出品

虎嗅汽车组

作者

胡洋

身处这个视电动如魔法的时代，依然有人对内燃机技术念念不舍。不光是有，且有很多。

看过许家印老板投资的千万级超跑柯尼塞格，如何用高度电气化的Freevalve系统做到惊人性能，你应该知道：内燃机的动力和效能，很大程度上取决于吸入空气的能力。普通的机械气门正时系统，进气门开启动作是定死不变的，但内燃机在不同工况下所需的理想进气量并不相同。这对矛盾使得设计时必须两头考虑，这限制了内燃机综合表现——动力和效率——的提升。

最最基本的凸轮轴气门正时系统长这样，发动机曲轴（最终输出动力的轴）转2圈，上面的凸轮轴转1圈。气门由凸轮轴上的凸轮凸起部分顶开，这样气门开闭动作就与发动机运转的相应时机相匹配。进排气门各自的开启时段，正好对应四个冲程中的进气冲程和排气冲程。

缺点也很明显，所有东西都是定死不变的。如前面所解释的，面对不同工况下的不同需求，“不变”不是好事。

别急着说自己看不懂，放心，即便你完全不懂内燃机的四个冲程，也并不影响你了解可变气门技术的神奇——本质不过是工程师们大开脑洞，用奇思妙想攻克空间几何问题。

可变的开门时机

虽说四个冲程中，进气-压缩-做功-排气，进、排气都有对应的冲程，但真实的进排气动作时间并不与相应冲程%对应。因为在高转速时，各个冲程时间极短，我们希望进气门早一点开、排气门晚一点关，进排气门有一点点时间是同时开着（术语叫气门重叠角），这样可以让此时的进气更充足、排气更彻底。然而在低转速时，进排、气时间都很充裕，气门重叠角又不宜过大，否则进气门吸进来的空气又被同时开启的排气门排出去了，导致进气不足。

（overlap：真实运转中，进气门与排气门开启会有很小的重叠）

这样就产生了第一对矛盾：高转速时气门重叠角要大一点，低转速时又需要减小重叠角。落实到气门动作上，大重叠角需要进气门开启提前一点，小重叠角则需要进气门滞后一点。

于是为了实现兼顾，可变气门正时系统VVT被发明出来。人们在原有凸轮轴基础上，在凸轮外侧安装了一个可旋转一定角度的相位调节器。进气门凸轮轴相对于整个正时系统的角度可以变化，进气门开启的早晚时机也就可以调节，从而实现可变的气门重叠角。

VVT用于进气门的效果最明显（下面其他可变气门技术同理），后来也开始在排气门上应用VVT，进、排气两侧都有VVT的系统，就会被称为双VVT或DVVT。现在多数汽车大厂都掌握（或者获得）了VVT这项技术，各家命名有所不同，比较著名的像丰田的VVT-i、宝马的VANOS等等。

（右上角：VVT实现气门重叠角可变）

可变的气门开度

与可变气门正时要解决的问题类似，基础的机械气门结构，气门打开的幅度（术语叫气门升程）是固定不变的：凸轮的物理凸起有多高，气门就会被“顶开”多大。

但不同的工况下，内燃机所需的最佳充气速度是不同的。比如低转速时，进气门开启时间较长，需要进气过程尽量缓和绵长，这样可以让油气混合得更均匀，提高燃烧效率；而高转速时，进气门开启时间很短且发动机通常处于高负荷，本来就需要更多空气，所以需要进气效率尽可能高、尽快吸入充足空气。

这又是一对矛盾，设计内燃机需要平衡高低转速时的需要，妨碍了内燃机进一步提高效能。于是，可变气门升程系统VVL出现了。实现气门升程可变，各家有自己的独门方法，最著名的当然是本田引以为豪的VTEC技术。

VTEC早在年就诞生了，在今天看来，本田的做法其实非常简单：一个凸轮的形状是固定的，那我另加一个高转速专用凸轮不就得了？在传统结构基础上，VTEC增加了一个对应更高升程的“大”凸轮。在更高转速需要更强动力时，拨动一个锁止销，即切换到高升程凸轮。本田以简单但精巧的纯机械结构，轻松实现了气门升程的两级可调。

（本田VTEC的基本原理）

凭着VTEC，本田在日系车辉煌的90年代打造了一系列著名高性能引擎，VTEC也成了本田粉丝的信仰所在。

几十年过去，VVL可变气门升程已经为多数品牌所掌握，有些还通过各种独门方法，实现了能够无极连续调节的可变升程（VTEC是两级可调）。典型如宝马的看家技术Valvetronic、日产的VVEL，用电机控制手段，实现了全程连续可调的可变气门升程。

