呼吸進(jìn)化史

曾俊夫

配氣機(jī)構(gòu)就像是人體的呼吸系統(tǒng)，其作用就是讓氧氣透過呼吸道進(jìn)入到體內(nèi)，然后使細(xì)胞在氧氣的參與下經(jīng)過體內(nèi)酶的催化轉(zhuǎn)換，將糖類、脂肪以及蛋白質(zhì)等有機(jī)物徹底氧化分解產(chǎn)生出二氧化碳和水，最后再釋放出大量能量供肌體活動的過程。唯一不同的是，人類呼進(jìn)空氣，吐出二氧化碳；而汽車是呼進(jìn)空氣，助燃汽油或柴油，最后排出碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫等一系列污染物…?/p>

傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)（泛指汽油機(jī)和柴油機(jī)）配氣機(jī)構(gòu)組成部件較多，而且其機(jī)械結(jié)構(gòu)對動力輸出和排放的影響也較大。早期因為電子技術(shù)還未發(fā)展起來，所以工程師能想到最直接有效的改善方式，便是透過配氣機(jī)構(gòu)本身的機(jī)械特性來改善進(jìn)氣效率。比如大家熟悉的VVT（Variable Valve Timing）可變氣門正時技術(shù)，最早實際上是在1982年由菲亞特第一次投入使用的。再往前追溯，VVT是一位叫Giovanni Torazza的工程師在60年代末期開發(fā)的技術(shù)。

那時候菲亞特集團(tuán)把VVT裝備在阿爾法·羅密歐Spider的2.0升發(fā)動機(jī)上，因為那時候TwinCam（雙凸輪軸）技術(shù)已經(jīng)很成熟了，所以菲亞特完全依靠發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力和潤滑油壓力的變化來控制進(jìn)氣凸輪軸的旋轉(zhuǎn)周期，也就是說是一套純機(jī)械控制的正時控制機(jī)構(gòu)。

有了VVT后好處自然不言而喻，可以改善動力輸出，還能節(jié)省燃油，一箭雙雕。VVT就像運(yùn)動員一樣可以隨運(yùn)動節(jié)奏調(diào)整呼吸，隨時讓雙腿保持爆發(fā)力。

日本車企將VVT做到深入人心

通常來說，配氣機(jī)構(gòu)一般包含進(jìn)排氣兩根凸輪軸、氣門推桿、液壓挺柱、搖臂、氣門等部件，凸輪軸是整個配氣機(jī)構(gòu)的控制主體，它由皮帶連接曲軸產(chǎn)生動力。而在這些組成部件中，氣門搖臂和推桿已經(jīng)不再出現(xiàn)在時下的小型化、輕量化發(fā)動機(jī)中，所以也越來越難看到這些部件了。那一下個即將消失的配氣機(jī)構(gòu)部件是什么呢？大概會是凸輪軸吧，而且是進(jìn)排氣凸輪軸一起消失。

在菲亞特之后，1987年日產(chǎn)在其DOHC結(jié)構(gòu)的VG系列汽油機(jī)上使用了名為NVCS的電子可變氣門正時（相位）技術(shù)。日產(chǎn)這項技術(shù)不同之處在于進(jìn)氣凸輪軸不再由機(jī)械（油壓）控制，轉(zhuǎn)而使用電子液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)，透過發(fā)動機(jī)ECU的信號進(jìn)行氣門開閉相位控制。因為專利保護(hù)原因，日產(chǎn)早期并未將氣門正時技術(shù)稱為VVT。

緊接著日產(chǎn)的步伐，本田在1989年發(fā)布了VTEC技術(shù)，豐田則有了VVT-i技術(shù)。這些氣門正時的控制技術(shù)都是沖著改善動力和燃油經(jīng)濟(jì)性來的，只需按照ECU的信息控制氣門開閉時間，就可以提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣效率和燃燒效率。不過本田比較例外，它的VTEC會在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時切換到單獨的凸輪（高速凸輪），以提高峰值功率，也難怪那時候的本田CRX、Civic以及Integra的轉(zhuǎn)速表底動不動就是9000rpm。后來，本田的i-VTEC還植入了氣門升程控制，也就是控制氣門開閉角度的大小，以此優(yōu)化高轉(zhuǎn)速時的進(jìn)氣效率。

舍弗勒開發(fā)了Unair“空氣閥門”

菲亞特第二次改變配氣機(jī)構(gòu)的技術(shù)格局是在2009年，當(dāng)年在日內(nèi)瓦車展上，阿爾法·羅密歐MiTo亮相，這臺車搭載的1.4升發(fā)動機(jī)配備了由舍弗勒開發(fā)的“Uniair”技術(shù)，不過在菲亞特這邊被稱為了MultiAir。

