内燃机的又一次高潮!搞懂耗时9年研发的第四代CVVD技术


东风悦达起亚耕耘中国市场已有18年,获得了近600万车主的认可,市场积淀可见一斑。近些年,身为韩系代表的现代、起亚声量已经不如从前,不禁让人思索他们何时能重回高光时刻?
随着全新K5凯酷离我们越来越近,就越能看到起亚在中国市场蓄势待发的态势。K5凯酷最引人注目的还是较为激进的设计,当深挖内涵的时候会发现,其将强者强于“心”表现得淋漓尽致!

内燃机的又一次高潮!搞懂耗时9年研发的第四代CVVD技术



世界首创的第四代CVVD技术,就在K5凯酷身上!
CVVD,中文名叫连续可变气门持续期技术。在认识这一黑科技之前,还得先简单的来一些“前菜”,比如气门、可变气门正时/升程技术……有了比较之后,才能认识到CVVD的精髓所在!

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何为可变气门正时/升程技术?
发动机的进/排气门是控制着空气/废气进出气缸的大门,是发动机“呼吸”的关键所在。其打开的大小和时长就决定了流量,门开得越大、时间越长,进出的流量也就越大,反之亦然。
这扇门开启的时间就是我们常说的「气门正时」,开启的幅度大小就是「气门升程」。

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现在可变气门正时技术(VVT)几乎是每台发动机的标配,各家的叫法不同。其是通过在凸轮轴的传动端加装一套液力机构,使得凸轮轴在一定范围内的角度可调,从而让气门开启、关闭的时刻变成可调。

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可变气门升程技术(VVL)最为典型的一个代表,就是本田VTEC
通过在凸轮轴上设计2~3种角度的凸轮,来实现不同的气门升程。比如在低转速下,采用低角度凸轮实现较低的气门升程,提升经济性,而在高转速时切换到高角度凸轮,使得气门打开的幅度变大,为爆发性能吞进更多的空气。

常说的爆TEC,就是高转速下切换到“高凸”的时候。

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本田的VTEC不是线性切换更不是无极可调的,通常是2~3段,难道没有线性、无极可调的?有!宝马家的Valvetronic就是代表之一!
宝马实现无极可调的着眼点不是放在凸轮上,而是额外增加一个机构,让凸轮轴上的凸轮不是直接“顶”摇臂推动气门!这一机构使得气门开启的幅度变成一个变量,可在0.25mm-9.7mm之间连续可变。

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很久以前,发动机气门开闭的时刻和角度都是固定的,自然没法顾及到各个工况。后来有了可变气门技术,开闭的时刻、角度都得以控制,以及连续可变、进排气门都配备,可以满足发动机各工况下的进排气需求,更高的进排气效率也就带来了动力、燃油经济性的提升。
在过去很长一段时间甚至现在,很大程度上气门技术牛不牛代表着一台发动机是否先进。

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既然可变气门正时和可变气门升程一起搭档足够完善,现代起亚集团为何还要花9年的时间去研发CVVD技术?
CVVD的精髓在哪儿?
时至今日,可变气门正时和可变气门升程确实已经足够完善,但它俩有一件事是做不到的——改变气门开启的时长。
起亚第四代CVVD技术的精髓所在,就是其能改变气门开启的时长。

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这就是为什么在认识CVVD之前,要先上点“前菜”。别人做不到的事儿,你却做到了,这就是牛!
咱再来简单梳理一下,可变气门正时(VVT)可以改变气门开闭的时刻,但开和闭之间的时间间隔是固定的,也就是早开就得早关,晚开就得晚关。可变气门升程(VVL)可以改变气门开启的幅度,而开和闭之间的时长也是固定的。

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门开闭的间隔时长固定,是受限于传统的凸轮轴结构。
凸轮是固定在凸轮轴上,是同心轴结构,必然使得两者的转速是一致的。凸轮的“凸角”作用是控制气门的打开,而凸轮的轮廓、宽窄是固定的,那持续开启的时间自然也是固定的。

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起亚第四代CVVD能改变气门开启时长的关键,就在于它们的凸轮和凸轮轴不是固定连接的,两者间的转速可以不一致。气门早开晚关、晚开早关,延长或缩短气门开闭的间隔时长,在CVVD面前都能迎刃而解!

