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1、发动机可变气门技术的研究进展摘要：介绍了国内外可变气门技术的发展状况。并根据气门控制参数的变化情况，对气门正时、气门升程、气门开启持续期及气门动作速度等参数进行调节的方式，对发动机各种可变气门系统进行了分类，介绍了不同系统的组成、工作原理及其特点。对可变气门技术进行了详细的分类。结合目前典型的可变气门机构，对实现可变气门技术的途径进行了系统的阐述与评价。通过实例介绍了可变气门技术改善发动机性能及在实现汽油机均质充量压缩着火(HCCI)方面的应用。关键词：发动机；可变气门系统；气门正时；综述The research progress of engine variable valve techno
2、logy.LiuheAbstract：Devel0pment of variable valve technology in the world is introduced. According to variation of valve control parameters，variable valve technology is classified in detail. Combined with todays typical variable valve mechanism, approaches to realize the variable valve technology are
3、 systematically stated and evaluated. With an example, application of the variable valve technology to improve engine performance and the homogeneous charging compression ignition are introduced.Key words：The engine; Variable valve system; Valve timing. review 绪论因为近几年全球的目光全集中到了环境问题上，所以减轻环境压力比如降低燃油消耗
4、和废气排放，已经成为所有汽车厂商的重要挑战。另一方面，加强驱动性能可以提高汽车的吸引力，驱动性能仍然是许多消费者的一个强烈要求。能够同时减少环境污染和提高驱动性能的技术是可变气门系统的主要目标，它能够控制进气和排气的正时与升程。改变发动机气门的开启持续时间、升程和相位是改善发动机性能、提高热效率和减少有害排放的一种重要途径。传统气门驱动系统通常只能保证在某一工况优化发动机的性能，其凸轮型线是固定的。无法在运行的过程中进行调节，发动机性能难以在各种工况下都达到优化。多年的研究表明，采用可变气门技术优化发动机性能具有潜力。在超高增压的发动机中当输出功率比较高时，适当推迟或提前进气门关闭定时可降低压
5、缩比，降低发动机的机械负荷和热负荷；在部分负荷和低负荷及起动工况下，适当提高其压缩比，以得到较好的经济性和起动性能，使其性能在全工况范围内进行优化。气门启闭时刻可调使得发动机在不同工况下均可充分利用气流动力现象，改善进气过程。在部分负荷时，利用气门正时可调适当减小或增大气门重叠角，改变废气存留量，可减少HC或NOX排放。由于气门的升程可变，在发动机低转速时，适当减小气门的升程，可使进气气流通过气门时流速增大，增加缸内气体的扰动，使燃烧速率加快，提高怠速的稳定性；在高负荷下适当增大气门升程，减小气门的节流损失，可提高发动机的容积效率，有利于提高燃油的经济性。 该技术国内外的研究现状及发展趋势 可
6、变气门技术的发展概述20世纪90年代，国外对可变气门技术的研究成为热点，开发出了一系列基于凸轮轴的可变气门机构，并且应用于车用发动机，其中可变凸轮轴相位机构应用最广。2O世纪9O年代中后期，开始研究无凸轮气门机构。其中，FEV、Aura、BMW、Ford 等分别展开了电磁驱动式气门机构的研究；Ford、Lotus、Bosch 等分别展开了电液驱动式气门机构的研究。但是目前无凸轮的气门机构还处于研究阶段，未见到其大量应用于车用发动机的研究报道。我国从20世纪90年代逐步开始进行可变气门技术的研究。在90年代中期开发出了一种用谐波传动实现可变凸轮相位的机构，可实现小级差的多级调相。2000年后，吉