從使用的意義來看，MultiAir其實也是一種VVT技術(shù)，只不過機(jī)械結(jié)構(gòu)里的氣門由凸輪軸控制變?yōu)榱穗姶乓簤嚎刂?，一來可以有效降低發(fā)動機(jī)的體積和重量，此外還能獨立實現(xiàn)發(fā)動機(jī)氣門相位和升程的控制調(diào)節(jié)。在MultiAir發(fā)動機(jī)上，凸輪軸不再需要一根皮帶連接曲軸獲取動力，而隨著以后插電式混合動力時代的到來，發(fā)動機(jī)周邊設(shè)施如空調(diào)、啟動機(jī)、發(fā)電機(jī)和水泵都將實現(xiàn)電子化，由此發(fā)動機(jī)的負(fù)荷會進(jìn)一步降低。所以提前在配氣機(jī)構(gòu)上做文章，也能實現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的優(yōu)化。

MultiAir技術(shù)最早由德國舍弗勒集團(tuán)在2001年開發(fā)，隨后菲亞特透過技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式在2002年獲得了專利。在經(jīng)過長達(dá)七年的試驗、驗證后，最終于2009年形成了商品化，并裝車發(fā)售。

菲亞特的MultiAir技術(shù)構(gòu)建在DOHC、16氣門結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)氣凸輪由電磁閥、液壓伺服機(jī)構(gòu)取代，而排氣凸輪依舊存在，所以也可以稱其為SOHC單頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)。MultiAir的巧妙之處在于進(jìn)氣側(cè)氣門由電磁閥驅(qū)動液壓活塞控制氣門，那么它實際上可以根據(jù)當(dāng)前車況實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)相位和升程，其靈活性很高。裝備在MiTo上的1.4升汽油機(jī)功率和扭矩分別提升了10%、15%，二氧化碳降低了10%，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了20%，還獲得了“歐洲年度發(fā)動機(jī)獎”。

觀致和柯尼塞格合作推QamFree

眾多廠商在“空氣閥門”這條路上前赴后繼，現(xiàn)在新興的中國品牌觀致汽車也加入了進(jìn)來。觀致和菲亞特的操作模式很像，它從柯尼塞格手中買到了相關(guān)技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)，并注冊了屬于自己的商品名稱：QamFree，拆分開來就是Qoros Cam Free技術(shù)，大意就是“觀致空氣閥門”技術(shù)，也就是無凸輪軸技術(shù)……

柯尼塞格是著名的HyperCar生產(chǎn)商，同時他們也在致力于新發(fā)動機(jī)的研發(fā)。在2003年的時候柯尼塞格與SAAB一起攜手研究新的方式來控制凸輪軸，但由于SAAB發(fā)生財務(wù)危機(jī)，這項研究被迫中止。后來在2009年，柯尼塞格看中了Cargine Engineering公司的無凸輪軸技術(shù)，并將其收購到麾下，同時還成立了FreeValve公司，專心致志地繼續(xù)研究無凸輪軸技術(shù)。實際上，Cargine Engineering的工程團(tuán)隊都悉數(shù)轉(zhuǎn)往FreeValve繼續(xù)開發(fā)工作。FreeValve選用了電磁閥驅(qū)動液壓機(jī)構(gòu)的進(jìn)排氣門控制方案，可以實現(xiàn)相位和升程可控，比菲亞特一開始做的進(jìn)氣門側(cè)無凸輪軸更進(jìn)了一步，控制策略的難度也增加了不少。

其實在結(jié)構(gòu)上還是利用了電磁閥、液壓機(jī)構(gòu)、氣門、彈簧這幾個必要的零部件，不過 FreeValve的開發(fā)邏輯相對來說要更加清晰，即每缸四氣門結(jié)構(gòu)中的任何一個氣門都可以透過電磁閥單獨控制，實現(xiàn)開閉。比如發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速時，四個氣門全開，以此提高配氣效率；而在低轉(zhuǎn)速時，則關(guān)閉一個進(jìn)氣、一個排氣門，以此保證充沛的扭矩。

對于觀致來說，一個新品牌要立足于市場，不僅要有新車作為產(chǎn)品支撐，背后還要有可供持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)。顯然，無凸輪軸發(fā)動機(jī)是時下的一個突破方向，配合Hybrid系統(tǒng)，前景一片光明。觀致目前已將它的1.6T發(fā)動機(jī)改造成CamFree結(jié)構(gòu)進(jìn)行路試，經(jīng)過測試，發(fā)動機(jī)的動力提升超過50%。另外，QamFree發(fā)動機(jī)長度減少70mm，高度降低50mm，重量更是減輕了25kg，由此實現(xiàn)油耗下降10%。盡管目前“QamFree”離正式量產(chǎn)投放市場還有段距離，至少市場已經(jīng)看到了方向，或許還有更多的廠商會加入進(jìn)來。