基于可变气门的进气调节技术，这几十年来，大体上就是VVT可变正时和VVL可变升程两大类。在实现了电机控制的无极调节后，继续优化VVT和VVL的价值已经不大，两段调节的本田VTEC到今天依然在发光发热。至于柯尼塞格使用的Freevalve技术，彻底去掉了机械正时传动，全面由电子系统直接控制气门，虽然效果拔群，但成本和可靠性难以用于大众市场。

然而对于一些之前在内燃机领域相对落后的车企，跳过VVT和VVL直接研发“新东西”，就是一个划得来的选择。

可变的开门时长

年，现代在这个时候拿出了自己的得意之作：可变气门持续期CVVD技术。这是第一个实现无极调节进排气门正时与持续时长的气门控制技术。

可以这么理解，VVT是调节“气门开启那段时间”出现得早一点还是晚一点，VVL是调节气门开启幅度的大小，而VVD是调节“气门开启那段时间”的持续时长（也就同时控制了开门动作的早晚）。至于C代表的是无极、连续可调（continuously）。

现代这个CVVD技术，首先是可以变相改变进气门开启的时机，覆盖了传统VVT调节气门重叠角的功能；和VVL相比，可变气门升程的根本目的是改变进气效率、调整单位时间进气量、最终调节进气量，而CVVD可调节的气门持续时长同样能达到这一效果。只不过VVL是改变开门幅度大小，VVD是改变门开启的时长。

VVT和VVL都好理解，VVT改变气门打开的早晚，把对应的凸轮偏转一个角度就是了；VVL改变气门打开的幅度，切换到一个凸起更大的凸轮就好了。VVD要改变气门打开的持续时间，而且是无极调节，难道要让金属凸轮的形状连续可变吗？又不是气球。

CVVD技术要实现的效果看似复杂，基本原理却也简单，但细想你又不得不叹服“这是咋想出来的”。CVVD技术的基础原理，可以归纳为“轴心错位会让物体旋转过程的半圈变快，另外半圈变慢，而总体转速不变”。

（注意：三张图中的紫色杆是始终同步的）

先忽略掉黄色代表的凸轮，橙色连杆是套在蓝、紫色杆上，可以延着蓝、紫杆自由滑动。以最左边为例，当橙色连杆向左偏移，偏离原本的共同旋转中心，如果以紫色连杆为参考系，你会发现蓝色连杆在旋转到左边半圈时变慢，转到右边半圈时又加快，最终转完一整圈的用时不变，即蓝色杆总体转速还是与紫色杆同步。

调整橙色连杆偏离原旋转中心的距离，可以改变蓝色杆转到左侧时变慢、转到右侧时变快的幅度（或者说改变转速差），从而实现连续的无极调节。

现在，把紫色杆想象成发动机凸轮轴，所以转速是始终稳定不变的；蓝色代表着控制气门动作的凸轮，我们要改变的就是它的运动；上面的左右半圈，对应着控制气门的半圈和另外半圈。把橙色连杆的旋转中心向一侧偏移，凸轮在旋转到这半圈时速度就会变慢，控制气门开启的持续时间变长；但转到另一半圈时转速又会加快，“追上”紫色凸轮轴的转速，于是同步进入下一个整圈。

总之，就是借助一个第三连杆的偏移，让旋转过程的其中一半减速，转到另一半时再加速（或者反之），所以整体上还是能保持每一圈同步。但气门控制只与其中的半圈相关，所以控制其中一半的转速快慢，就可以调整气门开启持续期的长短，并且可以做到无极连续可调。

把上面那张动图，改造为现实中的发动机结构，CVVD的核心部件就出来了。

与我们熟悉的VVT、VVL系统相比，现代开发CVVD技术的时代毕竟更近，所以CVVD第一个做到了气门持续时长的连续可变，实现更为接近理想化的发动机进气控制。

CVVD的实际装机效果，按照现代的官方数据，动力输出增加4%、燃油效率提高5%、排放减少12%。看上去似乎不多？请注意这仅仅是增加了一套CVVD部件便获得的效果，增加的重量和成本很小；由于是纯机械系统，可靠性和可维护性也有所保证（发生故障的唯一可能就是机械损坏）。

不管是各类VVT、各种VVL还是新生的VVD，可变气门控制技术有一个共同特点：账面提升数据看着不大，但能对全工况都有改善作用。有些新技术纸面效果显著但应用工况较窄，有些新技术纸面不惊人但惠泽全工况。所以包括CVVD在内，可变气门技术必然是与其他类型的发动机技术一道使用，比如直喷、比如阿特金森循环、比如EGR废气再循环等等。

在全面电动时代到来之前，人类追求理想热机的道路，就是由这样一点一滴的进步携手垒出来的。