发动机可变气门正时系统凸轮轴智能调相器

瑞典 Freevalve 公司旗下的无凸轮轴发动机采用了“气动-液压-电子”技术（图片来源：Freevalve AB）。

今年晚些时候，Freevalve AB 公司的无凸轮轴发动机将由观致汽车 (Qoros) 完成评估。未来，这种名为 Qamfree 的技术将有机会真正走入量产发动机，为发动机工程师的动力系统设计与制造带来新的维度。

除了奇瑞旗下的观致汽车，还有另外两家汽车厂商也被认为有计划采用Qamfree系统。

瑞典 Freevalve 公司开发的单气门气动-液压促动器细节图（图片来源：Freevalve AB）。

Freevalve公司在 2003 到 2017 年间曾为瑞典超跑制造商Koenigsegg AB 的姐妹公司，目前已经成为一家独立企业。与其他无凸轮轴设计发动机不同，Freevalve 的 Qamfree 系统使用“气动-液压-电子”促动器 (PHEA) 来取代传统凸轮轴。Freevalve 公司的工程师指出，这可以在完整气门进程中提供更精准的控制，并在进气和排气两侧提供气门提升。

一部安装在观致研发车中的 Qamfree 发动机（图片来源：Freevalve AB）。

2016 年北京车展期间，这款 Qamfree 系统曾搭配一款 1.6 L 4 缸 16 气门 DOHC 涡轮增压汽油发动机一同登陆一辆观致概念车，完成首次公开亮相。Freevalve 工程师声称，与采用传统凸轮轴发动机的同等规格车型相比，这种无凸轮轴设计可以为车辆提供 47% 的动力提升、45% 的扭矩增加，以及 15% 的降耗表现。

Freevalve 公司指出，任何负载等级的发动机采用 Qamfree 系统后，进气和排气侧的气门定时均支持独立编程，系统则将根据具体驾驶条件，决定采用哪种配置，以实现性能最大化，或燃耗和排放最小化。

Freevalve 公司无凸轮轴发动机设计的组件图（图片来源：Freevalve AB）。

CTO Q&A问答

这款发动机不仅没有凸轮轴，而且也没有使用相关配套硬件，包括节气门、凸轮轴驱动、定时齿轮和外壳、排气门、预先催化转换器，及直喷系统等。系统配备了专用的阀门位置传感器。与常规发动机相比，无凸轮轴发动机不仅在减重方面具有优势，与采用常规气门的标准发动机相比，无凸轮轴发动机的燃料消耗量在“正常”驾驶工况中可降低 10%。

Qoros 和 Freevalve 公司正在利用一款具体型号未知的观致车型，共同对这种无凸轮轴概念设计进行测试评估。

随着评估接近尾声，Freevalve 首席技术官 Urban Carlson 接受了《汽车工程》欧洲总编 Stuart Birch 的采访，共同讨论无凸轮轴发动机及其应用及影响。

Freevalve 公司 CTO Urban Carlson 表示，观致汽车公司对我们无凸轮轴发动机的评估预计将于 2017 年底完成（图片来源：Freevalve AB）。

SAE：对于一些更保守的厂商而言，Freevalve 公司的设计会不会太激进了？

Carlson：对，没错。不过，为了满足即将实施的排放法规，汽车厂商仍有充分理由选择尝试我们的系统。此外，人们现在越来越热衷开发先进的发动机控制策略，而我们的概念设计非常符合内燃机的这种发展趋势。我们的优势在于技术更新颖，参数表现更优秀，从而更好地满足汽车厂商实现发动机精准控制的需求和目标。

SAE：Freevalve 并不需要一些价格昂贵的传统组件，那么如果产量达到一定规模，这种发动机的成本是不是会低于常规的同级别发动机呢？

Carlson：是的。在没有小型化的情况下，1.6 L 涡轮增压发动机即可节省约 20 公斤（44 磅）重量。通过紧凑安装和进一步优化，我们预计 Qamfree 的完整设计可以降低发动机的整体成本。我们的成本评估显示，Qamfree 系统的成本应与汽油直喷发动机组件相仿，需要采用一些更先进的后处理系统，比如颗粒过滤器。我们预计，与同等性能的柴油机相比，汽油机搭配 Freevalve 系统的成本要明显低的多。

SAE：除了观致公司，在不久的将来是否还有其他厂商采用无凸轮轴发动机技术？

Carlson：是的。市场导入当然还需要一定时间，但我们正在同时跟进几个不同领域的项目。我们预计，至少有两家客户将在明年公布他们的计划。

SAE：目前多个国家均已表示，将在 2040 到 2050 年间逐步立法淘汰内燃机汽车，从而支持电动汽车的发展。您认为无凸轮轴发动机是否能在这种巨变下为内燃发动机带来更多机会？

Carlson：我们肯定无法预见所有地缘政治因素，但从更广义的层面看，内燃机的性能可以通过采用 Freevalve 的系统得到显著改善。在包括公路、铁路和航运在内的交通运输领域中，更多的关注已经转移至为内燃发动机选择替代燃料。液态烃类的储存和配送非常方便。基于风能和太阳能的 P2G（电转气）燃料将迎来巨大机遇，GTL（天然气r制合成油）领域也将实现巨大进展，可再生能源的气态和液态燃料极有可能在这段时间实现大规模生产。

