增壓技術還未引入國內前,日系、韓系和自主品牌轎車都喜歡在前翼子板側貼上VVT-i、CVVT、DVVT的標識,那會打起興趣問銷售這些字母是什麼意思,銷售恐怕能吹半小時,讓你恨不得提一袋錢馬上把車提走!
其實VVT指的就是可變氣門正時,這麼説可能更容易理解,發動機進排氣都由對應的兩個門控制,專業術語叫氣門,氣門什麼時候開與關由凸輪軸控制,而凸輪軸又是替曲軸打工,曲軸幹活它就跟着幹,但工作量只有曲軸一半。
這種緊跟曲軸步伐的工作模式效率並不高,因為生意不忙時不需要氣門一大早上班,好比白天誰去燒烤攤擼串,一大早要你擺攤豈不是浪費時間?可控制氣門的凸輪軸畢竟只是一個打工的,曲軸(老闆)正常上班,凸輪軸敢遲到麼?就算沒生意氣門也正常上下班,VVT就一調班機制,一天工作8小時,早點上班就早點下班,反之。
這麼一番解釋,是不是感覺VVT也不是很聰明?可以想象這麼一個場景,一天客户進店量總數不多,偏偏很晚還有客户,店員因為只工作8小時而打烊導致客户流失,最終減少了營業額,這就是傳統可變氣門正時運行模式真實寫照。
有VVT技術的發動機雖然動力更好更省油,但比起理想狀態還是差一些。本以為內燃機快要走到盡頭,除日本廠商外沒有誰再願意押注汽油發動機,結果現代去年逆流而上,推出了CVVD技術。
CVVD是什麼?簡單的説,它就是可以讓氣門加班的技術,不論氣門早上班還是晚上班,CVVD都可以讓氣門加班,因此CVVD叫做連續可變調節氣門持續時間。那麼問題來了,這項技術給發動機帶來了什麼好處?
與CVVT相比,CVVD在性能模式下可以縮短氣門開啓時間,提高4%的動力性能,在經濟模式下,可以延長氣門開啓時間,提高5%燃油經濟性。這些數據説的很抽象,我們從現代官網扒了一張照片來解釋一下氣門開關的影響。
發動機原理跟注射器很像,進氣就是注射器活塞柄往下拉,如果在往下拉的過程中用手堵住頂部,那麼拉動活塞柄就需要很大的力氣,在往上推活塞柄的時候如果繼續用手堵住頂部,同樣比較費力。這個簡單的原理就是發動機所謂的泵氣損失,只不過發動機吸氣體而注射器吸液體。
正常打針,一般邏輯是抽多少藥水就注射多少,可以間接理解為注射器活塞柄往下拉多少就往上推多少。可發動機畢竟沒有人這麼聰明,不論需要多少動力,活塞都是從上止點移動到下止點,週而復始。如果氣門也和活塞一樣無腦,那就是互相傷害,反正消耗的是油。
CVVD運行模式是這樣,低速低負荷行駛,氣門持續開啓時間長,這樣活塞往下吸氣以及往上壓縮的過程中泵氣損失小,從而降低了油耗。高速高負荷行駛,氣門持續開啓時間很短,更多空氣被壓縮產生更強的動力,道理就是這麼簡單。
道理大家都懂了,問題是氣門由凸輪軸控制,而凸輪軸又是替曲軸打工,這種固定關係導致氣門不可能改變它的運作模式。如果見過發動機氣門正時系統,那應該知道凸輪直接固定在凸輪軸上,凸輪速度根本不由自己控制,也就沒法延長氣門持續時間。
現代CVVD的思路是把凸輪軸與凸輪分離,也是從以前的一體結構變為分體結構,在凸輪與凸輪軸之間有個中介,那就是偏心執行機構。
從官網公佈的結構圖看,CCVD凸輪軸結構的確有別於傳統凸輪軸,更獨特的是,CCVD還裝在CVVD可變控制單元中。
從這張結構圖可以更直觀瞭解CCVD凸輪軸的特別之處,而CCVD上最特別的地方就是圖中橘黃色的偏心輪,它是CVVD最核心的部位,也是最抽象的一種結構。
這個偏向輪內部實際上是槓桿結構,看到官方原理圖,估計都是一臉懵,這個圖黃色圈圈連接凸輪軸,橘黃色圈圈連接凸輪,而橘黃色與黃色圈圈之間通過槓桿結構相連,這個槓桿結構恰好實現了偏心的效果。
