淺談汽車發動機進氣系統的發展

張紅衛

摘 要：文章主要介紹現代汽車領域幾種發動機進氣系統的特點、工作原理以及常見故障。隨著汽車科技的發展，許多國產發動機也逐步擁有該技術，該系統通過調節排氣系統從而優化發動機性能。

關鍵詞：可變氣門升程；可變氣門正時

1 諧波增壓進氣系統（ACIS）

諧波增壓系統根據不同的改變方法，可分為可變進氣管式及可變進氣管容積式兩種。而目前被廣泛應用的便是可變進氣管式諧波增壓技術，也就是我們經常說的可變長短進氣道，簡單的說，諧波增壓進氣系統就是通過氣流慣性所產生的壓力波而達到增壓效果的。常見車型有奧迪C5A6的2.4L 2.8LV6發動機；起亞智跑的2.0L 2.4L直列4缸發動機；第七代凱美瑞2.5L發動機等。

工作原理：發動機低速運轉時，位于短進氣道上的空氣控制閥關閉，進氣氣流通過長進氣道流入氣缸。在長進氣道的作用下，不僅可以提高氣流的流動速度增加進氣壓力，也可以使進氣道中的空氣與燃油更加充分混合，從而實現低速進氣充沛，增加發動機的低速輸出扭矩；發動機中高速運轉時，短進氣道上的空氣控制閥打開，氣流直接通過短進氣道進入發動機氣缸，較短的進氣道減小了進氣阻力，從而使中高速進氣更加充沛，提高了發動機中高速性能。

特點：雖然諧波增壓進氣系統可以增加進氣量，相比渦輪增壓以及機械增壓，這種增壓效果就顯得微乎其微，好的方面就是不用增加維護成本，故障率低等特點。

2 可變氣門正時系統

此技術是通過調節凸輪軸旋轉角度從而改變不同轉速不同負荷下的配氣相位，VVT-i系統就是豐田汽車公司的智能可變氣門正時系統的英文縮寫。

工作原理：在高轉速下，為了達到更好的進氣量，提高發動機的功率，就要求氣門重疊角更大（進氣門提前打開、或者排氣門晚關）；但在低轉速或者怠工時，過大的重疊角則會導致廢氣過多的進入進氣歧管，使缸內氣流混亂，從而導致低速扭矩較低，因此低速時需要減小重疊角（進氣門延時打開），此時燃燒會更充分更穩定。發動機ECU會根據各個工況通過控制VVT電磁閥利用機油壓力調節凸輪軸上內外轉子的角度，從而實現配氣相位的變化。

特點：VVT系統可以精確控制氣門開啟角度的變化，從而實現降低排放提升動力的要求，然而只靠開啟角度的變化增加進氣量實在有限，如果實現氣門開度大?。忾T升程）也能隨不同工況而改變，就可以顯著提升發動機在各轉速范圍的動力性能。

3 可變氣門升程系統

可變氣門升程技術可以在不同發動機轉速下實現不同的氣門升程，低轉速時氣門升程較小，氣缸內混合氣得到很好的混合，混合氣充分燃燒，從而使發動機在較低的轉速下可以輸出較高的扭矩；高轉速時氣門的升程較大，增加進氣量，實現高轉速大功率的輸出。

工作原理：

3.1 本田i-VTEC（分段式氣門升程調節系統）

每缸的進氣凸輪軸上分布著三個凸輪，中間一個凸輪是開啟時間最長升程最大的凸輪，兩邊的左右凸輪為正常狀態下的凸輪。三個凸輪分別帶動三個搖臂，兩個進氣門由左右搖臂頂動。在低轉速小負荷的情況下，三個搖臂互不干涉，進排氣門的開啟由左右兩個凸輪控制，中間一個凸輪帶動中間搖臂做無用功，此時氣門升程角度較小。當發動機轉速升高，進入高速模式時，ECU控制電磁閥利用機油壓力頂動位于三個搖臂中的互鎖銷，此時三個搖臂連成一體，由中間的開啟時間最長升程最大的凸輪帶動中間搖臂，中間搖臂通過互鎖銷帶動左右搖臂頂開進氣門。由于氣門開啟時間長、升程大從而大量增加進氣量，提高輸出功率。

