可變氣門(mén)正時(shí)的昨天/今天/明天
同人類(lèi)的呼吸系統一樣，發(fā)動(dòng)機在不同工況下對進(jìn)入氣缸的空氣也有不同的要求。如果只保持一種進(jìn)排氣模式的話(huà)，那么，就不能夠保證發(fā)動(dòng)機在各種情況下都擁有很好的輸出效果，從而不僅無(wú)法表現出相應的動(dòng)力，也不能實(shí)現低油耗的效果。而氣門(mén)可變正時(shí)系統則將這種束縛變?yōu)榱诉^(guò)去，那么，這項技術(shù)究竟是怎樣發(fā)展的呢？
盡管大家對四沖程發(fā)動(dòng)機的工作原理都已經(jīng)非常了解了，不過(guò)，氣缸的進(jìn)排氣系統卻并不簡(jiǎn)單。在氣門(mén)的發(fā)展歷史上，我們使用過(guò)活塞式氣門(mén)、套筒式氣門(mén)、旋轉式氣門(mén)，不過(guò)最終我們還是使用了最為靈活實(shí)用的凸輪氣門(mén)系統，因為在控制氣門(mén)開(kāi)合方面，這種形式是最有效的，對氣門(mén)的作用力比較簡(jiǎn)單。
不過(guò)隨著(zhù)對發(fā)動(dòng)機表現要求的進(jìn)一步提高，人們開(kāi)始研究除了在進(jìn)氣和排氣沖程開(kāi)合氣門(mén)以外，還有沒(méi)有更好的能夠使油氣混合的辦法。為了增加更多的進(jìn)氣量，設計人員希望活塞在抵達下止點(diǎn)的時(shí)候也不關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)，也就是說(shuō)，只要吸氣行程依舊存在的話(huà)，就讓進(jìn)氣氣門(mén)繼續開(kāi)啟。因此，在活塞運行到了底部并再運行約60度曲軸角之后，才關(guān)閉進(jìn)氣氣門(mén)。同樣的道理，我們也可以讓排氣氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間更早一些，也就是在活塞抵達下止點(diǎn)還剩60度曲軸角之前就打開(kāi)排氣氣門(mén)，因為，此時(shí)，排氣歧管中的壓力已經(jīng)和氣缸中廢氣的壓力相差不多了。
雖然提早開(kāi)啟排氣氣門(mén)會(huì )損害一定的有用能量，但同時(shí)，過(guò)多的背壓更會(huì )影響車(chē)輛的性能表現（這也是為什么廢氣中有足夠的能量來(lái)推動(dòng)蝸輪運轉的原因）。而在活塞完成了第四個(gè)沖程之后，工程師們卻依舊不會(huì )讓排氣氣門(mén)閉合，從而使活塞在繼續旋轉了15-20度曲軸角之后再閉合。同時(shí)，進(jìn)氣氣門(mén)則在再次進(jìn)行第一個(gè)沖程之前的10-20度就進(jìn)行開(kāi)啟，從而使更多的油氣混合汽進(jìn)入氣缸。這樣，大約有30-40度曲軸旋轉的階段是進(jìn)氣和排氣氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟的。
這種進(jìn)氣和排氣氣門(mén)共同開(kāi)啟的階段我們稱(chēng)為重疊階段。通過(guò)這種設計，可以進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機的性能，尤其是對于一些高轉速發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，重疊階段的角度甚至可以達到80度左右。所以，從上述原理中，我們能夠了解到對于氣門(mén)正時(shí)技術(shù)而言，“妥協(xié)”是最為重要的。
在低轉下表現出色的設計在高轉下就未必有效，而重疊較多的發(fā)動(dòng)機設計則在低轉時(shí)的扭矩輸出方面表現欠佳，重疊少的發(fā)動(dòng)機則是在犧牲了動(dòng)力性能的前提下?lián)Q來(lái)了發(fā)動(dòng)機的平順性和高扭矩。因此，就需要在設計時(shí)，充分考慮到凸輪形狀和正時(shí)的設計，從而優(yōu)化發(fā)動(dòng)機的表現。
因此，在相當長(cháng)的一段時(shí)間內，發(fā)動(dòng)機的設計一直比較中庸，沒(méi)有任何一款機器能夠既保證高轉的有效性，又保證低轉的大扭矩。不過(guò)，在上世紀70年代初，出于減排目的而開(kāi)發(fā)的可變凸輪正時(shí)技術(shù)卻給了發(fā)動(dòng)機設計界一個(gè)重要的啟示。在重疊階段應用氣門(mén)正時(shí)調節可以通過(guò)廢氣來(lái)降低溫度，從而減少NOx的排放。
