给汽油车“续一秒”，韩国人说我也有份

出品|虎嗅汽车集团作者|胡扬正处于这个电动汽车如魔法的时代，仍然有人向往内燃机技术。不仅有，而且还有很多。看过许家印老板投资的数千万超跑Konysegg中如何使用高度电动化的Freevalve系统实现惊人的性能，你应该知道内燃机的功率和效率在很大程度上取决于呼吸空气的能力。普通的机械气门正时系统具有恒定的进气门打开动作，但内燃机在不同的工作条件下所需的理想进气量并不相同。这种矛盾使得在设计中必须兼顾双方，这限制了内燃机整体性能的提高——功率和能耗。

最基本的凸轮轴气门正时系统如下：发动机曲轴旋转2圈，上部凸轮轴旋转1圈。凸轮轴上的凸轮突起推动气门打开，使气门的打开和关闭动作与发动机运行的相应正时相匹配。进气门和排气门的打开周期与四个冲程的进气冲程和排气冲程完全对应。缺点也是显而易见的，一切都是固定不变的。正如前面所解释的，面对不同工作条件下的不同需求，“不变”不是一件好事。不要急于说你不明白，请放心。即使你完全不理解内燃机的四冲程，也不会影响你对可变气门技术魔力的理解——这只是工程师们集思广益，用巧妙的想法来解决空间几何问题。

尽管在可变车门打开正时的四个冲程中存在进气压缩功排气的对应冲程，但实际进气-排气动作时间并不对应于对应冲程的100%。因为在高速行驶时，每个行程时间都非常短，所以我们希望进气门早点打开，排气门晚点关闭。进气门和排气门同时打开一段时间，这样可以使此时的进气更加充足，排气更加彻底。然而，在低速时，有充足的进气和排气时间，气门重叠角度不应太大。否则，进气门吸入的空气被同时打开的排气门排出，导致进气不足。

这产生了第一个矛盾：在高速时，气门重叠角度需要稍大，而在低速时，重叠角度需要减小。当涉及到气门动作时，较大的重叠角度要求进气门稍微提前打开，而较小的重叠角度则要求进气门略微滞后。因此，为了兼顾这一点，发明了可变气门正时系统VVT。在原有凸轮轴的基础上，人们在凸轮的外侧安装了一个可以旋转一定角度的相位调节器。进气门凸轮相对于凸轮轴的角度可以调节和改变，进气门打开的正时也可以调节和变化，从而实现可变的气门重叠角。

VVT对进气门的影响最为明显，后来也应用于排气门。进气和排气两侧都有VVT的系统称为双VVT或DVVT。如今，大多数主要汽车制造商都掌握了VVT技术，有不同的名字，比如丰田的VVT-i、宝马的VANOS等等。

可变气门开度类似于通过可变气门正时来解决的问题。在基本的机械气门结构下，气门开启幅度是固定的：凸轮的物理突起有多高，气门就会被“顶起”。然而，内燃机所需的最佳充气速度在不同的操作条件下是不同的。例如，在低发动机转速下，进气门打开的时间更长，进气过程需要尽可能平缓和连续，这样更均匀、更充足的进气才能确保低扭矩；

在高速行驶时，进气门打开时间很短，发动机通常处于高负载状态，这需要更多的空气。因此，有必要使进气效率尽可能高，并尽快吸收足够的空气。这是另一个矛盾，因为设计内燃机需要平衡高转速和低转速，这阻碍了其效率的进一步提高。于是，可变气门升程系统VVL出现了。为了实现可变气门升程，每家公司都有自己独特的方法，其中最著名的当然是本田引以为傲的VTEC技术。

VTEC早在1989年就诞生了。在今天看来，本田的做法其实很简单：如果凸轮的形状是固定的，我为什么不再加一个高速专用凸轮呢？在传统结构的基础上，VTEC增加了一个“大”凸轮，对应更高的升程。当在更高的转速下需要更强的动力时，移动锁销以切换到高升程凸轮。本田凭借简单而精致的纯机械结构，轻松实现两级可调气门升程。凭借VTEC，本田在日本汽车辉煌的20世纪90年代制造了一系列著名的高性能发动机，VTEC已成为本田粉丝的信仰。在过去的几十年里，VVL可变气门升程已经被大多数品牌所掌握，有些品牌已经通过各种单独的方法实现了可以连续无限调节的可变升程。典型的例子包括宝马的Valvetronic和日产的VVEL，它们使用电机控制在整个过程中实现连续可调的可变气门升程。

