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白日梦狗DayDreamDogs:离经叛道还是代表未来?—观致Qamfree

新客网 XKER.COM 时间:2017-05-19 20:34:40来源:汽车之家 白日梦狗DayDreamDogs 评论:

观致(QOROS)是一个曾经握有一手王炸的自主品牌。高级的外观和屡获国际大奖的设计,高品质的合作伙伴及供应商选择,都让人觉得观致将来可以代表中国自主品牌。

后来的故事,关乎商业运作,关乎市场把握,作为技术人员的我们不予评论,今天只和大家谈一谈观致同瑞典超跑制造商柯尼塞格合作开发的发动机技术。

此次白日梦车有幸同汽车之家编辑部各位前辈一起前往瑞典柯尼塞格,参观体验观致同柯尼塞格合作开发的Qamfree系统(字面意思:无凸轮轴)。

取消凸轮轴对于我们工程师来说是一件“离经叛道”的大事,出行前对该套方案有过许多讨论和猜想,下面就由传统结构开始,和大家一起探讨一下这个或许是发动机技术里程碑的:Qamfree

根据近些年各国不停出台的法规可知,在未来,内燃机必须满足越来越严格的二氧化碳排放和污染物排放要求。配气机构就像人类呼吸的器官一般,在发动机运行的过程中,扮演了一个非常重要的角色。人类在行走、跑步、休息、睡觉不同的状态下,呼吸空气的循环过程,其实就是发动机吸气排气的过程。

一、传统配气机构组成

在白日梦车发动机专业团队为你讲解发动机配气机构前,我们先来温习下,汽车发动机主要由两大机构和五大系统组成,两大机构指的是曲柄连杆机构和配气机构,其中配气机构主要包含的子零件有曲轴链轮/带轮,正时链条/正时皮带,正时张紧器,调相器,机油控制阀,进排气凸轮轴,进排气门,滚子摇臂,气门导管等,典型的配气机构如下图所示。

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图1 典型配气机构系统零件

二、配气机构对汽油发动机燃油经济性和尾气排放的影响

对于油耗、节能减排的讨论在汽车界日趋热烈,越来越严格的法规倒逼企业不断改革,面对2020年国产乘用车平均油耗要降至5.0L/100km这柄“利剑”,汽车企业需要不断开发新的发动机和整车技术。目前,汽油发动机热效率在28~35%之间,导致发动机热效率不高的因素有不完全燃烧和泄露造成的热损失,传热损失,泵气损失,摩擦损失等。配气机构对提高汽油机的燃烧效率,降低泵气损失,减小摩擦损失等具有显著影响,所以配气机构一直是燃油发动机新技术开发的热点和难点。

三、凸轮轴的轻量化和功能多样化

凸轮轴是配气机构的驱动力,主要是通过正时传动系统将曲轴的旋转运动转化为摇臂的摆动,按照特定的气门升程要求驱动气门按时开启和关闭如图2所示,通常4缸汽油发动机有8个进气门和8个排气门。

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图2 凸轮轴的动力传递路径和基本功能

四、凸轮轴的类型

目前我们国内汽油发动机所用凸轮轴的类型主要分为整体式凸轮轴,组合式凸轮轴和可变升程凸轮轴。整体和组合在新款车型上应用比较少,我们主要还是来看下最强版本的可变升程凸轮轴。

可变升程凸轮轴技术,简写VVL,传统汽油发动机的气门升程是固定不变的,也就是凸轮轴的凸轮型线只有一种。这就造成了该升程不可能使发动机在高速区和低速区都得到良好响应。VVL的采用,使发动机在高速区和低速区都能得到满足需求的气门升程,从而改善发动机高速功率和低速扭矩。

五、VVL在各厂家的应用

谈到VVL,各类车企都将VVL技术加以开发和专利化,行程各自独有的VVL技术,并且命名也不一样。

1- 奥迪AVS

奥迪的AVS (Audi Valvelift System),在旗下所有车型里已经广泛地运用,技术目前来看已经非常成熟。可降低4%的油耗,而且总体结构简单,无液压机构,可实现两段式升程,缺点是凸轮套筒结构复杂,对电控系统的要求高,后期一旦出现问题,维修也是比较麻烦的。

