|
汽车引擎揭密：可变气门技术大比拼ffice ffice" /> & y6 P8 Q/ d' R+ A4 s! u
短短一年内，在引擎可变技术方面有相当资深实力的BMW与Honda车厂又有惊人之举，但是，更令人眼睛一亮的是在这两家发表新引擎之前呢， Toyota车厂于去年全新改款的'01 Celica身上搭载一颗新设计的VVTL-i引擎，这颗引擎可不同于之前的VVT-i引擎喔!.....VVTL-i比VVT-i多了个"L"，到底有何先进？有何突破呢？还是天下引擎一大抄呢？!而Honda去年底推出的STREAM车上，用的就是新一代i-VTEC引擎，它可跟S2000上的VTEC不同，那有何差异呢？再者是最近刚在日内瓦车展中，BMW则发表一颗全新的Valvetronic引擎，它更被比喻成最完美的可变气门引擎，它到底有何能耐？它跟之前的VANOS引擎又有什么不同呢？现在我们就来具体介绍介绍。
一.前言:
还记得工程师们为什么需要设计一颗具有"可变气门正时"的引擎吗？简单的回答就是，我们希望引擎能随着不同时候的需求，而能表现出最符合我们期望的状态，而这需求可以是从"动力"的观点，也可以是从"油耗经济"的观点，也可以是"排气环保"的观点，但是，你要在同一时刻一样的引擎转速，车速，工作温度，而要求既要大Power，又要省油，还要环保。这岂不是改写热力学第二定律而颠覆Carnot Cycle的极限？那是不可能的! 但是，工程师要作的就是努力地去接近这样的极限，那也就是效率的观点。
"效率”这字对学理工的朋友应该不陌生，它也是应用科学的研究者数十年如一日的努力目标，做光电元件的人在设计时，要用到这个字!做家电产品的工程师也要用这个字!连是否应该盖一座电厂，也需要用这个字来度量我们的能源政策!所以才有买冷气机或冰箱应该要选用高EF值(high efficiency value高效率值)的建议；而一具引擎的热效率，直接的表现就是功率与油耗之间的取舍!就为了改善引擎的效率，又要满足不同引擎转速时的动力渴望，所以才需要发展"可变气门"引擎! , }8 U* h% h. ]6 w( r
图一
) W, @. |) u) ]; u( u" |+ ? R
5 D4 v8 d( q; S1 t0 w3 \* [ 二.90年代可变气门引擎的遗憾:
工程师为了克服同一具引擎要高转速大马力，也要低转速高扭力，对不同需求的进排气相位角差异，VANOS与VVT-i直接改变进排气时的timing(正时)与duration()来解决这个问题，此机构简单，又一针见血，是BMW与Toyota的骄傲之作；而最早在可变气门引擎上获得表现的Honda，于80年代中期推出VTEC引擎，它则艺高人胆大地把两颗引擎摆在同一颗引擎当中，因为它们在同一支凸轮轴上同时塞下了两种不同角度的凸轮(lobe)，利用摇臂内的切换以决定是否顶到大或小凸轮，而成功地改变引擎的进排气的正时，重叠角外，还多个life(升程)，但是它在凸轮轴未切换前，正时，重叠时间与升程是不变的，所以VTEC是阶段性的可变气门，而VANOS与VVT-i虽连续性的变化正时与重叠时间，但是升程却无法改变，就因为这样的差异，VTEC一直拿下每公升排气量的最大马力输出(125hp/Liter，S2000，量产化DOHC_VTEC)纪录!所以VANOS、VVT-i治标不治本，而VTEC治本但有时却不治标!
