小型发动机逆袭 浅析博格华纳可变凸轮相位技术

    汽车刚发明时，发动机都是单缸的。随着人们对动力性能的追求，发动机的缸数越来越多。再后来，人们发现地球上的能源消耗太快，于是开始倡导节能、减排。汽车发动机又从大排量、多缸发动机逐渐向小排量、少缸数发动机演变。虽然目前我们仍能在超跑上看到8缸、10缸乃至12缸的发动机，然而这只为了迎合那些极少数的、追求极致性能的极客。

    数据显示，四缸发动机目前在全球的市场占有率约为75%，发动机小型化趋势已愈演愈烈。而如何在小型化的同时保证其性能就成为了汽车厂商的新课题。“小”意味着紧凑与节能，同时它还必须更高效。涡轮增压、缸内直喷、可变气门正时（VVT）、可变凸轮正时（VCT）……这些都是整车厂当前比较青睐的技术。相比之下，可变凸轮正时是信价比比较高的一类技术，它通过优化扭矩波动、快速调节至最佳相位从而达到提高发动机性能、节油等目的。

    博格华纳在可变凸轮正时技术上有着其独到的专利技术。据工程师描述，可变凸轮正时、EGR、可变气门升程是比较常用的节油手段。而可变凸轮正时技术由于其高信价比性价比，已被一些主机厂应用。根据不同客户的需求，博格华纳拥有三种不同形式的可变凸轮正时技术，分别为油压驱动式（简称OPA）、扭矩辅助式（简称TA）、曲轴扭矩驱动式（简称CTA）。在这三种形式的基础上，还可扩展加入中间位置锁止技术（MPL），使发动机实现更大的行程和更好的气流控制，从而提升燃油经济性、功能和效率。

三种形式的可变凸轮正时技术

1.OPA

油压驱动相位器

    OPA利用机油压力驱动，并采用标准的机油控制阀（OCV），其相位调节速度与机油压力有关，油压越高，其调节速度越快，OPA的最大相位调节角度为62°。工程师介绍，OPA优势在于结构简单，成本低；不过它对机油消耗量很大，机油泵产生的摩擦功会增加，因此会产生附加的损失，是三种可变凸轮正时技术中最基础的一种。目前，OPA技术已有多个量产项目，博格华纳预计到2017年OPA的产量将达到250万个。

2.TA

扭矩辅助相位器

    TA则是利用机油压力和可获得的凸轮轴扭矩来驱动，由于采用的机油泵较小，因此其附加的功率损失也比较小，凸轮轴上只需单油道给相位器供油。

    四缸发动机中，每一缸开启和关闭过程中必然会导致凸轮轴有一个减速和一个加速的过程，气门开启时气门弹簧对凸轮轴施加力，形成扭矩，该扭矩和凸轮轴为顺时针方向转，从而产生一个逆时针扭矩，使凸轮轴做减速运动。此时，链条要驱动凸轮轴运动，就需要增加力，让凸轮轴与曲轴同步。当凸轮轴气门开启到顶点，随后关闭过程中，它产生反向扭矩，和凸轮轴旋转方向相同，凸轮轴加速运动。

    四缸机一个工作循环中，曲轴旋转720°，有四个正弦波。凸轮轴加速运动时，油路打开，凸轮轴带着转子加速向前运动，这样相位会提前。凸轮轴减速运动时，链条带动链轮和曲轴同步，相位会滞后。TA就是利用了以上凸轮轴扭矩的特性来提高性能。

TA在1000rpm-5350rpm区间的相位角-扭矩图

    对于四缸机而言，它还有个特点，在低速下有比较明显的正弦波，随着转速升高，正炫波越来越不明显。工程师指出，发动机转速在2500rpm以下时，该技术最能发挥优势，而一般城市工况下发动机转速也不太会超过2500rpm，因此这项技术在绝大部分工况下，对于提升发动机性能非常有利。TA的油路特别短，主油道的油经过单向阀，再流经机油控制阀，到达相位器，因此它的响应性能非常好。

    相比OPA，TA具有更快的相位调节速度，在高温、低温、低速时性能也更好。对整车厂而言，发动机油道设计更简单。一般情况下如果OCV装在正时罩盖或气门罩盖上，OCV附近就需要3路油道；而使用TA，客户可以直接把凸轮轴前端轴颈的润滑油油道同主油道相连并加大流量即可，通过凸轮轴轴颈一路油道向VCT供油。据悉，TA形式是目前国内可变凸轮技术发展的趋势。

