汽車發明鬼才新力作!Qoros「無凸輪軸」引擎

記者:Alegna 2016-05-03

大舉延攬全球優秀汽車設計人才的中國Qoros(觀致)汽車,在今年北京車展中展出與Koenigsegg之父旗下公司技術合作的最新引擎「QamFree」。這具引擎特別之處是以氣動、液壓或電動方式驅動汽門機構,免除了傳統內燃機的凸輪軸的存在!根據Qoros的說法,這樣做的最大好處就是動力更強悍,油耗和排放都更低,與相同排氣量的引擎相比,QamFree引擎體積更小巧。

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▲這具引擎解除傳統凸輪軸的封印,直接以氣動、液壓或電動等執行機構,為每一個汽門進行獨立控制。

QamFree引擎是由Koenigsegg創始人Christian von Koenigsegg這位發明鬼才,和合夥人Urban Carlson共同成立的FreeValve公司所提供技術,針對傳統內燃機的基本架構進行革命性改良,透過氣動、液壓或電動等執行機構,為每一個汽門進行獨立控制,取代傳統凸輪軸汽門控制系統的全新技術。

擁有多項發明專利的Christian von Koenigsegg不只知道如何創造極速,這次帶來的新引擎技術勢必會在汽車發展史上寫下新頁。
▲擁有多項發明專利的Christian von Koenigsegg不只知道如何創造極速,這次帶來的新引擎技術勢必會在汽車發展史上寫下新頁。


規避機械結構的先天缺陷

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▲搭載QamFree引擎的概念車已經先行搭載上路,未來能否真正量產,只待成本因素尚待解決。

在汽車工業一百多年的發展歷程中,引擎汽缸頂部的凸輪軸,一直都是引擎最重要的零件之一,這裡決定引擎進、排汽門的開啟和關閉,向來是工程師鑽研革新的重要領域。以往多數引擎的汽缸只有一個進汽門和排汽門,然而隨著引擎轉速提高,傳統的兩汽門已經無法勝任高負荷下的運轉,阻礙了引擎性能的進一步提升,因此出現多汽門的技術,隨後又為了盡可能提升引擎效率,導入了可變汽門正時和可變汽門揚程等技術,但始終沒有脫離必須由凸輪軸進行統一控制的基本原則,換句話說,每個汽門可調整的範圍始終有限。


氣壓汽門彈簧的考古史

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▲QamFree引擎體積小巧,汽車前半部的造型因此會有更多可能性。。

實際上,以執行機構的汽門閥代替凸輪軸控制汽門的想法已經存在多年,但真正開始被「推廣」,應該是從80年代的F1賽車開始。

特別強調一點,這裡講的是指將汽門彈簧改以高壓氣體取代,與本文QamFree說的完全不同,因為它的凸輪軸依舊存在!賽車之所以不用傳統金屬氣門彈簧的原因,是無法確保當賽車引擎在萬轉下,被頂開(壓縮)的彈簧能夠依照原訂時間點回彈後讓汽門緊閉,而有可能造成所謂的「valve float」,也就是彈簧(因多次振動或回彈速度過慢)和凸輪短暫分離而未接觸的現象,造成混合油氣缸壓流失,甚至活塞撞上汽門頂桿的慘劇,而這就是賽車引擎為何總是在高轉速下掛點的原因之一。因此,有些賽車會直接在每個汽門上套三個彈簧,用意不是為了強化彈力,而是避免高轉時彈簧的振動造成跳動,當然,這必須拿摩擦力來換。

F1賽車同樣面臨這樣的問題,RENAULT算是第一個用高壓氣室取代機械彈簧的F1引擎製造商,這讓他們在Turbo時代擁有極大的馬力優勢,不過引擎好,底盤差,冠軍獎盃還是拿不到,最後他們決定只當個引擎供應商。重返F1後,優勢依然存在,其他車隊紛紛效尤,也把圈簧丟了灌進高壓氮氣。接下來RENAULT引擎確實也出了好幾個車手世界冠軍,直到鋒頭從Williams、Benetton轉向McLaren。

即使坐擁全場最強引擎,也不能保證每場比賽都可以通過終點線,這也是賽車技術無法完整轉移量產市場的重要原因之一。
▲即使坐擁全場最強引擎,也不能保證每場比賽都可以通過終點線,這也是賽車技術無法完整轉移量產市場的重要原因之一。
一些老車迷應該也都還記得90年代中期,當一級方程式賽車的McLAREN車隊開始與Mercedes合作後,速度無人能敵,但耐用性卻往往阻止他們拿下勝利,甚至完賽都是個問題。車迷最常聽到的退賽原因就是“pneumatic failure”,而車隊查明後往往只是一個墊片漏氣,就造成引擎停擺,顯然可靠度是這種設計的罩門。

隨著技術的改良,這種設計變得很可靠、體積又小,MotoGP二輪賽車也開始察覺它的優點,2005年的Team Roberts所用的KTM賽車雖然毫無競爭力,不過起碼是第一輛全賽季使用氣壓式汽門彈簧的GP賽車,而如今除了Ducati有自己那套用了幾十年的“desmodromic valve”(連控軌道閥)以外,所有賽車都已經採用氣壓彈簧的設計。

或許是製造及維護成本高昂,加上可靠度無法與機械彈簧相提並論,以及沒有超高轉速的需求,以氣動裝置驅動汽門的設計,始終未能在市售車上全面普及。而如今QamFree這一革新技術的誕生,則歸功於FreeValve公司的氣動-液壓-電動混合的汽門執行器(Pneumatic-Hydraulic-Electric-Actuator,簡稱PHEA)的出現。


QamFree的明顯優勢

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QamFree這具引擎就是以PHEA控制引擎汽門,取代傳統的頂置凸輪軸汽門控制技術,每個汽門的運作都可以獨立控制,也意味著每個汽缸可以得到更高效精準的進排氣控制,賦予引擎開發者更多揮灑的自由空間。引擎在不同運作場合下,進、排氣汽門的正時和揚程都能獨立進行程式化和控制,因此能獲得更優異的進排氣及燃燒效率。

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彼可取而代之?

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新的技術究竟帶來了什麼好處?根據Qoros的說法,簡單歸納於下:

‧更省油:能有效降低燃油消耗,同樣的1.6L引擎可以提高燃油經濟性大約15%。

‧性能強:不同工作場合下引擎的燃燒效率、進排氣效率都得到大幅度提升;進氣側不再需要節汽門體,PHEA可以直接取代節汽門的功能,引擎反應效率提昇;渦輪增壓器也不再需要洩壓閥,因此渦輪遲滯會更低。

‧低排量:燃燒更完全,排放就會減低,同時因為不需要高壓直噴系統就能達到高壓縮比目的,也就沒有直噴系統常見的顆粒產生。

‧輕量化:因為QamFree系統比凸輪軸汽門控制機構更小更輕,引擎整體尺寸可以縮小,也更輕;這也會改變整部車前半部造型、空氣動力學和人體工學等設計。


傳統的凸輪軸汽門控制方式,就如同一位鋼琴家用一根棍棒來彈奏琴鍵,而現在,終於能用單獨的手指來直接彈奏,其效率與節奏控制的精準程度完全是不同層次的產物,這就是QamFree技術最重要的時代意義。