2 W' v1 U5 X, [4 R 三.2000年Toyota的力作─VVTL-i介绍:
丰田的VVTL-i引擎全名就是-Variable Valve 正时 & 升程 - Intelligent，它跟VVT-i是不同的引擎，VVT-i目前已渐渐必被Toyota或Lexus旗下车款所使用，从最高级的LS430，GS300，IS200到最平民的Corolla身上都已经广泛地运用到这项科技，而2000年中发表的全新一代Celica(可惜台湾还没引进)则进一步地发展VVTL-i引擎，这引擎也用类似Honda VTEC的原理，在原来的VVT-i引擎上的凸轮轴，多了可以切换大小不同角度的凸轮(凸轮)，也利用"摇臂"的机置来决定是否顶到高角或小角度的凸轮，而作到"可连续式"地改变引擎的正时(正时)，重叠时间(重叠相位角)与"两阶段式"的升程(升程)!
还记得VVT-i引擎是如何作到变化进气时的气门正时吗？它就是在图一中，有一个VVT-I control圆盘，以转动此控制盘，而来提早或延迟气阀的开与关的时间，所以，VVT-I BMW Vanos一样的原里，VVT-i用类似的机置来作到"连续式"的可变气门正时，只是VVT-i是用电动方式来驱动这controller，而Vanos则是用油压的方式，两者皆能跟著不同引擎转速来达到气门正时的连续性变化!而VVTL-i则在VVT-i引擎上再多了于"摇臂"与"凸轮轴"内下功夫，它这回就运用到跟VTEC一样的方法来根本解决引擎在高转速时所需要更多的气门重叠时间与气门的开关升程深度，小小不同的地方在摇臂内VVTL-i藉由油压来使一小小个销的移动来决定顶到那种尺寸的凸轮!
VVTL-i在引擎转速变高时，虽然凸轮轴一样地在转动，但是，由於摇臂内的pin已移动， 所以是换成高角度的凸轮部份有效地顶到摇臂，进而驱动到valve的开关，此时，小角度的突轮一样在转动(因为在同一根凸轮轴上嘛)，但是却是无效地空转!这现象跟Honda VTEC是一模一样的道理!
就是这样的方式，VVTL-i结合了VVT-i的连续式可变正时与重叠角，与VTEC式的凸轮轴切换，而首先达到第一具可以说是"近似"完美式的引擎，VVT-i加入可以变化valve扬程(升程)後的新引擎VVTL-i，果然在性能版的Celica身上有超过每公升100hp以上的实力，1.8升的它能有180hp/7800rpm(美规)的的超强实力(日规的Celica更高达192ps)!而且它还保有扭力曲线高而平原式的表现，0-96km/hr，美规Celica就有7.5秒的路测实力，VVTL-i真是Toyota划时代的力作!
6 y2 q+ o# _" H$ B 四.世紀末的礼物─Honda的i-VTEC介紹:
Honda一看到Toyota VVTL-i发表後，大概就气的半死吧？!丰田用了本田最得意的VTEC原理，还用Celica来跟Honda最引以为傲的前驱车中性能与操控都数一数二的Inetgra来比个高下，两个都是1.8升的引擎，两者都是双方最得意的可变气门代表作，所以，去年Celica一推出，当时最热门的话题，就是Celica vs. Integra，结果呢？姜还是老的辣!实际数据胜於一切雄辩或纸上谈兵，Integra还是赢Celica，无论是在加速，还是引擎於高转速时的性能表现，Integra还是老当益壮，不过，Toyota只是可变气门引擎上的新兵，对于视VTEC如命的本田而言，真是个重大打击.
本田的VTEC引擎一直是享有"可变气门引擎的代名词"之称，它不只是输出马力超强，它还强调低转速能有排气标准环保又低油耗的特点，而这样完全不同的特点在同一具引擎上面发生，就因为它在一支凸轮轴上有2种，甚至於3种不同角度的凸轮(凸轮)，中.低转速用小角度凸轮，高转速时，就再切换成高角度的凸轮，所以才有两种完全不同性能表现的输出曲线而同一颗引擎上发生，但是就因为这样的特性，它也种下VTEC被批评成"stage"式的可变气门引擎!本田的工程师把它VTEC分成"平时驾驶"与"战时的激烈驾驶"，所以在引擎转速的最两侧，都有被消费者们喜欢或抱怨的两极看法存在，这也是VTEC引擎长期在网上倍受争议的原因之一! 9 u9 f+ k4 U2 W, |* S
而Toyota的VVTL-i发表之后，VTEC的技术已经受到严厉的挑战，几个月後，本田发表的i-VTEC于加入"可连续性"变化的正时与重叠角的设计，配合原本的VTEC机置，使i-VTEC也跟VVTL-i一样达到"近似"完美的可变气门引擎!