7、林大学、上海交通大学与长春汽车研究所等设计了一种液压张紧器式可变配气相位机构，可将气门在小范围内变化(进气门：提前15(曲轴转角)，滞后13(曲轴转角)；清华大学开展了电磁驱动式气门机构的研究；浙江大学对电磁驱动式气门机构进行了模型仿真研究。但与国外相比，可变气门技术只是局限于试验室研究，还没有形成具有自主知识产权、可以广泛应用于车用发动机的可变气门机构。 可变气门系统的研究历史为了对气门的特性参数进行调节，国外研究机构进行了大量的研究。美国自1880年就已出现了有关可变气门的专利，至1987年约有近800件。近年来仍在持续不断地发展，并有变“热”的趋势。图1为美国自1976年以来有关可变气门
8、专利的发展状况。世界各国多年来开发了多种可变气门系统（机构），有些系统部分实现了上述功能，有的只能对个别参数进行调整。只有少量结构简单、成本较低的用于实机上，大多数可变气门机构由于成本较高，或者可靠性的问题，只限于专利形式或者只进行了仿真研究。 可变气门技术研究现状气门驱动系统按驱动方式不同可分为凸轮驱动系统和无凸轮驱动系统两大类。凸轮驱动可变气门系统研究时间相对较长，系统相对简单可靠，在汽车上已有应用。随着微电脑技术的发展，无凸轮驱动可变气门系统成为最近20年来研究的新领域，由于其涉及液压、电磁、电子等多个领域，结构较为复杂，目前多用于大型低速船用发动机。 可变气门技术的发展趋势所有可变气门
9、系统，只要保留了凸轮，气门的运动特性都毫无例外地受到了凸轮型线的限制。要达到气门正时、气门升程、气门开启持续期以及气门运动速度在各种转速和负荷条件下均可进行柔性调节就必须取消凸轮轴，使气门运动不再受凸轮型线的限制。三、系统总体结构及原理 理论上说，使进排气的混合根据发动机转速的不同与之相配合。当汽车在公路上中速行驶的时候，发动机的负荷很小，长时间的叠加角可能会有益于减小燃料消耗和降低废气排放。排气门延时关闭直到进气门打开，一部分废气同时被引入到气缸中，与新鲜混合气混合燃烧。因为废气里主要为不可燃烧的成分，引入新鲜混合气以后，可以降低混合气的浓度，达到减小燃油消耗和降低废气排放的目的。 进、排气
10、门的动作都必须和活塞运动相配合：以一台四冲程汽油机的某个气缸为例，开始进气冲程时活塞正处于上止点，此时进起门开放，排气门关闭；曲轴运转180度后，活塞到达下止点，进气门也关闭，开始了压缩冲程；曲轴又运转180度后活塞重回上止点，点火，进入做功冲程；另一个180度后活塞再次到达下止点，排气门开放，进入排气冲程，直至再过180度，活塞又回到上止点，排气门关闭，进气门开放，进入下一循环的进气冲程。 考虑排气门开启的时机：如果比活塞到达下止点提前一点排气门就开启会怎么样呢？从直觉上，这时废气仍可推动活塞做功，如果打开排气门开始排气，此时缸内压强就会降低，能量的利用率也就降低了，发动机性能也会随之下降。
11、然而，到了排气冲程活塞还要压迫废气从而反过来对废气做功，这个过程会消耗一部分发动机已经获得的能量。如果在做功冲程末期，提前一点开启排气门，使缸内压强自由下降，排气时就会更顺畅，从而可以减少能量消耗。那么这样一来到底是利大还是弊大呢？其实活塞在上、下止点附近时，相对处于行程中段时，曲轴转动特定角度，活塞本身的位移会比较小，故此，如果做功冲程提前一点打开排气门，损失的功未必多，节省的消耗还要更多些！考虑进气门关闭的时机：如果在转入压缩冲程时，活塞越过下止点一定角度后再关闭进气门又如何呢？直观的感觉可能是，这时活塞已经开始上升，刚刚吸入的可燃混合汽岂不是又要被排出去一部分？性能会不会下降？然而答案是
12、只要时机适当，这样做反而可以增加吸气量，提高充气效率。因为在吸气冲程，可燃混合汽被活塞抽入汽缸，进气门附近的气流速度可以高达每秒两百多米，而我们前面说过，在下止点附近活塞运动相对缓慢，换句话说，此时汽缸内体积变化率并不大，如果延迟关闭进气门，尽管活塞已经开始上升，进气岐管内的可燃混合汽还是会凭惯性继续冲入气缸的！考虑排气门关闭的时机：如果排气门也在活塞越过上止点一定角度之后再关闭会有什么效果呢？其实，排气时会形成高速气流，如果排气门也在活塞越过上止点一定角度之后再关闭，虽然活塞已经开始下降，排气门附近的废气仍就会继续排出。实际上，如果将进、排气门相对设置，燃烧室内的废气涡流的方向就决定了废气短
