电磁液压在政策对发动机经济性和排放要求越来越高的今天

    在政策对发动机经济性和排放要求越来越高的今天，各大厂商都绞尽脑汁的使发动机更高效环保。VVTi，i-Vtec和VVEL等各种可变气门技术相信大家都有所了解，基本上，目前市面上新车所搭载的绝大部分发动机都或多或少的使用了可变气门技术。而对于发动机来说，进气效率越高，动力越强燃烧得越充分，各种增压技术和可变气门技术目的都是提高进气效率。而在高转速时，通过VTEC电磁阀控制液压油的走向，使得两进气摇臂连成一体并由开启时间最长、升程最大的进气凸轮来驱动气门，此时两进气门按照大凸轮的轮廓同步进行。而下面给大家介绍的菲亚特独创的Multi air电控液压进气系统则号称是迄今为止最完美的气门技术，那么这项技术是否真有那么强大呢？我们都知道，发动机的配气机构负责向汽缸提供汽油燃烧做功做必须的新鲜空气，并将燃烧后的废气排除出去，这一套动作的工作原理可以看做是动物呼吸器官的吸气和呼气。

    关于发动机进气系统的原理和各种主流的可变气门技术，我们在此前的文章里已经有详细的介绍（呼吸之道解析可变气门正时/升程技术）

研发背景

自第一辆搭载VVT技术的量产车出现，距今已有超过20年的历史

    上世纪60年代，菲亚特开发出了第一套可变气门正时系统，而它旗下的阿尔法罗密欧则在80年代成为首个将VVT可变气门正时技术运用在量产车上的厂商，它开创性的使用了用两根不同的凸轮轴来控制进气气门和排气气门的开闭时间，并在此基础上成功研发了可变气门正时系统。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工况时的工作需要。

广州车展上，菲亚特展台上的Multiair发动机

    随后几年，本田，日产和宝马等厂商也纷纷研发出自己的可变气门正时技术，不过进入90年代之后，作为VVT先驱的菲亚特则看到了传统机械结构的VVT技术在机动性和响应性上的不足，研究的重点转向了控制更为灵活精准的电液控制系统。气门升程就好象门开启的角度，正时就好象门开启的时间，而进气歧管就是匣道栏杆。在克服了众多难关之后，2009年日内瓦车展上，菲亚特正式发布了其在可变气门技术上的研究成果：Multiair电控液压进气系统。普通的发动机在制造出来后，配气相位和气门升程就固定不变了，无法适应不同转速下发动机对进排气的需求。

Multi air电控液压进气系统的结构分析

传统DOHC顶置双凸轮轴VVT发动机配气机构示意图

    我们都知道，普通发动机的配气机构由凸轮轴上的凸轮所驱动，气门以机械节奏开启和关闭，油门踏板则借由进气歧管内的节气门来调整空气的流量。缺点和解决办法——可变气门技术 早期的4气阀发动机相对于2气阀发动机也有缺点——在低转速时没有很好的扭力输出。对于使用了气门正时和升程技术的发动机来说，气门开启的大小（行程）、时机（正时）可以由凸轮轴及相关控制机构来决定。当活塞正好运行一周重新回到下止点时，进气门关闭，发动机进入压缩冲程。

    而Multi air最大的特点就是开创性的使用电控液压控制系统驱动气门正时和升程，它通过一套由凸轮轴驱动电磁液压阀，实现了进气门的升程和正时的无级可调，虽然依旧是每缸4气门的结构，但是却取消了进气门一侧凸轮轴，只保留了排气门一侧的凸轮轴来驱动进排气门。从工作原理上讲，配气机构的主要功能是按照一定时限自动开启和关闭各气缸的进、排气门，从而使空气及时通过进气门向气缸内供给新鲜空气或者可燃混合气，并且及时将燃烧做功后形成的废气从排气门排出，实现发动机气缸换气补给的整个过程。由于气门的开度和开启时间都实现了任意可调，因此这套系统和宝马的valvetronic一样，可以直接由气门的开闭大小来控制空气的流量，因此也取消了节气门。在F355上，外侧的进气阀比内侧的进气阀要提前10度打开，这样更容易形成涡流，让空气与汽油充分混合，因此有更高的燃烧效率和更好的排放。另外这套进气控制系统采用了完全标准化的设计方案，可以任意组合成双缸、四缸、六缸或者八缸的结构。让我们先来考虑一下排气门开启的时机。

