關(guān)于改變內(nèi)燃機(jī)配氣控制的新技術(shù)分析解讀

電氣化在汽車(chē)行業(yè)儼然成為極具爭(zhēng)議的“流行詞”。一方面電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)似乎在向傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)宣告“死刑”；而另一方面，從內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)部件的推陳出新，到全面利用電氣化系統(tǒng)來(lái)填補(bǔ)機(jī)械驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的低效劣勢(shì)充分減少了熱損失、提高了效率、實(shí)現(xiàn)了更好的駕駛性能。

現(xiàn)在大部分新型的發(fā)動(dòng)機(jī)都配裝了大量的電子元件和電子控制系統(tǒng)，也保留著傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的一些結(jié)構(gòu)，比如凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)，盡管眾多廠家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，但對(duì)可變氣門(mén)技術(shù)的應(yīng)用也還是要依靠凸輪軸控制氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，這也在不斷消耗著曲軸的動(dòng)力，影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。

無(wú)凸輪軸技術(shù)在實(shí)現(xiàn)方案上多種多樣，各有千秋。英國(guó)Camcon汽車(chē)公司日前研發(fā)出了一種新型的電控配氣系統(tǒng)，其采用的智能氣門(mén)驅(qū)動(dòng)的無(wú)凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)于2009年開(kāi)始正式投入研究開(kāi)發(fā)，智能氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)（IVA）的應(yīng)用實(shí)際上可追溯到大約十年前，這一技術(shù)是從90年代末的二進(jìn)制驅(qū)動(dòng)技術(shù)（BAT）進(jìn)一步發(fā)展得到的。IVA利用運(yùn)行數(shù)字控制的一組氣門(mén)變換，允許無(wú)級(jí)變速控制定時(shí)，其機(jī)電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)每個(gè)氣門(mén)對(duì)應(yīng)的凸輪軸帶動(dòng)搖臂推動(dòng)氣門(mén)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)凸輪軸，實(shí)現(xiàn)高、低速時(shí)氣門(mén)升程的變化。

Camcon公司CEO Gostick 曾介紹到，他們已經(jīng)在過(guò)去的6年里對(duì)IVA控制系統(tǒng)進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的開(kāi)發(fā)工作, 而如今完成氣門(mén)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化后，其得到的發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率是之前未曾想到過(guò)的。這家英國(guó)公司迄今為止在樣機(jī)上所做的測(cè)試一直處于穩(wěn)定結(jié)果，在整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)燃油消耗和CO2排放都有很大的降低。該測(cè)試是在捷豹Ingenium發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的，CO2的排放減少了7.5%，雖然目前對(duì)汽車(chē)層面的發(fā)動(dòng)機(jī)還在試驗(yàn)當(dāng)中，但是除了降低排放外還會(huì)繼續(xù)看到更多的提升可能性。

Camcon采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪軸而不是由曲軸提供動(dòng)力，而柯尼賽格公司的Freevalve 技術(shù)采取了不同的路線(xiàn)，開(kāi)發(fā)了電控液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)。Freevalve的技術(shù)首次應(yīng)用于觀致Qoros 3，其搭載的1.6 L的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)可輸出230 hp的動(dòng)力。柯尼賽格公司早在2000年就對(duì)該技術(shù)開(kāi)展了研究，因?yàn)?996年，福特公司在SAE上發(fā)表的一篇題為“無(wú)凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)”的文章，提及到已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)了一種適合量產(chǎn)的液壓控制氣門(mén)機(jī)構(gòu)。當(dāng)時(shí)很多汽車(chē)公司都害怕被福特這一技術(shù)搶占先機(jī)，所以供應(yīng)商和生產(chǎn)廠商們都對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了各自的優(yōu)化方案。

就如前面介紹的，F(xiàn)reevalve使用電控液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)氣門(mén)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是一種混合裝置，使用壓縮空氣來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、利用液壓來(lái)控制。2011年，F(xiàn)reevalve的技術(shù)在AVL的設(shè)備中對(duì)單缸進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，與新型的2.0 L 4缸直噴可變凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油消耗減少了12% ～ 17%。對(duì)于追求輕量化和超高推重比的瑞典超跑制造商柯尼賽格來(lái)說(shuō)，無(wú)凸輪軸技術(shù)是相當(dāng)?shù)闹匾?，把它?yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)中不僅能夠節(jié)省凸輪軸和相關(guān)機(jī)械部件的質(zhì)量，還節(jié)省了空間，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)力、低油耗、低污染是超級(jí)跑車(chē)的核心思維。

在凸輪軸告別消耗曲軸動(dòng)力的傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)之后，電氣控制的配氣機(jī)構(gòu)增加了在氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間和升程上的靈活性。然而這一過(guò)程帶來(lái)明顯的負(fù)面影響，就是不同步的活塞在頂部正中心位置上有可能會(huì)在它的最低位置撞擊到開(kāi)啟的氣門(mén)，這是開(kāi)發(fā)人員最不愿意看到的。當(dāng)工程師面對(duì) “無(wú)凸輪軸技術(shù)”時(shí)，很多人都會(huì)對(duì)活塞沖擊氣門(mén)的這一假設(shè)后果陷入盲目恐慌中。Camcon公司使用基本的1D模型模擬IVA氣門(mén)開(kāi)關(guān)閉過(guò)程，顯示出有活塞工作過(guò)程中撞擊氣門(mén)的可能完全不會(huì)發(fā)生，另外通過(guò)模型也證明可以顯著減少氣門(mén)的升程，同時(shí)可以保證的渦輪增壓的最大性能。IVA之所以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)樗皇怯蓹C(jī)械結(jié)構(gòu)固定的,可以利用更久的氣門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間來(lái)補(bǔ)償減少的升程。

