QAMFREE？ 谈谈配气机构的那些事？！
引言
在2016年北京车展上，观致展出了与科尼赛克联手打造的没有凸轮轴的1.6T发动机模型样机——QAMFREE。到元旦了，终于有时间说一说了——配气机构那些事。（如果您只对这个QAMFREE感兴趣，请跳到分割线~）
（QAMFREE，概念车+发动机）
1 传统配气机构
（DOHC，双顶置凸轮轴）
配气机构的作用
按照发动机发火顺序的要求，定时开启或者关闭气缸的进、排气门使得新鲜的空气（混合气）及时进入气缸参与燃烧，并及时的排除废气。
配气机构的分类
按照气门的位置，配气机构分为气门顶置式，与气门侧置式两种配气机构。气门位于气缸盖上称为气门顶置式配气机构，由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门和气门弹簧等组成。其特点，进气阻力小，燃烧室结构紧凑，气流搅动大，能达到较高的压缩比，目前国产的汽车发动机都采用气门顶置式配气机构。气门位于气缸体侧面称为气门侧置式配气机构，由凸轮、挺柱、气门和气门弹簧等组成。省去了推杆、摇臂等另件，简化了结构。因为它的进、排气门在气缸的一侧，压缩比受到限制，进排气门阻力较大，发动机的动力性和高速性均较差，逐渐被淘汰。
气门顶置式配气机构根据凸轮轴的位置有以下三种型式：
（1）凸轮轴下置式配气机构；凸轮轴装在曲轴箱内，直接由凸轮轴正时齿轮与曲轴正时齿轮相啮合，由曲轴带动。气门传动组包括上述全部零件，其应用最为广泛。
（2）凸轮轴中置式配气机构：凸轮轴位于气缸体的上部。为了减小气门传动机构的往复运动的质量，对于高转速的发动机，可将凸轮轴的位置移到气缸体的上部，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂而省去推杆。该形式的配气机构因曲轴与凸轮轴的中心线距离较远，一般要在中间加入一个中间齿轮（惰轮）。
（3）凸轮轴上置式配气机构：凸轮轴布置在气缸盖上。凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，没有挺柱和推杆，使往复运动的质量大为减小，对凸轮轴和气门弹簧的要求也最低，因此它适用于高速强化发动机。
局限性
对于汽油机来说，在发动机怠速时我们需要尽量减小气门的重叠角，保证在发动机低速时，也能混合气也能正常燃烧；在高速的时候，我们想利用进排气的惯性效应，加速排气过程，增加进气量，此时就需要进排气门早开晚关，增加重叠角。很明显，传统的配气机构的缺点就是不能更改气门开闭时刻。
2 VVT技术
（VVT气门正时曲线）VVT可变气门正时技术（Variable Valve Timing），就是在特定的发动机工况下，通过控制进气门开启角度提前和延迟来调节进排气量和时刻和改变气门重叠角的大小，来实现增大进气充量和效率，更好的组织进气涡流，调节气缸爆发压力与残余废气量，来获得发动机功率，扭矩，排放，燃油经济性，舒适性等综合性能的改善，从而解决传统固定配气相位发动机的各项性能指标之间相互制约的技术矛盾。
（VVT系统的优点）
（VVT系统原理图）
VVT系统主要由cam phaser（相位器）和oil control valve（机油控制阀，简称OCV）组成。cam phaser为该系统的执行器，而OCV为该系统的控制器。发动机管理系统EMS根据节气门开度传感器，发动机水温传感器，转速传感器，空气流量计等传来的信号，查找MAP图，解算出发动机各工况下所需气门正时角，即目标位置；同时，EMS根据曲轴位置传感器和凸轮位置传感器传来的反馈信号计算得出的凸轮轴的实际位置。EMS将目标位置和实际位置进行比较，并根据EMS的控制策略，向 OCV发出作动信号，改变控制阀中阀芯的位置，从而改变油路中机油流向和流量大小，把提前、滞后、保持不变等信号以油压方式反馈至VVT相位器空腔内，来实现相位器内部定子和外部转子之间的相对转动 ，来调节凸轮轴的正时角度，从而达到调整进气（排气）的量，和气门开闭时间。
（VVT系统油路）
00:00/00:00 倍速
（丰田VVT，1min38s）
3 VVL技术
VVT技术只能将气门正时曲线进行平移，而无法更改气门升程。虽然相比传统的发动机已经有了很大的提高，但是想要实现更为灵活的气门调节，还需要发动机能根据实时工况来变更气门曲线——VVL技术。VVL（variable valve lift），可变气门升程。传统的汽油发动机的气门升程是固定不可变的。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。传统汽油机发动机的气门升程——凸轮型线设计是对发动机在全工况下的平衡性选择。其结果是发动机既得不到最佳的高速效率，也得不到最佳的低速扭矩。但得到了全工况下最平衡的性能。
（1）分段式