13、时间内是不会流向反向的进气门的，于是，一边进气一边排气的局面是完全可能实现的！考虑进气门开启的时机：由于大部分废气在排气冲程中前期就已排出，并且在排气岐管中形成了高密度的高速气流，冲向排气管方向。这部分废气越是远离气缸，对于缸内尚未排出的废气来说，其需要填充的体积就越大，相应的平均压强也就越低。低到活塞尚未到达上止点之前，缸内压强可能就已经低于进气岐管内可燃混合汽的压强了！如此看来，进气门也可以提前一点开启。四、系统特点分类及应用实例4.1、凸轮驱动可变气门系统这类系统通过对凸轮轴传动、摇臂比、顶柱或正时皮带的调节达到改变气门正时或升程的目的；多为机械控制，也有少量为电子控制。由于保留了凸轮，
14、其调节能力仍受到原凸轮型线的限制。4.1.1、变凸轮机构变凸轮机构包括凸轮轴调相机构，三维凸轮机构，多凸轮机构几种。凸轮轴调相机构这种机构每个气门一般只有一瓣凸轮（也有两瓣的），它通过凸轮轴和曲轴相位改变一个角度，以使气门的正时发生变化，而气门开启持续角度保持不变。大量的可变气门正时系统都属于这一类，其主要的差异在于实现凸轮轴调相的方式不同。Alfa Romemo公司、Nissan公司、Atsugi公司和Mercedes-Benz公司的可变气门正时系统采用了凸轮轴调相机构，原理大致相同。它们通过在正时皮带轮（或链轮）与凸轮轴内轴之间设置一环形柱塞，凸轮轴内轴与环形柱塞之间以直键或花键传动；在液
15、压或电子控制下改变正时皮带轮与凸轮轴内轴之间的相对相位，使气门配气相位改变。图2为Mercedes-Benz公司的可变气门正时系统原理图，由电子控制，这一系统已用于Roadster 500L系列的5L v8发动机。另外一种典型的凸轮轴调相机构是通过谐波传动实现（见图3）。谐波传动调相机构主要有刚轮、柔轮和波发生器3个构件，柔轮是易变形的薄壁外齿圈，刚轮是刚性内齿轮，波发生器由椭圆盘和柔性轴承组成。3个构件中任何一个都可作为主动件，其余两个一个为固定件，一个为从动件；亦可以任意两个为主动件，其余一个从动。它通过使波发生器转动，使柔轮及凸轮轴相对于刚轮及正时皮带轮转过一定角度，而达到调相的目的。N
16、elson/Elrod和清华大学都进行过这种凸轮轴调相机构的研究。三维凸轮图4示出Fiat公司的带三维凸轮可变气门机构。凸轮轴的轴向移动使凸轮的不同部位与可倾斜导板接触，改变了气门的升程和正时。凸轮轴的轴向移动是通过润滑系统的机油压力控制的，有机械控制式，也有电子控制式。该系统曾安装在一台Ferrari v8发动机上做过试验。这种系统能在很大程度上控制气门开启及回位的特性，落座速度可以控制，但气门正时和升程变化范围受到限制。多凸轮机构图5为多凸轮驱动的可变气门正时机构示意图。这种机构在传统的凸轮轴上相邻布置了两个或更多的凸轮，任何时刻只由一个凸轮驱动气门，它或者通过凸轮轴的轴向移动，或者通过移
17、动摇臂与不同的凸轮配合，从而达到改变气门正时和升程的目的。Honda公司的VTEL多凸轮气门驱动系统见图6，其进、排气凸轮轴,每缸设有3个凸轮相应3个摇臂。高速时，由液压作用使液压柱销同时带动主摇臂和次摇臂，高速凸轮驱动气门，改变气门正时与升程，其液压柱销为电子控制。该系统已经用在NSE型跑车的4气门发动机上。这种结构实现相对简单，但由于凸轮轴空间及凸轮切换方法的限制，使正时变化的数量有限，正时改变不连续，凸轮转换时容易产生较大的冲击。4.1.2、可变摇臂机构图7为一种通过改变摇臂比而改变气门升程的可变气门驱动机构示意图。这种机构通过改变摇臂绞接点的位置来改变摇臂比，仅可改变气门升程，而不能改
18、变气门正时和开启持续期。本机构的优点是结构简单，缺点是气门正时未得到优化。4.1.3、可变液压顶杆机构这种系统是通过改变液压顶杆的容积来改变气门的正时或行程，有机械控制也有电子控制。图8为HYUNDAI/SEIMENS公司的电控可变气门正时系统的示意。这种机构已在HYUDAI 2.0L DOHC发动机上应用。该机构包括一个凸轮从动件、一个与一定容积的油腔连在一起的驱动器和一个由计算机控制的大流量电磁阀。油腔容积的改变使气门升程和正时在凸轮型线决定的轮廓线内变化。由于保留了凸轮，其调节范围仍受到凸轮型线的限制，其气门升程曲线只能在原凸轮驱动的气门升程曲线轮廓线内。4.2、无凸轮驱动可变气门系统这
