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【万和城】发动机配气机构不要凸轮轴行不行?

来源:未知   日期:2020-08-12 16:41
传统的内燃机(泛指汽油机和柴油机)配气机构组成部件较多,而且其机械结构对动力输出和排放的影响也较大。早期因为电子技术还未发展起来,所以工程师能想到最直接有效的改善

 

传统的内燃机(泛指汽油机和柴油机)配气机构组成部件较多,而且其机械结构对动力输出和排放的影响也较大。早期因为电子技术还未发展起来,所以工程师能想到最直接有效的改善方式,便是透过配气机构本身的机械特性来改善进气效率。比如大家熟悉的VVT(Variable Valve Timing)可变气门正时技术,最早实际上是在1982年由菲亚特第一次投入使用的,现在菲亚特改用空气阀门技术,就像是发起了配气机构的二次革命

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配气机构一般包含进排气两根凸轮轴、气门推杆、液压挺柱、摇臂、气门等部件,凸轮轴是是整个配气机构的控制主体,它又由皮带连接曲轴产生动力。而在这些组成部件中,气门摇臂和推杆已经不再出现在时下的小型化、轻量化发动机中,所以也越来越难看到这些部件了。那一下个即将消失的配气机构部件是什么呢?大概会是凸轮轴吧,而且是进排气凸轮轴一起消失。

本田R18A发动机,单顶置凸轮轴机构相当复杂

发动机配气机构上一次大革命是在80年代。大家熟悉的VVT(Variable Valve Timing)可变气门正时技术,最早实际上是在1982年由菲亚特第一次投入使用的。再往前追溯,VVT是一位叫Giovanni Torazza的工程师在60年代末期开发的技术。

在菲亚特之后,1987年日产在其DOHC结构的VG系列汽油机上使用了名为NVCS的电子可变气门正时(相位)技术。日产这项技术不同之处在于进气凸轮轴不再由机械(油压)控制,转而使用电子液压驱动结构,透过发动机ECU的信号进行气门开闭相位控制。

丰田1NR-FE 1.3升四缸汽油机

马自达2.3 MZR DISI增压汽油机,DOHC结构

紧接着日产的步伐,本田在1989年发布了VTEC技术,丰田则有了VVT-i技术。这些气门正时的控制技术都是冲着改善动力和燃油经济性来的,只需依旧ECU的信息控制气门开闭时间,就可以提高发动机进气效率和燃烧效率。不过本田比较例外,它的VTEC会在发动机高转速运转时切换到单独的凸轮(高速凸轮),以提高峰值功率,那时候的本田CRX、Civic以及Integra都侧重动力表现,转速表底动不动就是9000rpm。

菲亚特的二次革命

菲亚特第二次改变配气机构的技术格局是在2009年,当年在日内瓦车展上,阿尔法·罗密欧MiTo亮相,这台车搭载的1.4升发动机配备了由舍弗勒开发的Uniair技术,不过在菲亚特这边被称为了MultiAir。

MultiAir的 电磁液压控制机构组件

Schaeffler Uniair气门室配气机构

其实MultiAir也可以看作是一种VVT技术,只不过机械结构里的气门由凸轮轴控制变为了电磁液压控制,一来可以有效降低发动机的体积和重量,此外还能实现发动机气门相位和升程的无级控制调节。MultiAir技术最早由德国舍弗勒集团在2001年开发,随后菲亚特透过技术转让方式在2002年获得了专利。在经过长达七年的试验、验证后,最终于2009年形成了商品化,并装车发售。

阿尔法·罗密欧MiTo

阿尔法·罗密欧MiTo的MultiAir涡轮增压发动机

菲亚特的MultiAir技术构建在DOHC、16气门结构基础上,进气凸轮由电磁阀、液压伺服机构取代,而排气凸轮依旧存在,所以也可以称其为SOHC单顶置凸轮轴结构。MultiAir的巧妙之处在于进气侧气门由电磁阀驱动液压活塞控制气门,那么它实际上可以根据当前车况实现无级调节相位和升程,其灵活性很高。装备在MiTo上的1.4升汽油机功率和扭矩分别提升了10%、15%,二氧化碳降低了10%,燃油经济性提高了20%,随后还获得了欧洲年度发动机奖。

