给汽油车续命:韩国人也有份
2020-08-25 13:53:00  出处:虎嗅网  作者:胡洋 编辑:万南   点击可以复制本篇文章的标题和链接

身处这个视电动如魔法的时代,依然有人对内燃机技术念念不舍。不光是有,且有很多。

看过许家印老板投资的千万级超跑柯尼塞格,如何用高度电气化的 Freevalve 系统做到惊人性能,你应该知道:内燃机的动力和效能,很大程度上取决于吸入空气的能力。普通的机械气门正时系统,进气门开启动作是定死不变的,但内燃机在不同工况下所需的理想进气量并不相同。这对矛盾使得设计时必须两头考虑,这限制了内燃机综合表现——动力和效率——的提升。

给汽油车续命:韩国人也有份

最最基本的凸轮轴气门正时系统长这样,发动机曲轴(最终输出动力的轴)转 2 圈,上面的凸轮轴转 1 圈。气门由凸轮轴上的凸轮凸起部分顶开,这样气门开闭动作就与发动机运转的相应时机相匹配。进排气门各自的开启时段,正好对应四个冲程中的进气冲程和排气冲程。

缺点也很明显,所有东西都是定死不变的。如前面所解释的,面对不同工况下的不同需求,“不变”不是好事。

别急着说自己看不懂,放心,即便你完全不懂内燃机的四个冲程,也并不影响你了解可变气门技术的神奇——本质不过是工程师们大开脑洞,用奇思妙想攻克空间几何问题。

可变的开门时机

虽说四个冲程中,进气-压缩-做功-排气,进、排气都有对应的冲程,但真实的进排气动作时间并不与相应冲程 100% 对应。因为在高转速时,各个冲程时间极短,我们希望进气门早一点开、排气门晚一点关,进排气门有一点点时间是同时开着(术语叫气门重叠角),这样可以让此时的进气更充足、排气更彻底。然而在低转速时,进排、气时间都很充裕,气门重叠角又不宜过大,否则进气门吸进来的空气又被同时开启的排气门排出去了,导致进气不足。

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(overlap:真实运转中,进气门与排气门开启会有很小的重叠)

这样就产生了第一对矛盾:高转速时气门重叠角要大一点,低转速时又需要减小重叠角。落实到气门动作上,大重叠角需要进气门开启提前一点,小重叠角则需要进气门滞后一点。

于是为了实现兼顾,可变气门正时系统 VVT 被发明出来。人们在原有凸轮轴基础上,在凸轮外侧安装了一个可旋转一定角度的相位调节器。进气门凸轮轴相对于整个正时系统的角度可以变化,进气门开启的早晚时机也就可以调节,从而实现可变的气门重叠角。

VVT 用于进气门的效果最明显(下面其他可变气门技术同理),后来也开始在排气门上应用 VVT,进、排气两侧都有 VVT 的系统,就会被称为双 VVT 或 DVVT。现在多数汽车大厂都掌握(或者获得)了 VVT 这项技术,各家命名有所不同,比较著名的像丰田的 VVT-i、宝马的 VANOS 等等。

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(右上角:VVT 实现气门重叠角可变)

可变的气门开度

与可变气门正时要解决的问题类似,基础的机械气门结构,气门打开的幅度(术语叫气门升程)是固定不变的:凸轮的物理凸起有多高,气门就会被“顶开”多大。

但不同的工况下,内燃机所需的最佳充气速度是不同的。比如低转速时,进气门开启时间较长,需要进气过程尽量缓和绵长,这样可以让油气混合得更均匀,提高燃烧效率;而高转速时,进气门开启时间很短且发动机通常处于高负荷,本来就需要更多空气,所以需要进气效率尽可能高、尽快吸入充足空气。

这又是一对矛盾,设计内燃机需要平衡高低转速时的需要,妨碍了内燃机进一步提高效能。于是,可变气门升程系统 VVL 出现了。实现气门升程可变,各家有自己的独门方法,最著名的当然是本田引以为豪的 VTEC 技术。

VTEC 早在 1989 年就诞生了,在今天看来,本田的做法其实非常简单:一个凸轮的形状是固定的,那我另加一个高转速专用凸轮不就得了?在传统结构基础上,VTEC 增加了一个对应更高升程的“大”凸轮。在更高转速需要更强动力时,拨动一个锁止销,即切换到高升程凸轮。本田以简单但精巧的纯机械结构,轻松实现了气门升程的两级可调。

凭着 VTEC,本田在日系车辉煌的 90 年代打造了一系列著名高性能引擎,VTEC 也成了本田粉丝的信仰所在。

几十年过去,VVL 可变气门升程已经为多数品牌所掌握,有些还通过各种独门方法,实现了能够无极连续调节的可变升程(VTEC 是两级可调)。典型如宝马的看家技术 Valvetronic、日产的 VVEL,用电机控制手段,实现了全程连续可调的可变气门升程。

