TOYOTA 科技

TOYOTA 科技

現在市售汽車所使用的都是四行程引擎。這種引擎以其運轉時分為「進氣→壓縮→爆炸→排氣」四階段而得名。透過不斷的週而復始,應用自然界能量轉換的現象,將汽油內的化學能爆炸與機構產生動能,讓車輛得到行駛的動力。

而如何使用引擎所輸出的動力更有效率,是汽車工程師所想要追求的目標。傳統設計的引擎,往往無法兼顧低轉速與高轉速時動力的需求。而Toyota在1997年開始商品化的VVT-i技術,完美地解決引擎在高低轉速域內動力的問題,成為均衡、效率高、動力充沛的引擎解決方案。

從四行程引擎談起

將「進氣→壓縮→爆炸→排氣」四階段以一個週期進行研究。整個活動自活塞上升至頂點開始下降時起,正式進入「進氣」行程。此時,進氣汽門開始打開,活塞下降產生汽缸的負壓,因而將油氣吸入引擎;當活塞下降到底端時,進氣汽門關閉,活塞開始上升,此時為「壓縮」行程;當重回頂點之後,火星塞點火,引爆油氣,爆炸的威力將活塞向下推動,而所產生的能量亦透過連桿與曲軸傳出,形成車輛的動力,這是「爆炸」行程。最後當活塞又再度到達最低點之後,整個汽缸內充滿了燃燒之後的廢氣,此時排氣汽門打開,活塞再次上移,將所有的廢氣推出汽缸後,這是「排氣」行程。排氣行程結束的最終,排氣門關閉,形成氣密,以便再次進入吸氣行程,再開始另一次的循環。

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什麼是氣門?進氣門與排氣門

四行程引擎中,有幾個往覆運作的機構,用來關閉或開啟汽缸與外界的通道,稱為「氣門」。進氣門,就是當開啟時讓油氣進入;而排氣門,則是開啟時用來讓燃燒過後的廢氣排出之用。

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當對於引擎運作的研究更深時,四個行程壁壘分別的運轉方式並非最佳的方式。若分配給進氣行程與排氣行程同樣的時間,但因為氣體特性的關係,其產生的效果與預期的有相當的差距。

在排氣行程之中,因為爆炸高溫的關係,汽缸內的壓力遠大於汽缸外,因此當排氣門打開時,廢氣原本就會迫不及待地往外衝,加上活塞的推波助瀾,讓排氣的效果極佳,可以清除大部份的廢氣。

而在進氣行程之中,我們是利用氣密的活塞自進氣口從外面將油氣抽進來。在這種被動的過程中,因為壓力差相對較小,加上氣體本身的黏滯性與氣體與進氣管路間的摩擦力,油氣抽入的效果並不好。而在活塞抽到底時,汽門立刻關閉,並沒有預留時間讓汽缸內的油氣與壓力與汽缸外達成平衡,其所吸進的油氣量無法達到原先預期。

當引擎的轉速更行拉高時,汽門開啟的時間更短,所能吸得的油氣便會更少,讓引擎在高轉速時更無法取得充份的燃料,速度自然也無法提升。因此,如何能增加所吸入的油氣、增強引擎的動力,讓車輛的行駛更為迅捷,便成了工程師所要克服的問題。

效率提升解決之道:汽門開啟延長與重疊

能增加所吸入的油氣、增強引擎的動力,讓車輛的行駛更為迅捷,工程師所想出來的辦法就是將進氣汽門開啟的時間延長。由於採被動負壓抽氣的方式,因此將進氣汽門開啟時間加長,所能吸進的油氣便增加,所能產生的動力便會增加。因此,引擎設計成進氣汽門在排氣行程時便提早打開,以便在進氣行程時能以全開的進氣口,吸入更多的油氣。而進氣汽門亦會延後至壓縮行程中再關閉,以期能增取多一點點的時間,讓內外壓差更小,讓汽缸內的油氣濃度及壓力更接近所設定的最佳氣燃比。這樣的變動,有效地提升了引擎動力,讓引擎在高轉速之時能有更充沛的油氣供應,提供高速行駛更為完美的動力。

