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汽车发动机VVT技术分析报告
2013年汽车发动机VVT技术分析报告
2013年11月
目录
一、发动机VVT技术大规模普及条件已具备3
1、VVT技术-调整发动机的呼吸节奏3
2、VVT技术与涡轮增压技术可以共存4
3、全球主流汽车厂家广泛采用VVT技术6
4、国内VVT技术市场想象空间大8
二、VVT技术并非日韩系专利,欧美系也广泛采用10
1、本田VTEC技术–普及VVT技术的先导者10
2、丰田VVT-i技术–技术可靠,应用广泛11
3、现代CVVT技术–两种驱动方式,适用多种类型发动机12
4、宝马VANOS技术–最无懈可击的VVT系统13
三、VVT技术市场增量空间广阔14
1、产业政策支持发动机可变气门技术的发展14
2、安装VVT系统具有较明显的经济性14
3、VVT技术市场空间广阔,未来全面普及值得期待16
四、投资机会17
1、东睦股份18
一、发动机VVT技术大规模普及条件已具备
1、VVT技术-调整发动机的呼吸节奏
目前,市场上主流VVT技术类型包括:
VVT可变气门正时、VTEC可变气门升程、可变气门正时和升程以及D-VVT双可变气门正时等,一般来说,这些技术被普通消费者统称为VVT技术。
固定的气门结构不适应当前汽车节能减排需求。
正如人体的呼吸一样,发动机配气机构的主要作用是向气缸内提供新鲜空气或者可燃混合气以满足燃烧需求,同时在燃烧结束后将废气排出去,配气机构按照一定时限自动开启或关闭各气缸的进、排气门,从而实现发动机气缸内的燃烧换气全过程。
由于发动机转速很高,一个工作行程仅需千分之几秒,对于没有可变气门正时技术的普通发动机而言,固定不变的气门正时很难顾及到发动机在不同转速下的换气需求。
改变气门正时和气门升程如同调节发动机的呼吸节奏,可以有效提升其燃油经济性和排放性。
气门的工作性能主要由两个参数决定:
气门正时(进排气门开启或关闭的时间)和气门升程(进排气门打开的程度),这两个参数影响发动机充气效率,对发动机性能至关重要。
发动机运行过程中,不同工况下对于气门正时的要求也不同,低速时应采用较小的气门重叠角和升程,防止缸内新鲜空气倒流,以便增加低速扭矩,提高燃油经济性,而高速时却希望有大的气门升程气门重叠角,以便进入更多的混合气以满足高速时的动力性要求。
2、VVT技术与涡轮增压技术可以共存
VVT技术与涡轮增压技术各有特点。
日韩车系相对青睐VVT技术,因为其适应低速低负荷工况,对缸体强度以及整个发动机的设计影响都不是太大,具有一定节油减排效果,而欧美车系更重视涡轮增压技术,最大好处就是在不增大排量的基础上,可以让发动机的动力得到明显改善,性能更为突出。
VVT技术在汽油机和柴油机上应用各具特点,与涡轮增压技术可以共存。
在汽油机上应用时,可以有效改善怠速稳定性和低速平稳性,提高发动机功率和扭矩,同时可以降低部分负荷燃油消耗率,改善尾气排放。
在柴油机上应用时,可以改变有效压缩比,并且能够提高各转速下的充气系数,采用VVT技术可以将柴油机压缩比设计得更高,通过控制进气门开闭时点可以降低有效压缩比,既保证了发动机低速起动性,又能降低燃油消耗率。
VVT技术通过改善配气机构工作条件来提升发动机充气效率,而涡轮增压技术是以增加进气密度来提升发动机充气效率,通常涡轮增压技术在发动机处于中
高转速工况时工作最为有效,而当发动机处于低转速时,由于废气涡轮获得的能量不足以使压气机向气缸提供所需空气,不能保持有效压力,而高转速时为防止进气压力和温度过高,部分废气从废气旁通阀流走,造成能量损耗。
同时采用VVT技术和涡轮增压技术,具有以下影响:
1)VVT系统控制发动机在低转速时控制排气门早开,增加废气能量,在高转速时控制进气门开闭时间,降低发动机有效压缩比实现米勒循环,充分利用废气能量;
2)VVT技术与增压技术共存时,高转速下发动机性能与单有增压相差无几,低转速下VVT技术可以有效弥补涡轮增压技术的不足。
