關于改變內燃機配氣控制的新技術分析解讀

電氣化在汽車行業(yè)儼然成為極具爭議的“流行詞”。一方面電動汽車動力系統(tǒng)開發(fā)的必然趨勢似乎在向傳統(tǒng)內燃機宣告“死刑”；而另一方面，從內燃機傳統(tǒng)部件的推陳出新，到全面利用電氣化系統(tǒng)來填補機械驅動帶來的低效劣勢充分減少了熱損失、提高了效率、實現(xiàn)了更好的駕駛性能。

現(xiàn)在大部分新型的發(fā)動機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)內燃機的一些結構，比如凸輪軸配氣機構，盡管眾多廠家對發(fā)動機的配氣系統(tǒng)進行了優(yōu)化，但對可變氣門技術的應用也還是要依靠凸輪軸控制氣門的開啟和關閉，這也在不斷消耗著曲軸的動力，影響著發(fā)動機的工作效率。

無凸輪軸技術在實現(xiàn)方案上多種多樣，各有千秋。英國Camcon汽車公司日前研發(fā)出了一種新型的電控配氣系統(tǒng)，其采用的智能氣門驅動的無凸輪軸發(fā)動機技術于2009年開始正式投入研究開發(fā)，智能氣門驅動技術（IVA）的應用實際上可追溯到大約十年前，這一技術是從90年代末的二進制驅動技術（BAT）進一步發(fā)展得到的。IVA利用運行數(shù)字控制的一組氣門變換，允許無級變速控制定時，其機電系統(tǒng)驅動每個氣門對應的凸輪軸帶動搖臂推動氣門，通過旋轉凸輪軸，實現(xiàn)高、低速時氣門升程的變化。

Camcon公司CEO Gostick 曾介紹到，他們已經在過去的6年里對IVA控制系統(tǒng)進行了無數(shù)次的開發(fā)工作, 而如今完成氣門機構的優(yōu)化后，其得到的發(fā)動機工作效率是之前未曾想到過的。這家英國公司迄今為止在樣機上所做的測試一直處于穩(wěn)定結果，在整個測試范圍內燃油消耗和CO2排放都有很大的降低。該測試是在捷豹Ingenium發(fā)動機上進行的，CO2的排放減少了7.5%，雖然目前對汽車層面的發(fā)動機還在試驗當中，但是除了降低排放外還會繼續(xù)看到更多的提升可能性。

Camcon采用的是電機驅動凸輪軸而不是由曲軸提供動力，而柯尼賽格公司的Freevalve 技術采取了不同的路線，開發(fā)了電控液壓和氣動系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)配氣機構。Freevalve的技術首次應用于觀致Qoros 3，其搭載的1.6 L的4缸發(fā)動機可輸出230 hp的動力。柯尼賽格公司早在2000年就對該技術開展了研究，因為1996年，福特公司在SAE上發(fā)表的一篇題為“無凸輪軸發(fā)動機”的文章，提及到已經開始開發(fā)了一種適合量產的液壓控制氣門機構。當時很多汽車公司都害怕被福特這一技術搶占先機，所以供應商和生產廠商們都對配氣機構進行了各自的優(yōu)化方案。

就如前面介紹的，F(xiàn)reevalve使用電控液壓和氣動系統(tǒng)來驅動氣門。簡單來說，它是一種混合裝置，使用壓縮空氣來進行驅動、利用液壓來控制。2011年，F(xiàn)reevalve的技術在AVL的設備中對單缸進行了測試，結果顯示，與新型的2.0 L 4缸直噴可變凸輪發(fā)動機相比，燃油消耗減少了12% ～ 17%。對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說，無凸輪軸技術是相當?shù)闹匾?，把它應用在發(fā)動機中不僅能夠節(jié)省凸輪軸和相關機械部件的質量，還節(jié)省了空間，實現(xiàn)高動力、低油耗、低污染是超級跑車的核心思維。

