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汽車 VVT 系統(tǒng)工作原理、產(chǎn)品分類、應(yīng)用及市場(chǎng)規(guī)模
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 富杰德    2024-08-13

1、VVT 系統(tǒng)的組成及工作原理

可變氣門正時(shí)系統(tǒng)（VVT）主要由機(jī)油控制閥（OCV）和凸輪相位調(diào)節(jié)器（VCP）組成，VVT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)配氣機(jī)構(gòu)氣門正時(shí)的改變，有助于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)，同時(shí)有利于改善燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）排放。

其工作原理主要為發(fā)動(dòng)機(jī)通過標(biāo)定 ECU數(shù)據(jù)和 VVT 系統(tǒng)的零部件配合，在高速低速時(shí)控制氣門提前或者延后打開，VVT 系統(tǒng)由 OCV 閥驅(qū)動(dòng)可變凸輪軸相位器動(dòng)作，使凸輪軸旋轉(zhuǎn)角度提前或者延后，使進(jìn)氣量可隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而改變，從而讓發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下有很好的燃油經(jīng)濟(jì)性和良好的動(dòng)力輸出。VVT 系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理如下圖所示：

VVT 控制過程比較復(fù)雜，氣門重疊角的調(diào)整時(shí)機(jī)與角度必須與工況需求相對(duì)應(yīng)，在控制過程中，還需要在運(yùn)行穩(wěn)定性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放指標(biāo)等方面進(jìn)行調(diào)配和取舍。一般來說，VVT 控制目標(biāo)及效果如下表所示：

2、VVT 產(chǎn)品的分類

在當(dāng)前具有工業(yè)化實(shí)例的可變氣門正時(shí)產(chǎn)品中，根據(jù)相位器驅(qū)動(dòng)力來源分為：電動(dòng)式、液壓驅(qū)動(dòng)式和凸輪軸扭矩驅(qū)動(dòng)式。電動(dòng)式的優(yōu)勢(shì)在于脫離了液壓油工質(zhì)特性和定子邊界限制，能夠在較大溫度、轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，獲得較高的響應(yīng)性，并且擴(kuò)大轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)范圍；

液壓驅(qū)動(dòng)式的優(yōu)勢(shì)在于便于實(shí)施，能夠在成本和邊界變動(dòng)很小的條件下，實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)可變功能，是當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)主流技術(shù)趨勢(shì)；凸輪軸扭矩驅(qū)動(dòng)式使用條件較為嚴(yán)苛，只能在凸輪軸負(fù)載較大的發(fā)動(dòng)機(jī)中搭載，且動(dòng)態(tài)特性受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化。

按停機(jī)鎖止位置，可變氣門正時(shí)可分為：?jiǎn)芜呮i止式與中間鎖止式。按機(jī)油控制閥布置位置，又可分為中置式與側(cè)置式。

3、VVT 在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

高效、低能耗與低排放一直是車用內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)發(fā)展方向。雖然在國家政策補(bǔ)貼的導(dǎo)向下，近年來國內(nèi)純電動(dòng)汽車得到了迅速的發(fā)展，但傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)在數(shù)十年內(nèi)仍然會(huì)是乘用車的主要?jiǎng)恿鉀Q方案。根據(jù)國際能源署（IEA）預(yù)測(cè)，2030 年，使用內(nèi)燃機(jī)作為全部或部分動(dòng)力源的乘用車比例超過 90%；2050 年，使用內(nèi)燃機(jī)作為全部或部分動(dòng)力源的乘用車比例仍有 50%以上，汽油機(jī)混合動(dòng)力將是未來技術(shù)發(fā)展方向。

VVT 技術(shù)是當(dāng)前提高配氣機(jī)構(gòu)升程特性和靈活性的主流技術(shù)，它能夠使用發(fā)動(dòng)機(jī)液壓油或電能作為動(dòng)力源，實(shí)時(shí)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)排氣凸輪軸向目標(biāo)相位轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到為不同駕駛工況匹配最佳氣門重疊角的效果。從 1980 年在阿爾法羅密歐車型首次成功工業(yè)化應(yīng)用以來，得益于其顯著的降油耗效果和實(shí)施的便利性，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐漸成為各家主機(jī)廠所開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)配。為了更好的滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用需求，國內(nèi)外學(xué)者在可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)、控制策略等領(lǐng)域開展了大量研究工作，促進(jìn)了該系統(tǒng)在硬件與軟件方面的升級(jí)換代。

在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中，VVT 技術(shù)主要用于實(shí)時(shí)改變氣門重疊角，提升配氣正時(shí)的靈活程度。在怠速與小負(fù)荷工況減小重疊角，提高燃燒穩(wěn)定性改善油耗；在中高速大負(fù)荷工況，適當(dāng)增大重疊角，提高充氣效率增加功率輸出。而對(duì)于應(yīng)用于混動(dòng)系統(tǒng)的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)，可變氣門正時(shí)技術(shù)仍然是其實(shí)現(xiàn)較高熱效率不可缺少的條件之一。

膨脹循環(huán)技術(shù)要求進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻需要根據(jù)需求提前或者推遲，以獲得減小節(jié)氣門處泵氣損失，增加有效壓縮比的有益效果。壓燃和 EGR 技術(shù)的應(yīng)用，也必須得到 VVT 技術(shù)的支持，為其精確控制進(jìn)氣流量，匹配多次噴射和廢氣回流創(chuàng)造條件。得益于其較高的技術(shù)成熟度以及性價(jià)比，可變氣門正時(shí)技術(shù)在未來仍然會(huì)具有良好的應(yīng)用前景。

4、汽車 VVT 系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主要由兩大機(jī)構(gòu)、五大系統(tǒng)組成，分別為曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃料供給系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點(diǎn)火及起動(dòng)系統(tǒng)。其中，配氣機(jī)構(gòu)的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序和工作過程，定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門和排氣門，使可燃混合氣或空氣進(jìn)入氣缸，并使廢氣從氣缸內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過程。配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)的優(yōu)化和升級(jí)，是發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的核心要素之一。

汽車 VVT 系統(tǒng)作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，通常情況下，一臺(tái)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)需要配備一個(gè)或兩個(gè)的 VVT 產(chǎn)品，根據(jù)中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，2023 年，我國乘用車和商用車內(nèi)燃機(jī)銷量合計(jì)達(dá)到 2,219.18 萬臺(tái)，則我國 VVT 產(chǎn)品的需求量約在 2,200 萬個(gè)至 4,400 萬個(gè)之間，雖然市場(chǎng)空間受到新能源汽車快速增長(zhǎng)所帶來的影響，但整體需求量仍保持較高水平。

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