因此，在上個(gè)世紀七十年代，廢氣外循環(huán)（EGR）技術(shù)在減少NOx方面的效果已經(jīng)被廣泛接受，但是，如果能夠形成內循環(huán)的話(huà)，發(fā)動(dòng)機的設計將更為簡(jiǎn)單。所以，后來(lái)人們應用了更長(cháng)的重疊時(shí)間，從而使部分廢氣能夠在進(jìn)氣沖程時(shí)進(jìn)入氣缸。不過(guò)，雖然這個(gè)問(wèn)題得到了解決，但是，怠速和低速的工作效果又受到了影響，并使發(fā)動(dòng)機無(wú)法在起步階段通過(guò)廢氣高溫來(lái)激活催化劑，所以，人們開(kāi)始使用了可變凸輪正時(shí)技術(shù)。
最先將氣門(mén)正時(shí)技術(shù)應用在量產(chǎn)車(chē)中的公司是意大利的阿爾法羅密歐。作為第一個(gè)開(kāi)發(fā)出了雙凸輪軸量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機的廠(chǎng)商，他們用兩根不同的凸輪軸來(lái)控制進(jìn)氣氣門(mén)和排氣氣門(mén)的開(kāi)閉時(shí)間，從而達到了比單凸輪軸更為有效的效果。這家車(chē)廠(chǎng)一名叫Giampaolo Garcea的工程師發(fā)明了一個(gè)裝置，就是在進(jìn)氣凸輪軸的主動(dòng)鏈輪里加上一個(gè)設備，并由螺旋鍵槽將其與凸輪相連接，來(lái)改變氣門(mén)的正時(shí)效果。它設計的發(fā)動(dòng)機標準重疊時(shí)間為16度，但在發(fā)動(dòng)機高速運轉的時(shí)候，它可以將開(kāi)啟時(shí)間增加32度，從而使重疊時(shí)間擴大到48度。
最先配備這種系統的車(chē)型就是阿爾法羅密歐Spider。當這款車(chē)在歐洲銷(xiāo)售的時(shí)候，該公司進(jìn)一步增大了重疊角度以獲得更好的燃油經(jīng)濟性。后來(lái)在配備了Bosch公司的Motronic發(fā)動(dòng)機管理系統之后，發(fā)動(dòng)機的正時(shí)技術(shù)便越來(lái)越依賴(lài)于ECU的作用了。
緊隨阿爾法羅密歐的就是日產(chǎn)和本田。這兩家日本公司分別在1987年和1989年，研發(fā)出了他們自己的雙頂置凸輪軸系統，也就是后來(lái)所說(shuō)的NVCS和VTEC系統。在1992年，寶馬公司也開(kāi)發(fā)出了自己的Vanos系統，最先被應用在了進(jìn)氣凸輪軸上，后來(lái)，又于1998年，推出了他們的雙Vanos系統。而保時(shí)捷公司的辦法則是在兩根凸輪軸之間應用一個(gè)鏈條對氣門(mén)正時(shí)進(jìn)行調節。
不過(guò)，上述所介紹的這些系統都屬于雙凸輪發(fā)動(dòng)機，但那些單頂置凸輪的發(fā)動(dòng)機又怎樣實(shí)現氣門(mén)正時(shí)的最優(yōu)解呢？當然，最簡(jiǎn)單的辦法就是改變整個(gè)凸輪軸的旋轉位置。然而，由于凸輪軸上的凸輪的位置都是相對固定的，所以無(wú)法在工作中改變進(jìn)排氣的重疊時(shí)間。于是，通用公司在2005年推出了一種新技術(shù)，那就是在凸輪軸的驅動(dòng)端安裝上一個(gè)液壓相位調節裝置，從而改變進(jìn)氣氣門(mén)的重疊時(shí)間。
當然，通過(guò)在凸輪軸的驅動(dòng)段安裝液壓相位調節機構來(lái)調節并不難實(shí)現。但問(wèn)題是，如何在一個(gè)凸輪上改變進(jìn)氣和排氣凸輪的相對相位。1973年，通用公司進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗。他們通過(guò)將一個(gè)大凸輪軸內設置一個(gè)同心小凸輪軸，在小凸輪上安裝一套排氣氣門(mén)，這樣，可以通過(guò)螺旋花鍵來(lái)改變進(jìn)氣凸輪與排氣凸輪的相對位置，從而實(shí)現可變氣門(mén)正時(shí)。不過(guò)，這項技術(shù)由于過(guò)于復雜，造價(jià)太高而最終沒(méi)能得到大規模的使用。
正當人們深陷于復雜的設計而無(wú)法量產(chǎn)的時(shí)候，凸輪軸制造技術(shù)上的改變激發(fā)了人們的想象。隨著(zhù)凸輪軸制造技術(shù)變成了組裝生產(chǎn)，因此，Mechadyne將兩端都裝上了凸輪，并在凸輪軸的驅動(dòng)端配備了一個(gè)相位調節機構，從而形成了可獨立調節進(jìn)氣和排氣正時(shí)的SCP凸輪軸。
