部分汽车发动机新技术解析

吉林大学汽车工程学院求实创新励志图强1序言汽车发展的历史实际上代表了人类工业发展的历程，每一部汽车都能作为一个精致的工艺品，静静地向人们诉说机器时代的传奇。汽车技术的革新是人类向往速度与自由的不懈尝试，是几代机械工程师的努力方向，也是他们的荣耀。卡尔本茨、戴姆勒、威廉迈巴赫等众多的发明家将自己的精彩人生与历史融合在一起，让人类的思维更加开阔，思想更加自由，历史才变得多姿多彩。总言之，从卡尔本次那波澜壮阔的发明家时代，到福特的流水线生产、菲加士·汪克尔的转子发动机，再到今日的可变技术、缸内直喷技术等，汽车的心脏一直在进化，从未停止过……吉林大学汽车工程学院求实创新励志图强2一、可变技术1、VVT，可变气门技术VVT其实是VariableValveTiming的缩写，翻译成中文就是可变气门正时技术。它是汽油发动机技术发展的一个里程碑。其主要设计思想是发动机气门升程和配气相位定时可以根据发动机工况作实时的调节。而我们常见的CVVT，就是在这个原理上增加了连续性的概念，即Continue。CVVT的主要设计原理是通过电子控制系统改变凸轮轴打开进气门的时间早晚，从而控制所需的气门重叠角。这项技术着重于第一个字母C(Continue连续)，强调根据发动机的工作状况连续变化，时时控制气门重叠角的大小，从而改变气缸进气量。当发动机低速小负荷运转时，如怠速状态，这时应延迟进气门打开时间，减小气门重叠角，以稳定燃烧状态。当发动机低速大负荷运转时，如起步、加速、爬坡时，应使进气门打开时间提前，增大气门重叠角，以获得更大的扭矩。当发动机高速大负荷运转时，如高速行驶时，也应延迟进气门打开时间，减小气门重叠角，从而提高发动机工作效率。当发动机处于中等工况时，如中速匀速行驶时，CVVT也会相对延迟进气门打开时间，减小气门重叠角，此时的目的是减少燃油消耗，降低污染排放。吉林大学汽车工程学院求实创新励志图强3CVVT系统包含通常包括：油压控制阀、进气凸轮齿盘、曲轴为止感应器、凸轮位置感应器、油泵、引擎电子控制单元(ECU)等。对于这项技术，许多厂家都已经掌握，只不过名称和具体实施细节略有不同。例如：宝马公司叫做Vanos，丰田叫做VVTI，本田叫做VTEC，三菱叫MIVEC，日产CVTC，马自达S-VT等等。这里着重介绍一下丰田的双VVT-i和本田的i-VTEC技术。双VVT-i是目前丰田发动机的当家技术，也是目前最好的发动机技术之一。VVT-i中的i代表intelligence，翻译成中文就是智能可变气门正时技术的意思，而单VVT-i一般只针对进气门进行正时变化，而双VVT-i顾名思义就是不光对进气门正时，而且还对排气门也进行正时控制变化。其实发动机气门的开合并不是我们想象的那样，完全按照冲程的开始与结束进行的，而是受到进排气流惯性的影响，为了利用这种惯性，进气门打开比活塞到达上止点的时间开始稍早，排气门的关闭比活塞到达上止点的时间稍晚，这样一来，进排气门会出现同时打开的情况，将它按照活塞的夹角来计算，就称之为气门叠加角。不同转速下发动机需要的气门叠加角是不一样的。没有采用可变正时技术的发动机在气门叠加角方面只好采用折中的办法，所以扭矩曲线会是马鞍形，功率上也不是很高，它的低速和高速工作效率也受到影响，降低了经济性。有了VVT-i，这个叠加角就可以变，从而解决这一问题。双VVT-i由于可以调整两个凸轮轴，调整范围更大，因此综合性能会更好。吉林大学汽车工程学院求实创新励志图强4而科鲁兹上的DVVT和丰田的双VVT-i结构原理是类似的，只是因为调校方式的不同，科鲁兹1.8的升功率甚至比卡罗拉1.8的升功率还要高。本田的VTEC的英文全称是VariableValveTimingandValveLifeElectronicControlSystem，意思是“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”。那个i同样表示智能的意思。