19、类可变气门系统取消了凸轮，由电磁驱动或是液压驱动。系统设有电控单元，以检测发动机的工况，接受处理传感器的信号并根据MAP图发出控制信号，控制气门的开启与关闭。由于系统调节不受凸轮型线的制约，气门参数调节相当灵活。4.2.1、电磁铁驱动可变气门系统这种系统由电磁线圈直接驱动气门，通过改变线圈的通电和断电时刻控制气门的开启始点和开启持续期。气门动作调节灵活，响应迅速，调节能力强。许多专利都述及电子控制系统。图9示出GM推出的电磁铁直接控制的可变气门正时系统的原理。永磁铁提供的锁紧力使气门锁定在全开或关闭的位置；通过激励线圈使气隙磁通减小而使气门开始运动，气门运动的动力由弹簧提供；通过改变线圈的通电
20、和断电时刻控制气门的开启始点和开启持续期。这种系统取消了凸轮，气门开启和关闭点较自由；开启和关闭动作迅速。气门行程8mm，开启时间为9ms，关闭时间为6ms。但气门的冲击与噪声较大，磨损较快；为了防止线圈过热，需要另外的冷却和润滑。4.2.2、电动机直接控制凸轮的可变气门驱动系统这种系统虽有凸轮，但已不再是传统意义上的凸轮，故将其归于此类。图10为GM公司研发的电动机驱动可变气门系统示意图。这种系统中，每一个气门都由一套永磁无刷直流电机带动凸轮驱动气门，通过增加或减少凸轮电机的角速度来改变气门开启和关闭的动作时间，通过使凸轮在气门开启或关闭点附近摆动来实现部分升程运行。该机构样机台架试验转速达
21、3225r/min，相对应发动机转速为6450r/min。该系统适应的转速范围很高，在可变定时和部分升程运行方面具有较好的灵活性；但将发动机的运转过程与电动机协调一致较难；在控制过程中频繁改变电机的转速与转向，控制相当复杂；在高转速下，消耗的电功率太大；气门落座速度较快。4.2.3、液压驱动可变气门系统电控无弹簧双作用液压活塞可变气门驱动系统 这种系统取消了凸轮及回位弹簧。图11示出 Ford公司的电控无弹簧双作用液压活塞可变气门驱动系统的原理图。该系统有高压和低压油源各一个，气门顶部装有一个双作用的液压活塞，活塞上部油腔分别与高压和低压源相连通；活塞下部油腔一直与高压油源连通。活塞上部的面积
22、明显大于下腔的面积。高压电磁阀在气门开启的加速过程中开启，减速过程中关闭。低压电磁阀的开启和关闭控制气门的关闭过程。系统还包括一个高压单向阀和一个低压单向阀，以保证气门在开启到最大行程时活塞上部压力不会太低，气门在落座之前活塞上部油腔压力不至过高。电控有弹簧单作用液压活塞可变气门驱动系统 这种系统也取消了凸轮轴，保留了气门复位弹簧。图12示出Lucas公司电控有弹簧单作用液压活塞可变气门驱动系统。系统由一个常闭型和一个常开型两位两通电磁阀共同作用，控制气门的开启与关闭；通过复位弹簧回位；液压系统的压力为10MPa35MPa。这种系统中，气门的开启与关闭点以及气门的开启速度和气门升程由电控单元E
23、CU控制。ECU能根据发动机转速和负荷等信息优化发动机性能。武汉理工大学研发的中压共轨柴油机电控可变气门系统以及 Wartsila 的大型2行程柴油机上的电控排气门也属于这一类，但只用了一个两位三通电磁阀控制气门的开启与关闭。这种系统能实现气门正时、气门升程及气门开启速度的灵活调节。4.3、按照控制参数的不同，可变气门技术分为以下2类： 可变气门正时(Variable Valve Timing,VVT)和可变气门升程(Variable Valve Lift，VVL)。4.3.1、可变气门升程技术系统的特征 可变气门升程(Variable Valve Lift，VVL)此机构主要是改变了气门开启
24、的最大升程，按照气门正时和持续期的变化情况又分为2类：a.可变气门升程与正时VLT(Variable Lift and Timing)。即在改变升程的同时改变了正时与开启持续期，其气门升程曲线如下图所示。b.气门升程单独可变。即能在保持气门的正时和开启持续期不变的条件下，单独改变气门的最大升程，其气门升程曲线如下图所示。目前只有Lotus公司研制的电液驱动的气门机构能实现这种改变方式。单独可变气门升程可变气门升程技术的优点燃油经济性的改善可变气门升程技术系统和凸轮相位器的结合可以优化进气气门升程、持续时间和相位。传统发动机的节气门控制着进气流，特别是在发动机低负荷时产生了泵气损失。在发动机全负
