小型發(fā)動機逆襲 淺析博格華納可變凸輪相位技術(shù)

汽車剛發(fā)明時，發(fā)動機都是單缸的。隨著人們對動力性能的追求，發(fā)動機的缸數(shù)越來越多。再后來，人們發(fā)現(xiàn)地球上的能源消耗太快，于是開始倡導節(jié)能、減排。汽車發(fā)動機又從大排量、多缸發(fā)動機逐漸向小排量、少缸數(shù)發(fā)動機演變。雖然目前我們?nèi)阅茉诔苌峡吹?缸、10缸乃至12缸的發(fā)動機，然而這只為了迎合那些極少數(shù)的、追求極致性能的極客。

數(shù)據(jù)顯示，四缸發(fā)動機目前在全球的市場占有率約為75%，發(fā)動機小型化趨勢已愈演愈烈。而如何在小型化的同時保證其性能就成為了汽車廠商的新課題。“小”意味著緊湊與節(jié)能，同時它還必須更高效。渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、可變氣門正時（VVT）、可變凸輪正時（VCT）……這些都是整車廠當前比較青睞的技術(shù)。相比之下，可變凸輪正時是信價比比較高的一類技術(shù)，它通過優(yōu)化扭矩波動、快速調(diào)節(jié)至最佳相位從而達到提高發(fā)動機性能、節(jié)油等目的。

博格華納在可變凸輪正時技術(shù)上有著其獨到的專利技術(shù)。據(jù)工程師描述，可變凸輪正時、EGR、可變氣門升程是比較常用的節(jié)油手段。而可變凸輪正時技術(shù)由于其高信價比性價比，已被一些主機廠應用。根據(jù)不同客戶的需求，博格華納擁有三種不同形式的可變凸輪正時技術(shù)，分別為油壓驅(qū)動式（簡稱OPA）、扭矩輔助式（簡稱TA）、曲軸扭矩驅(qū)動式（簡稱CTA）。在這三種形式的基礎(chǔ)上，還可擴展加入中間位置鎖止技術(shù)（MPL），使發(fā)動機實現(xiàn)更大的行程和更好的氣流控制，從而提升燃油經(jīng)濟性、功能和效率。

三種形式的可變凸輪正時技術(shù)

1.OPA

油壓驅(qū)動相位器

OPA利用機油壓力驅(qū)動，并采用標準的機油控制閥（OCV），其相位調(diào)節(jié)速度與機油壓力有關(guān)，油壓越高，其調(diào)節(jié)速度越快，OPA的最大相位調(diào)節(jié)角度為62°。工程師介紹，OPA優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單，成本低；不過它對機油消耗量很大，機油泵產(chǎn)生的摩擦功會增加，因此會產(chǎn)生附加的損失，是三種可變凸輪正時技術(shù)中最基礎(chǔ)的一種。目前，OPA技術(shù)已有多個量產(chǎn)項目，博格華納預計到2017年OPA的產(chǎn)量將達到250萬個。

2.TA

扭矩輔助相位器

TA則是利用機油壓力和可獲得的凸輪軸扭矩來驅(qū)動，由于采用的機油泵較小，因此其附加的功率損失也比較小，凸輪軸上只需單油道給相位器供油。

四缸發(fā)動機中，每一缸開啟和關(guān)閉過程中必然會導致凸輪軸有一個減速和一個加速的過程，氣門開啟時氣門彈簧對凸輪軸施加力，形成扭矩，該扭矩和凸輪軸為順時針方向轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個逆時針扭矩，使凸輪軸做減速運動。此時，鏈條要驅(qū)動凸輪軸運動，就需要增加力，讓凸輪軸與曲軸同步。當凸輪軸氣門開啟到頂點，隨后關(guān)閉過程中，它產(chǎn)生反向扭矩，和凸輪軸旋轉(zhuǎn)方向相同，凸輪軸加速運動。

四缸機一個工作循環(huán)中，曲軸旋轉(zhuǎn)720°，有四個正弦波。凸輪軸加速運動時，油路打開，凸輪軸帶著轉(zhuǎn)子加速向前運動，這樣相位會提前。凸輪軸減速運動時，鏈條帶動鏈輪和曲軸同步，相位會滯后。TA就是利用了以上凸輪軸扭矩的特性來提高性能。

TA在1000rpm-5350rpm區(qū)間的相位角-扭矩圖

對于四缸機而言，它還有個特點，在低速下有比較明顯的正弦波，隨著轉(zhuǎn)速升高，正炫波越來越不明顯。工程師指出，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2500rpm以下時，該技術(shù)最能發(fā)揮優(yōu)勢，而一般城市工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速也不太會超過2500rpm，因此這項技術(shù)在絕大部分工況下，對于提升發(fā)動機性能非常有利。TA的油路特別短，主油道的油經(jīng)過單向閥，再流經(jīng)機油控制閥，到達相位器，因此它的響應性能非常好。

相比OPA，TA具有更快的相位調(diào)節(jié)速度，在高溫、低溫、低速時性能也更好。對整車廠而言，發(fā)動機油道設(shè)計更簡單。一般情況下如果OCV裝在正時罩蓋或氣門罩蓋上，OCV附近就需要3路油道；而使用TA，客戶可以直接把凸輪軸前端軸頸的潤滑油油道同主油道相連并加大流量即可，通過凸輪軸軸頸一路油道向VCT供油。據(jù)悉，TA形式是目前國內(nèi)可變凸輪技術(shù)發(fā)展的趨勢。