基于可变气门的进气调节技术,这几十年来,大体上就是 VVT 可变正时和 VVL 可变升程两大类。在实现了电机控制的无极调节后,继续优化 VVT 和 VVL 的价值已经不大,两段调节的本田 VTEC 到今天依然在发光发热。至于柯尼塞格使用的 Freevalve 技术,彻底去掉了机械正时传动,全面由电子系统直接控制气门,虽然效果拔群,但成本和可靠性难以用于大众市场。

然而对于一些之前在内燃机领域相对落后的车企,跳过 VVT 和 VVL 直接研发“新东西”,就是一个划得来的选择。

可变的开门时长

2020 年,现代在这个时候拿出了自己的得意之作:可变气门持续期 CVVD 技术。这是第一个实现无极调节进排气门正时与持续时长的气门控制技术。

可以这么理解,VVT 是调节“气门开启那段时间”出现得早一点还是晚一点,VVL 是调节气门开启幅度的大小,而 VVD 是调节“气门开启那段时间”的持续时长(也就同时控制了开门动作的早晚)。至于 C 代表的是无极、连续可调(continuously)。

现代这个 CVVD 技术,首先是可以变相改变进气门开启的时机,覆盖了传统 VVT 调节气门重叠角的功能;和 VVL 相比,可变气门升程的根本目的是改变进气效率、调整单位时间进气量、最终调节进气量,而 CVVD 可调节的气门持续时长同样能达到这一效果。只不过 VVL 是改变开门幅度大小,VVD 是改变门开启的时长。

VVT 和 VVL 都好理解,VVT 改变气门打开的早晚,把对应的凸轮偏转一个角度就是了;VVL 改变气门打开的幅度,切换到一个凸起更大的凸轮就好了。VVD 要改变气门打开的持续时间,而且是无极调节,难道要让金属凸轮的形状连续可变吗?又不是气球。

CVVD 技术要实现的效果看似复杂,基本原理却也简单,但细想你又不得不叹服“这是咋想出来的”。CVVD 技术的基础原理,可以归纳为“轴心错位会让物体旋转过程的半圈变快,另外半圈变慢,而总体转速不变”。

先忽略掉黄色代表的凸轮,橙色连杆是套在蓝、紫色杆上,可以延着蓝、紫杆自由滑动。以最左边为例,当橙色连杆向左偏移,偏离原本的共同旋转中心,如果以紫色连杆为参考系,你会发现蓝色连杆在旋转到左边半圈时变慢,转到右边半圈时又加快,最终转完一整圈的用时不变,即蓝色杆总体转速还是与紫色杆同步。

调整橙色连杆偏离原旋转中心的距离,可以改变蓝色杆转到左侧时变慢、转到右侧时变快的幅度(或者说改变转速差),从而实现连续的无极调节。

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(注意:图中的紫色杆是始终同步的)

现在,把紫色杆想象成发动机凸轮轴,所以转速是始终稳定不变的;蓝色代表着控制气门动作的凸轮,我们要改变的就是它的运动;上面的左右半圈,对应着控制气门的半圈和另外半圈。把橙色连杆的旋转中心向一侧偏移,凸轮在旋转到这半圈时速度就会变慢,控制气门开启的持续时间变长;但转到另一半圈时转速又会加快,“追上”紫色凸轮轴的转速,于是同步进入下一个整圈。

总之,就是借助一个第三连杆的偏移,让旋转过程的其中一半减速,转到另一半时再加速(或者反之),所以整体上还是能保持每一圈同步。但气门控制只与其中的半圈相关,所以控制其中一半的转速快慢,就可以调整气门开启持续期的长短,并且可以做到无极连续可调。

把上面那张动图,改造为现实中的发动机结构,CVVD 的核心部件就出来了。

与我们熟悉的 VVT、VVL 系统相比,现代开发 CVVD 技术的时代毕竟更近,所以 CVVD 第一个做到了气门持续时长的连续可变,实现更为接近理想化的发动机进气控制。

CVVD 的实际装机效果,按照现代的官方数据,动力输出增加 4%、燃油效率提高 5%、排放减少 12%。看上去似乎不多?请注意这仅仅是增加了一套 CVVD 部件便获得的效果,增加的重量和成本很小;由于是纯机械系统,可靠性和可维护性也有所保证(发生故障的唯一可能就是机械损坏)。

不管是各类 VVT、各种 VVL 还是新生的 VVD,可变气门控制技术有一个共同特点:账面提升数据看着不大,但能对全工况都有改善作用。有些新技术纸面效果显著但应用工况较窄,有些新技术纸面不惊人但惠泽全工况。所以包括 CVVD 在内,可变气门技术必然是与其他类型的发动机技术一道使用,比如直喷、比如阿特金森循环、比如 EGR 废气再循环等等。

在全面电动时代到来之前,人类追求理想热机的道路,就是由这样一点一滴的进步携手垒出来的。

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- THE END -

#汽车#发动机#现代#韩系车

原文链接:虎嗅网 责任编辑:万南

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