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可变气门正时的昨天/今天/明天
[1楼] 龙魂 2009-02-01 21:33:21
同人类的呼吸系统一样,发动机在不同工况下对进入气缸的空气也有不同的要求。如果只保持一种进排气模式的话,那么,就不能够保证发动机在各种情况下都拥有很好的输出效果,从而不仅无法表现出相应的动力,也不能实现低油耗的效果。而气门可变正时系统则将这种束缚变为了过去,那么,这项技术究竟是怎样发展的呢?
    尽管大家对四冲程发动机的工作原理都已经非常了解了,不过,气缸的进排气系统却并不简单。在气门的发展历史上,我们使用过活塞式气门、套筒式气门、旋转式气门,不过最终我们还是使用了最为灵活实用的凸轮气门系统,因为在控制气门开合方面,这种形式是最有效的,对气门的作用力比较简单。
  不过随着对发动机表现要求的进一步提高,人们开始研究除了在进气和排气冲程开合气门以外,还有没有更好的能够使油气混合的办法。为了增加更多的进气量,设计人员希望活塞在抵达下止点的时候也不关闭进气门,也就是说,只要吸气行程依旧存在的话,就让进气气门继续开启。因此,在活塞运行到了底部并再运行约60度曲轴角之后,才关闭进气气门。同样的道理,我们也可以让排气气门的开启时间更早一些,也就是在活塞抵达下止点还剩60度曲轴角之前就打开排气气门,因为,此时,排气歧管中的压力已经和气缸中废气的压力相差不多了。
    虽然提早开启排气气门会损害一定的有用能量,但同时,过多的背压更会影响车辆的性能表现(这也是为什么废气中有足够的能量来推动蜗轮运转的原因)。而在活塞完成了第四个冲程之后,工程师们却依旧不会让排气气门闭合,从而使活塞在继续旋转了15-20度曲轴角之后再闭合。同时,进气气门则在再次进行第一个冲程之前的10-20度就进行开启,从而使更多的油气混合汽进入气缸。这样,大约有30-40度曲轴旋转的阶段是进气和排气气门同时开启的。
  这种进气和排气气门共同开启的阶段我们称为重叠阶段。通过这种设计,可以进一步提高发动机的性能,尤其是对于一些高转速发动机来说,重叠阶段的角度甚至可以达到80度左右。所以,从上述原理中,我们能够了解到对于气门正时技术而言,“妥协”是最为重要的。
    在低转下表现出色的设计在高转下就未必有效,而重叠较多的发动机设计则在低转时的扭矩输出方面表现欠佳,重叠少的发动机则是在牺牲了动力性能的前提下换来了发动机的平顺性和高扭矩。因此,就需要在设计时,充分考虑到凸轮形状和正时的设计,从而优化发动机的表现。
  因此,在相当长的一段时间内,发动机的设计一直比较中庸,没有任何一款机器能够既保证高转的有效性,又保证低转的大扭矩。不过,在上世纪70年代初,出于减排目的而开发的可变凸轮正时技术却给了发动机设计界一个重要的启示。在重叠阶段应用气门正时调节可以通过废气来降低温度,从而减少NOx的排放。
  因此,在上个世纪七十年代,废气外循环(EGR)技术在减少NOx方面的效果已经被广泛接受,但是,如果能够形成内循环的话,发动机的设计将更为简单。所以,后来人们应用了更长的重叠时间,从而使部分废气能够在进气冲程时进入气缸。不过,虽然这个问题得到了解决,但是,怠速和低速的工作效果又受到了影响,并使发动机无法在起步阶段通过废气高温来激活催化剂,所以,人们开始使用了可变凸轮正时技术。
  最先将气门正时技术应用在量产车中的公司是意大利的阿尔法罗密欧。作为第一个开发出了双凸轮轴量产发动机的厂商,他们用两根不同的凸轮轴来控制进气气门和排气气门的开闭时间,从而达到了比单凸轮轴更为有效的效果。这家车厂一名叫Giampaolo Garcea的工程师发明了一个装置,就是在进气凸轮轴的主动链轮里加上一个设备,并由螺旋键槽将其与凸轮相连接,来改变气门的正时效果。它设计的发动机标准重叠时间为16度,但在发动机高速运转的时候,它可以将开启时间增加32度,从而使重叠时间扩大到48度。
  最先配备这种系统的车型就是阿尔法罗密欧Spider。当这款车在欧洲销售的时候,该公司进一步增大了重叠角度以获得更好的燃油经济性。后来在配备了Bosch公司的Motronic发动机管理系统之后,发动机的正时技术便越来越依赖于ECU的作用了。
