VDE 变排量发动机技术的发展

mayaju

变排量发动机技术的发展
作者：auto    信息来源：不详      
      2007年12月进行全面换型的Inspire车型，搭载了可变排量发动机。上一代的Inspire也搭载双级变化的可变排量发动机，而新一代的可变排量发动机则与上代不同，采取3级变化的可变排量发动机。本文以本田汽车公司的可变排量发动机为重点，同时也介绍克莱斯勒可变排量发动机的技术发展状况。
      可变排量发动机的有效性
      发动机在全负荷时燃料所具有的热量的30%得到利用，而其余的70%热量则损耗掉。其中排放气体与辐射损耗约42%，冷却损耗约20%，摩擦损失约8%，而泵气损失则包含在摩擦损失内。
      为了降低废气与辐射的热损失或冷却损失，发动机采用各种绝热措施，或者采用无冷却措施（即不利用冷却水降低发动机燃烧温度）。为此要求采用诸如陶瓷类的特殊材料。而实际上，以及试制各种以陶瓷为绝热材料的不使用冷却水的柴油机。然而由于耐久性不好，多数最终归于失败。所以，减少摩擦损失是实际上有效降低热量损失的重要手段。
      降低泵气损失的措施有：稀薄燃烧、分层燃烧、非节气门方式。稀薄燃烧或分层燃烧即在低负荷时稍微通过开启节气门以降低进气阻力。另一方面，所谓非节气门方式则是指决定进气门的关闭时刻，控制进气量，消除节气门引起的泵气损失。由于这一原因，采用稀薄燃烧与分层燃烧时，在低负荷使空燃比稀薄，但是在采用非节气门方式时空燃比则保持不变。
      稀薄燃烧或分层燃烧时在排放气体中残留氧气，所以难以进行排放气体的有效净化。而采用非节气门方式由于进气门的驱动装置复杂，其降低泵气损失的效果差。当然，非进气门方式还存在着若干优点，诸如能提高发动机响应性与输出扭矩。
      针对上述情况，可变排量发动机则能够把稀薄燃烧、分层燃烧、节气门方式的各个优点集中于一身。可变排量方式能够按照负荷的变化改变发动机的排量，因而能够大幅度降低泵气损失，确保空燃比一定，所以能够高精度净化排放气体。理想的状态是，发动机排量能够连续变化，但是实际情况是，在目前气缸数量有限的发动机上是不可能实现的。不过，车用发动机往往低负荷运转工况多，所以采用可变排量来降低泵气损失，仍不失为具有相当效果的一种措施。
      可变排量方式与混合动力匹配的优点
      从原理上讲，在四冲程发动机上，如果有部分气缸处于进排气门关闭状态就能够改变排量。在进排气门关闭的气缸中，进排气中止，就能减少相应气缸的排气量。为了保持进排气门关闭状态，最适宜的方法就是切断气门凸轮与气门之间的驱动路径。尽管至今已经实用化，有多种多样的可变排量发动机，但几乎都采用这种方式。
      通用汽车公司与三菱汽车公司是最早开发可变排量发动机的公司，然而，现在批量生产的车型中搭载可变排量发动机的，也只有本田和克莱斯勒。本田在思域混合动力车与Inspire轿车上搭载可变排量发动机；而克莱斯勒则在300C与charger等车型上搭载可变排量发动机。也只有这两家汽车公司分别采用了不同种类的可变排量机构。本田采用了独资开发的VTEC机构（VTEC：Variable
      Timing Electronic Control可变正时电子控制）；而克莱斯勒则采用可变气门挺杆（tappet）方式。
      本田可变排量发动机可分别搭载在思域混合动力车与Inspire轿车的新旧车型上。按照先后投入市场的顺序来看，2001年投产的旧型可变排量发动机与2005年的现型思域混合动力车用可变排量发动机、2003年的旧型与2007年现型Inspire搭载了可变排量发动机。
      旧型思域混合动力车搭载的可变排量发动机是在原型1.3L2气门单顶置凸轮轴直列四缸发动机基础上增加停阀机构而构成的。停阀机构安装在三个气缸上，减速时3个缸进排气门停止工作，成为只有0.33L排量的单缸工作的发动机而运转。关闭3个缸的进排气门是因为考虑到降低泵气损失，增大混合动力车特有的制动能量回收。通过关闭3个缸进气门使包括泵气损失在内的发动机的旋转阻力减少一半，并使这一部分节约的能量用于增加制动能量回收量，在混合动力车上减速制动时能量回收量直接与发动机燃油经济性相关，所以必须限制减速时的发动机运转阻力。
      在停阀机构中摇臂分为气门升程用摇臂与气门停止用摇臂，并且两者之间设有同步活塞，使每一气缸各配置气门升程用主辅摇臂及停阀用主辅摇臂，各配置气门升程/气门停止用的凸轮。当气门升程用摇臂/停缸用摇臂由同步活塞连接时，气门开闭；而当两者连接切断时则气门处于关闭状态。由于减速，发动机转速降低到1000r/min时，为了防止发动机过载熄火，气门升程/停阀用摇臂进行连接，当停阀气缸重新工作时，发动机回复到通常的4个缸运转。
      停阀用摇臂的一端与升程量为零的停阀凸轮接合，在气门停止工作时，停阀用摇臂的运动停止。另一方面，气门升程用摇臂通过螺旋弹簧经常顶住凸轮。这样通过停阀用摇臂与气门升程用摇臂的位置控制，能够确保气缸从停阀不工作的状态重新进入工作状态。
      现有思域混合动力车搭载的可变排量发动机在4个气缸上全部配置3级VTEC停阀机构。减速时所有的进排气门处于关闭状态，发动机排量实际上是零。所有的进排气门进入停阀状态，是为了进一步限制减速时的发动机运转阻力的缘故，使发动机运转阻力降低到1/3左右。能够实现所有气缸进入停阀工作状态是因为考虑到旧型思域混合动力车的实际效果，能够充分确认停阀气缸重新进入工作的可靠性的缘故。