25、荷条件下可变气门升程技术系统可以通过保持节气门开度来降低泵气损失。可以通过给变化气门升程时间积分的方法控制负荷。当气门升程出现较快变化，此时节气门保持打开，这样可以改善加速度响应。下图显示了进气气门正时（最大升程）和气门动作角度对泵气损失的影响。图的每一个轮廓都显示气缸内产生的泵气损失，测试数据产生的条件是，发动机工作的转速为2000rpm，所有测试中排气阀的平均指示压力全为2bar。进气气门正时对泵气损失的影响（发动机转速为2000rpm，平均指示压力为2bar）在图中因为气门动作角度变短，出现了气流限制，原因是为了燃烧稳定性。图中数据显示，因为进气气门打开时刻提前，出现了燃烧不稳定区域。这
26、是因为进气气门打开时刻的提前增大了气门重叠的持续时间，在这段时间内进气气门和排气气门都打开，从而导致气缸内存留了大量残余气体。具有可变气门正时的可变气门升程技术系统可以通过选择一个进气气门正时和气门动作角度的优化结合来改善燃油效率，从而保证了所需气流和稳定的燃烧。下图给出了可变气门升程技术发动机和传统发动机关于指示压力参数在各自设定点的比较。可以明显看出可变气门升程技术发动机产生的泵气损失更小。指示压力参数（发动机转速为2000rpm，平均指示压力为2bar）一个带有可变气门升程技术系统和进气气门升程和正时优化设备的实验发动机可以实现燃油经济性降低10%，条件是典型的城市工况，发动机的转速为2
27、000rpm，平均有效压力为2bar。在配有可变气门升程技术系统、3.7L、V6发动机中得到燃油经济性数据为在城市工况下为20mpg，在高速工况下为27mpg，然而配有进气气门正时技术、3.5L、V6的传统发动机的燃油经济性是城市工况为18mpg，高速工况为25mpg。发动机在冷环境下的废气排放物的清洁随着燃油经济性的发展，废气排放也实现了改善。在发动机处于冷环境，进气门打开延迟的条件下设置较小的进气气门升程可以提高燃油雾化，因为存在压力差，提高了气流从进气门进入气缸的速度。下图显示了在相同压力差的条件下，如何增大气缸内燃油雾化，降低气门升程。可以证明一个小的气门升程在气门打开产生孔径情况下可
28、以促进燃油雾化（二次雾化），原因是增大了进气门处的气体流动速度。小气门升程对燃油雾化的影响在发动机加热过程中改善燃油经济性可以改善燃烧稳定性，因此在可变气门升程技术发动机中，可以保证延迟点火正时，延迟的角度大约为曲轴转角20，进而实现了与传统发动机相同的燃烧稳定性pi（循环气缸压力分布的标准偏差）。这样就提高了排气温度，原因为气缸延迟释放热量。图20给出了延迟点火正时对排气温度的影响（在FTP行驶周期，发动机冷启动后，在15秒内测量的进气门催化剂温度升高了300C）。延迟点火时刻对排气温度的影响结果，配有可变气门升程技术发动机的汽车在加热过程中，在催化剂被激活前极大地缩短了时间，因此降低了非甲
29、烷碳氢化合物的排放，从0.561g降低到0.45g。普通汽车采用传统的带有进气可变正时控制、3.5L、V6发动机。 驾驶性能的改善首先，下面将描述全负荷发动机性能的提高。在发动机低转速情况下，在下止点附近设置进气门关闭时刻可以防止由于活塞作用造成的气体回流，从而在低转速区域提高了扭矩。在发动机高转速情况下，较大范围地扩大进气门升程可以增大进气门气体流动面积，因此在高转速区域提高了扭矩。综合这些影响，可变气门升程技术系统可以在发动机整个转速范围内提高发动机扭矩。下图显示了一个3.7L、V6发动机扭矩的改善结果。平均有效压力的改善下图显示了带有可变气门升程技术、V6发动机在任何转速下的进气气门升程
30、的优化结果。进气气门升程图（(3.7L，V6发动机）此外，可变气门升程技术系统对改善汽车加速响应也作出了贡献。传统凸轮系统发动机通过安装在进气集电极上部的节气门调整进气量，再加速需要快速增大进气量，由于内部集电极空间的缘故延长了进气充量的时间。可变气门升程技术发动机可以通过进气门升程调整进气量，极大地改善了进气充量的延迟，而不受集电极体积的影响。4.3.2、可变气门正时系统特性可变气门正时(Variable Valve Timing,VVT)可变气门正时即气门开启与关闭时刻可变。根据气门开启持续期的变化情况又分为2类：a.可变气门相位(Variable Phase,VP)，即在气门开启持续期和