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在过去很长一段时间,可变气门技术可以让气门有两个变量,也就是改变气门什么时候开(早或晚)和气门开启的幅度两个变量。CVVD的到来让可变气门技术迈向了一个新的里程碑,带来了第三个变量——气门开启的时长。
改变气门开启时长如何实现?
本田VTEC的不同“段位”,是在凸轮轴上多设计了一两种角度的凸轮。宝马Valvetronic是靠凸轮和气门之间的一个机构,实现气门升程可变。那起亚的CVVD技术的独特凸轮设计,是怎样影响气门开启时长的?
CVVD系统的构成主要有偏心轴机构、驱动电机、控制单元,最核心的就是偏心轴机构!

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因为CVVD的凸轮轴和凸轮不是固定连接,凸轮轴心(旋转中心)可以移动,所以两者之间的转动会有转速差。如果凸轮凸角顶开气门时的转速慢,那开启的持续时间越长,反之则越短。

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通过一个偏心轴机构的极简化的.gif,可以很好地帮助咱理解这一奇妙的机构。(紫色杆指代凸轮轴,蓝色杆指代凸轮凸角,橙色杆的中心指代凸轮的中心点。)

三个模型中,紫色杆也就是凸轮轴的转速都是一样的,不一样的是蓝色杆,能形成转速差就得益于偏心轴的结构。

中间的模型紫色杆和蓝色杆总是转速相同,那是因为凸轮和凸轮轴的中心点是相同的,也就是传统的同心轴结构,改变不了气门开启时长。
当凸轮中心点左移,即gif中的左边的模型,形成了一个偏心轴结构,这时会发现蓝色杆(凸轮凸角)在左半圈转得比较慢,右半圈却很快。右边的模型是将凸轮中心右移,得到左快右慢的效果。

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试想,我们把气门放在模型的左侧,而左边模型的蓝色杆(凸轮凸角)在左半圈转得慢,那意味着凸轮凸角顶着气门的时间更长,那气门就会保持一个较长的开启时间。

右边模型蓝色杆(凸轮凸角)左半圈转得快,那气门就会保持一个较短的开启时间。

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到这儿,是不是就醍醐灌顶了~
CVVD能带来什么好处?
气门技术就是为了控制发动机的呼吸,使其适应不同的工况,达到我们所需的燃效、性能等目的。
起亚第四代CVVD如此了得,那可以带来哪些实际的疗效?
气门开启时长变得可控,发动机的性格也就更加多变且可控,实现奥托、阿特金森、米勒循环,压缩比在4:1-10.5:1之间灵活调整都是轻轻松松的事儿。
起亚官方表示,采用第四代CVVD技术后发动机的动力性能提升了4%,燃油经济性提升了5%,排放物减少了12%。在全新K5凯酷身上应用了该技术的1.5T发动机,最大功率为125kW,峰值扭矩253N·m,综合油耗降至5.7L/100km。
要性能还是燃油经济性?第四代CVVD:我全都要!

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可能有同学会问,复杂的机构使得可靠性都要打一个问号!
有这样的疑问很正常,至于起亚第四代CVVD的耐久可靠性,我们谁也下不了定论。但是,要知道现代起亚集团的工程师为此可是付出了长达9年的时间!
另外,这套CVVD技术主要是机械结构!使凸轮旋转中心发生偏移的机构都是纯机械的,而驱动这一机构的力则来自于电机。在旋转、滑动部件的表面,高精度加工是肯定的,其还有专门的润滑油道,保证可靠耐用性。

如果电机挂了,凸轮轴、凸轮还是能正常工作的,此时发动机还能进行“呼吸”,只是失去了控制气门开启时长的技能。

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相较之下,柯尼塞格的Free Valve就是一个极度电子化的产物,毕竟直接把凸轮轴给舍弃了,每一个进、排气门都有单独的电控执行器。同样是一个了不得的技研结晶,为什么没有被量产向大家敞开怀抱呢?
或许,一个高成本因素就足以阻挡Free Valve大量走向民间!
起亚这套CVVD采用纯机械结构,很大程度上就是为了可靠性,因为大多由机械引起的故障可以通过设计、测试去预测得知~

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写在最后
全新一代K5凯酷,起亚率先给了它第四代CVVD连续可变气门持续期技术,让气门开启总时长不可变成为历史,也让K5凯酷在众多对手面前技高一筹。在新车身上还有一个法宝,那就是第三代i-GMP平台,低重心、轻量化设计,以及更优的车身结构可以让行驶性能和乘坐体验再上一层楼。

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近些年,电动化革命在紧锣密鼓地推进,传统内燃机的地位、未来命运造成了很大的威胁!
但是,伟大的汽车工程师们并没有放弃内燃机,马自达的汽油压燃、日产的可变压缩比、丰田的超高热效率、起亚的连续可变气门持续期技术……都是内燃机的狂欢!
内燃机气数已尽?未必未必!


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