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2- 宝马ValveTronic

宝马公司开发的ValveTronic技术,可以在发动机的大部分工况下,连续改变气门升程,保证最优化的气门升程匹配。原因是宝马的控制机构是由电动机驱动的,电机通过蜗杆传动齿轮,然后由齿轮上的凸轮带动摇臂运动来改变摇臂的控制角,在凸轮轴的驱动下由摇臂带动气门运动。通过改变摇臂的角度就可以让气门实现从0.18mm到9.9mm之间的无级变化。由于是通过电机控制的,所以可以在一定区域内做无段级调节气门开度,这样驾驶起来就会毫无唐突感,舒适性更强。所以宝马的驾驶感和发动机日常工况表现的确是比较一流的。 

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3- 本田Vtec

本田黑科技公司,也有为粉丝一直津津乐道的Vtec技术(智能可变气门正时和气门升程电子控制系统)。能够同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况。当发动机由低速向高速转换时,电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮,小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度,从而使凸轮轴在60度左右的范围内向前或向后旋转,从而改变进气门开启的时刻,达到连续调节气门正时的目的,和宝马的Valvetronic有异曲同工之妙。

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六、配气机构凸轮轴几种工艺特点:

1- 热套法:

原理

利用热胀冷缩的原理,对外部零件进行加热和对内部管子进行冷却,并在NC控制的特种机床上,在短暂的时间间隔内将凸轮和各种零件先后连接成完整的凸轮轴。

特点

? 周向定位精度高(±0.25 deg),轴向尺寸精度高(±0.25 mm)

? 工艺简单,生产效率高,凸轮可预先成组磨削成型,经济性好

? 连接强度较难保证,多用于传递扭矩较低的小型凸轮轴

代表生产商 :发动机零部件巨头——德国马勒

应用厂商:大众,沃尔沃

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2- 烧结组合:

原理

将预烧结和模锻的粉末凸轮片、信号轮、轴颈嵌入或压人钢管轴上。再放入烧结炉进行正式烧结。在进行高温烧结时,伴随着烧结液相的产生,粉末凸轮材料发生收缩、致密化的同时与钢管紧密接触,凸轮与芯轴间界面形成牢固的冶金结合。

特点

? 重量轻,耐磨性好,扭矩高于机械连接方式,工艺流程短

? 尺寸精度相对略低

代表生产商: 日本NPR、韩国SECO

应用厂商:丰田、本田

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3- 硬钎焊:

原理

利用焊接材料的熔化填充来实现凸轮与轴体的连接。焊接法通常与其他连接方式配合使用。例如,首先使用热装方式将凸轮过盈装配至芯轴上,然后将凸轮和轴体焊接在一起,起到加固连接的作用。 

特点

钎焊连接法操作简单,但由于焊接时温度较高,在焊接区材料容易产生热变形,使凸轮轴的尺寸精度降低,剧烈的热变化也容易使焊接部位产生裂纹,质量难以保证。在采用这种方法时,应尽量减少焊接部位的应变,要特别注意焊接处是否有裂纹发生。此方法仅能用于钢制材料。

代表生产商  日本日夜自动车工业株式会社

4- 液压扩管法:

原理

将凸轮片预先套在轴体上,再在轴体内部通过一定的高压液体,使轴体产生径向塑性扩张。轴体内压使凸轮片产生一定的弹性变形,当内压撤销后,凸轮回弹,在凸轮与轴体之间产生一种紧密的结合力,实现凸轮与轴体的牢靠连接。 

特点

? 产品减重明显

? 工艺复杂,效率低,凸轮片存在张应力

代表生产商  德国内高压

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5- 机械扩管法:

原理

先将凸轮片套在轴体上并用专用夹具固定,然后用一带有足够过盈量的锥形或球形拉杆推过或拉过轴体,以达到扩孔的目的;也可通过滑动滚压原理来实现轴体与凸轮的连接,轴体在滚压装置的滚挤下开始发生弹性变形,然后进入塑性变形区;当抵消了凸轮和轴体的间隙后,凸轮片由于轴体往外的推挤而产生弹性变形,通过轴体的塑性扩张和凸轮片弹性变形的回弹作用产生很高的面压配,由此来形成力连接 

特点

? 产品重量轻

? 工艺复杂,尺寸精度差,故凸轮需预留足够的磨削余量,以便后续修正

代表生产商  通用汽车

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6- 花键配合:

