內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)

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(dòng)力輸出和排放的影響也較大。早期因?yàn)殡娮蛹夹g(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(shí)技術(shù)，最早實(shí)際上是在1982年由菲亞特第一次投入使用的，現(xiàn)在菲亞特改用”空氣閥門“技術(shù)，就像是發(fā)起了配氣機(jī)構(gòu)的二次革命

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，凸輪軸是是整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的控制主體，它又由皮帶連接曲軸產(chǎn)生動(dòng)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(shí)下的小型化、輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)中，所以也越來越難看到這些部件了。那一下個(gè)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。

本田R18A發(fā)動(dòng)機(jī)，單頂置凸輪軸機(jī)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)上一次大革命是在80年代。大家熟悉的VVT（Variable Valve Timing）可變氣門正時(shí)技術(shù)，最早實(shí)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)。

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(shí)（相位）技術(shù)。日產(chǎn)這項(xiàng)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(dòng)結(jié)構(gòu)，透過發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的信號進(jìn)行氣門開閉相位控制。

豐田1NR-FE 1.3升四缸汽油機(jī)

馬自達(dá)2.3 MZR DISI增壓汽油機(jī)，DOHC結(jié)構(gòu)

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(shí)的控制技術(shù)都是沖著改善動(dòng)力和燃油經(jīng)濟(jì)性來的，只需依舊ECU的信息控制氣門開閉時(shí)間，就可以提高發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)切換到單獨(dú)的凸輪（高速凸輪），以提高峰值功率，那時(shí)候的本田CRX、Civic以及Integra都側(cè)重動(dòng)力表現(xiàn)，轉(zhuǎn)速表底動(dòng)不動(dòng)就是9000rpm。

菲亞特的二次革命

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(dòng)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。

MultiAir的 電磁液壓控制機(jī)構(gòu)組件

Schaeffler Uniair氣門室配氣機(jī)構(gòu)

其實(shí)MultiAir也可以看作是一種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(dòng)機(jī)的體積和重量，此外還能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門相位和升程的無級控制調(diào)節(jié)。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(yàn)、驗(yàn)證后，最終于2009年形成了商品化，并裝車發(fā)售。

阿爾法·羅密歐MiTo

阿爾法·羅密歐MiTo的MultiAir渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)

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(dòng)液壓活塞控制氣門，那么它實(shí)際上可以根據(jù)當(dāng)前車況實(shí)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%，隨后還獲得了“歐洲年度發(fā)動(dòng)機(jī)獎(jiǎng)”。

菲亞特TwinAir發(fā)動(dòng)機(jī)局部圖.，雙缸結(jié)構(gòu)，排氣側(cè)仍然保留凸輪軸

舍弗勒將UniAir技術(shù)賣給菲亞特，便成了MultiAir，其最大特點(diǎn)在于進(jìn)氣側(cè)凸輪軸由電磁閥和液壓機(jī)構(gòu)替代，氣門相位和升程可以隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況無級調(diào)節(jié)

觀致緊隨其后推QamFree技術(shù)

眾多廠商在“空氣閥門”這條路上前赴后繼，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)，并注冊了商品名：QamFree，拆分開來就是Qoros Cam Free技術(shù)——“觀致空氣閥門”，其實(shí)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(shí)他們也在致力于新發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)。在2003年的時(shí)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(cái)務(wù)危機(jī)，這項(xiàng)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(shí)還成立了FreeValve公司，專心致志地繼續(xù)研究無凸輪軸技術(shù)。

電磁閥配氣機(jī)構(gòu)的構(gòu)成示意圖

后來，Cargine Engineering的工程團(tuán)隊(duì)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(dòng)液壓機(jī)構(gòu)的進(jìn)排氣門控制方案，可以實(shí)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，難度也增加了不少。在結(jié)構(gòu)上還是利用了電磁閥、液壓機(jī)構(gòu)、氣門這幾個(gè)必要零部件，不過FreeValve的開發(fā)邏輯更加清晰，即每缸四氣門結(jié)構(gòu)中的任何一個(gè)氣門都可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)開閉。比如發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，四個(gè)氣門則全開，以此提高配氣效率；而在低轉(zhuǎn)速時(shí)，則關(guān)閉一個(gè)進(jìn)氣、一個(gè)排氣門，以此保證充沛的扭矩。

對于觀致來說，無凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)是時(shí)下的一個(gè)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(dòng)機(jī)改造成CamFree結(jié)構(gòu)進(jìn)行路試，經(jīng)過測試，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力提升超過50%。另外，QamFree發(fā)動(dòng)機(jī)長度減少70mm，高度降低50mm，重量更是減輕了25kg，由此實(shí)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。

氣門控制機(jī)構(gòu)

QamFree發(fā)動(dòng)機(jī)的體積更小巧，重量更輕巧

Qoros 3 Qamfree概念車

博世、法雷奧都不甘示弱

事實(shí)上，在改進(jìn)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)道路上，眾多廠商都在努力。早期福特拿出過一套名為EVA的電磁液壓氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，法國法雷奧和德國FEV也在開發(fā)電磁氣門技術(shù)，只是一直都沒有投入量產(chǎn)。此外，通用汽車早在1994年就開始了電磁閥驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的研究，提出了雙電磁鐵、雙彈簧的解決方案。

法雷奧的SVA技術(shù)最早是在2005年對外界公開的，它的電磁驅(qū)動(dòng)閥門可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對氣門實(shí)施相位（開閉時(shí)間）或升程控制，還可以輕松實(shí)現(xiàn)氣缸間歇功能。據(jù)稱，燃耗和尾氣凈化性能可以提升兩倍，而低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩還可以提高15-20%。根據(jù)需求不同，法雷奧當(dāng)時(shí)還開發(fā)了對應(yīng)進(jìn)氣側(cè)和進(jìn)排氣側(cè)兩種結(jié)構(gòu)的電磁控制機(jī)構(gòu)。算上電磁閥門、傳感器等部件，進(jìn)排氣雙電磁閥機(jī)構(gòu)重量為1.8kg，此外還需要一塊32位的CPU來作為控制單元。

其實(shí)配氣機(jī)構(gòu)電氣化不僅可以服務(wù)于小型化的三缸機(jī)、四缸機(jī)，V型發(fā)動(dòng)機(jī)也可以受益，尤其是具備斷缸技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在擁有“空氣閥門”以后就可以進(jìn)一步減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提升進(jìn)氣效率了。

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