当前人们关心的问题是全球变暖,减少CO2排放是汽车厂商要面对的问题,而其问题的关键所在就是发动机技术。发动机是汽车的动力源泉,如何提高其动力、降低油耗和减少废气排放,是所有汽车制造商花费巨大精力研究的课题。今天一些汽车厂商已经推出了超越可变气门正时系统的进气机构,如宝马公司推出的Valvetronic电子气门。电子气门是宝马公司的一项革命性技术,它利用软件和硬件的组合来取代传统发动机进气系统的节气门结构,从而成为了一款没有节气门的发动机。
1992年,宝马推出了气门无级调节管理——Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统,是应用在BMW M3上的世界首创技术。此控制系统的优点是可以根据发动机运行状态,通过凸轮轴精确的角度控制对进气门和排气门的气门正时进行无级调节,并且不受油门踏板位置和发动机转速的影响。在实际驾驶中,这意味着在发动机转速较低时可以提供充足的扭矩,而在高转速范围内则可达到最佳的功率。此外,Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统可极大地减少未燃烧的残余气体,从而改进了发动机的怠速性能。

2001年,Valvetronic电子气门的推出使宝马动力单元的效率进一步提高到更高的水准。Valvetronic,从字面理解就是气门Valve加tronic电子控制,直接靠电子控制进气阀门开启的深度来控制进气量。
Valvetronic电子气门是具有可变进气门升程控制功能的气门驱动系统,发动机的进气完全由无级可变进气门升程控制,不再需要以往对于内燃式汽油发动机来讲必不可少的节气门。
那么取消节气门后如何控制进入气缸的空气量呢?BMW的工程师以人的呼吸来模拟发动机进气进行思考:当身体需要大量空气时,人会做比较深而长的呼吸,而当身体不需要太多空气时,人的做法不是把鼻子或嘴巴塞住来调节吸气,而只是很简单地做比较短而浅的呼吸。电子气门技术就是通过改变吸气过程的长短来改变进气量。

当踩踏油门时,信号以电子、数字方式传送给了发动机阀门上端的步进马达。步进马达接到信号后会作适度转动,经由一套额外加的轴、活塞顶上的摇臂、挺杆改变进气阀门开启的深度,驾驶人油门踩得大,进气阀门便开得深,油门踩得小,进气阀门便开得浅。
传统发动机都是利用控制节气门机构来改变进入气缸的空气流量,并通过监视空气流量来决定喷油量,驾车时踩油门其实就是在控制节气门的开度。这种控制方式由于存在"泵气损失"(Pumping loss),而造成很大的能量损失。电子气门发动机去除了节气门也就去除了"泵气损失",各种标准测试结果都显示,电子气门发动机可以比传统发动机节省10%以上的耗油量。另外,由于没有了节气门的阻碍,新鲜空气进入也更为顺畅,使燃烧更加充分,废气排放更少。这种进气门升程功能可以控制吸入发动机的空气量,将功率损失保持在极低的水平。
在行驶过程中,Valvetronic电子气门技术为宝马驾驶者们带来了更高的燃油经济性、更低的废气排放,以及更佳的响应和更高水准的运转平稳性。

电子气门技术的另一重要优点,是踩踏油门时发动机产生反应的时间加快。传统发动机以油门控制节气阀的方式,油门踩下节气阀打开,还要等待空气流入填满进气歧管之后,才会大量进入发动机气缸,产生所需要的动力。而电子气门发动机油门踩下时可直接控制加大进气阀门开启深度,大量空气立刻流入发动机气缸,产生所需要的动力。电子气门发动机进气阀门开启深度最浅0.25mm,最深可以到9.7mm,相差近40倍,然而从最浅变化到最深,电子气门整体机构所需要的反应时间大约只要0.3s。

在2007年3月日产也推出了可变气门升程VVEL(Variable Valve Event and Lift)和连续可变正时控制C-VTC (continuous valve timing control)系统。新开发的进气控制系统使发动机性能显著提升,首先安装VVEL技术的是英菲尼迪 G37跑车,接下来应用在Skyline 跑车和英菲尼迪FX35上的V6、V8发动机上。这一技术既提升了动力输出又使排放变得更加环保,燃油效率和发动机扭矩得到提升的同时CO2排放减少10%。
VVEL系统由偏心凸轮轴通过一个摇臂和2个连杆来传递驱动轴的转动到输出凸轮轴,一部直流电机来控制输出凸轮,于是实现了连续气门升程调整。VVEL的作动设计上和宝马的Valvetronic构造很类似,只是结构要简单些,都是以马达驱动控制轴与摇臂,使联动的凸轮轴达到气门开启的深浅变化,这样再结合调整范围大的C-VTC可变正时让凸轮作用角优化,发动机的进气效能可随时维持在理想状态。而VVEL并不像Valvetronic已取消节气门装置,原因是有节气门的存在可对进气正时变化做更精确的控制,使动力输出更加顺畅。

