一、可變氣門的差異
在介紹這些可變氣門機構前,我們先來介紹 "氣門正時",再由它來引入工程師們在設計一顆引擎時所面臨的問題,而他們的解決 之道就是VANOS、VTEC與VVT-i的發展了!
二.氣門正時(Valve Timing):
凸輪軸是決定一個引擎性能的靈魂,它在轉動的時候,它凸出來的桃尖形部份,就會去驅動到氣閥,或先頂起搖臂,再藉由搖臂去驅動氣閥,當氣閥一開一關時就決定了引擎的進氣時間,也決定了氣門揚程(lift)的深度,同樣的,排氣閥門那邊也是一樣的道理... so凸輪軸之所以重要,就是它能深遠的影響該引擎的氣門正時,所以它是決定引擎性能的關鍵之一。
以引擎在進氣行程為例,當引擎運轉時吸入汽缸內的混合油氣有一定的慣性質量, 油氣間是有黏滯性且與汽缸之間也有磨擦力,所以,在實際的otto-cycle運轉時, 並不是進氣閥門關緊之後才開排氣閥門的,尤其在高轉速時,這樣可能會使進氣的量不足,影響此時的扭力,也會造成排氣之後的汽缸之負壓量不足,無法在下一個循環使更多的油氣進來,而造成引擎的效率不佳!所以,在一般的引擎設計中,是有一段在進氣行程還沒完全結束以前會先開打排氣閥門,讓一部份的廢氣回流,讓引擎在此時會有較好的扭力表示,而這進、排氣閥門同時開啟的時間(角度)就是稱為"氣門重疊角"! 在高性能引擎中,會使用較大的凸輪軸就是因為這樣可以使氣門重疊角的角度越大, 在高轉速時提供更好的進、排氣匯換的效率
三.工程師們遇到的問題:
但是,當一部引擎的凸輪軸被決定以後,氣門正時、氣門揚程、配氣相位重疊角都再也不能改變了,however,隨著引擎不同的轉速,燃燒室(氣缸)的情況會改變,例如:
A.低轉速時:油氣流動比較緩慢,燃燒的速率也比較低,所以希望進氣閥門提早開啟, 利用進氣慣性把多一點油氣給引進來,但是,進氣門提早開的太早,排氣行程尚未結束, 活塞正在上升當中,如此一來,反而會把油氣混合氣給擠出汽缸,不但浪費油耗,也達不到氣門重疊角的預期好處!
B.高轉速時:這時候引擎轉速很快,油氣也快速的流動,而每次的燃燒時間很短, 為了多一點混合氣進來,進氣閥門就提早開,進氣閥門也要晚一點關避,這樣的氣門重疊角也會變大,在高轉速時提供更好的扭力值,也由於進氣效率的提升,排氣也完全, 所以馬力也可以持續榨出.....
問題來啦:~之前我們說過一部引擎的凸輪軸被決定以後,氣門正時、氣門揚程、配氣相位重疊角都再也不能改變了!用高性能的引擎使用大凸輪軸,配氣相位重疊角大, 如此是可以解決高轉速時的問題,可是,在低轉速的時候,由於油氣流動變慢,過大的進排氣重疊角將會造成進氣閥一提前開時,混合氣反而被擠出去了,如此一來,就會造成怠速時不穩定;在賽車上使用大凸輪軸是可以,因此它們幾乎都work在高轉速範圍,也因此我們在看F1等賽車比賽時偶爾會看到賽車反而在休息區中熄火,一部份就是這個原故!那如果使用小的凸輪軸,進排氣相位重疊角不致於太大,在低轉速提供好的扭力輸出,但是,一旦進入高轉速時,也由於進排氣門太早關閉,造成性能裹足不前....... 所以如何去設定一顆引擎的凸輪軸,希望他有怎麼樣的特性表現就要看這部車是怎麼樣的產品定位,而去設計它的引擎囉!