31、升程曲线不变的前提下，同时改变气门的开启时刻和关闭时刻，如下图所示。b.可变气门相位与持续期(Variable Event Timing,VET)，即在改变气门正时的同时也改变了气门开启持续期，如下图所示。合理选择配气正时，保证最好的充气效率hv，是改善发动机性能极为重要的技术问题。分析内燃机的工作原理，不难得出这样的结论：在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变对充气效率hv影响最大。进气门迟闭角改变对充气效率hv和发动机功率的影响关系。如图所示：图1中每条充气效率hv曲线体现了在一定的配气正时下，充气效率hv随转速变化的关系。如迟闭角为40时，充气效率hv是在约1800r/min的
32、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汽缸的气体被关在汽缸之外，加之转速上升，流动阻力增加，所以使充气效率hv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hv也下降。图中不同充气效率hv曲线之间，体现了在不同的配气正时下，充气效率hv随转速变化的关系。不同的进气迟闭角与充气效率 hv曲线最大值相当的转速不同，一般迟闭角增大，与充气效率hv曲线最大值相当的转速也增加。迟闭角为40与迟闭角为60的充气效率hv曲线相比，曲线最大值相当的转速分别为180
33、0r/min和2200r/min 。由于转速增加，气流速度加大，大的迟闭角可充分利用高速的气流惯性来增加充气。改变进气迟闭角可以改变充气效率hv曲线随转速变化的趋向，以调整发动机扭矩曲线，满足不同的使用要求。不过，更确切地说，加大进气门迟闭角，高转速时充气效率hv增加有利于最大功率的提高，但对低速和中速性能则不利。减小进气迟闭角，能防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，理想的气门正时应当是根据发动机的工作情况及时做出调整，应具有一定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构来说，由于在工作中无法做出相应的调整，也就难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提
34、高。可变气门正时技术的优点在发动机运转的时候，我们需要让更多的新鲜空气进入到燃烧室，让废气能尽可能的排出燃烧室，最好的解决方法就是让进气门提前打开，让排气门推迟关闭。这样，在进气行程和排气行程之间，就会发生进气门和排气门同时打开的情况，这种进排气门之间的重叠被称为气门叠加角。当发动机处于不同转速时，气门叠加角的要求也是不同的。没有任何一种固定的气门叠加角设置能让发动机在高地转速时都能完美输出的，如果没有可变气门正时技术，发动机只能根据其匹配车型的需求，选择最优化的固定的气门叠加角。 例如，赛车的发动机一般都采用较小的气门叠加角，以有利于高转速时候的动力输出。而普通的民用车则采用适中的气门叠加角
35、，同时兼顾高速和低速是的动力输出，但在低转速和高转速时会损失很多动力。而可变气门正时技术，就是通过技术手段，实现气门叠加角的可变来解决这一矛盾。 采用了可变气门正时技术，发动机的功率和扭力输出将会更加线性，同时兼顾高低转速的动力输出。引擎的转速能够设计得更高，因而获得更多的功率输出。例如，尼桑的2升Neo VVL发动机比没有配备VVT的相同结构的发动机，可以提供超过25的动力输出。 采用了可变气门正时技术，发动机在低转速时能增加扭力输出，大大增强驾驶的操纵灵活性。例如，菲亚特 Barchettas 1.8 VVT发动机，能在2000rpm6000rpm之间输出90的扭力。 需要说明的是，发动机
36、采用可变气门正时技术获得上述好处的同时，没有任何负面影响，换句话说，就是没有对于发动机的工作强度提出更高的要求。4.4、实现可变气门技术的途径现可变气门技术有多种途径，按照有无凸轮轴可分为基于凸轮轴的可变气门机构和无凸轮轴的可变气门机构2类。下图为实现气门可变技术的途径。 上述两种方式的可变气门系统已在4.1和4.2内容中详细阐述。五、系统应用实例5.1、使用可变气门车型总体实例简介（大部分主流车型都配备该系统） 奥迪 2.0 进气凸轮轴连续可变 奥迪 3.0 V6 进气凸轮轴连续可变，排气凸轮轴分两段可调 奥迪 V8 进气凸轮轴分两段可调，排气凸轮轴不可变 宝马 Double Vanos 进