3.CTA

    CTA技术利用气门机构对凸轮轴产生的扭转能量来调节凸轮轴相位，这与液压棘轮相类似。与传统的OPA相位器相比，CTA在更宽的发动机转速范围及温度范围下能以更快的调节速度工作，这样发动机能以更快的速度做出响应并在所有转速下更有效地运行，其执行角度可达到100°。

曲轴扭矩驱动相位器

    CTA的优势主要体现在以下几个方面：

    -利用凸轮轴扭矩驱动，凸轮轴上只需单油道给相位器供油

    -在发动机全转速都能实现快速的调节速度，不受机油温度和压力大小的影响

    -非常低的机油消耗（约为OPA的10%）

发动机各种油温、油压下CTA的性能变化几乎不变

    根据实验分析数据，CTA在通常的各种油温、油压条件下，性能几乎没有发生改变。

中间位置锁止技术

中间位置锁止示意图

    由于常规可变气门相位系统初始相位的是相位器的角行程范围的一端，因此发动机低温启动性能、标定策略受限于在设计可变正时系统时设计的调节角度。例如阿特金森循环和米勒循环发动机中，在进气反流的时候需要把进气相位器的滞后角度进一步增加，这时候若还是锁止在端面的话，就导致系统无法平衡热启动与冷启动的气门重叠角。

    博格华纳的中间位置锁止技术的初始位置设定在一个中间位置，这样允许更大的调节角度和更好的气流控制，从而提升了燃油经济性和效率。几乎任何可能的发动机工作条件下，通过一个带专利的液压回路自动地将系统移至中间位置，实现可靠的复位过程。中间位置锁止技术的优势总结如下：

    -中间锁止可实现发动机阿特金森循环和米勒循环,并能锁止在客户所需的任何位置

    -在发动机非正常关机时，相位器能主动回到锁止位置

    -对发动机缸盖及缸体改动小或无需改动

电子相位器

  

电子相位器尺寸

    OPA、TA、CTA都属于液压相位器，在这之上，博格华纳还有适用于高端车型的电子相位器技术，其成本较高，但性能更出众。博格华纳工程师介绍，其特点是可以实现模块化设计，相位器的执行角度比液压相位器更大。电子式相位器执行速度不受油压影响，且很好的提升了发动机低转速时的响应。其次，它在不同发动机平台上均可使用相同的相位器，通用化强，且拥有更大调节角度范围，并允许应用新的发动机标定策略。

     电子相位器由链条带动外壳，外壳里面一套行星轮机构，中央是一个太阳轮机构和电机相连，中间的行星架和凸轮轴相连。链条和太阳轮两路输入，行星架一路输出。太阳轮有两道外齿圈，行星轮在与外齿圈啮合时产生速度差，实现相位调节——如果太阳轮加速旋转，那么相位就滞后，如果太阳轮减速旋转，那么相位就提前。

电子相位器结构图

    下图是博格华纳电子相位器与竞品在马自达SkyActive发动机上的性能对比，博格华纳的产品（红色）相位执行运转速度明显超过竞品（蓝色），仅在高速条件下（约5800-6000rpm），滞后方向的执行运转速度会稍微比竞品慢一些。

博格华纳电子相位器与竞品在马自达SkyActive发动机上的性能对比

    工程师指出，目前相位器行星轮机构效率已经得到进一步提高，此后的产品会比图中的红线性能更好。其预计未来两年内，中国车企会对这项技术进行前期开发探索。

AirFinityVVA可变气门驱动技术

AirFinity技术可省去发动机的进气凸轮轴

    “随着未来节能法规进一步严苛，或许这项技术将在5-6年后成为趋势”工程师预计。AirFinityVVA代表着目前最先进的可变气门驱动技术水平。据悉，它利用了博格华纳摩斯系统的气门控制和制造技术，采用螺栓安装式的模块化总成，无需进气凸轮轴，并提供全可变气门升程曲线以支持多种控制策略，适用于所有活塞发动机。此外，它不单单是一个产品，而是一个系列，后几代的研发重点会放在更灵活的连续可变气门升程设计上，会让发动机完全不需要进排气凸轮轴。所以，AirFINITY可以实现最紧凑的直喷发动机布置。