在凸輪軸告別消耗曲軸動力的傳統(tǒng)配氣機構之后，電氣控制的配氣機構增加了在氣門開啟持續(xù)時間和升程上的靈活性。然而這一過程帶來明顯的負面影響，就是不同步的活塞在頂部正中心位置上有可能會在它的最低位置撞擊到開啟的氣門，這是開發(fā)人員最不愿意看到的。當工程師面對 “無凸輪軸技術”時，很多人都會對活塞沖擊氣門的這一假設后果陷入盲目恐慌中。Camcon公司使用基本的1D模型模擬IVA氣門開關閉過程，顯示出有活塞工作過程中撞擊氣門的可能完全不會發(fā)生，另外通過模型也證明可以顯著減少氣門的升程，同時可以保證的渦輪增壓的最大性能。IVA之所以能做到這一點，是因為它不是由機械結構固定的,可以利用更久的氣門開啟的時間來補償減少的升程。

在Freevalve技術中，只有液壓壓力可以控制打開氣門，除此之外還有1個超壓閥，保證如果氣門和活塞之間有接觸的情況下，活塞就會將氣門推向關閉位置。閥座氣門是直立的設計，一旦氣門頂桿因受到阻礙或與活塞發(fā)生瞬間接觸而發(fā)生彎曲，唯一會發(fā)生的就是氣門關閉，這種異常情況是由傳感器檢測。如果傳感器出現(xiàn)誤差，導致打開或堵塞接觸公差，發(fā)動機就將降低它的轉速，或者如果氣門彎曲，氣缸將會完全關閉。對于“無凸輪軸”可以提供的靈活性來說，這種技術仍然存在一些負面因素：對傳統(tǒng)解決方案的限制，加上噪聲和溫度敏感性，早期的電氣驅動系統(tǒng)的機型通常有質量較大，并且安裝空間也有問題。

目前在捷豹XE車型上安裝了一個IVA原型發(fā)動機，但是安裝了這一數(shù)字化智能控制的氣門機構的發(fā)動機機罩間隙并不完全符合目前使用的電氣設備的標準。目前的原型樣機還是由現(xiàn)成的組件制造，但是若投入生產后，發(fā)動機機罩間隙將比現(xiàn)在低8 ~ 10 mm。目前，IVA系統(tǒng)沒有實現(xiàn)實際上的輕量化。即將投入生產的下一代機型，起動器將會減輕約1.5 kg，雖然整個系統(tǒng)的質量與傳統(tǒng)機型的配置類似，但會比傳統(tǒng)機型更輕。在與中國汽車制造廠商觀致Qoros密切合作后，F(xiàn)reevalve技術將會在更早階段將其解決方案集成到1款全新1.6 L發(fā)動機的開發(fā)中。應用該技術的發(fā)動機模塊比傳統(tǒng)的雙頂置凸輪軸4缸發(fā)動機的氣缸蓋更短，長度可以縮短至70 mm，質量可以降低至20 kg。

Camcon以及觀致與柯尼賽格的解決方案，對內燃機的清潔開發(fā)有著重要的影響。IVA應用在進氣道和排氣閥門之后，系統(tǒng)消除了對定時驅動系統(tǒng)的需要，從清潔設計的角度來看，能夠更靈活的選擇使用燃燒策略。多年來人們一直在研究均質壓燃（HCCI）技術，最終目的都是要控制廢氣再循環(huán)（EGR），實現(xiàn)清潔燃燒。HCCI所要完成的是對1個傳統(tǒng)內燃機的燃燒室氣體的進行嚴格控制，即在提供動力的同時，把油耗和污染降低。如果將IVA安裝在排氣閥門上，則可以在時間和周期上完全控制任何排氣過程，讓傳統(tǒng)的配氣機構有了質的改變。

盡管這兩種系統(tǒng)在執(zhí)行過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)都將會將技術投入量產中。Camcon公司的IVA技術正處于應用到排氣閥門上的階段，但從汽車項目的角度來看，還需要一級供應商來實現(xiàn)。目前，Camcon公司的這一技術的試驗室臺架測試及道路測試都在計劃中，在汽車供應商和廠家的配合下，將會進一步進入量產階段。另外，搭載觀致和柯尼賽格Freevalve技術的樣機已經通過了55 000 km的測試，可以應用在不同系列的汽油機上。

目前，Camcon已經開始開發(fā)下一代的IVA機型，將會進一步實現(xiàn)發(fā)動機的小型化。Freevalve技術在進氣閥門上的運行測試超過了55 000公里，在進氣閥和排氣閥的配合應用已經進行了10 000公里的測試。這項技術已經進入成熟階段，超越了最早的單缸機應用。預計在2020年左右，無凸輪軸技術作為高端發(fā)動機技術將開始在第一批高檔車型上開始應用。