Freevalve 技术将在高性能多燃料发动机及其他热力循环发动机的发展中发挥重要作用。从近期来看，电动汽车的发展的确风头正劲，但未来的情况谁也说不准。

SAE：您能透露更多项目细节吗？比如项目是什么时候开始？预计什么时候完成？具体涉及哪些方面以及最近的进展情况？

Carlson：评估项目从 2015 年开始，预计将于今年年底完成，涉及的方面很多，包括扭矩、功率、油耗、排放、包装及减重等。

SAE：除了目前的 1.6 L涡轮增压发动机 (169 kW) 外，未来还有其他不同排量和功率输出等级的发动机采用 Qamfree 系统吗？

Carlson：这个问题应该由观致的管理层回答。我们目前的项目是曾在 2016 年北京车展上展示过的发动机平台。

SAE：Qamfree 将在哪里生产？您已经拿到生产编号的信息了吗？

Carlson：从目前的信息来看，观致和奇瑞的生产和装配都是仅在中国进行。2016 年，这两家公司共生产了大约 40 万辆汽车。

作者：Stuart Birch

来源：SAE《汽车工程》杂志

今天途爷就跟大家一块来看看凸轮轴和舍弃凸轮轴的发动机都是什么？

前几天EP9在纽北刷新量产车圈速记录的消息成为了无数中国汽车从业者的兴奋剂，虽然仅仅生产了6台的EP9是否称得上是量产车还有待商榷，但6分45秒900的圈速第一次让中国汽车的技术水平在全球受到了如此多欢呼和掌声。EP9在纽北出尽了风头，但其它传统的超跑厂商研发的脚步也没停下，比如咱们今天想说的柯尼塞格的无凸轮轴发动机。

这项被称为Freevalve的技术由柯尼塞格与观致共同研发，并且在去年已由观致搭载到自己的实车中进行测试，在无凸轮轴发动机中，已经存在100余年的凸轮轴被彻底替代，通过气压和油压来控制每个气门的开启与关闭。在介绍它之前，途爷先跟大家一块来看看这项技术中被取代的凸轮轴究竟是什么。

凸轮轴，主要作用是保证各缸的进排气门按照一定的顺序适时的打开和关闭。通过曲轴的旋转带动凸轮轴的转动，位于轴上的一个个凸轮控制了不同气缸气门的开启和关闭。对于四缸发动机来说，当发动机进行一个工作循环时，凸轮轴旋转一周，各个气缸均进行了一次气门的开关，各缸之间气门的开启间隔就是凸轮轴旋转一周的1/4，即90°（以此类推，六缸发动机为60°），正是确定的角度保证了气门的按时开启。

在凸轮轴技术的发展中，出现了三种不同的凸轮轴布置形式。分别为凸轮轴下置，凸轮轴中置，凸轮轴顶置。

凸轮轴下置的布置形式因为凸轮轴与曲轴位置较近，两根轴可以共用一对齿轮副进行传动，结构较为简单。但是由于下置的凸轮轴与气缸顶部的气门相距较远，中间需要细长的推杆和大量的传动零件保证凸轮轴对气门的控制，如下图。当发动机转速较高时，由于推杆的刚度较差，可能会对气门的正确开启造成影响。

而凸轮轴中置的布置形式可以有效地减少中间传动零件的复杂程度，通过缩短推杆长度或者采用气门挺柱来提高中间传动系统的刚度，但是由于凸轮轴和曲轴相隔较远，需要再加入一个齿轮传递

虽然凸轮轴顶置的布置形式会让发动机的正时系统更为复杂，但是因为凸轮轴与气门之间的结构简单，传动效率显著提升，另外因为传动系统刚度的进一步加大，发动机在高转速范围内工作的更加稳定，因此目前大多数车辆采用的都是凸轮轴位于气缸盖上的凸轮轴顶置发动机。

以前的发动机由于气门数量较少，一根凸轮轴可以保证每缸1进1排的气门结构正常工作。但是随着汽车工业的逐渐发展，气缸的气门数量逐渐增多，用一根凸轮轴来保证十几个甚至二十个气门正常工作的难度较大，双凸轮轴应运而生。其实这项技术在上世纪初就已经在各大车企中陆续出现，但是直到1965年左右才由菲亚特集团身先士卒，开始在旗下车型中大量搭载双凸轮轴发动机。

说完了凸轮轴，咱们现在可以看看柯尼塞格的无凸轮轴发动机究竟是何方神圣了。在这项技术中，由于没有了凸轮轴的存在，气压和油压成为了气门开启关闭的控制者。在无凸轮轴发动机中，气压负责保证气门的正确开启时间，但是由于气体具有极强的可压缩性，还需要相应的油压管路负责调节压力的具体大小。两者相互配合，才能保证气门的正确开启和关闭。

由于取消了传统的凸轮轴以及正时结构，发动机总质量可以减轻30%左右。除此之外，各个气缸都有自己的独立控制单元，这也让大排量，多缸数发动机的闭缸更加方便，保证了相当的燃油经济性。

虽然无凸轮轴发动机在理论上确实相当超前，但是在抛弃了传统的机械结构后，如何保证这套系统的可靠性才是这项技术的真正命门。除此之外，去年在观致3上搭载的那台无凸轮轴发动机各种成本总和达到了1600万元，高额的成本也是这项技术走向市场的拦路虎。所以就目前的情况来说，途爷并不是非常看好这项技术的普及。

途爷有话说：

随着汽车行业的发展，各种新技术层出不穷，虽然有些设计由于各种各样的制约还不能实实在在的进行量产，走进市场。但正是一些看起来不切实际的构想，才让汽车从一百多年前几匹马力的笨拙机械变成了如今高效、舒适的代步工具。虽然目前来说无凸轮发动机真正实现量产还有些困难，但是途爷相信，现在看起来遥不可及的技术总有一天会成为可能。