「懂车老王笔记」取消凸轮轴？FIAT和柯尼赛格怎么做的？

这一堂课比较深奥，能看完的全是牛人。所以大家挑战一下自己，看不懂的点个收藏以后看。

老王认为发动机最有魅力的部分就是凸轮轴驱动摇臂将转动变换为往复进给，所以机械学教材前几章都会优先讲到凸轮，在它的助力下，发动机传动也更加稳定精确。

另一方面，凸轮也有致命缺点，那就是从动件运动特性的限制，凸轮型线必须光滑平顺，数学上来讲，就是高阶多项式N阶导必须为0，所以型线的丰满系数自然下降一些。理想的凸轮轴应该是这样的(a)实际上却是（b）和（c）

图1 理想和实际的气门升程曲线示意

所以凸轮轴的外轮廓参数之一——行线包角，是重要的特征指标。一般来讲气门升程曲线是好是坏，标准都是统一的，那就是包角要小，升程要大。这种理想型线的好处有几点：

1. 节流损失小，空气填充效率上升；
2. 米勒循环则通过大升程补偿小包角造成的进气量损失，为发动机低速扭矩止血；
3. 如果牵扯多次开启场景，短时间内需要完成较大充量流通需求，缩短控制窗口。

传统凸轮机构在定包角的情况下，理论上来讲，不停上探气门升程，发动机就会更优化，但实际上你就会发现，单位转角对应的升程增量增加了。从动件速度加速度增加了。气门弹簧力挂不住从动件惯性力了。飞脱反跳气门机构失调了。是的，这就是传统凸轮机构的天花板。所以很多人说宝马Valvetronic是不是发动机行业天花板？显然不是的。

宝马Valvetronic示意图

那么有没有突破传统凸轮轴的存在？显然是有的，比如我们今天要讲的FIAT Multiair机构，再比如德国FEV公司推出的EMVA机构专利。电磁阀执行器（EMVA）事实上并非FEV独有，是个广义概念，理论上是为了减少燃料消耗和车辆排放挑战的有前途的解决方案之一。常规EMVA使用双螺线管独立驱动阀门。事实证明，这些设计存在固定气门升程和复杂控制方法的固有问题，所以并没有大量出现，反而目前最稳定的突破凸轮轴结构的是FIAT Multiair机构。（老王帮大家查到了原文文章在IEEE上面按以下关键词检索即可搜索到：A moving coil electromagnetic valve actuator for camless engines）

图2 EMVA无凸轮机构

图3 Multiair结构原理图

Multiair机构主要包括：单边凸轮轴cam shaft（大家看到，即便是FIAT如此胆大，也不敢放弃两侧全部的凸轮轴）、泵油柱塞master piston、气门驱动减速阀slave piston、高速开关电磁阀solenoid valve、蓄压器accumlator和数个单向球阀check valve。

这张图说的比较细致

工作时凸轮旋转顶起泵油柱塞，此时高速开关电磁阀关闭，单向阀流动不可逆，所有被泵油柱塞推出的介质被挤到了气门驱动减速阀处，克服气门弹簧力打开气门。如果希望气门关闭，只需打开高速开关电磁阀，此时腔内的高压介质将会迅速向蓄压器卸载，气门弹簧力重新回位一个循环完成。所以，Multiair输出型线的优化程度要看高速开关电磁阀的开闭策略

我们来看看几种典型的控制策略及其输出效果：

1. 电磁阀全程不开启：忽略泄漏，此时从动件运动排出的介质完全进入气门驱动减速阀，对应下图Full lift曲线，这个曲线就是multiair的输出边界，无论后续控制策略怎么转移，输出的曲线都只能在Full lift的五指山内。通过控制两个油腔的容积比，气门升程会相对凸轮升程比例缩放，但源头上，气门升程还是受控于凸轮型线，因此与理想的类梯形型线还有较大差距；

2. 电磁阀在开启段先关闭后开启：对应下图的Early valve closing曲线，气门升程开启段贴合Full lift边界，电磁阀开启后升程迅速回落，与原升程相比气门关闭时刻提前，适用米勒循环；

3. 电磁阀在开启段先开启后关闭：对应下图的Late valve opening曲线，气门升程开启段迟后关闭段提前，适用米勒循环且能够替代一部分VVT效果（为了节省紧张的缸盖空间，Multiair建立油压的凸轮和排气侧气门凸轮在同一根轴上，进气相位调整排气也一起动，排放策略不好做，所以带Multiair的机子一般不带VVT，调相效果可以用这种策略适当补偿）；

4. 电磁阀全程开启：对应下图的No lift曲线，凸轮动了气门没动，显然用于停缸。

虽然源头上，Multiair的气门升程还是受控于凸轮型线，但是这套方案确有可取之处。

· 解耦了凸轮和从动件的机械连接，升程曲线灵活多变，可变升程、可变包角、可变相位、停缸、多次开启、同缸不同升程只有你想不到没有他做不到；

· 迅速的压力卸载，能够利用介质本身的阻尼吸振能力为落座阶段缓冲，关闭段也能做得很陡，降低了输出型线的包角，更贴近于理想型线。

图5 Multiair输出型线和传统凸轮机构小升程型线对比

总的来说Multiair的存在为内燃机“无凸轮轴化”带来了曙光，但仍然受限于单边凸轮轴的进程，提供了非常有效的指导意义但实际作用仍然不大，并且整个短板也很多，老王也给大家列举一下：

1、成本高昂：之前说了，这个世界是平衡的你实现了某些功能，但相应地，是要付出代价的。Multiair需要大量费用高昂的外挂控制模块、需要增加油温传感器、诊断传感器、在机加工领域，零件极高的安装和密封要求对刀具和生产工艺提出了相当大的挑战，另外需要组合式凸轮轴，这些技术在很多厂家眼里是十分劝退的；

2、能耗大：Muliair的高速开关电磁阀是通电关闭、断电打开的，计算一下凸轮轴转速，电耗相当大。Multiair用得最多也是能耗损失最多的米勒型线输出模式下，摩擦功和普通配气机构摩擦功对比。对普通配气机构来说，低速阶段油膜尚未成功建立，摩擦功偏大，转速提高运转平稳后，摩擦损失逐步下降。另外，随着转速增加，单位时间内关闭段无法回收的能量增加，摩擦损失急剧增大。

上述这些都是FIAT Multiair仅仅取消了单边凸轮轴的代价，实际上很多情况下像柯尼赛格那样发动机两边都取消凸轮轴的设计在标定、生产、以及前面提到的电耗方面都需要付出更大代价，而有时候科技的发展需要这些“先驱者”在前面替大家踩雷，科技才会进步，如果没有这些厂家的牺牲，或许内燃机仍然无所作为，老王给这些主机厂点赞，希望国内主机厂在未来更加注重原创机械发明专利，而非简单的实用新型。

我是老王，下期见。