基于可变气门进气调节技术，近几十年来，它通常分为两类：VVT可变正时和VVL可变升程。在实现电机控制的无级调节后，继续优化VVT和VVL的价值不再显著。采用两级调节的本田VTEC至今仍在发光发热。至于Koenigsegg使用的Freevalve技术，它完全消除了机械正时传动，并通过电子系统直接控制阀门，尽管效果突出，但成本和可靠性很难应用于大众市场。然而，对于一些此前在内燃机领域相对落后的车企来说，跳过VVT和VVL直接开发“新事物”是一个具有成本效益的选择。2020年，现代汽车推出了其引以为傲的工作：可变气门持续时间CVVD技术。这是第一种实现进气门和排气门正时和持续时间无限可调的气门控制技术。可以理解为，VVT调节“气门开启时间”出现的时间是早还是晚，VVL调节气门开启幅度的大小，VVD调节“气门打开时间”的持续时间。至于C，它代表着无限和连续的调节。

现代CVVD技术可以先变相改变进气门开启的正时，覆盖传统VVT调节气门重叠角的功能；与VVL相比，可变气门升程的根本目的是改变进气效率和调整单位时间的进气量，而CVVD的可调气门持续时间也可以达到这一效果。然而，VVL是改变车门打开的幅度，而VVD是改变车门开启的持续时间。VVT和VVL都很容易理解。VVT通过使相应的凸轮偏转一个角度来改变气门打开的正时；

VVL改变气门打开的幅度，并切换到具有较大突起的凸轮。VVD需要改变气门打开的持续时间，并且可以无限调节。金属凸轮的形状应该是连续可变的吗？这不是气球。CVVD技术旨在实现的效果可能看起来很复杂，但基本原理也很简单。然而，仔细想想，你不得不惊叹于“你是怎么想到这一点的。CVVD技术的基本原理可以概括为“轴心错位会使物体旋转过程的一半更快，另一半更慢，而整体速度保持不变”。

首先，忽略黄色表示的凸轮。橙色的连杆套在蓝色和紫色的杆上，可以沿着蓝色和紫色杆自由滑动。以最左边为例，当橙色连杆向左移动并偏离原来的共同旋转中心时，如果你用紫色连杆作为参考系，你会发现蓝色连杆在旋转到左半转弯时减速，在旋转到右半转弯时加速，并且最终需要相同的时间来完成一整圈，即蓝色连杆的整体速度仍然与紫色连杆同步。调节橙色连杆与原始旋转中心之间的距离，可以改变蓝色连杆向左转动时减速和向右转动时加速的幅度，从而实现连续无级调节。

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现在，把紫色的杆想象成发动机的凸轮轴，所以速度是不能改变的；蓝色是控制阀门动作的凸轮，我们需要改变的是它的运动；左上半圈和右上半圈对应于控制阀半圈和另一半圈。将橙色连杆的旋转中心移到一侧，凸轮旋转到这半圈时速度会减慢，增加了控制阀门打开的持续时间；但当转向另一半的圆圈时，速度会再次增加，赶上紫色凸轮轴的速度，然后同步进入下一个完整的圆圈。简而言之，通过使用第三连杆的偏移，旋转过程的一半被减慢，然后在转向另一半时被加速，从而仍然可以保持每一圈的整体同步。但阀门控制只与半圈有关，因此控制半圈的速度可以调节阀门打开的持续时间，实现无限连续调节。从上面的动态图中转换出真实的发动机结构后，CVVD的核心部件就会出来。

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与人们熟悉的VVT和VVL系统相比，CVVD技术的发展更接近现代时代。因此，CVVD率先实现了连续可变气门持续时间，实现了更理想的发动机进气控制。根据现代官方数据，CVVD的实际安装效果使功率输出增加了4%，燃油效率提高了5%，排放量减少了12%。看起来不多吗？请注意，这只能通过添加一组CVVD组件来实现，只需增加最小的重量和成本；由于其纯机械系统，可靠性和可维护性也得到了保证。

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无论是各种VVT、VVL，还是新兴的VVD，可变气门控制技术都有一个共同的特点：尽管账面数据的增加似乎并不显著，但它可以改善所有的操作条件。一些新技术具有显著的纸张效果，但应用条件狭窄，而另一些技术并不令人惊讶，但有利于所有工作条件。因此，包括CVVD在内，可变气门技术必须与其他类型的发动机技术一起使用，如直接喷射、阿特金森循环、EGR废气回收等。在综合电力时代到来之前，人类追求理想热力发动机的道路是由如此微小的进步共同努力构建的。

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