详细解析可变气门正时原理

气门正时是指发动机气门开启的时间，而可变气门正时（VVT, Variable Valve Timing）可以控制发动机气门开启时间，是一种用于汽车活塞式发动机中的技术。VVT技术可以调节发动机进气排气系统的重叠时间与正时（其中一部分或者全部），降低油耗并提升效率。

一、先了解两个概念：配气相位机构和气门

1、配气相位机构的原理和作用

发动机的配气相位机构负责向气缸提供汽油燃烧做功所必须的新鲜空气，并将燃烧后的废气排出，这一套动作可以看做是人体吸气和呼气的过程。从工作原理上讲，配气相位机构的主要功能是按照一定的时限来开启和关闭各气缸的进、排气门，从而实现发动机气缸换气补给的整个过程。

2、气门的原理和作用

发动机的气门可比作是一扇门，门开启的大小和时间长短，决定了进出的人流量。门开启的角度越大，开启的时间越长，进出的人流量越大，反之亦然。同样的道理用于发动机上，就产生了气门升程和正时的概念。气门升程就好比门开启的角度，气门正时就好比门开启的时间。以立体的思维观点看问题，角度加时间就是一个空间的大小，它也决定了在单位时间内的进、排气量。

二、可变气门正时技术

上面说过气门正时控制着气门的开启时间，那么VVT（可变气门正时）技术是如何工作的呢？它又是怎样达到提升效率、节约燃油的效果呢？

1、气门重叠角对发动机性能的影响

当发动机处在高转速区间时，四冲程发动机的一个工作冲程仅需千分之几秒，这么短的时间往往会引起发动机进气不足和排气不净，影响发动机的效率。因此，就需要通过气门的早开和晚关，来弥补进气不足和排气不净的缺憾。这种情况下，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻，配气相位上称为“气门重叠角”。

气门重叠的角度往往对发动机性能产生较大的影响，那么这个角度多大为宜呢？我们知道，发动机转速越高，每个气缸一个工作循环内留给吸气和排气的绝对时间也越短，因此要达到更高的充气效率，就需要延长发动机的吸气和排气时间。显然，当转速越高时，要求的气门重叠角度越大。但在低转速工况下，过大的气门重叠角则会使得废气过多的泻入进气端，吸气量反而会下降，气缸内气流也会紊乱，此时ECU也会难以对空燃比进行精确的控制，从而导致怠速不稳，低速扭矩偏低。相反，如果配气机构只对低转速工况进行优化，那么发动机的就无法在高转速下达到较高的峰值功率。

所以为了解决这个问题，就要求配气相位可以根据发动机转速和工况的不同进行调节，高低转速下都能获得理想的进、排气效率，这就是可变气门正时技术开发的初衷。

2、工作原理

虽然可变气门正时技术在各个厂商的称谓略有不同，但是实现的方式却大同小异。以丰田的VVT-i技术为例，其工作原理为：该系统由ECU协调控制，发动机各部位的传感器实时向ECU报告运转情况。由于在ECU中储存有气门最佳正时参数，所以ECU会随时对正时机构进行调整，从而改变气门的开启和关闭时间，或提前、或滞后、或保持不变。

简单的说，VVT系统就是通过在凸轮轴的传动端加装一套液力机构，从而实现凸轮轴在一定范围内的角度调节，也就相当于对气门的开启和关闭时刻进行了调整。

目前，可变气门正时技术几乎已成为当今发动机的标准配置，为了进一步挖掘传统内燃机的潜力，工程人员又在此基础上研发出可变气门升程技术，即可以控制气门开启角度。当二者有效的结合起来时，则为发动机在各种工况和转速下提供了更高的进、排气效率。进一步提升动力和降低油耗。

三、可变气门正时和升程技术可以使发动机的“呼吸”更为顺畅自然

发动机的气门通常由凸轮轴带动，对于没有可变气门正时技术的普通发动机而言，进、排气们开闭的时间都是固定的，但是这种固定不变的气门正时却很难顾及到发动机在不同转速和工况时的需要。前面说过发动机进、排气的过程犹如人体的呼吸，不过固定不变的“呼吸”节奏却阻碍了发动机效率的提升。

如果你参加过长跑比赛，就能深刻体会到呼吸节奏的把握对体能发挥的重要性——太急促或刻意的屏息都可能增加疲劳感，使奔跑欲望降低。所以，我们在长跑比赛时往往需要不断按照奔跑步伐来调整呼吸频率，以便时刻为身体提供充足的氧气。对于汽车发动机而言，这个道理同样适用。可变气门正时和升程技术就是为了让发动机在各种负荷和转速下自由调整“呼吸”，从而提升动力表现，提高燃烧效率。