在Freevalve技術(shù)中，只有液壓壓力可以控制打開(kāi)氣門(mén)，除此之外還有1個(gè)超壓閥，保證如果氣門(mén)和活塞之間有接觸的情況下，活塞就會(huì)將氣門(mén)推向關(guān)閉位置。閥座氣門(mén)是直立的設(shè)計(jì)，一旦氣門(mén)頂桿因受到阻礙或與活塞發(fā)生瞬間接觸而發(fā)生彎曲，唯一會(huì)發(fā)生的就是氣門(mén)關(guān)閉，這種異常情況是由傳感器檢測(cè)。如果傳感器出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致打開(kāi)或堵塞接觸公差，發(fā)動(dòng)機(jī)就將降低它的轉(zhuǎn)速，或者如果氣門(mén)彎曲，氣缸將會(huì)完全關(guān)閉。對(duì)于“無(wú)凸輪軸”可以提供的靈活性來(lái)說(shuō)，這種技術(shù)仍然存在一些負(fù)面因素：對(duì)傳統(tǒng)解決方案的限制，加上噪聲和溫度敏感性，早期的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)型通常有質(zhì)量較大，并且安裝空間也有問(wèn)題。

目前在捷豹XE車(chē)型上安裝了一個(gè)IVA原型發(fā)動(dòng)機(jī)，但是安裝了這一數(shù)字化智能控制的氣門(mén)機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩間隙并不完全符合目前使用的電氣設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。目前的原型樣機(jī)還是由現(xiàn)成的組件制造，但是若投入生產(chǎn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩間隙將比現(xiàn)在低8 ~ 10 mm。目前，IVA系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)實(shí)際上的輕量化。即將投入生產(chǎn)的下一代機(jī)型，起動(dòng)器將會(huì)減輕約1.5 kg，雖然整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量與傳統(tǒng)機(jī)型的配置類(lèi)似，但會(huì)比傳統(tǒng)機(jī)型更輕。在與中國(guó)汽車(chē)制造廠商觀致Qoros密切合作后，F(xiàn)reevalve技術(shù)將會(huì)在更早階段將其解決方案集成到1款全新1.6 L發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)中。應(yīng)用該技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊比傳統(tǒng)的雙頂置凸輪軸4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋更短，長(zhǎng)度可以縮短至70 mm，質(zhì)量可以降低至20 kg。

Camcon以及觀致與柯尼賽格的解決方案，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的清潔開(kāi)發(fā)有著重要的影響。IVA應(yīng)用在進(jìn)氣道和排氣閥門(mén)之后，系統(tǒng)消除了對(duì)定時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需要，從清潔設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，能夠更靈活的選擇使用燃燒策略。多年來(lái)人們一直在研究均質(zhì)壓燃（HCCI）技術(shù)，最終目的都是要控制廢氣再循環(huán)（EGR），實(shí)現(xiàn)清潔燃燒。HCCI所要完成的是對(duì)1個(gè)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的燃燒室氣體的進(jìn)行嚴(yán)格控制，即在提供動(dòng)力的同時(shí)，把油耗和污染降低。如果將IVA安裝在排氣閥門(mén)上，則可以在時(shí)間和周期上完全控制任何排氣過(guò)程，讓傳統(tǒng)的配氣機(jī)構(gòu)有了質(zhì)的改變。

盡管這兩種系統(tǒng)在執(zhí)行過(guò)程中采取了不同的方向，并處于各自發(fā)展的階段，但這兩種系統(tǒng)都將會(huì)將技術(shù)投入量產(chǎn)中。Camcon公司的IVA技術(shù)正處于應(yīng)用到排氣閥門(mén)上的階段，但從汽車(chē)項(xiàng)目的角度來(lái)看，還需要一級(jí)供應(yīng)商來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，Camcon公司的這一技術(shù)的試驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)試及道路測(cè)試都在計(jì)劃中，在汽車(chē)供應(yīng)商和廠家的配合下，將會(huì)進(jìn)一步進(jìn)入量產(chǎn)階段。另外，搭載觀致和柯尼賽格Freevalve技術(shù)的樣機(jī)已經(jīng)通過(guò)了55 000 km的測(cè)試，可以應(yīng)用在不同系列的汽油機(jī)上。

目前，Camcon已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)下一代的IVA機(jī)型，將會(huì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化。Freevalve技術(shù)在進(jìn)氣閥門(mén)上的運(yùn)行測(cè)試超過(guò)了55 000公里，在進(jìn)氣閥和排氣閥的配合應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了10 000公里的測(cè)試。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入成熟階段，超越了最早的單缸機(jī)應(yīng)用。預(yù)計(jì)在2020年左右，無(wú)凸輪軸技術(shù)作為高端發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)將開(kāi)始在第一批高檔車(chē)型上開(kāi)始應(yīng)用。