呼吸进化史

曾俊夫

配气机构就像是人体的呼吸系统，其作用就是让氧气透过呼吸道进入到体内，然后使细胞在氧气的参与下经过体内酶的催化转换，将糖类、脂肪以及蛋白质等有机物彻底氧化分解产生出二氧化碳和水，最后再释放出大量能量供肌体活动的过程。唯一不同的是，人类呼进空气，吐出二氧化碳；而汽车是呼进空气，助燃汽油或柴油，最后排出碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫等一系列污染物……

传统的内燃机（泛指汽油机和柴油机）配气机构组成部件较多，而且其机械结构对动力输出和排放的影响也较大。早期因为电子技术还未发展起来，所以工程师能想到最直接有效的改善方式，便是透过配气机构本身的机械特性来改善进气效率。比如大家熟悉的VVT（Variable Valve Timing）可变气门正时技术，最早实际上是在1982年由菲亚特第一次投入使用的。再往前追溯，VVT是一位叫Giovanni Torazza的工程师在60年代末期开发的技术。

那时候菲亚特集团把VVT装备在阿尔法·罗密欧Spider的2.0升发动机上，因为那时候TwinCam（双凸轮轴）技术已经很成熟了，所以菲亚特完全依靠发动机转速、进气压力和润滑油压力的变化来控制进气凸轮轴的旋转周期，也就是说是一套纯机械控制的正时控制机构。

有了VVT后好处自然不言而喻，可以改善动力输出，还能节省燃油，一箭双雕。VVT就像运动员一样可以随运动节奏调整呼吸，随时让双腿保持爆发力。

日本车企将VVT做到深入人心

通常来说，配气机构一般包含进排气两根凸轮轴、气门推杆、液压挺柱、摇臂、气门等部件，凸轮轴是整个配气机构的控制主体，它由皮带连接曲轴产生动力。而在这些组成部件中，气门摇臂和推杆已经不再出现在时下的小型化、轻量化发动机中，所以也越来越难看到这些部件了。那一下个即将消失的配气机构部件是什么呢？大概会是凸轮轴吧，而且是进排气凸轮轴一起消失。

在菲亚特之后，1987年日产在其DOHC结构的VG系列汽油机上使用了名为NVCS的电子可变气门正时（相位）技术。日产这项技术不同之处在于进气凸轮轴不再由机械（油压）控制，转而使用电子液压驱动结构，透过发动机ECU的信号进行气门开闭相位控制。因为专利保护原因，日产早期并未将气门正时技术称为VVT。

紧接着日产的步伐，本田在1989年发布了VTEC技术，丰田则有了VVT-i技术。这些气门正时的控制技术都是冲着改善动力和燃油经济性来的，只需按照ECU的信息控制气门开闭时间，就可以提高发动机进气效率和燃烧效率。不过本田比较例外，它的VTEC会在发动机高转速运转时切换到单独的凸轮（高速凸轮），以提高峰值功率，也难怪那时候的本田CRX、Civic以及Integra的转速表底动不动就是9000rpm。后来，本田的i-VTEC还植入了气门升程控制，也就是控制气门开闭角度的大小，以此优化高转速时的进气效率。

舍弗勒开发了Unair“空气阀门”

菲亚特第二次改变配气机构的技术格局是在2009年，当年在日内瓦车展上，阿尔法·罗密欧MiTo亮相，这台车搭载的1.4升发动机配备了由舍弗勒开发的“Uniair”技术，不过在菲亚特这边被称为了MultiAir。

从使用的意义来看，MultiAir其实也是一种VVT技术，只不过机械结构里的气门由凸轮轴控制变为了电磁液压控制，一来可以有效降低发动机的体积和重量，此外还能独立实现发动机气门相位和升程的控制调节。在MultiAir发动机上，凸轮轴不再需要一根皮带连接曲轴获取动力，而随着以后插电式混合动力时代的到来，发动机周边设施如空调、启动机、发电机和水泵都将实现电子化，由此发动机的负荷会进一步降低。所以提前在配气机构上做文章，也能实现燃油经济性和排放的优化。

MultiAir技术最早由德国舍弗勒集团在2001年开发，随后菲亚特透过技术转让方式在2002年获得了专利。在经过长达七年的試验、验证后，最终于2009年形成了商品化，并装车发售。

菲亚特的MultiAir技术构建在DOHC、16气门结构基础上，进气凸轮由电磁阀、液压伺服机构取代，而排气凸轮依旧存在，所以也可以称其为SOHC单顶置凸轮轴结构。MultiAir的巧妙之处在于进气侧气门由电磁阀驱动液压活塞控制气门，那么它实际上可以根据当前车况实现无级调节相位和升程，其灵活性很高。装备在MiTo上的1.4升汽油机功率和扭矩分别提升了10%、15%，二氧化碳降低了10%，燃油经济性提高了20%，还获得了“欧洲年度发动机奖”。

观致和柯尼塞格合作推QamFree

众多厂商在“空气阀门”这条路上前赴后继，现在新兴的中国品牌观致汽车也加入了进来。观致和菲亚特的操作模式很像，它从柯尼塞格手中买到了相关技术的知识产权，并注册了属于自己的商品名称：QamFree，拆分开来就是Qoros Cam Free技术，大意就是“观致空气阀门”技术，也就是无凸轮轴技术……

柯尼塞格是著名的HyperCar生产商，同时他们也在致力于新发动机的研发。在2003年的时候柯尼塞格与SAAB一起携手研究新的方式来控制凸轮轴，但由于SAAB发生财务危机，这项研究被迫中止。后来在2009年，柯尼塞格看中了Cargine Engineering公司的无凸轮轴技术，并将其收购到麾下，同时还成立了FreeValve公司，专心致志地继续研究无凸轮轴技术。实际上，Cargine Engineering的工程团队都悉数转往FreeValve继续开发工作。FreeValve选用了电磁阀驱动液压机构的进排气门控制方案，可以实现相位和升程可控，比菲亚特一开始做的进气门侧无凸轮轴更进了一步，控制策略的难度也增加了不少。

其實在结构上还是利用了电磁阀、液压机构、气门、弹簧这几个必要的零部件，不过 FreeValve的开发逻辑相对来说要更加清晰，即每缸四气门结构中的任何一个气门都可以透过电磁阀单独控制，实现开闭。比如发动机高转速时，四个气门全开，以此提高配气效率；而在低转速时，则关闭一个进气、一个排气门，以此保证充沛的扭矩。

对于观致来说，一个新品牌要立足于市场，不仅要有新车作为产品支撑，背后还要有可供持续发展的新技术。显然，无凸轮轴发动机是时下的一个突破方向，配合Hybrid系统，前景一片光明。观致目前已将它的1.6T发动机改造成CamFree结构进行路试，经过测试，发动机的动力提升超过50%。另外，QamFree发动机长度减少70mm，高度降低50mm，重量更是减轻了25kg，由此实现油耗下降10%。尽管目前“QamFree”离正式量产投放市场还有段距离，至少市场已经看到了方向，或许还有更多的厂商会加入进来。