菲亚特TwinAir发动机局部图.,双缸结构,排气侧仍然保留凸轮轴

舍弗勒将UniAir技术卖给菲亚特,便成了MultiAir,其最大特点在于进气侧凸轮轴由电磁阀和液压机构替代,气门相位和升程可以随发动机工况无级调节

观致紧随其后推QamFree技术

众多厂商在空气阀门这条路上前赴后继,新兴的中国品牌观致汽车也加入了进来。观致和菲亚特的操作模式很像,它从柯尼塞格手中买到了相关技术的知识产权,并注册了商品名:QamFree,拆分开来就是Qoros Cam Free技术——观致空气阀门,其实也就是无凸轮轴技术。

柯尼塞格是著名的HyperCar生产商,同时他们也在致力于新发动机的研发。在2003年的时候柯尼塞格与SAAB一起携手研究新的方式来控制凸轮轴,但由于SAAB发生财务危机,这项研究被迫中止。后来在2009年,柯尼塞格看中了Cargine Engineering公司的无凸轮轴技术,并将其收购到麾下,同时还成立了FreeValve公司,专心致志地继续研究无凸轮轴技术。

电磁阀配气机构的构成示意图

后来,Cargine Engineering的工程团队都悉数转往FreeValve继续开发工作。FreeValve选用了电磁阀驱动液压机构的进排气门控制方案,可以实现相位和升程可控。比菲亚特一开始做的进气门侧无凸轮轴更进了一步,难度也增加了不少。在结构上还是利用了电磁阀、液压机构、气门这几个必要零部件,不过FreeValve的开发逻辑更加清晰,即每缸四气门结构中的任何一个气门都可以单独实现开闭。比如发动机高转速时,四个气门则全开,以此提高配气效率;而在低转速时,则关闭一个进气、一个排气门,以此保证充沛的扭矩。

对于观致来说,无凸轮轴发动机是时下的一个突破方向,配合Hybrid系统,前景一片光明。观致目前已将它的1.6T发动机改造成CamFree结构进行路试,经过测试,发动机的动力提升超过50%。另外,QamFree发动机长度减少70mm,高度降低50mm,重量更是减轻了25kg,由此实现油耗下降10%。尽管目前QamFree离正式量产投放市场还有段距离,至少市场已经看到了方向,或许还有更多的厂商会加入进来。

气门控制机构

QamFree发动机的体积更小巧,重量更轻巧

Qoros 3 Qamfree概念车

博世、法雷奥都不甘示弱

事实上,在改进燃油发动机的配气机构道路上,众多厂商都在努力。早期福特拿出过一套名为EVA的电磁液压气门驱动机构,法国法雷奥和德国FEV也在开发电磁气门技术,只是一直都没有投入量产。此外,通用汽车早在1994年就开始了电磁阀驱动配气机构的研究,提出了双电磁铁、双弹簧的解决方案。

法雷奥的SVA技术最早是在2005年对外界公开的,它的电磁驱动阀门可以根据发动机转速对气门实施相位(开闭时间)或升程控制,还可以轻松实现气缸间歇功能。据称,燃耗和尾气净化性能可以提升两倍,而低转速时的扭矩还可以提高15-20%。根据需求不同,法雷奥当时还开发了对应进气侧和进排气侧两种结构的电磁控制机构。算上电磁阀门、传感器等部件,进排气双电磁阀机构重量为1.8kg,此外还需要一块32位的CPU来作为控制单元。

万和城小编认为其实配气机构电气化不仅可以服务于小型化的三缸机、四缸机,V型发动机也可以受益,尤其是具备断缸技术的发动机,在拥有空气阀门以后就可以进一步减轻发动机重量,提升进气效率了。

 


 
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