VTEC如何切换凸轮(凸轮)的机置，在此voliron已不必多说，i-VTEC多的就是在VTEC引擎上加入VTC=valve overlap control，从名字就可以看出来，它也利用到跟VANOS与VVT-i类似的方式来"连续式"地转动凸轮轴的开与关，所以就达到了所谓的"气门重叠角的控制"，这就是进.排气阀门的正时与开启的重叠时间的可变是由油压控制的VTC，使凸轮轴转动些角度(向右，向左)，进而提早或延迟去驱动到valve的开或关的时间，这跟VVT-i中的controller有一样的功能! ; C; x/ t' v' K4 f/ }( Y
图二
4 B! p% `8 \/ K$ R8 N% G3 w & A. T& r2 Y3 }% E& ^$ j2 o
' F3 y1 s0 C2 h" u: H# z
VTC于不同转速时，提早(上)或延迟(下)valve的开关
* c- f# j) D/ x+ E5 {/ T8 `+ \ 就这样的原理，i-VTEC也跟VVTL-i一样的组合出"可连续性"变化的气门正时与气门重叠时间，"2-stage" 改变升程的可变气门机构於引擎的进气端与排气端；而i-VTEC身上也用上S2000一样的金属正时链条，而为了进一步改善低转速扭力，与高转速时更有效率与直接的换气，i-VTEC也加上可变进气歧管为标准装置，其中编号:K20C的引擎将在下一代的integra上使用，排气量2.0升的它有220ps的马力(日规)，海外版也有200hp的性能输出!而STREAM上用的K20A，虽然也是"DOHC"的iVTEC，但是它只使用"进气端"有可变气门装置，也有2.0升154匹马力的性能(BMW的320i是150hp)更难能可贵的是，这颗i-VTEC引擎，2.0升居然有14.2km/L的低油耗实力，提前符合2010年才要施行的油耗效率(fuel efficiency)，而排放的废气标准也远远低过LEV的低空污标准!唉呀!这不就是工程师们想努力克服的梦想吗？
1 p5 W2 H5 R5 n& l6 i0 a- r1 Y 五.21世紀的初衷─BMW的VALVETRONIC介紹:
讲到车坛上的引擎科技，自然不会把这蓝天白云mark的BMW车厂给遗忘，那简易的机置即作到连续性的可变气门引擎，原理理是简单却原创性十足，那就是它的得力作Variable Camshaft Control，叫作"可变凸轮轴控制系统"-VANOS，而Toyota的VVT-i，就是采用BMW这类似的装置；以前，VANOS只被M3等超性能跑车使用，但是，日益严格的环保标准，加上科技的平民化，如今VANOS系统，那怕是双-VANOS也都被广泛地使用在BMW的全车系，这代表可变气门的科技已经慢慢地平民化，而大量使用!BMW的VANOS是连续性的可变气门正时与重叠时间，但是由於没有变化进.排气阀门的"升程"，使得它总是有那麽点点的缺憾，特别Toyota与Honda都已经克服这样的问题，那麽以引擎科技傲视全球的BMW车厂怎会就此罢休呢？
Valvetronic就是BMW的实现这理想的作品，它比VVTL-i或i-VTEC有更进一步的地方，所以，才被比喻成更"完美的"可变气门引擎!那到底厉害在何处呢？请继续看下去。