37、排气均连续可变 法拉力 360 Modena 排气分两段可调菲亚特 ( 阿尔法 ) SUPER FIRE 进气分两段可调 福特 Puma 1.7 Zetec SE 进气分两段可调 福特 Falcon XR6s VCT 进气分两段可调 捷豹 XJ-V6 and updated XJ-V8 进气连续可调 兰博基尼 Diablo V12 since SV 进气分两段可调 马自达 MX-5s S-VT 进气连续可调 梅塞德斯 V6 and V8 进气分两段可调 日产 QR four-pot and V8 进气连续可调 日产 VQ V6 进气连续可调 日产 VQ V6 since Skyline V35
38、 进气电子调教 保时捷 Variocam 进气分三段可调 PSA 雷诺 3.0 V6 进气分两段可调 雷诺 2.0-litre 进气分两段可调 斯巴鲁 AVCS 进气分两段可调 丰田 VVT-i 大部分为进气连续可变，有些也配备了排气连续可变 沃尔沃 L4 、 L5 、 L6 发动机平台进气连续可调 大众 VR6 进气连续可调 大众 ( 奥迪 ) W8 and W12 进气连续可调，排气分两段可调 5.2、个别实例具体简介1、丰田的VVTL-i 丰田的VVTL-I是采用了最常见的VVT设计，它强大的功能包括：连续可变气门正时，分两段可变气门行程和气门打开持续时间以及进排气都可变。虽然结构与本田
39、不同，但这套系统实际是结合了现有的VVTI技术和本田的VTEC技术。 像VVTI一样，这套可变气门正时系统也是通过发动机的管理系统根据发动机的转速、加速度、上坡、下坡等参数，计算出合适的气门正时，并通过布置在凸轮轴末端的一个液压机构来控制。此外其相位角能在0-60度范围内连续可变。因此气门正时能与发动机的工作完美匹配。 VVTL-I与传统的VVTI相比，多出的这个“L”代表的是气门行程。正如VTEC一样，丰田的这套系统采用了一组摇臂设计，它位于两个进气门之间（或排气门）。它也有两个不同形状的凸轮来驱动摇臂，其横切面有着不同的形状，一个有较长的气门打开时间（用于高转速时），另一个有较短的气门打开
40、时间（用于低转速时）。在低转速时，低速凸轮通过滚动轴承驱动摇臂运动（为了减小摩擦阻力）。高转速时，由于这个凸轮与下面的液压顶杆之间留有足够的间隙，无法直接驱动摇臂。 当转速增加到极限的时候，滑块在液压的作用下，被推到液压顶杆的间隙中。高速凸轮开始有效的工作。在高速凸轮的驱动下，气门开启的持续时间更长，此时行程也更长（就像本田的VTEC一样，气门开启行程和打开持续时间都取决于凸轮轴的形状）。 很明显，这是一套分两段可变气门开启持续时间的设计，不像罗孚VVC的连续可变设计。然而，与本田VTEC的设计相类似，VVTL-I的可变气门行程能提高发动机高转速时的功率输出。三菱和日产设计也是这样的。丰田的该
41、系统还拥有连续可变气门正时设计来适应发动机从高转速到低转速的扭力输出，从这里可以看出，它是当今世界上最先进的VVT系统。然而，它的结构也是极其的复杂，大量的成本花费在设计和制造工艺上。 优点 :连续可调的 VVT 系统，改善了整个转速范围段内的扭力输出，可变气门行程和开启持续时间能获得更大的功率输出 缺点：成本高，结构复杂 使用车型：丰田 1.8-litre 190 的的赛利卡 GT-S 和花冠 2、保时捷Variocam Plus Variocam Plus采用液压调节配气相位和气门行程 保时捷的Variocam Plus是从Variocam 的基础上发展来的，该系统被应用在Carrera
42、和Boxster上。Variocam技术在1991年的968车型上被首次应用。它利用正时链条改变凸轮轴的相位角，因此它能分三段改变气门正时。996Carrera和Boxster也采用了该系统。这是保时捷的专利技术，但是其性能要次于用液压机构驱动的其他车型，特别是不能实现大范围的其气门相位角的变化方面。 因此，在新一代911 Turbo上采用的Variocam Plus用液压机构取代了链条机构。保时捷的工程师门改变了过去分两段可调的可变气门正时系统，开发出连续可变气门正时系统。 然而，所谓“Plus”指的是增加了可变气门行程设计，它是由液压顶杆来实现的，如图，每个气门被三个凸轮控制，很明显中间的