减少进气空气阻力提升扭矩,响应更好
一般发动机处于中低转速时,是由节气门微开来减少空气的吸入量,增加了吸气阻力。VVEL则是大开节气门而直接以气门升程控制进气量,因此没有进气时间的迟滞,甚至加速开始气门升程就增大以允许更密集的空气进入汽缸,使发动机反应性能大幅提高,也就是提升了加速响应。由于进气阻力的减小使进气更充分,从而发动机的燃油效率和扭矩都得到提升。

更好的燃油经济性
在低到中负荷时,系统控制进气门更早进气,增加了进气量,并使气流更好地填充燃烧室。在发动机在中低转速时进气门升起很低,以减少凸轮轴摩擦,提升燃油效率。
动力更强
在低转速时,进气门开启更短暂,防止混合气回窜,并提升扭矩。在高转速时,更高的进气门升起允许更多的空气进入,以输出更高的扭矩。

排放更清洁
当车辆启动时C-VTC可将门正正时调整至最佳化,当发动机处于凉车状态时,可快速提高排气端的废气温度,通过废气快速升温使催化转换器快速进入工作状态。当发动机运转在低转速时通过减少气门升程,使进气速率增加,提升了油气雾化效果,充分燃烧更加容易。这样减少了碳氢化合物HC的排放(HC主要是不完全燃烧造成的),同时CO2排放减少10%。
C-VTC和VVEL联合控制结果是显著提升了进气效率,更好地履行了环境和动力的平衡。依照日产的设计,VVEL在中低转速下运作能够发挥最大的效能。因此对于多气缸、或大排气量等经常以中低转速运转的发动机,VVEL将会是更佳的选择。

在去年底被授予了10佳发动机称号的日产VQ37VHR发动机是首先采用了VVEL技术,这款发动机源自英菲尼迪G35的VQ35HR,其中的V就代表了VVEL无限可变进气升程系统,和CVTCS连续可变吸气正时结合后,也造就出最佳的动能与燃烧效率。VQ37VHR发动机的最大输出为245kW/7000rpm和363Nm/5200rpm,在有VVEL的助阵下转速上限也设定至7600rpm。
根据日产的Green Program计划,2010年日产推出的汽油车型CO2排放水平可和柴油车达到相同的标准。因此未来日产的多气缸和大排气量的车款,将全面搭载VVEL及缸内直喷等发动机技术。
Valvetronic电子气门虽然省略了发动机的节气门可还有重量不轻且制造工艺复杂的凸轮轴配气机构,日产的VVEL无限可变气门升程进气系统也同样有着工艺复杂的凸轮轴配气机构,将来的进气系统能否再精简、进气效率更高?

Valeo公司给出了肯定的答案——e-Valve。未来的进气系统只留下了气门,打开和关闭气门不再由凸轮轴控制,而是电磁系统依靠曲轴的位置信号单独控制每一个气门。这种弹性气门控制系统的气门正时调节很像今天流行的可变气门正时系统,可以无限调整气门开启正时和气门打开的时间长短。它的一大优势是像日产的VVEL系统那样通过控制气门升程控制进气。对于发动机e-Valve系统不但可以按照驾驶者的需求来发挥发动机的最大效率,同时还提供其它的益处,如降低油耗、减少了NOx 、CO2和 HC排放,使废气再循环更加容易。在混合工况下Valeo的e-Valve技术可使汽车油耗和排放降低5%-20%。这种弹性气门控制系统还可以显著增加发动机低转速时的扭矩,提升驾驶舒适性。
e-Valve的操作原理是:每个气门由两个弹簧和两个磁体控制,两个反向的弹簧提供相互的作用力,一个负责打开气门,另一个则负责关闭气门。两个磁体抓住气门杆上的控制盘,下面的磁体负责打开气门,上面的磁体负责关闭气门。所有气门都由集合了带2/42V转换器和冷却系统的电子管理系统——气门控制单元控制。发动机再不需要节气门了,这可以减小或完全消除发动机在低转速运转时进气过程中的负压,也就降低了燃油消耗;同时,发动机的怠速运转可以变得更低了。e-Valve 系统给了发动机气门更广泛的表现空间,使低速扭矩更出色、发动机性能更好、降低排放。如想使大排量发动机在更经济的模式下运行时只要临时关闭相应汽缸的气门,就能实现发动机效率更高和油耗更低,操作也简单方便。

e-Valve系统的每个气门都有个执行器,通过磁体和弹簧控制气门。在气门开启时,气门被上部磁体释放,然后气门被上部弹簧的能量打开。下部磁体使气门保持打开在需要的时间长度,并完全压缩下部弹簧。利用相反的步骤关闭气门,气门被锁止在关闭位置,以减少磁体消耗的能量。在发动机低转速时气门的开关速度要快于凸轮轴控制,减少了进气时的进气损失;当发动机不工作时气门同样被保持在关闭的位置。不足之处是当气门到达上下点时会产生噪声,噪声取决于控制气门运动的速度。气门控制单元由发动机冷却系统来冷却,由标准的2V电源控制(通过变压器将42V转换为2V)。e-Valve不但提升了发动机的热效率,增加进气量以减少废气,而且由于没有了凸轮轴配气系统,还有效降低了发动机重量和体积,使动力单元更容易地与新的汽车设计元素相匹配,给汽车的发展带来了一系列的好处。