首先，Valvetronic少了节流阀(throttle)的设计，如同我们鼻子或肺在作呼吸动作时一样地跟空气直接接触，而省略掉throttle後，引擎在进新鲜空气时，将更顺畅，少掉因为空气流动的一些黏著力与磨擦力，而使引擎在运转时省去不必的的loss!一般的车子，当我们用脚踏加油门时，是驱动著钢索而通到throttle这开关的，而踏油门的深浅正控制著throttle的开或关的程度，而引进的就是将进入引擎燃烧室燃烧的新鲜空气，所以，throttle正控制著燃烧室的空气量与流动速率；然而，取代这"机械式"的进气节流阀(throttle)机置后，取代的是"电子式"的可变电阻，依我们踏油门的深浅，经过这可变电阻而来决定"进气量"。
而Valvetronic比起VVTL-i与i-VTEC更进一步的地方是它除了可连续性变化valve的开管正时与phase外，Valvetronic连扬程(升程)也是连续性微调!!!这比VVTL-i与跟i-VTEC在升程上是"阶段式"地更进一步了!要作到valve的升程变化几乎都要透过摇臂的设计来完成这动作，而BMW更进一步的地方就是在此处比Honda或Toyota多下点功夫，Valvetronic的摇臂是"偏心轴"的转动，所以当摇臂作动时，非固定在圆心转动，而是稍微偏离中心点，虽然量不大，但是一经过摇臂的长度施力(如杠杆原理一样)，阀门开与关的"深度"就可以被改变了!(如图十，是正常的摇臂，它作动时即固定在圆心，而Valvetronic的"偏心轴"摇臂则巧妙地使它在作动时，会有不等量的伸长来驱动到valve的开关深度，所以升程就被微量的变化了!)请看图九的绿色与红色部份，Valvetronic透过电动马达来驱动偏心轴摇臂!
0 ]. J" q7 k8 D- j; W* y6 x
- X) l! y6 |# G, z, ^图三
* j8 q8 ^3 c7 }6 }0 {& h, Y+ l
7 u \0 o2 j5 @# H4 f2 O1 Q' c( h' d' p凸轮轴藉由摇臂去驱动气门的开与关!(此摇臂是正常地在圆心处来回转动) 8 f0 b8 }6 N+ D; J/ W) K
就这样，Valvetronic配合著双VANOS原本就有的连续性可变气门正时机构，而作到了"正时与 重叠时间，还有升程"都可以『连续性』的变化，这就是它厉害的地方ㄛ!!!而搭载这新引擎的316ti是颗1.8升的引擎，它马力只有115hp/5500rpm，但是扭力有18kgm/3500rpm的高原式曲线，性能上算是还可以的水准，但它比以前的1.8升引擎更省油，每公升可以跑14.5km，且这颗新引擎可以说是个不挑食的，即使是低辛烷值的汽油，到高品质的油品，它都可以正常的work...，而Valvetronic的排污标准更提前通过欧盟EU-4的标准呢! , u7 r8 a+ q, g9 ], E" h) ?
六.总結:
( v2 m' k: e; D' A 看过了这三款最新的引擎设计，大伙多少会有上面这句话的感受吧；可变气门引擎，说穿了就是这样的道理，希望各位能从中了解各家的巧妙之处；现在呢，我们再回头想想，这样的设计是否有完成工程师的理想与设计初衷呢？
其实以目前的以上三家的可变气门引擎来讲，大家已经都作的越来越像了，原本大家各车厂都保有各自在VVT-i，VTEC，VANOS上的优点，之後各家或多或少地解决自己不足的地方，套句政治语言:大伙都往"中间"靠拢哩@_@试著去想想人类这麽辛苦地设计并改良这些引擎的目的又是为了什麽？除了商业上的竞争外，不就是对我们生存的空间-地球，许下科技与环保共存的允诺，所以，我们才需要一具既符合我们的动力期待，又能低油耗与低排污的引擎，而今天介绍的这三具自然进气引擎VVTL-i，i-VTEC，Valvetronic正是我们刚进入21世纪时，献给大自然与全人类的代表作! * j3 p* z( d8 j: P2 y$ I
| 
发表于 2007-2-15 23:37:55