过去本田只有双顶凸轮轴的发动机才标i-VTEC，这个技术与丰田的双VVT-i相比，可谓旗鼓相当甚至还略占优势。不过从思域开始，越来越多的本田发动机开始在单顶置凸轮轴的机型上标注i-VTEC，情况就大大不同了。虽然VVT-i和i-VTEC两种技术都旨在提高进排气的效率，但是两者之间还是有本质区别的。VVT-i改变的是气门开合的时间，而i-VTEC改变的则是气门的行程。形象一点就好像是一扇门，为了控制好人流量，VVT-i改变的了门开关的时间，i-VTEC改变了门开合的大小。发动机不同转速下对气门行程需求也是不同的，就好比人在正常情况下不用嘴呼吸，剧烈运动时则需要嘴的辅助一样。常规发动机同样只能折中，因此低速时进气负压不足，高速时进气量又不够大，不利于将发动机的潜能发挥出来。i-VTEC在改变行程的时候，正时也可以随之改变，理论上“功能”比VVT-i多。不过锋范和飞度上配的i-VTEC发动机只有一个凸轮轴，因此它的正时和行程都只能分段调节，与进排气正时连续可调的双VVT-i相比就要略逊一筹了。吉林大学汽车工程学院求实创新励志图强52、可变进气技术在丰田汽车的ACIS系统中，主要包括进气控制阀、真空开关阀及真空罐。进气控制阀被置于进气室中，它可以执行打开和关闭的动作。通过它的打开和关闭，可以将进气歧管分成两段，从而改变其有效长度。进气控制阀的动作指令是由发动机控制单元发出的，发动机控制单元通过控制真空开关阀控制真空力，真空力是操作进气控制阀的执行器的动力源。真空罐则为该系统提供真空源的装置，真空罐有一个内装式单向阀，它有贮备真空的作用，即使在低真空条件下，也能使执行器完全关闭进气控制阀。可变进气歧管的工作原理：吉林大学汽车工程学院求实创新励志图强6当进气控制阀关闭时，发动机控制单元指令真空开关阀打开，使得进气歧管处于长路径状态。具体的控制过程是，真空力被作用于执行器的膜片室，它关闭了进气控制阀，随着进气控制阀的动作，延伸了进气歧管的有效长度，从而改变了进气脉动的效果，提高了发动机在低-中速范围内的动力性能。当进气控制阀打开时，发动机控制单元指令关闭真空开关阀，此时大气压力作用于执行器的膜片室，它打开了进气控制阀。当进气控制阀打开时，使得进气歧管的有效长度缩短，达到了最大进气填充效果，从而增加了发动机高速范围内的动力性能。今天可变进气歧管已经得到了广泛应用，如2009款ACURATL的3.5L发动机就采用了2段式双级进气歧管。进气歧管与VTEC配合，可以在不牺牲高转速动力的情况下改善低速扭矩。歧管分为两个气缸列，每列三个气缸；歧管在两个气缸列之间安装了两个由动力系控制模块（PCM）控制的蝶形阀。在发动机低转速时，阀门关闭，降低进气量，增加进气路径的有效长度，这样可以在低转速时，使进气的谐振效果达到最大，放大歧管两部分的压力波，显著增强气缸的进气量，从而使发动机在较低转速时产生更高的扭矩。进气歧管气道的开口末端也像赛车发动机上的一样，呈“喇叭”状张开，进一步改善气流。在发动机高转速时（大于3950rpm），蝶形阀打开，将歧管两部分连接起来，提高进气效率，增加充入进气通道的空气量。空气量增加后，进气惯性迫使更多的空气进入每个气缸，增强了气缸进气量和吉林大学汽车工程学院求实创新励志图强7发动机在较高转速时产生的扭矩。VTEC系统使汽车可以采用不同的模式实现低速、高速行驶，歧管的这两种模式，更加完善了这种功能。3、VCM：可变排量控制技术下面介绍的发动机技术虽然不如上边那几个耳熟能详，但他们的先进程度和发展状况依然令人瞩目。虽然通用已经通过破产保护正在重组过程中，但事实就是的讲通用在汽车技术上的贡献丝毫不能令人小觑。早在上个世纪80年代，美国通用在第二代凯迪拉克Seville(赛威)，就采用了全新得铸铝缸盖的HT-4100V8引擎，这副引擎成为世界上第一副可变汽缸技术(VDE，VariableDisplacementEngine)引擎，在不需要大功率的输出时，可以控制关闭一半气缸，以减少燃油的消耗。