43、凸轮带来较小的气门行程（仅3毫米）和较短的气门开启时间，我们叫他低速凸轮。外部的两个凸轮形状相同，它带来的是高速正时和更长的行程（10毫米），凸轮由气门顶部的液压机构顶杆来选择，在气门顶的内部，布置有液压顶杆，他们能在液压的作用下，把气门和气门顶锁在一起，通过这种方法，可以使高速凸轮轴驱动气门。如果气门与气门顶没有锁在一起，那么气门则被中间的低速凸轮直接驱动，气门顶的运动与气门无关。 这套可变气门行程机构结构简单，占用空间小。可变气门顶比普通的可变气门行程机构占用更少的空间。但是目前Variocam Plus仅在进气系统上配备。 优点：VVT 改善了中低转速时的扭矩输出，可变行程和气门开启时间
44、提高了高转速时的功率输出 缺点：结构复杂成本高 使用车型：保时捷 911 Turbo, 911 Carrera 3.6 3、本田的I-VTEC 本田称之为I-VTEC，就像丰田的VVTL-i一样，它有以下功能： 连续可变气门正时和分两段可调气门行程和气门开启持续时间被同时应用在进气门和排气门的控制上 。基本上，i-VTEC的凸轮轴与VTEC的不同在于，它是分两段可调气门程和开启时间的，同时，在凸轮轴末端设置有液压机构它能根据需要连续改变凸轮轴的配气相位。 i-VTEC首先被采用在时韵mpv上，但仅在进气系统上配备了i-VTEC，理论上讲，它能同时运用在进气和排气凸轮轴上，但是本田似乎没有丰田慷
45、慨，仅在Integra Type R上配备了进排气系统都运用了i-VTEC的发动机。 优点：连续可变 VVT 改善了整个转速范围内的扭力输出；可变气门行程和持续时间提高了高转速时的功率输出 缺点： 结构复杂成本高 使用车型： 2.0 i-VTEC 运用在时韵 , Civic, Integra 等车型上 4、罗孚独特的VVC系统 1995年MGF成罗孚这套系统为VVC（Variable Valve Control）。许多专家认为它是最好的VVT，与单一的可变气门行程不同，它能连续可变正时，因而改善了中低转速时的扭力输出，与简单的可变气门正时不同，它能连续延长气门打开持续时间，从而获得更多的动力。
46、 VVC使用了一套古怪的转盘来驱动每两个气缸的进气门。这种古怪的外形造成了非线性的旋转，气门开口各式各样。但是罗孚并没有给它旗下任何量产车型配备该系统。 VV：每两个相邻的气缸有一套嗣服机构，一个六缸发动机需要4个这样的机构，而且它并不便宜，V8也需要4套这样的机构，而V12则不可能配备改系统，因为它没有足够的空间在两个气缸之间布置偏心盘和齿轮驱动系统。 优点：连续可变气门正时和气门开启持续时间既改善了操纵灵活性和高转速时的功率输出。缺点：没有最终实现可变凸轮轴，因为它不能改变气门行程；在V6和V8上使用该系统价格昂贵，V12则无法实现。使用车型：MGF 的罗孚 1.8 VVC 发动机， Ca
47、terham 和莲花 Elise 111S六、结论从上图可以清楚地看出目前可变气门技术的实现途径，当然，由于这一技术已经发展了有相当长的一段时间，文章所列举的只是其中的具有代表性的系统结构。总的来说，对于有凸轮轴式的可变气门系统来说，其通常是通过改变凸轮轴传动、调节摇臂、顶柱或正时皮带来达到气门正时或升程的目的，相对来说实现简单，技术较成熟，但存在调节范围有限，气门运动规律受到凸轮型线型的限制，正时的改变不连续的缺陷；而由无凸轮轴轴式的可变气门系统，其由于取消了凸轮，气门开启和关闭自由且动作迅速，同时其可以连续改变气门正时，但其仍存在缺点，最突出的就是难以精确控制，实现成本较高。相信通过发动机可变气门正时技术的逐渐成熟将来会有越来越多的高性能发动机采用这一技术，进而最终提高动力性和经济性，降低排放。总体而言，发动机可变气门技术有具体以下优点以及我国在此方面面临的问题等：a. 可变气门技术有多种实现途径，各种途径均可不同程度地改变气门的运行参数，从而不同程度地改善汽油机燃油经济性和动力性，降低排放。b. 国外已有一系列比较实用的可变气门机构，目前应用最广泛的是叶片式可变凸轮相位机构。与基于凸轮轴的可变气门机构相比，无凸轮轴的可变气门机构能更加灵活地控制每个气门的运动规律，控制的自由度较大，是理想的控制途径，但其