在上世紀90年代末，Mechadyne便開(kāi)始為它的想法找尋有興趣的投資人。而克萊斯勒的蝰蛇設計小組對它的這個(gè)項目產(chǎn)生了濃厚的興趣。雖然當時(shí)研發(fā)的蝰蛇V10發(fā)動(dòng)機在動(dòng)力上非常強大，它的重疊時(shí)間很長(cháng)，不過(guò)，在怠速和低速排放方面卻無(wú)法滿(mǎn)足OBD的要求。因此，他們認為只有可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)才能解決這個(gè)難題。
在2002年，通過(guò)Mechadyne和小組其他人員開(kāi)始想辦法將英國公司的SCP技術(shù)應用到他們的發(fā)動(dòng)機中。不過(guò)，這項技術(shù)也遇到了問(wèn)題，因為通過(guò)改變凸輪軸軸承的直徑來(lái)放置更為復雜系統的方式將會(huì )給生產(chǎn)環(huán)節帶來(lái)更大的難題。
最終，克萊斯勒公司選擇了只改變排氣氣門(mén)正時(shí)的技術(shù)，使其降低低轉下重疊的時(shí)間。通過(guò)這個(gè)技術(shù)，可以將昂貴的電傳控制省去，使結構更加簡(jiǎn)單。后來(lái)，德國的Mahle根據這項技術(shù)對SCP凸輪軸進(jìn)行生產(chǎn)，并將其演化為一種名叫“CamlnCam”的技術(shù)。因此，在08款的蝰蛇SRT10的8.4升發(fā)動(dòng)機上，它不僅能夠滿(mǎn)足OBD對排放的要求，而且，還可以在6100轉下產(chǎn)生600馬力的最大功率和747牛米的巨大扭矩。此外，至于為什么沒(méi)有在進(jìn)氣氣門(mén)上應用SCP凸輪軸，主要的原因是由于即便是將動(dòng)力性還可以再提高一個(gè)水平，但對于蝰蛇來(lái)說(shuō)，增加的功率也只會(huì )是演變成更多的胎煙而已，沒(méi)有什么實(shí)際意義。
說(shuō)到這里，我們是不是找到了一個(gè)終極解決辦法呢？并沒(méi)有。不過(guò)，目前比較先進(jìn)的方法被稱(chēng)為非凸輪控制技術(shù)，這種技術(shù)可以在液壓作用力或電磁力下對氣門(mén)的開(kāi)合進(jìn)行單獨控制。它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠根據發(fā)動(dòng)機的轉速來(lái)實(shí)時(shí)調節，控制實(shí)際上就是由中央處理器完成的。在電磁泵的作用下，通過(guò)彈簧來(lái)控制節氣門(mén)的開(kāi)合。此外，還需要傳感器向控制中心進(jìn)行氣門(mén)工作狀態(tài)反饋。
在這個(gè)方面，英國的蓮花公司發(fā)展的比較快，開(kāi)發(fā)出了一種名叫主動(dòng)配氣系統（AVT）技術(shù)。而法國人也在無(wú)凸輪控制技術(shù)方面發(fā)展迅速。德國的FEV，Bosch和AVL也都擁有自己在這個(gè)領(lǐng)域的獨門(mén)絕技。寶馬公司更是已經(jīng)將其Valvetronic系統應用到了它的無(wú)凸輪發(fā)動(dòng)機上。
無(wú)凸輪的可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)還將開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機設計新的篇章，也就是被稱(chēng)為“可控自動(dòng)點(diǎn)火系統”（CAI），這種系統可以使一臺汽油發(fā)動(dòng)機像柴油發(fā)動(dòng)機一樣的工作（Diesotto）。在進(jìn)氣沖程階段，氣缸內的很多熱點(diǎn)再加上再循環(huán)的廢氣熱量構成強大的壓力，使汽油燃燒，從而不需要火花塞的介入。壓燃過(guò)程所需要的內外循環(huán)的廢氣正好是無(wú)凸輪發(fā)動(dòng)機所能給予的，據計算，這種燃燒方式可以使發(fā)動(dòng)機的燃油經(jīng)濟性提高10%以上。
四沖程發(fā)動(dòng)機的設計非常完美，但伴隨它的技術(shù)卻需要在不斷的發(fā)展中持續更新。奔馳的Diesotto發(fā)動(dòng)機就是一個(gè)很好的典范，通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新使一款1.8升的發(fā)動(dòng)機可以實(shí)現2.4甚至更大排量發(fā)動(dòng)機所能達到的動(dòng)力效果。因此，可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)必將擁有更大的發(fā)展
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