  紧随阿尔法罗密欧的就是日产和本田。这两家日本公司分别在1987年和1989年,研发出了他们自己的双顶置凸轮轴系统,也就是后来所说的NVCS和VTEC系统。在1992年,宝马公司也开发出了自己的Vanos系统,最先被应用在了进气凸轮轴上,后来,又于1998年,推出了他们的双Vanos系统。而保时捷公司的办法则是在两根凸轮轴之间应用一个链条对气门正时进行调节。
    不过,上述所介绍的这些系统都属于双凸轮发动机,但那些单顶置凸轮的发动机又怎样实现气门正时的最优解呢?当然,最简单的办法就是改变整个凸轮轴的旋转位置。然而,由于凸轮轴上的凸轮的位置都是相对固定的,所以无法在工作中改变进排气的重叠时间。于是,通用公司在2005年推出了一种新技术,那就是在凸轮轴的驱动端安装上一个液压相位调节装置,从而改变进气气门的重叠时间。
  当然,通过在凸轮轴的驱动段安装液压相位调节机构来调节并不难实现。但问题是,如何在一个凸轮上改变进气和排气凸轮的相对相位。1973年,通用公司进行了相关的实验。他们通过将一个大凸轮轴内设置一个同心小凸轮轴,在小凸轮上安装一套排气气门,这样,可以通过螺旋花键来改变进气凸轮与排气凸轮的相对位置,从而实现可变气门正时。不过,这项技术由于过于复杂,造价太高而最终没能得到大规模的使用。
  正当人们深陷于复杂的设计而无法量产的时候,凸轮轴制造技术上的改变激发了人们的想象。随着凸轮轴制造技术变成了组装生产,因此,Mechadyne将两端都装上了凸轮,并在凸轮轴的驱动端配备了一个相位调节机构,从而形成了可独立调节进气和排气正时的SCP凸轮轴。
  在上世纪90年代末,Mechadyne便开始为它的想法找寻有兴趣的投资人。而克莱斯勒的蝰蛇设计小组对它的这个项目产生了浓厚的兴趣。虽然当时研发的蝰蛇V10发动机在动力上非常强大,它的重叠时间很长,不过,在怠速和低速排放方面却无法满足OBD的要求。因此,他们认为只有可变气门正时技术才能解决这个难题。
 在2002年,通过Mechadyne和小组其他人员开始想办法将英国公司的SCP技术应用到他们的发动机中。不过,这项技术也遇到了问题,因为通过改变凸轮轴轴承的直径来放置更为复杂系统的方式将会给生产环节带来更大的难题。
  最终,克莱斯勒公司选择了只改变排气气门正时的技术,使其降低低转下重叠的时间。通过这个技术,可以将昂贵的电传控制省去,使结构更加简单。后来,德国的Mahle根据这项技术对SCP凸轮轴进行生产,并将其演化为一种名叫“CamlnCam”的技术。因此,在08款的蝰蛇SRT10的8.4升发动机上,它不仅能够满足OBD对排放的要求,而且,还可以在6100转下产生600马力的最大功率和747牛米的巨大扭矩。此外,至于为什么没有在进气气门上应用SCP凸轮轴,主要的原因是由于即便是将动力性还可以再提高一个水平,但对于蝰蛇来说,增加的功率也只会是演变成更多的胎烟而已,没有什么实际意义。
  说到这里,我们是不是找到了一个终极解决办法呢?并没有。不过,目前比较先进的方法被称为非凸轮控制技术,这种技术可以在液压作用力或电磁力下对气门的开合进行单独控制。它的优点在于能够根据发动机的转速来实时调节,控制实际上就是由中央处理器完成的。在电磁泵的作用下,通过弹簧来控制节气门的开合。此外,还需要传感器向控制中心进行气门工作状态反馈。
  在这个方面,英国的莲花公司发展的比较快,开发出了一种名叫主动配气系统(AVT)技术。而法国人也在无凸轮控制技术方面发展迅速。德国的FEV,Bosch和AVL也都拥有自己在这个领域的独门绝技。宝马公司更是已经将其Valvetronic系统应用到了它的无凸轮发动机上。
  无凸轮的可变气门正时技术还将开启发动机设计新的篇章,也就是被称为“可控自动点火系统”(CAI),这种系统可以使一台汽油发动机像柴油发动机一样的工作(Diesotto)。在进气冲程阶段,气缸内的很多热点再加上再循环的废气热量构成强大的压力,使汽油燃烧,从而不需要火花塞的介入。压燃过程所需要的内外循环的废气正好是无凸轮发动机所能给予的,据计算,这种燃烧方式可以使发动机的燃油经济性提高10%以上。
  四冲程发动机的设计非常完美,但伴随它的技术却需要在不断的发展中持续更新。奔驰的Diesotto发动机就是一个很好的典范,通过技术创新使一款1.8升的发动机可以实现2.4甚至更大排量发动机所能达到的动力效果。因此,可变气门正时技术必将拥有更大的发展。

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