◎人類因有夢想而偉大:
怎麼辦?假使我希望低轉速扭力充足,而又期望高轉速時能持續榨出性能的話,我怎麼去得到這樣的平衡點呢?Ya,工程師們絕不妥協!......我們想貪心的同時擁有這些優點, 且在同一顆引擎上完全達到!BMW的VANOS與Honda的VTEC引擎就是兩種工程師們去解決這問題的科技代表,以下就來一一介紹BMW與Honda工程師的idea與它們不同的地方^_^
BMW VANOS可變氣門引擎:
四.BMW VANOS可變氣門:
好的idea並不一定需要多複雜,越簡單的越可以看出工程師們解決問題的"原創精神", BMW的工程師很自然的認為,反正是高、低轉速對進排氣門重疊角的需求不同,那我們就作一個可以"改變"進排氣門重疊角的機制不就好啦 是的,BMW的VANOS就是這樣的idea下發展出來的,它的確簡單但是一針見血! BMW的VANOS是Variable Camshaft Control,叫"可變凸輪軸控制系統",它能隨著引擎轉速與負載情況,自動且連續式的移動凸輪軸位置,還達到變化不同轉速時的進排氣之配氣相位夾角,使怠轉穩定,中低轉速扭力充足,高轉速馬力湧現,而且還兼顧到廢氣排放標準喔!而控制凸輪軸位置的裝置如下圖,VANOS利用一個可開關的電磁閥,在不同轉速時,藉由油壓來控制電磁閥的位置,以決定油壓是走黃色的管路還是綠色的管路, 而不同的管路將推動活塞的移動,它的移動將推動一螺旋齒輪,這齒輪就可以把凸輪軸移動位置,達到改變"氣門正時"(重疊角也改變啦!)的目的,這類引擎就是可變氣門引擎! 這裝置在低轉速時,凸輪軸於延遲開啟的位置,進氣門的開與關都較為延後,並減少氣門重疊角(時間),以避免廢氣回流汽缸,改善低流動速率的油氣之新鮮氣,達成怠速穩定的品質;隨著轉速的增加,凸輪軸被移動到讓氣門重疊角(時間)增加的位置,換個角度想, 就是延長進排氣門同時開啟的時間,讓廢氣回流一部份到氣缸中,增加油氣的有效慣性質量,也就增加此時扭力的輸出了,馬力也由於進排氣效率提升而持續榨出! M3與新的3系列(E46),在進、排氣端都裝上VANOS的裝置,所以叫"Double-VANOS",而新3-series(E46)在進氣門的可變角度範圍達40度,排氣門為25度,凸輪軸隨著轉速移動自如,氣門重疊角與氣門正時也連續性的隨轉速改變,所以,VANOS也是"連續式"的可變氣門設計!
LS400/GS400身上的VVT-i引擎
五.Lexus的VVT-i可變氣門引擎:
1997年豐田在高級房車上使用的VVT-i(Variable Valve Timing-Intelligent)譯成: 『智慧型可變氣門正時引擎』,它跟VANOS是一樣的設計理念,也是移動凸輪軸的位置,以改變氣門正時與氣門重疊角,只是移動凸輪軸的機構有點不同,而它也是無段連續式的可變氣門正時引擎,它的模式是:
1)怠轉時:沒有氣門重疊角!
2)一般行駛時:跟VANOS一樣是隨轉速增加而加大氣門重疊角!
3)加速、爬坡、高速行駛時:除了大氣門重疊角以外,它的進閥門還會提早關閉,
那樣可以有充足的扭力以外,也達到進排氣順暢的優點!
VVT-i 除了改善自然進氣(natural aspiration,NA)引擎的性能以外,還達到降低油耗也降低廢氣NOx與碳氫化合物(CH)排放量,這也是VVT-i它"智慧型"與"環保"的地方!
六.本田的VTEC引擎:
講到可變氣門科技,VTEC幾乎是代名詞,為什麼呢?因為它被廣泛地使用在各種量產車款上,絕對不是高不可攀,但是,也由於這項科技,使得它一直是自然進氣引擎中最高效率的紀錄保持者:一公升排氣量高達125匹馬力的輸出(ྞ.10 Honda S2000), 但是,它跟BMW的VANOS與Toyota的VVT-i是用不同方式來解決之前提到無法兼顧低.中.高轉速引擎的問題...本田的工程師怎麼作到的呢? Honda的idea也很簡單,它們乾脆發展一顆引擎:在低轉速時用小凸輪軸,進入高轉速時換成較大的凸輪軸,不是一舉兩得呀!Honda解決之道是切換size不同的凸輪軸來滿足不同狀態的需要!也由於對不同凸輪軸的切換,VTEC除了改變氣門正時與進、排氣的重疊角以外,它還改變了氣門開關的"揚程(lift)"深度,而這是VANOS與VVT-i所沒有的!
Honda的DOHC-VTEC引擎 VTEC=Variable Valve Timing & Lift Electronic Control System,中譯名稱是『電子控制可變汽門正時與揚程系統』,它的作動是由一個16位元的微電腦來感知引擎轉速+車速+引擎負荷+水溫+進氣門真空度...利用油壓來推動插銷使搖臂呈現不同組合來切換不同轉速時的凸輪軸;本田為了旗下車款都能使用VTEC的設計,它也根據不同車子的產品定位配置不的VTEC作動時機與狀況,而性能車款則配上雙凸輪軸DOHC的VTEC設計, 於進氣與排氣端都可以改變氣門正時與揚程,而氣門重疊時間(角)也就改變了.
