逆天改命!氣門技術讓傳統發動機保持旺盛活力

　　韓系車終於發力了，東風悅達起亞凱酷「上市不到兩個月總銷量破萬」成為焦點，作為新中級轎車，它與北京現代第十代索納塔重新聚焦了人們的注意力。

　　除了炫酷的顏值外，這兩款車也帶來了現代集團最新的黑科技——CVVD連續可變氣門持續期。這項全球首創的技術為氣門控制打開了另一扇窗，讓傳統發動機繼續保持旺盛活力，性能指標更進一步。

　　■進氣控制，從節氣門到進氣門

　　內燃機通過可燃混合氣產生的熱量推動曲柄連杆機構，將化學能轉換成機械能，推動汽車前進。從原理上看，內燃機一方面要精確控制噴油量，另一方面也有精確控制進氣量，只有這樣，才能達到最佳空燃比，形成最恰當、有效的缸內燃燒，從而產生最佳的工作效率和性能輸出。

　　對於駕駛員來說，腳下的油門通常對應發動機的節氣門，油門踩的越深，相應節氣門開度越大。節氣門通常放在發動機進氣歧管前，是發動機進氣量的總調節閥。發動機動力隨著節氣門開大而增加，節氣門的開度和進氣量也是發動機燃燒控制的前提和基礎，噴油量按工況設定隨進氣量而改變。隨著對發動機性能要求的提升，對發動機進氣量的更精準控制也提到議事日程。隨即，更細膩的進氣門進氣控制逐次登場了。

　　與節氣門不同，發動機進氣門布置在汽缸蓋上，最初一般是一進一排兩個氣門，後來發展到兩進兩排四氣門，甚至三進兩排五氣門結構。不過，目前最常用的還是四氣門，相對來講更能兼顧效率和結構合理性。進氣門對進氣量的控制精確到每個氣缸，相對節氣門的控制更進一步。在一些進氣門控制比較完善的車型上，節氣門基本上處於常開狀況，只在個別工況下發揮作用。

　　■氣門控制兩流派，正時與升程

　　長期以來，進氣門在內燃機中都是中規中矩的存在。它的作用就是到點開啟、按時關閉，把從節氣門進來的空氣或可燃混合氣送入氣缸。上世紀60年代開始，為兼顧高低速工況下的進氣效率，有些公司開始了可變氣門正時（CVVT）的研究。

　　在一般人的印象中，日系車是可變氣門正時的開拓者和積極倡導者。但實際情況並非這麼簡單。有資料顯示，歐美公司是更早的開拓者，並且取得了一定程度的實效。但本田的VETC（可變氣門正時和升程電子控制系統）在推動可變氣門正時發展中起過重要作用，它在一套系統中同時完成了可變氣門正時和可變氣門升程（最初的VETC只可兩段式改變升程）兩方面的工作，並且在實際應用中取得了不錯的效果。基本上，可變氣門正時系統通過在凸輪軸的傳動端加裝一套液力機構，讓凸輪軸實現在一定範圍內的角度調節來改變發動機的氣門正時。

　　2001年，寶馬發布了valvetronic連續可變氣門升程(CVVL)技術，讓升程精準控制進氣成為可能，也讓傳統的節氣門基本淪為擺設。寶馬的系統通過一個造型奇特的鐘擺結構實現了氣門升程的連續可變，據稱這是一個在校大學生的發明專利。多年以後，日產VVEL通過一套偏心輪和搖臂的組合巧妙地避開了寶馬的專利，同時也取得了相當好的氣門升程連續可變。菲亞特則是通過電液驅動，同樣讓氣門升程連續可變成為可能。

　　寶馬valvetronic全變量氣門系統

　　氣門正時和氣門升程作為氣門控制的兩個流派，它們最初的控制重點各有不同。可變正時側重於控制進排氣重疊角，可變升程則更精確控制進氣量。兩種方式共同作用，讓發動機的工作效率和性能得到更好的提升。如今，新的氣門控制方式來了，它就是CVVD連續可變氣門持續期。

　　■獨樹一幟的連續可變持續期

　　2019年，現代汽車發布了CVVD連續可變氣門持續期技術。與CVVT改變氣門開啟時間，CVVL改變氣門開啟升程（在升程改變過程中，氣門持續期也會相應變化，但控制過程以改變升程為主要目的）不同，CVVD改變的是氣門開啟的持續期，從而讓氣門控制方式有了新的選擇（見圖一）。CVVD的主要目的是更精確地控制各工況下的進氣量，同時進氣門的開啟更貼合發動機循環需求。按現代汽車官方說法，安裝CVVD系統的發動機可以兼顧性能、經濟性和排放控制，在特定機型下，可實現性能提升4%，經濟性提升5%，而排放可以降低12%。

　　圖一：CVVT、CVVL、CVVD三種氣門控制示意圖

　　現代CVVD是怎樣實現氣門持續期的連續可變呢？該系統通過一個偏心輪結構把凸輪軸和凸輪連接起來，凸輪軸通過滑塊帶動偏心輪，偏心輪通過鎖銷機構帶動凸輪轉動，凸輪軸與凸輪之間不是硬連接，它們之間有一定的活動範圍。工作過程中，電機帶動一套渦輪蝸杆系統推動偏心輪左右位移（如圖二），根據機械連接的運動規律（圖三中紫色棒可看作凸輪軸，藍色為凸輪，而橙色表示偏心輪與凸輪的連接關係，其中點代表偏心輪位置。根據機械連接運動學規律，當紫色凸輪軸轉速不變時，如偏心輪中心與凸輪軸心重合，凸輪也保持勻速運轉，而當偏心輪中心左右偏移後，凸輪轉速就不再恆定，會發生轉速快於和慢於凸輪軸的現象。如偏心靠左時，凸輪凸角在右側區域會加速旋轉），讓凸輪轉速加快或變慢，讓氣門的開啟時間發生變化，從而實現連續可變氣門持續期。

　　圖二：現代CVVD原理示意圖

　　圖三：旋轉關係示意圖

　　■CVVD適應更廣泛的發動機工況

　　CVVD通過氣門開啟時間的調整實現了進氣量的精準控制，讓發動機在不同工況發揮最大效應。同時，CVVD的工作原理讓它更適應不同的發動機循環工況，使其作用進一步放大。

　　通常情況下，採用阿特金森循環的發動機注重經濟性，採用米勒循環的發動機注重性能，而採用奧託循環的發動機更注重平衡性。由於工作原理不同，三種循環的發動機分別採用不同的凸輪形狀，以產生更加恰當的進氣效果（圖四），而CVVD連續可變進氣持續期的進氣圖譜正好可以良好覆蓋三種發動機循環的進氣狀況。

　　對於應用了CVVD技術的發動機，在發動機輸出功率較低的勻速狀態下，可將進氣門的開啟時間持續至壓縮衝程的中後期（氣門開啟持續期長），以此減少壓縮時產生的阻力，有效改善油耗；相反，車輛加速行駛時，CVVD技術將在發動機壓縮衝程初期便關閉進氣門（氣門開啟持續期短），最大限度地增加燃燒所需的混合氣，由此提升發動機的扭矩，有效改善加速性能。

　　圖四：不同發動機循環所用的凸輪和進氣效果