發(fā)動機(jī)可變氣門正時系統(tǒng)凸輪軸智能調(diào)相器專利背景

瑞典 Freevalve 公司旗下的無凸輪軸發(fā)動機(jī)采用了“氣動-液壓-電子”技術(shù)（圖片來源：Freevalve AB）。

今年晚些時候，F(xiàn)reevalve AB 公司的無凸輪軸發(fā)動機(jī)將由觀致汽車 (Qoros) 完成評估。未來，這種名為 Qamfree 的技術(shù)將有機(jī)會真正走入量產(chǎn)發(fā)動機(jī)，為發(fā)動機(jī)工程師的動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造帶來新的維度。

除了奇瑞旗下的觀致汽車，還有另外兩家汽車廠商也被認(rèn)為有計(jì)劃采用Qamfree系統(tǒng)。

瑞典 Freevalve 公司開發(fā)的單氣門氣動-液壓促動器細(xì)節(jié)圖（圖片來源：Freevalve AB）。

Freevalve公司在 2003 到 2017 年間曾為瑞典超跑制造商Koenigsegg AB 的姐妹公司，目前已經(jīng)成為一家獨(dú)立企業(yè)。與其他無凸輪軸設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)不同，F(xiàn)reevalve 的 Qamfree 系統(tǒng)使用“氣動-液壓-電子”促動器 (PHEA) 來取代傳統(tǒng)凸輪軸。Freevalve 公司的工程師指出，這可以在完整氣門進(jìn)程中提供更精準(zhǔn)的控制，并在進(jìn)氣和排氣兩側(cè)提供氣門提升。

一部安裝在觀致研發(fā)車中的 Qamfree 發(fā)動機(jī)（圖片來源：Freevalve AB）。

2016 年北京車展期間，這款 Qamfree 系統(tǒng)曾搭配一款 1.6 L 4 缸 16 氣門 DOHC 渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)一同登陸一輛觀致概念車，完成首次公開亮相。Freevalve 工程師聲稱，與采用傳統(tǒng)凸輪軸發(fā)動機(jī)的同等規(guī)格車型相比，這種無凸輪軸設(shè)計(jì)可以為車輛提供 47% 的動力提升、45% 的扭矩增加，以及 15% 的降耗表現(xiàn)。

Freevalve 公司指出，任何負(fù)載等級的發(fā)動機(jī)采用 Qamfree 系統(tǒng)后，進(jìn)氣和排氣側(cè)的氣門定時均支持獨(dú)立編程，系統(tǒng)則將根據(jù)具體駕駛條件，決定采用哪種配置，以實(shí)現(xiàn)性能最大化，或燃耗和排放最小化。

Freevalve 公司無凸輪軸發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的組件圖（圖片來源：Freevalve AB）。

CTO Q&A問答

這款發(fā)動機(jī)不僅沒有凸輪軸，而且也沒有使用相關(guān)配套硬件，包括節(jié)氣門、凸輪軸驅(qū)動、定時齒輪和外殼、排氣門、預(yù)先催化轉(zhuǎn)換器，及直噴系統(tǒng)等。系統(tǒng)配備了專用的閥門位置傳感器。與常規(guī)發(fā)動機(jī)相比，無凸輪軸發(fā)動機(jī)不僅在減重方面具有優(yōu)勢，與采用常規(guī)氣門的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)相比，無凸輪軸發(fā)動機(jī)的燃料消耗量在“正?！瘪{駛工況中可降低 10%。

Qoros 和 Freevalve 公司正在利用一款具體型號未知的觀致車型，共同對這種無凸輪軸概念設(shè)計(jì)進(jìn)行測試評估。

隨著評估接近尾聲，F(xiàn)reevalve 首席技術(shù)官 Urban Carlson 接受了《汽車工程》歐洲總編 Stuart Birch 的采訪，共同討論無凸輪軸發(fā)動機(jī)及其應(yīng)用及影響。