Accord的VTEC在低轉速是一支微開,另一支半開,造成進氣渦流,以燃燒完全! 以DOHC-VTEC為例,本田的DOHC-VTEC是有搖臂的設計的,凸輪軸藉由搖臂間接地開啟或關閉氣閥,DOHC不是可以沒有搖臂的嗎?為什麼Honda要多此一舉呢?回頭看看圖三,當搖臂的支點被安排在較接近凸輪軸的地方(力臂短),則搖臂的另一端去推動氣閥的力臂較長, 那凸輪軸即使是小小的突出桃尖,就可以使氣門開與關的揚程(lift)距離較深而長了! 所以,本田在DOHC的設計上還是使用"搖臂",而它也是VTEC"關鍵"機構之一,因為如此, (SOHC只有一根凸輪軸,它必須使用搖臂來同時控制進氣與排氣)VTEC也可以在SOHC上使用,也許換個角度想:這就是本田在房車上常使用SOHC-VTEC設定的引擎,SOHC在高轉速時對進排氣的控制是比DOHC的來的差,但是,以SOHC的設計加上VTEC的機置也可以改善單凸輪軸對中高轉速的進排氣效率,且比兩根凸輪軸的DOHC省油;如此一來,房車設計的SOHC-VTEC依然保有平常狀況下行駛省油,而高轉速時還可以榨出馬力的特性,不過,無論VTEC是DOHC還是SOHC的設計,它們的特性曲線是跟其他引擎不太一樣的,由於不同轉速時切換了不同大小的凸輪軸,使的引擎輸出曲線在分佈圖上是兩條曲線的線性相加組合, 這在馬力與扭力上都看的到,也因此VTEC在扭力曲線上常呈現有兩個高峰的特徵圖形...
◎目前所有本田VTEC引擎的形式:
本田VTEC引擎發展至今已有五種形式,它們依不同車種的產品定位而付予不同的VTEC引擎:
.VTEC-E:
這就是本田的稀薄燃燒的VTEC引擎,空油比到達22:1(一般是14.7:1),VTEC-E引擎以環保為其設計的目的,1997年9月Honda又在美國加州上市ULEV的VTEC引擎!
(ii).SOHC-VTEC:(Civic)
此引擎就是Civic VTi上使用,單凸輪軸,低轉速時進氣閥門兩支半開,於高轉速時(四千多轉)進氣閥門兩支全開!
(iii).SOHC-VTEC:(Accord,ྟ Acura TL)
此引擎就是Accord與TL上使用,低轉速時進氣閥一支開9mm,另一進氣閥門微關,以進氣產生渦流提升燃燒效率,強調省油,達2300-3200rpm以上時,進氣閥門兩支全開12mm, 進氣揚程與正時加大並延長,以期動力持續輸出!
(iv).DOHC-VTEC:(NSX,Prelude,Integra,S2000....)
這是以性能取勝而設計的引擎,進.排閥都採用VTEC的設計,高轉速時切換的凸輪軸size 最大,紅線區高達7500-8000rpm,部份車款還配合"可變進氣歧管"的設計!DOHC-VTEC是本田最強而有力的引擎.....,每升最大的馬力輸出的記錄保持就是採這樣的設計!
(v).3-stage-VTEC:(6'th Civic CVT)
這是目前VTEC最新的設計,可切換的凸輪軸到達3組,以達到"低轉速省油+中轉速扭力充足+高轉速馬力超強"的引擎!
七.結論:
(VANOS、VVT-i治標不治本,VTEC治本但有時卻不治標) 無論是BMW的VANOS,還是Lexus的VVT-i,或者是Honda的VTEC,這些可變氣門引擎都是人類解決otto-cycle引擎在不同狀況下的動力與環保的新選擇,然而,VANOS與VVT-i是作到了"連續式"的可變氣門正時,卻沒有改善它們在不同引擎轉速下的進排氣閥門開啟深度;而VTEC雖然以切換凸輪軸的方式來徹底解決氣門正時與氣門揚程深度的問題,但是,它卻是"階段式"的可變氣門,在VTEC未切換凸輪軸時,它的正時、氣門重疊角、揚程都沒有改變!而負壓引擎(自然進氣引擎)無論是VANOS、VVT-I 還是VTEC,即使配合上可變進氣歧道的設計,它們都還是不能在"扭力"上大幅度的進步,而這似乎是自然進氣(NA)引擎於物理上必然的極限>_<...... 回頭看看20世紀,人類在科技上的發展勝過以前19個世紀的總合,然而,我們也在短短的100年內製造的污染了也勝過以往所有歷史的總合,現在該是我們從新思考如何以"科技"來跟地球共存共榮的時候了,台灣嚴格的第三期環保已經實施,再幾年歐盟更要進入他們第四期的環保標準,而汽車引擎科技,無論是VANOS、VVT-i、VTEC的設計,都希望在環保、油耗、廢汙排放與動力性能之間再次取得一個平衡點,因為,沒有好的生活環境,地球還是會存在,....... 但是我們將無法在這上面生存!切記:地球只有一個,而生命也只能一次!
註:Honda S2000中的DOHC-VTEC引擎,它的搖臂是新的設計,不同於之前的!
