的凸轮轴,进排气相位重叠角不致于太大,在低转速提供好的扭力输出,但是,一旦进入高转速时,也由于进排气门太早关闭,造成性能裹足不前....... 所以如何去设定一颗引擎的凸轮轴,希望他有怎么样的特性表现就要看这部车是怎么样的产品定位,而去设计它的引擎啰!
◎人类因有梦想而伟大:
怎么办?假使我希望低转速扭力充足,而又期望高转速时能持续榨出性能的话,我怎么去得到这样的平衡点呢?Ya,工程师们绝不妥协!......我们想贪心的同时拥有这些优点, 且在同一颗引擎上完全达到!BMW的VANOS与Honda的VTEC引擎就是两种工程师们去解决这问题的科技代表,以下就来一一介绍BMW与Honda工程师的idea与它们不同的地方^_^
BMW VANOS可变气门引擎:
四.BMW VANOS可变气门:
好的idea并不一定需要多复杂,越简单的越可以看出工程师们解决问题的"原创精神", BMW的工程师很自然的认为,反正是高、低转速对进排气门重叠角的需求不同,那我们就作一个可以"改变"进排气门重叠角的机制不就好啦 是的,BMW的VANOS就是这样的idea下发展出来的,它的确简单但是一针见血! BMW的VANOS是Variable Camshaft Control,叫"可变凸轮轴控制系统",它能随着引擎转速与负载情况,自动且连续式的移动凸轮轴位置,还达到变化不同转速时的进排气之配气相位夹角,使怠转稳定,中低转速扭力充足,高转速马力涌现,而且还兼顾到废气排放标准喔!而控制凸轮轴位置的装置如下图,VANOS利用一个可开关的电磁阀,在不同转速时,藉由油压来控制电磁阀的位置,以决定油压是走黄色的管路还是绿色的管路, 而不同的管路将推动活塞的移动,它的移动将推动一螺旋齿轮,这齿轮就可以把凸轮轴移动位置,达到改变"气门正时"(重叠角也改变啦!)的目的,这类引擎就是可变气门引擎! 这装置在低转速时,凸轮轴于延迟开启的位置,进气门的开与关都较为延后,并减少气门重叠角(时间),以避免废气回流汽缸,改善低流动速率的油气之新鲜气,达成怠速稳定的品质;随着转速的增加,凸轮轴被移动到让气门重叠角(时间)增加的位置,换个角度想, 就是延长进排气门同时开启的时间,让废气回流一部份到气缸中,增加油气的有效惯性质量,也就增加此时扭力的输出了,马力也由于进排气效率提升而持续榨出! M3与新的3系列(E46),在进、排气端都装上VANOS的装置,所以叫"Double-VANOS",而新3-series(E46)在进气门的可变角度范围达40度,排气门为25度,凸轮轴随着转速移动自如,气门重叠角与气门正时也连续性的随转速改变,所以,VANOS也是"连续式"的可变气门设计!
LS400/GS400身上的VVT-i引擎
五.Lexus的VVT-i可变气门引擎:
1997年丰田在高级房车上使用的VVT-i(Variable Valve Timing-Intelligent)译成: 『智慧型可变气门正时引擎』,它跟VANOS是一样的设计理念,也是移动凸轮轴的位置,以改变气门正时与气门重叠角,只是移动凸轮轴的机构有点不同,而它也是无段连续式的可变气门正时引擎,它的模式是:
1)怠转时:没有气门重叠角!
2)一般行驶时:跟VANOS一样是随转速增加而加大气门重叠角!
3)加速、爬坡、高速行驶时:除了大气门重叠角以外,它的进阀门还会提早关闭,
那样可以有充足的扭力以外,也达到进排气顺畅的优点!
VVT-i 除了改善自然进气(natural aspiration,NA)引擎的性能以外,还达到降低油耗也降低废气NOx与碳氢化合物(CH)排放量,这也是VVT-i它"智慧型"与"环保"的地方!
六.本田的VTEC引擎:
讲到可变气门科技,VTEC几乎是代名词,为什么呢?因为它被广泛地使用在各种量产车款上,绝对不是高不可攀,但是,也由于这项科技,使得它一直是自然进气引擎中最高效率的纪录保持者:一公升排气量高达125匹马力的输出(ྞ.10 Honda S2000), 但是,它跟BMW的VANOS与Toyota的VVT-i是用不同方式来解决之前提到无法兼顾低.中.高转速引擎的问题...本田的工程师怎么作到的呢? Honda的idea也很简单,它们干脆发展一颗引擎:在低转速时用小凸轮轴,进入高转速时换成较大的凸轮轴,不是一举两得呀!Honda解决之道是切换size不同的凸轮轴来满足不同状态的需要!也由于对不同凸轮轴的切换,VTEC除了改变气门正时与进、排气的重叠角以外,它还改变了气门开关的"扬程(lift)"深度,而这是VANOS与VVT-i所没有的!
Honda的DOHC-VTEC引擎 VTEC=Variable Valve Timing & Lift Electronic Control System,中译名称是『电子控制可变汽门正时与扬程系统』,它的作动是由一个16位元的微电脑来感知引擎转速+车速+引擎负荷+水温+进气门真空度...利用油压来推动插销使摇臂呈现不同组合来切换不同转速时的凸轮轴;本田为了旗下车款都能使用VTEC的设计,它也根据不同车子的产品定位配置不的VTEC作动时机与状况,而性能车款则配上双凸轮轴DOHC的VTEC设计, 于进气与排气端都可以改变气门正时与扬程,而气门重叠时间(角)也就改变了.