特點：結構簡單故障率低，但是分段式的氣門調節方式還是令發動機的動力輸出不夠線性。

3.2 奧迪AVS可變氣門升程

奧迪的AVS與本田的i-VTEC大致相同，也是通過改變氣門升程提升發動機動力，奧迪的AVS是通過切換不同的凸輪來調節氣門升程。

工作原理：每個進氣門設計了兩組不同角度凸輪進行調節，一組是小凸輪，另一組是大凸輪，這兩個凸輪相對于凸輪軸可以軸向左右移動，在凸輪的一端有螺旋溝槽，螺旋溝槽由電磁閥控制，可以切換不同的凸輪，從而調節不同的氣門打開升程。

當發動機處于高負荷情況下，AVS系統通過電磁閥控制螺旋溝槽，使凸輪移動至大凸輪工作狀態，此時氣門的打開和關閉由大凸輪進行控制，氣門的升程可以達到11mm，從而增加發動機進氣量以及進氣流速，使發動機動力更加充沛；當發動機小負荷運轉時，為了追求發動機節油性能，AVS系統將凸輪調節至小凸輪工作狀態。這套系統中還有一個設計細節需要注意，那就是兩個進氣門無論是在普通凸輪還是高角度凸輪下的相位和升程是有差別的，也就是說兩個進氣門開啟和關閉的時間以及升程并不相同。這種不對稱的進氣設計是為了讓空氣在流經兩個進氣門后，同時配合特殊造型的燃燒室和活塞頭，可以令混合氣在氣缸內實現翻轉和紊流，進一步優化混合氣的狀態。

特點：奧迪AVS可變氣門升程系統在發動機700至4000轉之間工作，它的最大優點就是可以降低大約7%的燃油消耗。特別是發動機處于中間轉速區域進行定速巡航時，AVS系統可以為車輛提供很好的節油效果。

3.3 寶馬的Valvetronic電子氣門技術

寶馬的Valvetronic電子氣門技術要比本田的i-VTEC和奧迪的AVS更加先進，發動機的進氣完全由無級可變進氣門升程控制，不再需要以往對于內燃式汽油發動機來講必不可少的節氣門。

工作原理：寶馬的Valvetronic系統在傳統的配氣相位機構上增加了一根偏心軸，一個步進電機和中間推桿等部件，該系統由步進電機的旋轉，再在一系列機械傳動后很巧妙的改變了進氣門升程的大小。當凸輪軸運轉時，凸輪會驅動中間推桿和搖臂來完成氣門的開啟和關閉。當電機工作時，蝸輪蝸桿機構會首先驅動偏心軸發生旋轉，然后中間推桿和搖臂會產生聯動，偏心軸旋轉的角度不同，最終凸輪軸通過中間推桿和搖臂頂動氣門產生的升程也會不同。在電機的驅動下，進氣門的升程可以實現從0.18mm到9.9mm之間的無級變化。

傳統發動機都是利用控制節氣門機構來改變進入氣缸的空氣流量，并通過監視空氣流量來決定噴油量，駕車時踩油門其實就是在控制節氣門的開度。這種控制方式由于存在“泵氣損失”（Pumping loss），而造成很大的能量損失。電子氣門發動機去除了節氣門也就去除了“泵氣損失”，發動機可以比傳統發動機節省10%以上的耗油量。另外，由于沒有了節氣門的阻礙，新鮮空氣進入也更為順暢，使燃燒更加充分，廢氣排放更少。這種進氣門升程功能可以控制吸入發動機的空氣量，將功率損失保持在極低的水平。

特點：這項技術可以根據不同的發動機負荷以及轉速，對氣門升程進行無極調節控制，使發動機輸出動力更加線性，同時有良好的節油效果。

4 結束語

隨著能源危機以及環境日益惡化，對汽車的要求也越來越高，如何提高進、排氣效率是對傳統內燃機效率提升的一個重要方向和手段，從可變長短進氣道發展至寶馬的Valvetronic電子氣門技術，每一項新技術的應用，都是希望用更少的燃料產生出更多的動力，同時減低有害氣體的排放。