小型發(fā)動(dòng)機(jī)逆襲 淺析博格華納可變凸輪相位技術(shù)

汽車剛發(fā)明時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)都是單缸的。隨著人們對(duì)動(dòng)力性能的追求，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)越來(lái)越多。再后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)地球上的能源消耗太快，于是開(kāi)始倡導(dǎo)節(jié)能、減排。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)又從大排量、多缸發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸向小排量、少缸數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)目前在全球的市場(chǎng)占有率約為75%，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化趨勢(shì)已愈演愈烈。而如何在小型化的同時(shí)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(shí)它還必須更高效。渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、可變氣門正時(shí)（VVT）、可變凸輪正時(shí)（VCT）……這些都是整車廠當(dāng)前比較青睞的技術(shù)。相比之下，可變凸輪正時(shí)是信價(jià)比比較高的一類技術(shù)，它通過(guò)優(yōu)化扭矩波動(dòng)、快速調(diào)節(jié)至最佳相位從而達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、節(jié)油等目的。

博格華納在可變凸輪正時(shí)技術(shù)上有著其獨(dú)到的專利技術(shù)。據(jù)工程師描述，可變凸輪正時(shí)、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(shí)技術(shù)由于其高信價(jià)比性價(jià)比，已被一些主機(jī)廠應(yīng)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(shí)技術(shù)，分別為油壓驅(qū)動(dòng)式（簡(jiǎn)稱OPA）、扭矩輔助式（簡(jiǎn)稱TA）、曲軸扭矩驅(qū)動(dòng)式（簡(jiǎn)稱CTA）。在這三種形式的基礎(chǔ)上，還可擴(kuò)展加入中間位置鎖止技術(shù)（MPL），使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)更大的行程和更好的氣流控制，從而提升燃油經(jīng)濟(jì)性、功能和效率。

三種形式的可變凸輪正時(shí)技術(shù)

1.OPA

油壓驅(qū)動(dòng)相位器

OPA利用機(jī)油壓力驅(qū)動(dòng)，并采用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)油控制閥（OCV），其相位調(diào)節(jié)速度與機(jī)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(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；不過(guò)它對(duì)機(jī)油消耗量很大，機(jī)油泵產(chǎn)生的摩擦功會(huì)增加，因此會(huì)產(chǎn)生附加的損失，是三種可變凸輪正時(shí)技術(shù)中最基礎(chǔ)的一種。目前，OPA技術(shù)已有多個(gè)量產(chǎn)項(xiàng)目，博格華納預(yù)計(jì)到2017年OPA的產(chǎn)量將達(dá)到250萬(wàn)個(gè)。

2.TA

扭矩輔助相位器

TA則是利用機(jī)油壓力和可獲得的凸輪軸扭矩來(lái)驅(qū)動(dòng)，由于采用的機(jī)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(dòng)機(jī)中，每一缸開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中必然會(huì)導(dǎo)致凸輪軸有一個(gè)減速和一個(gè)加速的過(guò)程，氣門開(kāi)啟時(shí)氣門彈簧對(duì)凸輪軸施加力，形成扭矩，該扭矩和凸輪軸為順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針扭矩，使凸輪軸做減速運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，鏈條要驅(qū)動(dòng)凸輪軸運(yùn)動(dòng)，就需要增加力，讓凸輪軸與曲軸同步。當(dāng)凸輪軸氣門開(kāi)啟到頂點(diǎn)，隨后關(guān)閉過(guò)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(yùn)動(dòng)。

四缸機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中，曲軸旋轉(zhuǎn)720°，有四個(gè)正弦波。凸輪軸加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，油路打開(kāi)，凸輪軸帶著轉(zhuǎn)子加速向前運(yùn)動(dòng)，這樣相位會(huì)提前。凸輪軸減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，鏈條帶動(dòng)鏈輪和曲軸同步，相位會(huì)滯后。TA就是利用了以上凸輪軸扭矩的特性來(lái)提高性能。

TA在1000rpm-5350rpm區(qū)間的相位角-扭矩圖

對(duì)于四缸機(jī)而言，它還有個(gè)特點(diǎn)，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(lái)越不明顯。工程師指出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2500rpm以下時(shí)，該技術(shù)最能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，而一般城市工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也不太會(huì)超過(guò)2500rpm，因此這項(xiàng)技術(shù)在絕大部分工況下，對(duì)于提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能非常有利。TA的油路特別短，主油道的油經(jīng)過(guò)單向閥，再流經(jīng)機(jī)油控制閥，到達(dá)相位器，因此它的響應(yīng)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(shí)性能也更好。對(duì)整車廠而言，發(fā)動(dòng)機(jī)油道設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。一般情況下如果OCV裝在正時(shí)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(rùn)滑油油道同主油道相連并加大流量即可，通過(guò)凸輪軸軸頸一路油道向VCT供油。據(jù)悉，TA形式是目前國(guó)內(nèi)可變凸輪技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

