汽车 VVT 系统工作原理、产品分类、应用及市场规模
思瀚产业研究院 富杰德    2024-08-13

1、VVT 系统的组成及工作原理

可变气门正时系统（VVT）主要由机油控制阀（OCV）和凸轮相位调节器（VCP）组成，VVT技术实现了对配气机构气门正时的改变，有助于提升发动机的性能指标，同时有利于改善燃油经济性，并降低碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）排放。

其工作原理主要为发动机通过标定 ECU数据和 VVT 系统的零部件配合，在高速低速时控制气门提前或者延后打开，VVT 系统由 OCV 阀驱动可变凸轮轴相位器动作，使凸轮轴旋转角度提前或者延后，使进气量可随发动机转速的变化而改变，从而让发动机在不同工况下有很好的燃油经济性和良好的动力输出。VVT 系统的构成及工作原理如下图所示：

VVT 控制过程比较复杂，气门重叠角的调整时机与角度必须与工况需求相对应，在控制过程中，还需要在运行稳定性、动力性、经济性、排放指标等方面进行调配和取舍。一般来说，VVT 控制目标及效果如下表所示：

2、VVT 产品的分类

在当前具有工业化实例的可变气门正时产品中，根据相位器驱动力来源分为：电动式、液压驱动式和凸轮轴扭矩驱动式。电动式的优势在于脱离了液压油工质特性和定子边界限制，能够在较大温度、转速范围内，获得较高的响应性，并且扩大转子调节范围；

液压驱动式的优势在于便于实施，能够在成本和边界变动很小的条件下，实现气门正时可变功能，是当前发动机主流技术趋势；凸轮轴扭矩驱动式使用条件较为严苛，只能在凸轮轴负载较大的发动机中搭载，且动态特性受发动机转速影响，难以实现大规模工业化。

按停机锁止位置，可变气门正时可分为：单边锁止式与中间锁止式。按机油控制阀布置位置，又可分为中置式与侧置式。

3、VVT 在汽车发动机上的应用

高效、低能耗与低排放一直是车用内燃机的技术发展方向。虽然在国家政策补贴的导向下，近年来国内纯电动汽车得到了迅速的发展，但传统内燃机在数十年内仍然会是乘用车的主要动力解决方案。根据国际能源署（IEA）预测，2030 年，使用内燃机作为全部或部分动力源的乘用车比例超过 90%；2050 年，使用内燃机作为全部或部分动力源的乘用车比例仍有 50%以上，汽油机混合动力将是未来技术发展方向。

VVT 技术是当前提高配气机构升程特性和灵活性的主流技术，它能够使用发动机液压油或电能作为动力源，实时的驱动进排气凸轮轴向目标相位转动，达到为不同驾驶工况匹配最佳气门重叠角的效果。从 1980 年在阿尔法罗密欧车型首次成功工业化应用以来，得益于其显著的降油耗效果和实施的便利性，此项技术已经逐渐成为各家主机厂所开发发动机的标配。为了更好的满足发动机使用需求，国内外学者在可变气门正时机构的设计开发、控制策略等领域开展了大量研究工作，促进了该系统在硬件与软件方面的升级换代。

在传统发动机中，VVT 技术主要用于实时改变气门重叠角，提升配气正时的灵活程度。在怠速与小负荷工况减小重叠角，提高燃烧稳定性改善油耗；在中高速大负荷工况，适当增大重叠角，提高充气效率增加功率输出。而对于应用于混动系统的新一代发动机，可变气门正时技术仍然是其实现较高热效率不可缺少的条件之一。

膨胀循环技术要求进气门关闭时刻需要根据需求提前或者推迟，以获得减小节气门处泵气损失，增加有效压缩比的有益效果。压燃和 EGR 技术的应用，也必须得到 VVT 技术的支持，为其精确控制进气流量，匹配多次喷射和废气回流创造条件。得益于其较高的技术成熟度以及性价比，可变气门正时技术在未来仍然会具有良好的应用前景。

4、汽车 VVT 系统市场规模

汽车发动机主要由两大机构、五大系统组成，分别为曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火及起动系统。其中，配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构技术的优化和升级，是发动机节能减排的核心要素之一。

汽车 VVT 系统作为汽车发动机的重要零部件，根据行业经验，通常情况下，一台汽车发动机需要配备一个或两个的 VVT 产品，根据中国内燃机工业协会的数据显示，2023 年，我国乘用车和商用车内燃机销量合计达到 2,219.18 万台，则我国 VVT 产品的需求量约在 2,200 万个至 4,400 万个之间，虽然市场空间受到新能源汽车快速增长所带来的影响，但整体需求量仍保持较高水平。

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