排气门由凸轮轴直接推动，而进气门则通过一组电磁液压系统进行精确控制

    从图上看，Multi air系统的结构确实非常简单，气门上方设计有一个液压腔，液压腔一端与电磁阀相连，电磁阀则通过ECU信号，根据工况的不同适时调节流向液压腔内的油量。4气阀的发动机积相对于2气阀的发动机，进气截面可以增大超过50％以上，更适合高转速时的平稳运行。由凸轮轴驱动的活塞通过推动液压腔内的油液，控制气门的开启。如果比活塞到达下止点提前一点就开启排气门会怎么样呢？

    从这个multiair简化结构图上能更清晰的看出系统整个工作过程，不过在实际结构中，凸轮轴和活塞其实被设计在排气门一侧凸轮轴上的。从直觉上，这时废气仍可推动活塞做功，如果打开排气门开始排气，此时气缸内的压强就会降低，能量的利用率也就降低了，发动机性能也会随之下降。

实际结构中，凸轮通过摇臂推动活塞，而活塞通过液压腔的密封油液打开进气门

Multiair技术工作原理

    当工作开始时，电磁阀通过ECU信号向液压腔内供给适量的油量，然后电磁阀关闭。多气阀技术通过改善进气，增加发动机的输出功率。这时，液压腔内的油的体积恒定，与液压腔相连的活塞就可以将排气凸轮轴施加的压力传递到进气门，从而完成气门的开启。现在的5气阀发动机，每缸气缸都有3个进气阀和2个排气阀，他们成梅花状分布。气门的开度大小则取决于流向液压腔内油量的多少。此时进气岐管内的可燃混合汽靠惯性继续冲入气缸的趋势还是占了上风。

    当电磁阀开启时，液压腔内的油液就会顺高压油腔进入低压油腔。而可变进气技术就是为了让发动机能够根据不同的负载情况的能够自由调整“呼吸”，从而提升动力表现，使燃烧更有效率。气门则不再跟随排气凸轮轴运动，而是在气门弹簧的作用下完成关闭。这样来理解气门的动作是否正确呢？阀门关闭的最后一步，则由专用的液压制动装置控制，从而使得气门的每次闭合过程都能做到舒缓而规律。增加了一个称为VTC（Variable timing control“可变正时控制”）的装置——一组进气门凸轮轴正时可变控制机构，即i-VTEC=VTEC+VTC。

    为了让发动机达到更高的效率，气门升程可以通过发动机的进气需求和不同转速，进行适时调整。此时，进气阀门的正时与开启的重叠时间是可变的，由VTC控制，VTC机构的导入使发动机在大范围转速内都能有合适的配气相位，这在很大程度上提高了发动机的性能。主要有下列几种不同进气策略：气门全开fulllift，进气门早关IEVC，进气门晚开LIVO，和同一冲程内多起开启气门Mulilift多重升程模式。由于2气阀发动机的进气截面积有限，在高转速时容易造成其进气不顺畅，采用多的气阀技术就能有效改变这种状况。

从图上可以清晰的看出，multiair在不同工况下的进气策略

    气门全开Fulllift：全负荷输出（fullload）的时候，电磁阀会保持关闭的状态，气门每次开启则会维持在最大开度，从而使发动机在高速运转时最大限度提升功率和扭矩。i-VTEC技术不单只是本田的看家本领，更是各大厂家大同小异的“CVVT”可变气门正时技术的鼻祖。

    进气门早关IEVC：电磁阀会在凸轮轴运动周期的末段打开，此时进气门则在气门弹簧作用下提前关闭。『本田的i-VTEC发动机』 对于一台4冲程发动机，按照很多人的理解，做功冲程末，活塞处于下止点时排气门开始打开，发动机进入排气冲程，直到活塞到达上止点，排气门关闭，进气门打开，发动机进入吸气冲程。这样就能有效减小气门重叠角，从而避免因废气过多泻入进气岐管而造成的充气不足和气流紊乱。发动机气门是由曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时则是由凸轮决定的。

