可變氣門正時的昨天/今天/明天
同人類的呼吸系統(tǒng)一樣，發(fā)動機在不同工況下對進入氣缸的空氣也有不同的要求。如果只保持一種進排氣模式的話，那么，就不能夠保證發(fā)動機在各種情況下都擁有很好的輸出效果，從而不僅無法表現(xiàn)出相應的動力，也不能實現(xiàn)低油耗的效果。而氣門可變正時系統(tǒng)則將這種束縛變?yōu)榱诉^去，那么，這項技術究竟是怎樣發(fā)展的呢？
盡管大家對四沖程發(fā)動機的工作原理都已經(jīng)非常了解了，不過，氣缸的進排氣系統(tǒng)卻并不簡單。在氣門的發(fā)展歷史上，我們使用過活塞式氣門、套筒式氣門、旋轉式氣門，不過最終我們還是使用了最為靈活實用的凸輪氣門系統(tǒng)，因為在控制氣門開合方面，這種形式是最有效的，對氣門的作用力比較簡單。
不過隨著對發(fā)動機表現(xiàn)要求的進一步提高，人們開始研究除了在進氣和排氣沖程開合氣門以外，還有沒有更好的能夠使油氣混合的辦法。為了增加更多的進氣量，設計人員希望活塞在抵達下止點的時候也不關閉進氣門，也就是說，只要吸氣行程依舊存在的話，就讓進氣氣門繼續(xù)開啟。因此，在活塞運行到了底部并再運行約60度曲軸角之后，才關閉進氣氣門。同樣的道理，我們也可以讓排氣氣門的開啟時間更早一些，也就是在活塞抵達下止點還剩60度曲軸角之前就打開排氣氣門，因為，此時，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。
雖然提早開啟排氣氣門會損害一定的有用能量，但同時，過多的背壓更會影響車輛的性能表現(xiàn)（這也是為什么廢氣中有足夠的能量來推動蝸輪運轉的原因）。而在活塞完成了第四個沖程之后，工程師們卻依舊不會讓排氣氣門閉合，從而使活塞在繼續(xù)旋轉了15-20度曲軸角之后再閉合。同時，進氣氣門則在再次進行第一個沖程之前的10-20度就進行開啟，從而使更多的油氣混合汽進入氣缸。這樣，大約有30-40度曲軸旋轉的階段是進氣和排氣氣門同時開啟的。
這種進氣和排氣氣門共同開啟的階段我們稱為重疊階段。通過這種設計，可以進一步提高發(fā)動機的性能，尤其是對于一些高轉速發(fā)動機來說，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正時技術而言，“妥協(xié)”是最為重要的。
在低轉下表現(xiàn)出色的設計在高轉下就未必有效，而重疊較多的發(fā)動機設計則在低轉時的扭矩輸出方面表現(xiàn)欠佳，重疊少的發(fā)動機則是在犧牲了動力性能的前提下?lián)Q來了發(fā)動機的平順性和高扭矩。因此，就需要在設計時，充分考慮到凸輪形狀和正時的設計，從而優(yōu)化發(fā)動機的表現(xiàn)。
因此，在相當長的一段時間內，發(fā)動機的設計一直比較中庸，沒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，在上世紀70年代初，出于減排目的而開發(fā)的可變凸輪正時技術卻給了發(fā)動機設計界一個重要的啟示。在重疊階段應用氣門正時調節(jié)可以通過廢氣來降低溫度，從而減少NOx的排放。
因此，在上個世紀七十年代，廢氣外循環(huán)（EGR）技術在減少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，發(fā)動機的設計將更為簡單。所以，后來人們應用了更長的重疊時間，從而使部分廢氣能夠在進氣沖程時進入氣缸。不過，雖然這個問題得到了解決，但是，怠速和低速的工作效果又受到了影響，并使發(fā)動機無法在起步階段通過廢氣高溫來激活催化劑，所以，人們開始使用了可變凸輪正時技術。
最先將氣門正時技術應用在量產(chǎn)車中的公司是意大利的阿爾法羅密歐。作為第一個開發(fā)出了雙凸輪軸量產(chǎn)發(fā)動機的廠商，他們用兩根不同的凸輪軸來控制進氣氣門和排氣氣門的開閉時間，從而達到了比單凸輪軸更為有效的效果。這家車廠一名叫Giampaolo Garcea的工程師發(fā)明了一個裝置，就是在進氣凸輪軸的主動鏈輪里加上一個設備，并由螺旋鍵槽將其與凸輪相連接，來改變氣門的正時效果。它設計的發(fā)動機標準重疊時間為16度，但在發(fā)動機高速運轉的時候，它可以將開啟時間增加32度，從而使重疊時間擴大到48度。
最先配備這種系統(tǒng)的車型就是阿爾法羅密歐Spider。當這款車在歐洲銷售的時候，該公司進一步增大了重疊角度以獲得更好的燃油經(jīng)濟性。后來在配備了Bosch公司的Motronic發(fā)動機管理系統(tǒng)之后，發(fā)動機的正時技術便越來越依賴于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(tǒng)，也就是后來所說的NVCS和VTEC系統(tǒng)。在1992年，寶馬公司也開發(fā)出了自己的Vanos系統(tǒng)，最先被應用在了進氣凸輪軸上，后來，又于1998年，推出了他們的雙Vanos系統(tǒng)。而保時捷公司的辦法則是在兩根凸輪軸之間應用一個鏈條對氣門正時進行調節(jié)。