分段式的VVL那就要提到本田的i-vtec，本田也是最早将可变气门升程技术发扬光大的厂商。本田的可变气门升程系统的结构和工作原理并不复杂，工程师利用第三根摇臂和第三个凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化。奥迪的AVS技术也运用了相似技术。当发动机在中、低转速时，三根摇臂处于分离状态，普通凸轮推动主摇臂和副摇臂来控制两个进气门的开闭，气门升量较小。此时虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间是分离的，所以两边的摇臂不受它控制，也不会影响气门的开闭状态。发动机达到某一个设定的转速时，电脑即会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成一体，一起由高角度凸轮驱动，这时气门的升程和开启时间都相应的增大了，使得单位时间内的进气量更大，发动机动力也更强。这种在一定转速后突然的动力爆发极大的提升了驾驶乐趣。当发动机转速降到某一转速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位，三根摇臂分开。
（I-vtec，aus，via：汽车之家）
（2）连续式
分段式VVL虽然可以变更气门升程曲线，但是变化能力有限。而连续式VVL可以连续改变气门升程大小，最大程度的调节进气量。BMW的Valvetronic系统在传统的配气相位机构上增加了一根偏心轴，一个步进电机和中间推杆等部件，该系统借由步进电机的旋转，再在一系列机械传动后很巧妙的改变了进气门升程的大小，英菲尼迪的VVEL也是利用类似原理实现。
（Valvetronic，vvel，via：汽车之家）
回到正题：
无凸轮轴技术，毫不夸张的说是内燃机历史上的一个里程碑技术，也是最难攻克的技术之一，可以和终极难题——可变压缩比发动机相媲美。好在，2016年，英菲尼迪宣布决定量产他们的可变压缩比发动机，这个难题算了解决了一半了，2016年观致推出了QAMFREE概念车，但是无凸轮轴技术到量产还是遥遥无期。会不会等到量产的时候已经电动车时代了？
说是无凸轮技术，可是我更喜欢说它是电子气门技术。这种技术会带来的优点真的是太多了，找主要的几点说一说，
优点：
（1）轻量化去掉的繁琐的凸轮轴、链条齿轮等部件后，发动机的体积会变得更小，整体尺寸可以缩小，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。
（2）泵气损失对于汽油机来说，泵气损失是影响发动机低负荷效率的主要原因之一。主要是因为发动机的功率 ≈ 进气量。在低负荷时，都是依靠进气门的小开度来降低进气量。试想一下，发动机一直在那里抽真空，这就是发动机低负荷时泵气损失居高不下的主要原因。使用电子气门，就可以丢掉节气门，所有的进气量靠气门调节，可以大大减小泵气损失。
（3）优化燃烧同样，电子气门可以在发动机的任何工况下保证进气量。不仅可以在低速低负荷时稳定燃烧质量，降低排放。在高速高负荷时增加发动机的进气量，提高发动机的功率。
（4）断缸技术的实现断缸技术的一大难点就是如何保证在断缸的同时，发动机的空燃比依旧保持14.7。使用电子气门后，这个问题将会被轻松解决。
难点：
（1）可靠性配气机构的寿命一般要与整车的寿命相同。电子气门技术是否能像传统的配给机构那样使用20年？
（2）响应速度发动机的转速一般从700~6000rpm，电子气门能否在1分钟内响应数千次，同时气门的响应速度是否能应对这么长的时间范围，这仍然是个疑问？
（3）控制复杂相比于在全工况内传统的VVT+节气门的控制已经非常复杂。当切换到气门控制后，配气机构的标定量又会有不少的提高。其次，气门控制直接影响着扭矩输出，对标定的要求又上了一个台阶。一个工况的标定失误，扭矩会直接传送到发动机上，直接影响驾驶感受。此时标定工程师的内心：
（4）成本东西绝对是好东西，但是价格是否公道？目前观致有3辆QAMFREE试驾车，平均价格达到了1600w。但相信随着数量的增加，成本会直线下降。具体说回到观致的这项技术，QamFree以气动-液压-电动混合的气门执行器（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，带来更优异的进排气及燃烧效率。
00:00/00:00 倍速
（视频时间1min6s）
（Qamfree发动机）
观致的QAMFREE发动机是建立在原来的1.6T发动机的基础上，取消了传统的凸轮轴机构，换成了液压和气动系统共同组成的气门执行器，因此发动机无论是高度还是长度都有所减少，整体质量更得到了25kg的减少。甚至在这台发动机的基础上，只要变速箱能够承受的状况下，动力可以提升45%，扭矩更可提升47%，而且燃油经济性依然能够提升15%。
对于电子气门这个概念与产品研发已经持续了数十年了，但是因为种种原因一直没有量产。观致的QAMFREE后续究竟能走多远，电子气门技术到底何时才能真正量产，让我们拭目以待。
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参 考 资 料
【6】一篇文章看懂VVT技术（车云网）
公众号：QCECUSJ