    进气门晚开LIVO：电磁阀也会根据发动机所需的进气量，在凸轮轴开始运动之后关闭，使进气门推迟开启，从而改善启动性能并提高怠速稳定性。关键在于进气阻力的控制。

    当发动机部分负荷的时候，系统会结合进气门早关IEVC和进气门晚开LIVO两项进气策略，根据需要调整气门的打开和关闭时机，从而达到改变气门正时的目的。然而，可能和与人们的直觉不同的是，这样的气门正时效率并不是最优的。合理的进气门正时还能有效提升发动机低转速时的扭矩表现。4气阀发动机可以设计两根凸轮轴来驱动气门，一根驱动进气阀，一个驱动排气阀，控制可以更精确，并且可以采用更多的新技术。

    Mulilift多重升程：Mulilift多重升程模式则是指在一次冲程内多次开启气门，从而在负荷极低的情况下增加燃烧室内湍流，显著提高燃烧效率。我们将发动机的气门比作是一扇门，门的开启的大小和时间长短，决定了进出入的人流量。这说明电磁液压控制系统在响应速度上要更优于传统的机械结构，这也是Multiair上独有的技术。回到正题上，前面我们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？在城市拥堵走走停停的状态下，Mulilift多重升程能够很好的改善燃油经济性。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“重叠阶段”。

传统的节气门发动机会产生泵气损失，会造成不小的能量损失，影响发动机效率

Multiair的优势与特点？更多精彩视频，尽在zman.cn视频频道 与很多普通发动机一样，VTEC发动机每缸有4气门（2进2排）、凸轮轴和摇臂等，但与普通发动机不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法。

    而multiair最大的特点就是取消了进气凸轮轴和节气门，由气门直接开启来控制进入汽缸的空气量，这个变化带来的优势显而易见：取消了进气凸轮轴，可以精简缸盖结构并减轻发动机自重。下面就各种多气阀发动机分类说明 3气阀发动机 多气阀发动机的早期普遍采用3气阀，这是因3气阀的技术结构简单——三个气阀可以排列在一条直线上，因此只需要一根凸轮轴就能同时驱动一列气缸的进气门和排气门。而取消了节气门之后，大大降低了泵气损失，并提高了发动机的响应速度。不过如果燃烧室能够像图中那样，设计成梅花形状，那么气门则可能覆盖更大的面积。由于没有了进气迟滞的影响，配气和喷油精确性也会得到相应提升。这是大家可能都想到了，排气时同样会形成高速气流，如果排气门也在活塞越过上止点一定角度之后再关闭，虽然活塞已经开始下降，排气门附近的废气仍就会继续排出。

    在这里，我们需要了解一下什么是泵气损失。R18A1发动机的i-VTEC系统就是针对该种情况，在车辆低转速高车速巡航的时候让高角度凸轮轴介入，通过加大气门开度来减少进气阻力。首先，我们必须从传统节气门发动机的原理说起。发动机可变气门正时技术(VVT，Variable Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。传统发动机上，无论是拉线油门还是电子油门，其控制的都是节气门开度。因此，就需要利用气流的进气惯性，气门要早开晚关，以满足满足进气充足，排气干净的要求。在传统发动机上，进气流程都是空气首先经过空气滤清器，然后再通过空气节流阀（节气门）进入进气管，最后通过打开的气门进入燃烧室。上文VTEC切换至高角度凸轮的时机，是在引擎达到4800转以上、水温高于60度，并在进气歧管内的负压指数符合原厂设定值后，便会开启VTEC电磁阀，将油压导入摇臂内以推动自由活塞，使高角度凸轮开始介入，延长进气门关闭时间，提高引擎于高转速时的进气量。当发动机在低负荷运转或者怠速的时候，节气门开度较小，甚至接近闭合的程度，但此时的活塞和气门并不会停止运转。如果在活塞越过下止点一定角度，开始压缩冲程之后再关闭进气门。这钟情况下，当活塞动作往下拉，则会从接近关闭的进气管吸入空气，这时节气门和活塞之间的区域便会形成真空，此时节气门内外的压强差就会对活塞的动作形成很大的抵抗力，大大消耗能量。与4气阀相比，早期的5气阀不能提供更高的进气效率。在怠速的时候，节气门接近闭合，此时造成的能量损失也是最大的。一般汽油引擎在高速巡航低负载时，因速度不需再提高，驾驶者只会轻踩油门以保持同样速度，节气门开启角度相对缩小（也就是说高速巡航是节气门的开度很小），减缓新鲜空气吸入量，但此时引擎内的吸气阻力，却会因节气门开度小而增加，并提高活塞于进气行程时的向下阻力，相对消耗部分活塞爆炸时的推力，进而降低引擎输出功率，就像吸管变小，需用更多的吸力饮料才能吸到嘴里的道理是相同的。这就是常说的泵气损失（Pumping loss）。此时如果能将节气门开度变大，就能减缓活塞吸气阻力进而提高效率，使引擎输出功率全部用在传动系统上，而不会在运转时便已消耗掉一部分，进而提升高速巡航时的燃费经济性。