3.CTA

CTA技術(shù)利用氣門機構(gòu)對凸輪軸產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)能量來調(diào)節(jié)凸輪軸相位，這與液壓棘輪相類似。與傳統(tǒng)的OPA相位器相比，CTA在更寬的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍及溫度范圍下能以更快的調(diào)節(jié)速度工作，這樣發(fā)動機能以更快的速度做出響應并在所有轉(zhuǎn)速下更有效地運行，其執(zhí)行角度可達到100°。

曲軸扭矩驅(qū)動相位器

CTA的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

-利用凸輪軸扭矩驅(qū)動，凸輪軸上只需單油道給相位器供油

-在發(fā)動機全轉(zhuǎn)速都能實現(xiàn)快速的調(diào)節(jié)速度，不受機油溫度和壓力大小的影響

-非常低的機油消耗（約為OPA的10%）

發(fā)動機各種油溫、油壓下CTA的性能變化幾乎不變

根據(jù)實驗分析數(shù)據(jù)，CTA在通常的各種油溫、油壓條件下，性能幾乎沒有發(fā)生改變。

中間位置鎖止技術(shù)

中間位置鎖止示意圖

由于常規(guī)可變氣門相位系統(tǒng)初始相位的是相位器的角行程范圍的一端，因此發(fā)動機低溫啟動性能、標定策略受限于在設(shè)計可變正時系統(tǒng)時設(shè)計的調(diào)節(jié)角度。例如阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán)發(fā)動機中，在進氣反流的時候需要把進氣相位器的滯后角度進一步增加，這時候若還是鎖止在端面的話，就導致系統(tǒng)無法平衡熱啟動與冷啟動的氣門重疊角。

博格華納的中間位置鎖止技術(shù)的初始位置設(shè)定在一個中間位置，這樣允許更大的調(diào)節(jié)角度和更好的氣流控制，從而提升了燃油經(jīng)濟性和效率。幾乎任何可能的發(fā)動機工作條件下，通過一個帶專利的液壓回路自動地將系統(tǒng)移至中間位置，實現(xiàn)可靠的復位過程。中間位置鎖止技術(shù)的優(yōu)勢總結(jié)如下：

-中間鎖止可實現(xiàn)發(fā)動機阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán),并能鎖止在客戶所需的任何位置

-在發(fā)動機非正常關(guān)機時，相位器能主動回到鎖止位置

-對發(fā)動機缸蓋及缸體改動小或無需改動

電子相位器

電子相位器尺寸

OPA、TA、CTA都屬于液壓相位器，在這之上，博格華納還有適用于高端車型的電子相位器技術(shù)，其成本較高，但性能更出眾。博格華納工程師介紹，其特點是可以實現(xiàn)模塊化設(shè)計，相位器的執(zhí)行角度比液壓相位器更大。電子式相位器執(zhí)行速度不受油壓影響，且很好的提升了發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時的響應。其次，它在不同發(fā)動機平臺上均可使用相同的相位器，通用化強，且擁有更大調(diào)節(jié)角度范圍，并允許應用新的發(fā)動機標定策略。

電子相位器由鏈條帶動外殼，外殼里面一套行星輪機構(gòu)，中央是一個太陽輪機構(gòu)和電機相連，中間的行星架和凸輪軸相連。鏈條和太陽輪兩路輸入，行星架一路輸出。太陽輪有兩道外齒圈，行星輪在與外齒圈嚙合時產(chǎn)生速度差，實現(xiàn)相位調(diào)節(jié)——如果太陽輪加速旋轉(zhuǎn)，那么相位就滯后，如果太陽輪減速旋轉(zhuǎn)，那么相位就提前。

電子相位器結(jié)構(gòu)圖

下圖是博格華納電子相位器與競品在馬自達SkyActive發(fā)動機上的性能對比，博格華納的產(chǎn)品（紅色）相位執(zhí)行運轉(zhuǎn)速度明顯超過競品（藍色），僅在高速條件下（約5800-6000rpm），滯后方向的執(zhí)行運轉(zhuǎn)速度會稍微比競品慢一些。

博格華納電子相位器與競品在馬自達SkyActive發(fā)動機上的性能對比

工程師指出，目前相位器行星輪機構(gòu)效率已經(jīng)得到進一步提高，此后的產(chǎn)品會比圖中的紅線性能更好。其預計未來兩年內(nèi)，中國車企會對這項技術(shù)進行前期開發(fā)探索。

AirFinityVVA可變氣門驅(qū)動技術(shù)

AirFinity技術(shù)可省去發(fā)動機的進氣凸輪軸

“隨著未來節(jié)能法規(guī)進一步嚴苛，或許這項技術(shù)將在5-6年后成為趨勢”工程師預計。AirFinityVVA代表著目前最先進的可變氣門驅(qū)動技術(shù)水平。據(jù)悉，它利用了博格華納摩斯系統(tǒng)的氣門控制和制造技術(shù)，采用螺栓安裝式的模塊化總成，無需進氣凸輪軸，并提供全可變氣門升程曲線以支持多種控制策略，適用于所有活塞發(fā)動機。此外，它不單單是一個產(chǎn)品，而是一個系列，后幾代的研發(fā)重點會放在更靈活的連續(xù)可變氣門升程設(shè)計上，會讓發(fā)動機完全不需要進排氣凸輪軸。所以，AirFINITY可以實現(xiàn)最緊湊的直噴發(fā)動機布置。