3.CTA

CTA技術(shù)利用氣門機(jī)構(gòu)對(duì)凸輪軸產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)能量來(lái)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)能以更快的速度做出響應(yīng)并在所有轉(zhuǎn)速下更有效地運(yùn)行，其執(zhí)行角度可達(dá)到100°。

曲軸扭矩驅(qū)動(dòng)相位器

CTA的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

-利用凸輪軸扭矩驅(qū)動(dòng)，凸輪軸上只需單油道給相位器供油

-在發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速都能實(shí)現(xiàn)快速的調(diào)節(jié)速度，不受機(jī)油溫度和壓力大小的影響

-非常低的機(jī)油消耗（約為OPA的10%）

發(fā)動(dòng)機(jī)各種油溫、油壓下CTA的性能變化幾乎不變

根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(méi)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(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能、標(biāo)定策略受限于在設(shè)計(jì)可變正時(shí)系統(tǒng)時(shí)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)中，在進(jìn)氣反流的時(shí)候需要把進(jìn)氣相位器的滯后角度進(jìn)一步增加，這時(shí)候若還是鎖止在端面的話，就導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法平衡熱啟動(dòng)與冷啟動(dòng)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(gè)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(jì)性和效率。幾乎任何可能的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下，通過(guò)一個(gè)帶專利的液壓回路自動(dòng)地將系統(tǒng)移至中間位置，實(shí)現(xiàn)可靠的復(fù)位過(guò)程。中間位置鎖止技術(shù)的優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：

-中間鎖止可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)非正常關(guān)機(jī)時(shí)，相位器能主動(dòng)回到鎖止位置

-對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋及缸體改動(dòng)小或無(wú)需改動(dòng)

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(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，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(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的響應(yīng)。其次，它在不同發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上均可使用相同的相位器，通用化強(qiáng)，且擁有更大調(diào)節(jié)角度范圍，并允許應(yīng)用新的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定策略。

電子相位器由鏈條帶動(dòng)外殼，外殼里面一套行星輪機(jī)構(gòu)，中央是一個(gè)太陽(yáng)輪機(jī)構(gòu)和電機(jī)相連，中間的行星架和凸輪軸相連。鏈條和太陽(yáng)輪兩路輸入，行星架一路輸出。太陽(yáng)輪有兩道外齒圈，行星輪在與外齒圈嚙合時(shí)產(chǎn)生速度差，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)——如果太陽(yáng)輪加速旋轉(zhuǎn)，那么相位就滯后，如果太陽(yáng)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(jìng)品在馬自達(dá)SkyActive發(fā)動(dòng)機(jī)上的性能對(duì)比，博格華納的產(chǎn)品（紅色）相位執(zhí)行運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯超過(guò)競(jìng)品（藍(lán)色），僅在高速條件下（約5800-6000rpm），滯后方向的執(zhí)行運(yùn)轉(zhuǎn)速度會(huì)稍微比競(jìng)品慢一些。

博格華納電子相位器與競(jìng)品在馬自達(dá)SkyActive發(fā)動(dòng)機(jī)上的性能對(duì)比

工程師指出，目前相位器行星輪機(jī)構(gòu)效率已經(jīng)得到進(jìn)一步提高，此后的產(chǎn)品會(huì)比圖中的紅線性能更好。其預(yù)計(jì)未來(lái)兩年內(nèi)，中國(guó)車企會(huì)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行前期開(kāi)發(fā)探索。

AirFinityVVA可變氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)

AirFinity技術(shù)可省去發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣凸輪軸

“隨著未來(lái)節(jié)能法規(guī)進(jìn)一步嚴(yán)苛，或許這項(xiàng)技術(shù)將在5-6年后成為趨勢(shì)”工程師預(yù)計(jì)。AirFinityVVA代表著目前最先進(jìn)的可變氣門驅(qū)動(dòng)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(wú)需進(jìn)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(dòng)機(jī)。此外，它不單單是一個(gè)產(chǎn)品，而是一個(gè)系列，后幾代的研發(fā)重點(diǎn)會(huì)放在更靈活的連續(xù)可變氣門升程設(shè)計(jì)上，會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)完全不需要進(jìn)排氣凸輪軸。所以，AirFINITY可以實(shí)現(xiàn)最緊湊的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)布置。