3级VTEC停阀机构是指对进气门升程分三个阶段控制。加上通常的气门开闭与停阀，能够使发动机转速超过4500r/min时增加气门升程。由此，增加高转速时的进气量，并提高扭矩输出。最大功率从原型发动机的63kW/5700r/min提高到70kW/6000r/min。此外，排气门与旧型相同，是通常的气门开闭与停阀二级工作方式。
      3级VTEC停阀机构是由以下不同功能的摇臂与凸轮构成：每缸进气侧设有3个、排气侧2个，共5个摇臂，以及3个气门升程用凸轮和2个停缸用凸轮，共计5个凸轮。在旧型思域混合动力车搭载的设有停阀机构发动机上又增加了进去侧高转速用凸轮，而进气侧的停阀用摇臂通过同步活塞使低转速用气门升程摇臂或者高转速用摇臂相互连接。但是，两者不能同时连接。
      V6发动机可变排量机构
      另一方面，Inspire轿车搭载4气门单顶置凸轮轴V6可变排量发动机。这种可变排量发动机与思域混合动力车搭载的发动机不同，通过降低低负荷的泵气损失，提高燃油经济性。大排量的V6发动机在低负荷运转机会多，所以通过降低泵气损失可以较大幅度提高燃油经济性。
      旧型Inspire3L
      V6可变排量发动机在低负荷时使V形排列的后排3个气缸的进排气门处于关闭状态，变成1.5L3缸发动机工作模式。之所以使后排气缸的进排气门停止，这是因为考虑到不易接触冷却风的后排发动机气缸，在发动机正下方设有催化转化器，气缸停阀时不容易冷却的缘故。
      设置于V型发动机后排的3个气缸的停阀机构配置以下不同功能的摇臂与凸轮。它们是每一气缸由4个停阀用摇臂级3个气门升程用摇臂，即共有7个摇臂，另外2个停阀用凸轮与2个排气门升程用凸轮及1个进气门升程用凸轮，共计5个凸轮。7个摇臂与5个凸轮组成工作配对副是因为停阀凸轮是供进气侧/排气侧的停阀摇臂共同配对使用的缘故。
      气门升程用摇臂的一端与停阀用凸轮接触，在停阀时这种接触摆动中止，气门升程用摇臂通过螺旋弹簧与凸轮发生顶压作用，这与思域混合动力车的停阀机构相同。
      现行的Inspire轿车搭载3.5L排量的可变排量V6发动机。排量大于旧机型是为了满足整车车身增加的需要。最大功率与旧型相比，从原来的184kW/6000r/min提高到206kW/6200r/min，但是发动机排量增加与车辆自重增加会使燃油经济性下降。因此，在现行的Inspire轿车搭载的可变排量发动机中使发动机排量分三阶段变化，在原来的三缸运转模式基础上增加为四缸运转。在三缸运转中，形成排量1.75L的只有V型前排气缸工作的三缸发动机，而在四缸运转时成为排量2.33L的V4发动机。