Accord的VTEC在低转速是一支微开,另一支半开,造成进气涡流,以燃烧完全! 以DOHC-VTEC为例,本田的DOHC-VTEC是有摇臂的设计的,凸轮轴藉由摇臂间接地开启或关闭气阀,DOHC不是可以没有摇臂的吗?为什么Honda要多此一举呢?回头看看图三,当摇臂的支点被安排在较接近凸轮轴的地方(力臂短),则摇臂的另一端去推动气阀的力臂较长, 那凸轮轴即使是小小的突出桃尖,就可以使气门开与关的扬程(lift)距离较深而长了! 所以,本田在DOHC的设计上还是使用"摇臂",而它也是VTEC"关键"机构之一,因为如此, (SOHC只有一根凸轮轴,它必须使用摇臂来同时控制进气与排气)VTEC也可以在SOHC上使用,也许换个角度想:这就是本田在房车上常使用SOHC-VTEC设定的引擎,SOHC在高转速时对进排气的控制是比DOHC的来的差,但是,以SOHC的设计加上VTEC的机置也可以改善单凸轮轴对中高转速的进排气效率,且比两根凸轮轴的DOHC省油;如此一来,房车设计的SOHC-VTEC依然保有平常状况下行驶省油,而高转速时还可以榨出马力的特性,不过,无论VTEC是DOHC还是SOHC的设计,它们的特性曲线是跟其他引擎不太一样的,由于不同转速时切换了不同大小的凸轮轴,使的引擎输出曲线在分布图上是两条曲线的线性相加组合, 这在马力与扭力上都看的到,也因此VTEC在扭力曲线上常呈现有两个高峰的特征图形...
◎目前所有本田VTEC引擎的形式:
本田VTEC引擎发展至今已有五种形式,它们依不同车种的产品定位而付予不同的VTEC引擎:
.VTEC-E:
这就是本田的稀薄燃烧的VTEC引擎,空油比到达22:1(一般是14.7:1),VTEC-E引擎以环保为其设计的目的,1997年9月Honda又在美国加州上市ULEV的VTEC引擎!
(ii).SOHC-VTEC:(Civic)
此引擎就是Civic VTi上使用,单凸轮轴,低转速时进气阀门两支半开,于高转速时(四千多转)进气阀门两支全开!
(iii).SOHC-VTEC:(Accord,ྟ Acura TL)
此引擎就是Accord与TL上使用,低转速时进气阀一支开9mm,另一进气阀门微关,以进气产生涡流提升燃烧效率,强调省油,达2300-3200rpm以上时,进气阀门两支全开12mm, 进气扬程与正时加大并延长,以期动力持续输出!
(iv).DOHC-VTEC:(NSX,Prelude,Integra,S2000....)
这是以性能取胜而设计的引擎,进.排阀都采用VTEC的设计,高转速时切换的凸轮轴size 最大,红线区高达7500-8000rpm,部份车款还配合"可变进气歧管"的设计!DOHC-VTEC是本田最强而有力的引擎.....,每升最大的马力输出的记录保持就是采这样的设计!
(v).3-stage-VTEC:(6'th Civic CVT)
这是目前VTEC最新的设计,可切换的凸轮轴到达3组,以达到"低转速省油+中转速扭力充足+高转速马力超强"的引擎!
七.结论:
(VANOS、VVT-i治标不治本,VTEC治本但有时却不治标) 无论是BMW的VANOS,还是Lexus的VVT-i,或者是Honda的VTEC,这些可变气门引擎都是人类解决otto-cycle引擎在不同状况下的动力与环保的新选择,然而,VANOS与VVT-i是作到了"连续式"的可变气门正时,却没有改善它们在不同引擎转速下的进排气阀门开启深度;而VTEC虽然以切换凸轮轴的方式来彻底解决气门正时与气门扬程深度的问题,但是,它却是"阶段式"的可变气门,在VTEC未切换凸轮轴时,它的正时、气门重叠角、扬程都没有改变!而负压引擎(自然进气引擎)无论是VANOS、VVT-I 还是VTEC,即使配合上可变进气歧道的设计,它们都还是不能在"扭力"上大幅度的进步,而这似乎是自然进气(NA)引擎于物理上必然的极限>_<...... 回头看看20世纪,人类在科技上的发展胜过以前19个世纪的总合,然而,我们也在短短的100年内制造的污染了也胜过以往所有历史的总合,现在该是我们从新思考如何以"科技"来跟地球共存共荣的时候了,台湾严格的第三期环保已经实施,再几年欧盟更要进入他们第四期的环保标准,而汽车引擎科技,无论是VANOS、VVT-i、VTEC的设计,都希望在环保、油耗、废污排放与动力性能之间再次取得一个平衡点,因为,没有好的生活环境,地球还是会存在,....... 但是我们将无法在这上面生存!切记:地球只有一个,而生命也只能一次!
注:Honda S2000中的DOHC-VTEC引擎,它的摇臂是新的设计,不同于之前的!