Freevalve 公司 CTO Urban Carlson 表示，觀致汽車公司對我們無凸輪軸發(fā)動機(jī)的評估預(yù)計(jì)將于 2017 年底完成（圖片來源：Freevalve AB）。

SAE：對于一些更保守的廠商而言，F(xiàn)reevalve 公司的設(shè)計(jì)會不會太激進(jìn)了？

Carlson：對，沒錯。不過，為了滿足即將實(shí)施的排放法規(guī)，汽車廠商仍有充分理由選擇嘗試我們的系統(tǒng)。此外，人們現(xiàn)在越來越熱衷開發(fā)先進(jìn)的發(fā)動機(jī)控制策略，而我們的概念設(shè)計(jì)非常符合內(nèi)燃機(jī)的這種發(fā)展趨勢。我們的優(yōu)勢在于技術(shù)更新穎，參數(shù)表現(xiàn)更優(yōu)秀，從而更好地滿足汽車廠商實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)精準(zhǔn)控制的需求和目標(biāo)。

SAE：Freevalve 并不需要一些價格昂貴的傳統(tǒng)組件，那么如果產(chǎn)量達(dá)到一定規(guī)模，這種發(fā)動機(jī)的成本是不是會低于常規(guī)的同級別發(fā)動機(jī)呢？

Carlson：是的。在沒有小型化的情況下，1.6 L 渦輪增壓發(fā)動機(jī)即可節(jié)省約 20 公斤（44 磅）重量。通過緊湊安裝和進(jìn)一步優(yōu)化，我們預(yù)計(jì) Qamfree 的完整設(shè)計(jì)可以降低發(fā)動機(jī)的整體成本。我們的成本評估顯示，Qamfree 系統(tǒng)的成本應(yīng)與汽油直噴發(fā)動機(jī)組件相仿，需要采用一些更先進(jìn)的后處理系統(tǒng)，比如顆粒過濾器。我們預(yù)計(jì)，與同等性能的柴油機(jī)相比，汽油機(jī)搭配 Freevalve 系統(tǒng)的成本要明顯低的多。

SAE：除了觀致公司，在不久的將來是否還有其他廠商采用無凸輪軸發(fā)動機(jī)技術(shù)？

Carlson：是的。市場導(dǎo)入當(dāng)然還需要一定時間，但我們正在同時跟進(jìn)幾個不同領(lǐng)域的項(xiàng)目。我們預(yù)計(jì)，至少有兩家客戶將在明年公布他們的計(jì)劃。

SAE：目前多個國家均已表示，將在 2040 到 2050 年間逐步立法淘汰內(nèi)燃機(jī)汽車，從而支持電動汽車的發(fā)展。您認(rèn)為無凸輪軸發(fā)動機(jī)是否能在這種巨變下為內(nèi)燃發(fā)動機(jī)帶來更多機(jī)會？

Carlson：我們肯定無法預(yù)見所有地緣政治因素，但從更廣義的層面看，內(nèi)燃機(jī)的性能可以通過采用 Freevalve 的系統(tǒng)得到顯著改善。在包括公路、鐵路和航運(yùn)在內(nèi)的交通運(yùn)輸領(lǐng)域中，更多的關(guān)注已經(jīng)轉(zhuǎn)移至為內(nèi)燃發(fā)動機(jī)選擇替代燃料。液態(tài)烴類的儲存和配送非常方便。基于風(fēng)能和太陽能的 P2G（電轉(zhuǎn)氣）燃料將迎來巨大機(jī)遇，GTL（天然氣r制合成油）領(lǐng)域也將實(shí)現(xiàn)巨大進(jìn)展，可再生能源的氣態(tài)和液態(tài)燃料極有可能在這段時間實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

Freevalve 技術(shù)將在高性能多燃料發(fā)動機(jī)及其他熱力循環(huán)發(fā)動機(jī)的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。從近期來看，電動汽車的發(fā)展的確風(fēng)頭正勁，但未來的情況誰也說不準(zhǔn)。