原理

首先在管子外面滚花加工出圆周方向上的槽子,凸轮的孔内加工出轴向的浅槽,然后将加工好的凸轮套上管子并轴向压入。由于管子外径和凸轮孔之间有过盈,所以当凸轮推入到管子上面之后就会发生塑性变形。管子表面和凸轮孔都有一些锥度,所以压入之后非常牢固。 

特点

? 可靠性好,尺寸精度高,工艺简单,能耗低

? 额外增加了滚花工序

代表生产商:  蒂森克虏伯

应用厂商:宝马

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汽车由几万个零件组成,而整车厂仅仅只是部分开发和组装,旗下的零部件供应商才是汽车真正的幕后英雄,配气机构也是如此。

利纳马,马勒,蒂森克虏伯,美国环球,JD诺曼,理研都是配气机构几个比较领先的零部件商,主要是负责凸轮轴的研发和制造。

伊顿,日本日锻,日本富士等主要负责气门的研发和制造。

还有气门挺柱,摇臂机构,推杆,正时齿轮等等配气机构的部件,都是由世界各地的供应商来设计和制造。我们国产的也有非常多的优秀幕后英雄,比如,浙江和日,富临精工,玉环,河南中轴等等。

七、配气机构未来的发展方向

未来发动机的发展主基调一定是节能,其次才是在节能的基础上提升其他性能

所以配气机构也一定是以此为发展重点的,目前各大公司确定可以实施的方案主要有以下两点:

1- 更灵活的可变气门升程及正时

2- 更合理的停缸

代表技术:Uniair

这套系统由菲亚特和舍弗勒联合开发,2009年第一代Uniair就已经开始批量生产,累积50万辆车已经配备这套看家本领。这套系统,通过调整电磁阀位置,使气门暂时与凸轮位置解耦,再通过高压腔的不同压力水平,来实现气门升程可变,高压腔最大稳定压强在150bar左右。菲亚特也称,这套系统可以根据发动机工况,对气门开启关闭时刻以及气门升程做出最大优化。

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据菲亚特称,随着排放标准的日益严苛,第二代的Uniair会在未来实现停缸、均质燃烧两大创举。停缸在目前市面上已经有车型在采用,但多为排气门仍在在运动的简单停缸。而Uniair能够在未来实现“额外进气门开启式”停缸。进气门在进气冲程被打开,然后快速关上,如此仅仅被存储的废气可以流入燃烧室。这种轮流效应使得整个换气循环功显著降低,可以实现完全停缸。

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代表技术:Qamfree

把Qamfree放在最后压轴的位置,确实是因为这项技术完全颠覆了内燃机配气机构百年来的传统,把原本承担了传递、控制气门开闭的凸轮轴、摇臂体系整体取走。

QamFree以气动-液压-电动执行器(PHEA)控制发动机气门,从而取代传统的顶置凸轮轴气门控制技术,每个气门的运作都可以独立控制,也意味着每个气缸可以得到更高效精准的进排气控制。发动机在不同工况需求下,进、排气气门的正时和升程都能独立进行编程和控制。Freevalve的CTO(Freevalve是柯尼塞格集团下设研发无凸轮轴配气系统的子公司)为了解释整套系统工作的原理,带我们进入了实验室。

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从Freevalve给出的资料可以看出该套系统由空压机和油压系统驱动,在交谈中得知空压或许可以使用原有的空调压缩机,而油压系统或可以接入发动机润滑油系统,由此尽量在现有汽车系统中完成兼容和改造。

那么这样的创新到底意味着什么呢?

我们认为主要有以下几点:

1- 消除泵气损失和摩擦损失

传统发动机由节气门控制进气量,在低转速下节气门开度小的工况下,进气行程中燃烧室处在低压下,活塞需要付出额外的能量克服阻力来吸入空气,导致燃烧效率下降,电子气门或可大大改善泵气损失问题。

摩擦损失也会因为取消了大量子部件而得到质的改善。

2- 轻量化及小型化

凸轮轴及摇臂由于工况特殊,一般采用优质钢或铸铁,采用铝合金或镁合金的轻量化方式短时间内不太可能应用于类似部件。

而在发动机舱这个寸土寸金的地方,能腾出这么大地方,布局工程师肯定做梦都要笑醒了。

3- 以毫秒计的配气方式调整。

以往的VVL类技术,要么是采用多套凸轮轴(或摇臂)和切换机构来改变气门升程和开闭时间。而Qamfree在每一个气缸上都独立设置了控制芯片,来监控和控制气门的所有动作和状态。
简单的说区别在于,常规的可变气门正时或者气门升程系统有几套应对发动机工况的配气方案,根据行车电脑来判断切换,而Qamfree则是根据实时变化的数据来分别独立调整每一缸的配气方案,不存在任何限制。

