呼吸進化史

曾俊夫

配氣機構就像是人體的呼吸系統，其作用就是讓氧氣透過呼吸道進入到體內，然后使細胞在氧氣的參與下經過體內酶的催化轉換，將糖類、脂肪以及蛋白質等有機物徹底氧化分解產生出二氧化碳和水，最后再釋放出大量能量供肌體活動的過程。唯一不同的是，人類呼進空氣，吐出二氧化碳；而汽車是呼進空氣，助燃汽油或柴油，最后排出碳氫化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫等一系列污染物……

傳統的內燃機（泛指汽油機和柴油機）配氣機構組成部件較多，而且其機械結構對動力輸出和排放的影響也較大。早期因為電子技術還未發展起來，所以工程師能想到最直接有效的改善方式，便是透過配氣機構本身的機械特性來改善進氣效率。比如大家熟悉的VVT（Variable Valve Timing）可變氣門正時技術，最早實際上是在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年代末期開發的技術。

那時候菲亞特集團把VVT裝備在阿爾法·羅密歐Spider的2.0升發動機上，因為那時候TwinCam（雙凸輪軸）技術已經很成熟了，所以菲亞特完全依靠發動機轉速、進氣壓力和潤滑油壓力的變化來控制進氣凸輪軸的旋轉周期，也就是說是一套純機械控制的正時控制機構。

有了VVT后好處自然不言而喻，可以改善動力輸出，還能節省燃油，一箭雙雕。VVT就像運動員一樣可以隨運動節奏調整呼吸，隨時讓雙腿保持爆發力。

日本車企將VVT做到深入人心

通常來說，配氣機構一般包含進排氣兩根凸輪軸、氣門推桿、液壓挺柱、搖臂、氣門等部件，凸輪軸是整個配氣機構的控制主體，它由皮帶連接曲軸產生動力。而在這些組成部件中，氣門搖臂和推桿已經不再出現在時下的小型化、輕量化發動機中，所以也越來越難看到這些部件了。那一下個即將消失的配氣機構部件是什么呢？大概會是凸輪軸吧，而且是進排氣凸輪軸一起消失。

在菲亞特之后，1987年日產在其DOHC結構的VG系列汽油機上使用了名為NVCS的電子可變氣門正時（相位）技術。日產這項技術不同之處在于進氣凸輪軸不再由機械（油壓）控制，轉而使用電子液壓驅動結構，透過發動機ECU的信號進行氣門開閉相位控制。因為專利保護原因，日產早期并未將氣門正時技術稱為VVT。

緊接著日產的步伐，本田在1989年發布了VTEC技術，豐田則有了VVT-i技術。這些氣門正時的控制技術都是沖著改善動力和燃油經濟性來的，只需按照ECU的信息控制氣門開閉時間，就可以提高發動機進氣效率和燃燒效率。不過本田比較例外，它的VTEC會在發動機高轉速運轉時切換到單獨的凸輪（高速凸輪），以提高峰值功率，也難怪那時候的本田CRX、Civic以及Integra的轉速表底動不動就是9000rpm。后來，本田的i-VTEC還植入了氣門升程控制，也就是控制氣門開閉角度的大小，以此優化高轉速時的進氣效率。

舍弗勒開發了Unair“空氣閥門”

菲亞特第二次改變配氣機構的技術格局是在2009年，當年在日內瓦車展上，阿爾法·羅密歐MiTo亮相，這臺車搭載的1.4升發動機配備了由舍弗勒開發的“Uniair”技術，不過在菲亞特這邊被稱為了MultiAir。

從使用的意義來看，MultiAir其實也是一種VVT技術，只不過機械結構里的氣門由凸輪軸控制變為了電磁液壓控制，一來可以有效降低發動機的體積和重量，此外還能獨立實現發動機氣門相位和升程的控制調節。在MultiAir發動機上，凸輪軸不再需要一根皮帶連接曲軸獲取動力，而隨著以后插電式混合動力時代的到來，發動機周邊設施如空調、啟動機、發電機和水泵都將實現電子化，由此發動機的負荷會進一步降低。所以提前在配氣機構上做文章，也能實現燃油經濟性和排放的優化。

MultiAir技術最早由德國舍弗勒集團在2001年開發，隨后菲亞特透過技術轉讓方式在2002年獲得了專利。在經過長達七年的試驗、驗證后，最終于2009年形成了商品化，并裝車發售。

菲亞特的MultiAir技術構建在DOHC、16氣門結構基礎上，進氣凸輪由電磁閥、液壓伺服機構取代，而排氣凸輪依舊存在，所以也可以稱其為SOHC單頂置凸輪軸結構。MultiAir的巧妙之處在于進氣側氣門由電磁閥驅動液壓活塞控制氣門，那么它實際上可以根據當前車況實現無級調節相位和升程，其靈活性很高。裝備在MiTo上的1.4升汽油機功率和扭矩分別提升了10%、15%，二氧化碳降低了10%，燃油經濟性提高了20%，還獲得了“歐洲年度發動機獎”。

觀致和柯尼塞格合作推QamFree

眾多廠商在“空氣閥門”這條路上前赴后繼，現在新興的中國品牌觀致汽車也加入了進來。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技術的知識產權，并注冊了屬于自己的商品名稱：QamFree，拆分開來就是Qoros Cam Free技術，大意就是“觀致空氣閥門”技術，也就是無凸輪軸技術……

柯尼塞格是著名的HyperCar生產商，同時他們也在致力于新發動機的研發。在2003年的時候柯尼塞格與SAAB一起攜手研究新的方式來控制凸輪軸，但由于SAAB發生財務危機，這項研究被迫中止。后來在2009年，柯尼塞格看中了Cargine Engineering公司的無凸輪軸技術，并將其收購到麾下，同時還成立了FreeValve公司，專心致志地繼續研究無凸輪軸技術。實際上，Cargine Engineering的工程團隊都悉數轉往FreeValve繼續開發工作。FreeValve選用了電磁閥驅動液壓機構的進排氣門控制方案，可以實現相位和升程可控，比菲亞特一開始做的進氣門側無凸輪軸更進了一步，控制策略的難度也增加了不少。

其實在結構上還是利用了電磁閥、液壓機構、氣門、彈簧這幾個必要的零部件，不過 FreeValve的開發邏輯相對來說要更加清晰，即每缸四氣門結構中的任何一個氣門都可以透過電磁閥單獨控制，實現開閉。比如發動機高轉速時，四個氣門全開，以此提高配氣效率；而在低轉速時，則關閉一個進氣、一個排氣門，以此保證充沛的扭矩。

對于觀致來說，一個新品牌要立足于市場，不僅要有新車作為產品支撐，背后還要有可供持續發展的新技術。顯然，無凸輪軸發動機是時下的一個突破方向，配合Hybrid系統，前景一片光明。觀致目前已將它的1.6T發動機改造成CamFree結構進行路試，經過測試，發動機的動力提升超過50%。另外，QamFree發動機長度減少70mm，高度降低50mm，重量更是減輕了25kg，由此實現油耗下降10%。盡管目前“QamFree”離正式量產投放市場還有段距離，至少市場已經看到了方向，或許還有更多的廠商會加入進來。