利用槓桿連接兩個不同的旋轉部件,這種設計曾經應用火車驅動輪上,不過以前的火車是簡單的兩點連接,因此輪速保持一致。現代CVVD偏心輪內部的連桿結構是6點連接,其中兩個是滑動連接。
官方特意做了一個動態圖,方便粉絲理解凸輪轉速如何與凸輪軸不同步。從動態圖可以看到,左中右三個偏心輪結構完全一樣,它們都有紫色、藍色和橙色三根連桿。獨特之處在於,三個偏心輪以相同的速度旋轉,但是左邊的黃色凸輪旋轉速度最慢,而右邊的最快。
橙色連桿與紫色和藍色連桿兩端滑動連接,而紫色和藍色連桿一端連接凸輪,凸輪軸與在橙色連桿中間的連接點固定。這個槓桿機構把凸輪與凸輪軸分離,由於凸輪軸不能移動,只要CVVD的控制機構左右推動偏心輪,橙色的滑動連桿就會在紫色和藍色連桿兩端位移,把原來凸輪軸的角速度轉換為橙色槓桿位移量和其它兩個連桿的角速度。
奇怪的事情發生了,前面官方公佈的原理圖與後面公佈的CVVD結構解刨圖似乎並不一樣,那根橙色的槓桿呢?
經過一番折騰,我們找到了CVVD的專利申請圖,原來那根紫色槓桿就是圖中62號部位,它插在凸輪軸內。藍色槓桿為82b號部位。82a與74恰好可以水平位移,這就成了概念中的橙色滑動槓桿。
所謂的槓桿實際上非常緊湊,而且從專利圖可以看到,凸輪軸是通過88、82a、74等部位,將角速度傳遞到72和71兩個凸輪上。原來凸輪軸是進行圓周運動,而通過這套槓桿機構把凸輪軸圓周運動轉化為橢圓運動,最終降低了凸輪同步速度。
當CVVD控制機構向左右推動偏心輪時,圖中的62號部位就充當前面所説藍色槓桿,由於凸輪軸位置固定不變,所以當偏心輪左右移動的同時,也改變了凸輪軸正時角度。一旦62號部往左右移動並固定位置,那麼82b的旋轉就不再是正圓而是橢圓,而82b恰好與凸輪連接,這就將圓周運動的凸輪軸角度速度轉化為橢圓運動的凸輪角速度。
當凸輪角速度不與凸輪軸同步,就變成了氣門開起來時間的早晚和長短,也就是上班時間和工作時長。
正如日產VC-Turbo一樣,複雜的連桿機構對製造工藝提出了更高的要求,比如發動機轉速為6000rpm時,凸輪轉速為3000rpm。CCVD凸輪軸和CVVD的控制機構都是高速旋轉部件。
為了實現連續可變氣門持續時間,現代將凸輪、凸輪軸、偏心輪以及CVVD控制機構設計成多個實心和空心結構。雙離合變速箱輸入軸分為內外兩根,而CVVD起碼分為4個部位。
如此之多實心和空心部件嵌入在一起,對潤滑系統提出了更高的要求,其次如何把結構做的緊湊減少摩擦損失也是一個難題,顯然現代都把這些問題解決了。
最先配備CVVD發動機的車型是現代索納塔,這台名為Smartstream 1.6L TGDI CVVD發動機,相比之前的1.6T動力和燃油經濟性均有進步。不過CVVD在開發中有兩個版本,而最新的版本為1.5T,2019年某行業大會就提前公佈了技術信息,也就是之前那個1.6T CVVD的升級版(我也是聽説的)。
國產全新索納塔 270TGDi 車型就配備了1.5T CVVD發動機,申報信息顯示這款車的綜合油耗只有5.6L,這個油耗是什麼概念可以對比一下雅閣1.5T。
另一款配備相同發動機的車型是起亞K5凱酷 1.5T,相比海外1.6T CVVD發動機最大功率134KW,峯值扭矩265 N⋅m,國內的1.5T CVVD發動機為125KW,峯值扭矩253N⋅m。
內燃機是不是真的走到末路了?恐怕誰也沒法給出一個準確答案,不過在內燃機工程師不懈努力下,內燃機的性能與理想目標越來越接近,倘若將來內燃機排放物大量減少,或許它仍然具有不可替代性!