SAE：您能透露更多項(xiàng)目細(xì)節(jié)嗎？比如項(xiàng)目是什么時候開始？預(yù)計(jì)什么時候完成？具體涉及哪些方面以及最近的進(jìn)展情況？

Carlson：評估項(xiàng)目從 2015 年開始，預(yù)計(jì)將于今年年底完成，涉及的方面很多，包括扭矩、功率、油耗、排放、包裝及減重等。

SAE：除了目前的 1.6 L渦輪增壓發(fā)動機(jī) (169 kW) 外，未來還有其他不同排量和功率輸出等級的發(fā)動機(jī)采用 Qamfree 系統(tǒng)嗎？

Carlson：這個問題應(yīng)該由觀致的管理層回答。我們目前的項(xiàng)目是曾在 2016 年北京車展上展示過的發(fā)動機(jī)平臺。

SAE：Qamfree 將在哪里生產(chǎn)？您已經(jīng)拿到生產(chǎn)編號的信息了嗎？

Carlson：從目前的信息來看，觀致和奇瑞的生產(chǎn)和裝配都是僅在中國進(jìn)行。2016 年，這兩家公司共生產(chǎn)了大約 40 萬輛汽車。

作者：Stuart Birch

來源：SAE《汽車工程》雜志

今天途爺就跟大家一塊來看看凸輪軸和舍棄凸輪軸的發(fā)動機(jī)都是什么？

前幾天EP9在紐北刷新量產(chǎn)車圈速記錄的消息成為了無數(shù)中國汽車從業(yè)者的興奮劑，雖然僅僅生產(chǎn)了6臺的EP9是否稱得上是量產(chǎn)車還有待商榷，但6分45秒900的圈速第一次讓中國汽車的技術(shù)水平在全球受到了如此多歡呼和掌聲。EP9在紐北出盡了風(fēng)頭，但其它傳統(tǒng)的超跑廠商研發(fā)的腳步也沒停下，比如咱們今天想說的柯尼塞格的無凸輪軸發(fā)動機(jī)。

這項(xiàng)被稱為Freevalve的技術(shù)由柯尼塞格與觀致共同研發(fā)，并且在去年已由觀致搭載到自己的實(shí)車中進(jìn)行測試，在無凸輪軸發(fā)動機(jī)中，已經(jīng)存在100余年的凸輪軸被徹底替代，通過氣壓和油壓來控制每個氣門的開啟與關(guān)閉。在介紹它之前，途爺先跟大家一塊來看看這項(xiàng)技術(shù)中被取代的凸輪軸究竟是什么。

凸輪軸，主要作用是保證各缸的進(jìn)排氣門按照一定的順序適時的打開和關(guān)閉。通過曲軸的旋轉(zhuǎn)帶動凸輪軸的轉(zhuǎn)動，位于軸上的一個個凸輪控制了不同氣缸氣門的開啟和關(guān)閉。對于四缸發(fā)動機(jī)來說，當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)行一個工作循環(huán)時，凸輪軸旋轉(zhuǎn)一周，各個氣缸均進(jìn)行了一次氣門的開關(guān)，各缸之間氣門的開啟間隔就是凸輪軸旋轉(zhuǎn)一周的1/4，即90°（以此類推，六缸發(fā)動機(jī)為60°），正是確定的角度保證了氣門的按時開啟。

在凸輪軸技術(shù)的發(fā)展中，出現(xiàn)了三種不同的凸輪軸布置形式。分別為凸輪軸下置，凸輪軸中置，凸輪軸頂置。

凸輪軸下置的布置形式因?yàn)橥馆嗇S與曲軸位置較近，兩根軸可以共用一對齒輪副進(jìn)行傳動，結(jié)構(gòu)較為簡單。但是由于下置的凸輪軸與氣缸頂部的氣門相距較遠(yuǎn)，中間需要細(xì)長的推桿和大量的傳動零件保證凸輪軸對氣門的控制，如下圖。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，由于推桿的剛度較差，可能會對氣門的正確開啟造成影響。