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4- 故障排查

每一个气缸的工作状态都处在严格的监控下,所有的故障都会被第一时间隔离(闭缸)以及排查(行车电脑提示哪一个缸出现了什么样的问题)

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观致已经完成了这款发动机的台架试验,实验结果显示:

 燃油经济性提升——有效降低油耗;同样排量的发动机可以提高燃油经济性约15%。

 动力输出提升——同样排量的发动机扭矩提升约45%,功率提升约47%;

不同工况下发动机的燃烧效率、进排气效率大幅度提升;进气侧不再需要节气门体,PHEA可以直接实现节气门的功能,由此获得更快的发动机响应速度;涡轮增压器不再需要泄气阀,涡轮迟滞更低。

 更低的排放污染——气体直接从燃烧室顶部喷射进入形成滚流使油气混合更均匀,燃烧更充分,而且气门正时有效降低催化器的起燃点使之在冷启动后及早进入工作状态,排放自然会降低。同时,因为不需要高压直喷系统就能实现高压缩比9.0~14.0,可以减少通常直喷系统带来的颗粒。

 轻量化——QamFree系统比它代替的凸轮轴气门控制机构更小更轻,发动机整体尺寸长度可以减小约70mm,高度降低约50mm,可以减重约20Kg,进一步实现轻量化;这也为整车前部的造型、空气动力学和人体工程学设计提供更多的空间。

该项技术可能面临的问题及Freevalve公司给出的回应:

1- 电控系统的可靠性

Freevalve的CTO对自己产品的可靠性非常自信,可能也是因为他已经在这一个项目上持续进行了17年的研究。

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(Urban先生展示17年前的初代产品和二代产品)

他用一个例子来表达了对产品的自信:几十年前电子产品很少,如今却随处可见,技术已经发展到了这个时候。

1- 成本过高

新技术大部分需要经由商业化来进行大范围铺开,Qamfree也不例外。选择观致作为合作伙伴,除了有以方财团在背后搭桥外,也能看出观致对技术路线的追求和执着,因为分摊新技术成本是需要车企有脾性和勇气的。

2- 技术难点

在内部讨论后我们认为这套系统可能会面对一些无法回避的问题如,

·控制系统如何在如此高的频率下发出指令,并通过何种方式执行。

·电控气门的不规则冲击远大于原本的正弦规律冲击

以上的问题在由于涉及设计等核心机密,Urban先生谈笑中表示所有问题都在可控的范围之内,这项技术如今已经趋于成熟。

相比已经成熟运用于量产车的其他几种可变配气结构,Qamfree确实带来了更多的可能性和更灵活的解决方案。

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总结:

一直以来发动机技术都是中国自主汽车品牌的软肋,虽然部分品牌通过逆向开发或者利用技术授权设计出了数据表现较为亮眼的发动机,然而在发动机基础技术领域的不足依然非常明显。而观致,则走了一条十分基础、艰难、但可谓划时代的路线——共同开发QAMFREE全柔性电控气门系统(无凸轮轴发动机)。博世、西门子、法雷奥三大零部件巨头都尝试去研发过全柔性电控气门系统,但均没有比较优化的解决方案。

不同于国内某些车企的谄媚路线,这条路非常艰难也很不讨巧。在沐浴欧美百年造车经验的这个好时代,消费者不会给予过多的宽容。

幸好的是,这项最新技术不久就会面临市场的考验,在配气机构这块领域,有可能之后会涌现出一大批电气结合驱动、液气结合驱动、回收动能驱动等等新技术。

白日梦车认为,一项技术好不好,在目前的国内市场还是得由消费者去评判。好的技术除了实验室原型论证,还需要考虑驾驶感受、日常维护费用,耐久性等售后市场的考验。

未来的配气结构中Qamfree是否是一种完美的解决方案,作为工程师的我们拭目以待。

最后致敬所有还在坚持研发和创新的中国车企。

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