3、全球主流汽车厂家广泛采用VVT技术
20世纪60年代起,发动机工程师们开始致力于VVT技术的研究,最早开发出成型技术的厂家是菲亚特和通用,但受技术和成本的限制并没有量产,而1982年的阿尔法·罗密欧Spider2.0是最早采用VVT技术的量产车,但该公司没有继续开发更先进的VVT技术,其Variator技术沿用至今。
20世纪90年代后,由于排放法规的日趋严格以及对燃油经济性要求的不断提高,可变气门技术研究再次成为热点,研究人员开发出一系列基于凸轮轴的可变气门机构,主要分类如下:
1.可变凸轮相位(即可变气门正时技术)应用较为广泛,并且形式也趋于一致,比较有代表性的如:
丰田VVT-i、保时捷Variocam和宝马VANOS等技术。
2.可变凸轮型线(即可变气门升程技术)比较典型的有:
本田VTEC技术、三菱的MIVEC技术以及保时捷VarioCamPlus技术等。
3.机械式全可变气门机构(气门正时和气门升程同时可调)包括宝马的Valvotronics系统,DELPHI及META公司等均有相应技术。
20世纪90年代中后期,研究人员开始进行无凸轮气门机构的研究,主要有以下几种技术路线:
电液驱动、电磁驱动、电气驱动以及电机驱动等。
电液驱动式气门机构以Lotus公司、福特、Sturman公司及Bosch/AVL等研究为主,而宝马、本田以及FEV、Aura和Visteon等为代表展开了对电磁驱动式气门机构的研究,无凸轮轴气门机构取消了传统的凸轮轴及其从动件,而以电磁、电液、电气及电机等方式直接驱动气门,必然是全可变的。
只是到目前为止,因受制于技术和成本因素,无凸轮气门机构仍处于实验室阶段,还未被大规模应用。
本田VTEC技术是VVT技术发展史上的里程碑,VTEC技术的关键在于气门正时和气门升程同时可调。
VTEC技术的最初设计目的是为了在不提升排量或使用任何增压装置的前提下,提高自然吸气发动机的功率,而随着消费者对燃油经济性的要求日益增长,现在的VTEC技术与DOHC配合更多地考虑了发动机的燃油经济性。
后面章节我们将详细介绍本田VTEC及i-VTEC技术。
4、国内VVT技术市场想象空间大
目前国内乘用车装配VVT技术的比例超过50%,而商用车装配VVT技术的比例仍较低,VVT技术全面普及后市场想象空间大。
根据我们的初步统计,国内主流汽车厂家采用VVT技术的乘用车在售车型比例已超过50%,而2002年还不到5%,我们预测未来这一比例还将继续提升,特别是在国产
品牌车型上,增长幅度将超过其它车系。
随着我国对商用车节能减排的要求日益趋紧,VVT技术有望在商用车领域逐步普及,未来VVT技术仍具有很大的市场空间。
从统计数据可以看出,日韩系车VVT技术的装配比例最高,欧美系以涡轮增压技术为主,VVT技术通常作为辅助手段,其装配比例相对较低,而国产品牌虽然已逐步消化VVT技术(以奇瑞等为代表的自主品牌已完全掌握主流VVT系统的技术及生产工艺),但装配比例仍较低,未来提升空间大。
二、VVT技术并非日韩系专利,欧美系也广泛采用
在VVT技术的推广应用方面,日韩系企业的积极性明显高于欧美系。
日韩系VVT技术发展比较全面,拥有一系列适应不同价位车型的VVT技术,而欧美系在发展VVT技术的同时,也大力推广缸内直喷和涡轮增压技术。
叶片式VVT系统仍将是市场主流。
本节主要介绍了当前市场上的主流VVT技术,通过对不同厂家相关技术的分析,我们认为叶片式VVT系统以其结构简单功能完善的特点,将在未来相当长的一段时间内主导VVT市场。
1、本田VTEC技术–普及VVT技术的先导者
VVT技术主要由日系厂家发扬光大,本田VTEC技术是普及VVT技术的先导者。
本田公司在1989年推出了“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”,英文全称“VariableValveTimingandValveLifeElectronicControlSystem”,即“VTEC”技术。