但受限于当时的计算机技术落后，无法完成每秒200次的运算，一些引擎甚至要采用机械的方式来控制，因此不仅节油效果不明显，而且还存在可靠性差的问题。随着科学技术的发展，可变排量控制技术已经成为可能。2005年上海通用推出全新的君越轿车，顶级版就搭载了一副AFMV63.0L引擎，AFM(ActiveFuelManagement)译为“智能燃油管理系统”，这副引擎的亮点就是采用先进的DOD(DisplacementonDemand)可变排量控制技术。当引擎负荷较小时，DOD会发出指令关闭其中的3个气缸，吉林大学汽车工程学院求实创新励志图强8以达到省油的目的。君越的DOD技术不仅可以节省最高达8%的油耗，而且气缸切换时非常平顺，完全没有震动，驾驶者已经感觉不到。本田的VCM技术其指导思想与通用DOD相类似。VCM，即VariableCylinderManagement。是本田公司研发的一种可变汽缸管理技术。传统的可变气缸技术只是应用于V8、V12等多气缸引擎，而且一般只能关闭双数的气缸。但本田开发的VCM技术，可通过关闭个别气缸的方法，使到3.5LV6引擎可在3、4、6缸之间变化，使得引擎排量也能在1.75-3.5L之间变化，从而大大节省燃油。得益于本田经营多年的i-VTEC技术，使得VCM技术更加成熟。只需在VTEC机械结构中加入一些新设计，就可以方便地做到在关闭气缸的同时，可以改变气门的正时，不仅让正在工作的气缸进排气更有效率，而且更可以停止被关闭气缸的进、排气动作。广州本田的第八代雅阁3.5L是首先应用VCM技术的车型。MDS——8缸与4缸的完美转换MDS是英文MultiDisplacementSystem的简称，翻译成中文就是多段式排气量调节系统。它作为奔驰特有的发动机技术，随着1998年戴姆勒•奔驰与克莱斯勒的联姻，也逐渐被克莱斯勒旗下众多车型所采用，其中就包括5.7升V型8缸HEMI发动机。MDS系统的灵魂在于奔驰掌握了如何提高电控装置反应速度以及用于控制系统的更加成熟的算法等先进技术，但气门挺柱却是实现汽缸禁用最重要的机械设备。这种特殊的两件式滚轮挺柱的内部机构和外部套筒并非硬性连接，当发动机处于8缸工作状态的时候，它的吉林大学汽车工程学院求实创新励志图强9内外两部分被两个受到弹簧作用力的链接销锁死，这时挺柱的内外部分都随凸轮轴转动从而可以推动顶杆正常的控制气门开合。然而，当机油温度传感器感知发动机处于轻负荷的情况时，管理电脑会接通电磁阀电源，电磁阀通电后把更高的机油压力传递到与其相对应的挺柱并将链接销推入，从而使挺柱内部与套筒分离，此时外部的套筒随着凸轮轴运转，而内部的推杆已经失去了作用。最终的结果就是顶杆失去了推动力，从而气门的弹簧机构就可以保证气门一直处于关闭状态。气门关闭后，汽缸内部的火花塞放电以及燃料注入的工作也将停止，发动机最终处于4缸工作状态。MDS系统使发动机工作汽缸在8缸和4缸之间切换，它最大的好处就是提高了发动机的燃油经济性。克莱斯勒对其进行的长期测试表明，在市区和高速公路行驶时MDS的使用率分别为17%和48%，总体平均使用率为40%，这样在各种行驶条件下，估算的燃油经济性将提高20%，而预计燃油经济性总体将提高10%。MDS系统的另外一个成功之处就是汽缸的切换可以在0.04秒内安静的完成，如此灵敏的切换速度使得MDS系统真正具有了实用价值。因为只有灵敏的切换才能实实在在的达到节油的目的，才能让驾驶员不会为了适应它而去改变驾驶习惯，同时只有灵敏、安静的切换才不会影响到乘坐的舒适性。另外，本田是如何克服不工作缸的阻力？VCM通过VTEC系统关闭进、排气门，以中止特定气缸的工作，与此同时，由动力传动系控制模块切断这些气缸的燃油供给。在3缸吉林大学汽车工程学院求实创新励志图强10工作模式下，后排气缸组被停止工作。在四缸工作模式下，前排气缸组的左侧和中间气缸正常工作，后排气缸组的右侧和中间气缸正常工作。非工作缸的火花塞会继续点火，以尽量降低火花塞的温度损失，防止气缸重新投入工作时因不完全燃烧造成火花塞油污。系统采用电子控制，并采用专用