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然而,當工程師不斷將進氣汽門開啟的時間提前,並將關閉時間延後,形成同一時間進氣門及排氣門均同時開啟的現象,這就是所謂的「氣門重疊」。當氣門重疊較多時,高速的動力的確得到滿足,但當延長超過一定程度之後,會有有部份的油氣就直接從捷徑跑出了引擎,沒有留在汽缸內,這種現象在引擎低轉速運轉時特別明顯,造成低轉速時動力的流失。這就代表這具引擎只適合性能狂熱份子飆車用,而不適合一般人在都會中的日常生活及假日出外悠閒的兜風用。這可與主流消費者的需求差太遠了。難道沒有兩全齊美的方式嗎?

完美引擎效率提升解決之道:可變汽門正時VVT-i

從前面的文章之中我們了解,當在引擎轉速較低時,我們希望進氣汽門開啟的時間晚一點,關閉的時間早一點,以維持低轉速的動力輸出;而當轉速慢慢提高時,我們希望進氣門開啟的時機早一點,關閉的時間晚一點,讓油氣可以充份的提供,以產生連綿不絕的動力。讓汽門可以在不同的情況下於不同的時機開啟,便成了工程師努力的方向,可變汽門正時的概念於時形成,而Toyota的工程師亦在1990年代中期,發明了VVT-i系統。

VVT-i是Variable Valve Timing with Intelligent的縮寫,中文的譯名為「智慧型可變汽門正時系統」。在引擎運轉中,汽門開啟的時機,就稱為「汽門正時」。當引擎在不同的運轉速度時,我們需要有不同的汽門正時,以提供最佳的汽門開閉控制,讓動力及燃燒效率最佳。

為達成此目的,Toyota的工程師在控制進氣門的凸輪軸上加裝VVT-i機構,以調整汽門正時。這一組安裝在引擎的進氣端凸輪軸的機構,在凸輪軸與傳動鏈輪之間具有油壓離合裝置,讓進氣門凸輪軸與鏈輪之間轉動的相位差可以改變。而控制的油壓機構,則與引擎的機油系統連結,並以電磁閥門及控制迴路調整。

在引擎轉速不同之時,讓凸輪軸與鏈輪之間亦有著不同的角度,進而讓進氣門在不同的時機時開啟與閉合,達到可變汽門正時的目的,進可讓引擎在各轉速域時,均能有充沛而適當的油氣供應,以輸出充沛的動力。

「連續」可變汽門正時與「分段」可變汽門正時

全球各大車廠在邁入21世紀之前,均已掌握了汽門正時的技術。而在實作上還可分成連續可變汽門正時與分段可變汽門正時等二類。

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圖中的左右數字,分別表示為汽門重疊角的變化。隨著引擎轉速的升高降低,可變汽門正時控制系統會改變汽門重疊角。而左邊的「連續」可變汽門正時控制系統,讓汽門重疊角的變化,是連續性的改變。相較於右邊「分段」可變的設計,對於引擎效能的提升,則更有效率。

分段可變汽門正時的發展較早,在當時機構設計、油壓控制迴路等技術尚未成熟之時,大多是在凸輪軸與汽門搖臂的結構上做文章。以二段可變汽門正時結構為例,其在凸輪軸上有兩組開啟角度不同的凸輪組,推動著有兩段式結構的汽門搖臂。當低轉速時,透過電磁開關作動,讓大角度凸輪與對應的搖臂與汽門結構沒有直接連接,一直空轉,所有汽門的開啟都由小角度凸輪控制,以符合低轉速動力輸出的要求。而當轉速到達臨界值時,電磁閥做動,小角度凸輪則轉為空轉,改由大角度凸輪結構組對汽門開閉進行控制,以滿足高轉速時汽門開啟延長的需求。

這樣的概念,在當年的確讓人一新耳目。但引擎對於轉速提升所需的汽門控制變化是持續改變的,以效率與動力輸出而言,連續可變汽門不分段的連續變化技術,可以針對各種不同轉速下引擎的需求做出最適合的調整,在引擎技術上又比分段式可變汽門正時向前跨進了一大步。

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丁页!!!好铁啊好铁

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