VTEC技术是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程的气门控制系统。
除了原有控制两个气门的一对凸轮和摇臂外,还增加了一个较高的中间凸轮和相应的摇臂,三根摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞。
发动机低速时,小活塞在原位置上,三根摇臂分离,此时运行情况像普通发动机一样,当发动机达到某一个设定的高转速(例如:
3500转/分)时,发动机ECU会指令电磁阀启动液压系统,推动摇臂内的小活塞使三根摇臂锁成一体由中间凸轮驱动,而由于中间凸轮比其它凸轮都高,所以进气门开启时间延长,气门升程也提高了。
VTEC技术的缺点在于工况切换过程不够平滑,影响操纵舒适度,i-VTEC技术的推出弥补了这一不足。
VTEC系统在运行过程中气门升程和正时的动作转换不够平滑,在VTEC系统启动前后发动机的表现差异较大。
为了改善VTEC系统的性能,近年本田推出了i-VTEC系统,即在现有系统的基础上添加一个称为“可变正时控制”VTC(Variabletimingcontrol),它的原理是当发动机低转速时,令每缸其中一只进气门关闭,而当发动机高转速时则在原有基础上提高进气门的开度及时间,由于发动机启动后i-VTEC系统就进入工作状态,不论低转速或者高转速VTC都在工作,也就消除了原来VTEC系统的不足。
2、丰田VVT-i技术–技术可靠,应用广泛
1992年,丰田在卡罗拉车型上首次使用搭载VVT技术的4A-GE发动机,为二阶段可变气门正时技术,在1996年推出了VVT-i技术并沿用至今。
由于VVT-i本身技术的局限性,丰田公司还推出了双VVT-i技术,区别在于对进排气门同时进行正时控制。
2001年,丰田在其推出的塞利卡SS-II上使用编号为2ZZ-GE的1.8L发动机,该发动机采用VVTL-i技术,L即“Lift”,表示该技术能对气门升程做出调节,其结构与本田的VTEC非常相似,也仅有两段调节。
VVTL-i技术在VVT-i技术上增加了“摇臂”与“凸轮轴”,采用和VTEC技术类似的方法来解决发动机在高转速下对于气门重叠时间和气门升程大小的需求。
3、现代CVVT技术–两种驱动方式,适用多种类型发动机
CVVT全称ContinueVariableValveTiming,即连续可变气门正时机构,它是近些年来被逐渐应用于韩国现代汽车上的一种可变气门正时技术。
CVVT技术的特点在于可以根据发动机工作状况实时变化,进而连续控制气门重叠角的大小,即当发动机低速低负荷运转时(怠速状态),延迟进气门开启时间,减小气门重叠角,以稳定燃烧状态;当发动机低速高负荷运转时(起步、加速、爬坡),进气门开启时间提前,增大气门重叠角,以获得更大的扭矩;当发动机高速高负荷运转时(高速行驶),也应延迟进气门开启时间,减小气门重叠角,从而提高发动机工作效率;当发动机处于中等工况时(中速匀速行驶),相对延迟进气门开启时间,从而减少燃油消耗,降低尾气排放。
两种驱动方式,适用不同类型发动机。
CVVT按照驱动方式可以分为直接驱动型和间接驱动型,直接驱动型CVVT主要应用在Gamma(γ)、theta(θ)以及lambda(λ)系列发动机上,而间接驱动型CVVT主要应用在Beta(β)和Alpha(α)系列发动机上。
4、宝马VANOS技术–最无懈可击的VVT系统
宝马DoubleVANOS+Valvetronic是目前唯一能做到连续可变气门正时和升程的系统。
VANOS通过一个液压驱动的杯型齿轮来联接凸轮轴和链轮,通过杯型齿轮的动作控制凸轮轴的转动,从而实现连续可变气门正时。
改进后的DoubleVANOS对进气凸轮轴和排气凸轮轴都可以控制,而Valvetronic系统使用液压摇臂来控制气门升程,可以做到对气门升程的连续调节。
Double
VANOS+Valvetronic系统具有比较完善的系统
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