而凸輪軸中置的布置形式可以有效地減少中間傳動零件的復(fù)雜程度，通過縮短推桿長度或者采用氣門挺柱來提高中間傳動系統(tǒng)的剛度，但是由于凸輪軸和曲軸相隔較遠(yuǎn)，需要再加入一個齒輪傳遞

雖然凸輪軸頂置的布置形式會讓發(fā)動機(jī)的正時系統(tǒng)更為復(fù)雜，但是因?yàn)橥馆嗇S與氣門之間的結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率顯著提升，另外因?yàn)閭鲃酉到y(tǒng)剛度的進(jìn)一步加大，發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的更加穩(wěn)定，因此目前大多數(shù)車輛采用的都是凸輪軸位于氣缸蓋上的凸輪軸頂置發(fā)動機(jī)。

以前的發(fā)動機(jī)由于氣門數(shù)量較少，一根凸輪軸可以保證每缸1進(jìn)1排的氣門結(jié)構(gòu)正常工作。但是隨著汽車工業(yè)的逐漸發(fā)展，氣缸的氣門數(shù)量逐漸增多，用一根凸輪軸來保證十幾個甚至二十個氣門正常工作的難度較大，雙凸輪軸應(yīng)運(yùn)而生。其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)在上世紀(jì)初就已經(jīng)在各大車企中陸續(xù)出現(xiàn)，但是直到1965年左右才由菲亞特集團(tuán)身先士卒，開始在旗下車型中大量搭載雙凸輪軸發(fā)動機(jī)。

說完了凸輪軸，咱們現(xiàn)在可以看看柯尼塞格的無凸輪軸發(fā)動機(jī)究竟是何方神圣了。在這項(xiàng)技術(shù)中，由于沒有了凸輪軸的存在，氣壓和油壓成為了氣門開啟關(guān)閉的控制者。在無凸輪軸發(fā)動機(jī)中，氣壓負(fù)責(zé)保證氣門的正確開啟時間，但是由于氣體具有極強(qiáng)的可壓縮性，還需要相應(yīng)的油壓管路負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)壓力的具體大小。兩者相互配合，才能保證氣門的正確開啟和關(guān)閉。

由于取消了傳統(tǒng)的凸輪軸以及正時結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)總質(zhì)量可以減輕30%左右。除此之外，各個氣缸都有自己的獨(dú)立控制單元，這也讓大排量，多缸數(shù)發(fā)動機(jī)的閉缸更加方便，保證了相當(dāng)?shù)娜加徒?jīng)濟(jì)性。

雖然無凸輪軸發(fā)動機(jī)在理論上確實(shí)相當(dāng)超前，但是在拋棄了傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)后，如何保證這套系統(tǒng)的可靠性才是這項(xiàng)技術(shù)的真正命門。除此之外，去年在觀致3上搭載的那臺無凸輪軸發(fā)動機(jī)各種成本總和達(dá)到了1600萬元，高額的成本也是這項(xiàng)技術(shù)走向市場的攔路虎。所以就目前的情況來說，途爺并不是非常看好這項(xiàng)技術(shù)的普及。

途爺有話說：

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，各種新技術(shù)層出不窮，雖然有些設(shè)計(jì)由于各種各樣的制約還不能實(shí)實(shí)在在的進(jìn)行量產(chǎn)，走進(jìn)市場。但正是一些看起來不切實(shí)際的構(gòu)想，才讓汽車從一百多年前幾匹馬力的笨拙機(jī)械變成了如今高效、舒適的代步工具。雖然目前來說無凸輪發(fā)動機(jī)真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還有些困難，但是途爺相信，現(xiàn)在看起來遙不可及的技術(shù)總有一天會成為可能。