不過，上述所介紹的這些系統(tǒng)都屬于雙凸輪發(fā)動機，但那些單頂置凸輪的發(fā)動機又怎樣實現(xiàn)氣門正時的最優(yōu)解呢？當然，最簡單的辦法就是改變整個凸輪軸的旋轉位置。然而，由于凸輪軸上的凸輪的位置都是相對固定的，所以無法在工作中改變進排氣的重疊時間。于是，通用公司在2005年推出了一種新技術，那就是在凸輪軸的驅動端安裝上一個液壓相位調節(jié)裝置，從而改變進氣氣門的重疊時間。
當然，通過在凸輪軸的驅動段安裝液壓相位調節(jié)機構來調節(jié)并不難實現(xiàn)。但問題是，如何在一個凸輪上改變進氣和排氣凸輪的相對相位。1973年，通用公司進行了相關的實驗。他們通過將一個大凸輪軸內設置一個同心小凸輪軸，在小凸輪上安裝一套排氣氣門，這樣，可以通過螺旋花鍵來改變進氣凸輪與排氣凸輪的相對位置，從而實現(xiàn)可變氣門正時。不過，這項技術由于過于復雜，造價太高而最終沒能得到大規(guī)模的使用。
正當人們深陷于復雜的設計而無法量產(chǎn)的時候，凸輪軸制造技術上的改變激發(fā)了人們的想象。隨著凸輪軸制造技術變成了組裝生產(chǎn)，因此，Mechadyne將兩端都裝上了凸輪，并在凸輪軸的驅動端配備了一個相位調節(jié)機構，從而形成了可獨立調節(jié)進氣和排氣正時的SCP凸輪軸。
在上世紀90年代末，Mechadyne便開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項目產(chǎn)生了濃厚的興趣。雖然當時研發(fā)的蝰蛇V10發(fā)動機在動力上非常強大，它的重疊時間很長，不過，在怠速和低速排放方面卻無法滿足OBD的要求。因此，他們認為只有可變氣門正時技術才能解決這個難題。
在2002年，通過Mechadyne和小組其他人員開始想辦法將英國公司的SCP技術應用到他們的發(fā)動機中。不過，這項技術也遇到了問題，因為通過改變凸輪軸軸承的直徑來放置更為復雜系統(tǒng)的方式將會給生產(chǎn)環(huán)節(jié)帶來更大的難題。
最終，克萊斯勒公司選擇了只改變排氣氣門正時的技術，使其降低低轉下重疊的時間。通過這個技術，可以將昂貴的電傳控制省去，使結構更加簡單。后來，德國的Mahle根據(jù)這項技術對SCP凸輪軸進行生產(chǎn)，并將其演化為一種名叫“CamlnCam”的技術。因此，在08款的蝰蛇SRT10的8.4升發(fā)動機上，它不僅能夠滿足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，至于為什么沒有在進氣氣門上應用SCP凸輪軸，主要的原因是由于即便是將動力性還可以再提高一個水平，但對于蝰蛇來說，增加的功率也只會是演變成更多的胎煙而已，沒有什么實際意義。
說到這里，我們是不是找到了一個終極解決辦法呢？并沒有。不過，目前比較先進的方法被稱為非凸輪控制技術，這種技術可以在液壓作用力或電磁力下對氣門的開合進行單獨控制。它的優(yōu)點在于能夠根據(jù)發(fā)動機的轉速來實時調節(jié)，控制實際上就是由中央處理器完成的。在電磁泵的作用下，通過彈簧來控制節(jié)氣門的開合。此外，還需要傳感器向控制中心進行氣門工作狀態(tài)反饋。
在這個方面，英國的蓮花公司發(fā)展的比較快，開發(fā)出了一種名叫主動配氣系統(tǒng)（AVT）技術。而法國人也在無凸輪控制技術方面發(fā)展迅速。德國的FEV，Bosch和AVL也都擁有自己在這個領域的獨門絕技。寶馬公司更是已經(jīng)將其Valvetronic系統(tǒng)應用到了它的無凸輪發(fā)動機上。
無凸輪的可變氣門正時技術還將開啟發(fā)動機設計新的篇章，也就是被稱為“可控自動點火系統(tǒng)”（CAI），這種系統(tǒng)可以使一臺汽油發(fā)動機像柴油發(fā)動機一樣的工作（Diesotto）。在進氣沖程階段，氣缸內的很多熱點再加上再循環(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。壓燃過程所需要的內外循環(huán)的廢氣正好是無凸輪發(fā)動機所能給予的，據(jù)計算，這種燃燒方式可以使發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性提高10%以上。
四沖程發(fā)動機的設計非常完美，但伴隨它的技術卻需要在不斷的發(fā)展中持續(xù)更新。奔馳的Diesotto發(fā)動機就是一個很好的典范，通過技術創(chuàng)新使一款1.8升的發(fā)動機可以實現(xiàn)2.4甚至更大排量發(fā)動機所能達到的動力效果。因此，可變氣門正時技術必將擁有更大的發(fā)展
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