宝马的valetronic技术同样可以使发动机拥有快速的响应速度

    节气门的这种特质，还会造成另一个问题。4气阀发动机 传统的2气阀发动机只能占有燃烧室顶部1/3的面积作为进气口面积，进气效率有限。因为节气门的隔断，进气歧管内的会由于活塞的惯性而产生负压，造成节气门内外的气压的不平衡。本田公司在1989年推出了自行研制的“可变气门正时和气门升程电子控制系统”，英文全“Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System”，缩写就是“VTEC”，是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统。当节气门打开时，通过节气门的空气就不能迅速地进入汽缸内，而是有一个反应过程，这个过程直接体现为驾驶感受，就是踩下油门踏板以后，动力响应的迟滞。因为在吸气冲程可燃混合汽被活塞抽入汽缸，进气门附近的气流速度可以高达每秒两百多米，而我们前面说过，在下止点附近活塞的垂直运动相对很慢，汽缸内体积变化并不大。为解决这个缺陷，最有效的方法加大进气歧管内的气压，让节气门内外的压强差尽量小。中、低转速用小角度凸轮，在中低转速下两气门的配气相位和升程不同，此时一个气门升程很小，几乎不参与进气过程，进气通道基本上相当于单进气门发动机。对于一些主打性能的发动机，设计师会尽可能地将节气门设计在离气门较近的位置，从而降低节气门内外的气压差，进而提升发动机的响应速度。然而它的缺点也是很明显的，如果没有尺寸的限制，更快的进气会伤害到低转速时的扭力输出。由于进气的迟滞，发动机的喷油和配气都很难做到精确的控制，因此发动机的经济性和效率都会受到影响。考虑到活塞在下止点附近一定角度内垂直运动距离其实非常短，实际的发动机略微提前打开排气门效果会更好一些。

    而由于Mlutiair的进气歧管前少了节气门这么个拦路虎，气门和外界空气之间只剩下空气滤清器这个阻力，不仅没有了泵气损失效应，进气阻力大大降低，而且由于进气歧管内与外界基本不存在压强差，气门上方可以维持恒定的气压，空气进入燃烧室的速度就不会受到影响，发动机的响应速度也就得到了大幅的提升。但到达高转速时便需要更大的进气量来满足高动力输出的需求，而发动机进气门的相位（开闭的时机）和升程（开度的大小）便是决定汽缸进气量的最直接因素。对于涡轮增压发动机而言，这个特性更能提升涡轮发动机的动力响应性。由于发动机工作时的转速很高，四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒，这么短促的时间往往会引起发动机进气不足，排气不净，造成功率下降。

    另一方面，电磁控制系统的高速响应也是传统结构所不能比拟的。同样的道理用于发动机上，就产生了气门升程和正时以及可变进气歧管的概念。因为这个特点，Multiair技术才能实现在一个冲程内多次开闭进气门的Mulilift多重升程技术。这时候的4气阀发动机还是采用单根凸轮轴，通过摇臂驱动气门。