      现有Inspire轿车的停阀机构基本上与旧型Inspire轿车的停阀机构相同，但是2个进气侧停阀机构用摇臂集成为一根Y字型的摇臂，为了适应这样的变化，不再共用停阀凸轮，而凸轮数增加到6个。由于增加到四缸运转，V型发动机前排的第四缸也设有停阀机构。四缸运转模式被应用于高速巡航行驶或稳态加速工况，实际油耗下降到搭载3L可变排量发动机的旧型Inspire轿车相同的油耗水平。
      克莱斯勒可变排量机构
      克莱斯勒可变排量机构是一种设有气门挺杆的可变机构。所谓气门挺杆是在顶置气门（OHV)的气门驱动机构中位于凸轮与推杆之间的圆柱形部件，在其内部设有可变机构。这种装置与Hyper
      VTEC不同，在气门挺杆内部有2根销作往复运动，夹紧弹簧作对向配置，由于液压作用两根销可以做进出运动，从而进行气门开闭与停阀工况的切换。
      当两根销处于外移位置时，销被牵引到销体内面的阶梯状部位。凸轮升程被传递到推杆。另一方面，两根销在液压作用下，向内部方向移动，与销体内面的阶梯状部位不接触，于是凸轮升程不会向推杆传递。
      克莱斯勒的可变排量发动机上，这种结构的挺杆安装在4个气缸上，根据发动机运转状态，可以切换为八缸运转与四缸运转。当气缸停阀时就成为排量只有原来一半的V4发动机。V8发动机的单排发动机气缸不停阀是因为大量生产的V8发动机的单排气缸处于停阀状态时，就会形成不等间隔爆发的四缸运转的缘故。顺便提及的是通用汽车公司的可变排量发动机采用其摇臂支点电磁阀提升，并使推杆受到压推的机构。我们把通用汽车公司这种可变排量机构与克莱斯勒的可变挺杆作比较，就可以发现挺杆具有结构简单的优点。
      然而，克莱斯勒的可变挺杆也与本田的VTEC一样，由气缸停阀与再起动的正时性所决定。就是说，两根销进出运动时，只有在气门关闭时才能实现。也决定于规定的液压，即两根销与销体内面阶梯状部位之间的摩擦通过限制销的活动而降低。如果两根销进出运动在气门开启时实现，则相应的气缸的进气量降低到一半，会使空燃比发生变化。
      另外，可变挺杆设有气门滚轮是为了减少与凸轮的摩擦。通过可变排量而降低泵气损失同时，也必须注意降低摩擦损失。而这一点往往也在批量生产可变排量发动机上难以有效实现。因此，采用可变排量的汽车公司目前还至限于本田与克莱斯勒。不过随着石油价格的暴涨，今后其它汽车公司有非常大的可能也会采用可变排量发动机的技术。

[ 本帖最后由 mayaju 于 29-10-2008 14:43 编辑 ]

huangguang

关于VDE变排量发动机技术的发展，这是一个值得深入探讨的话题。VDE技术能有效提升发动机的燃油经济性和动力性能，同时降低排放，符合现代汽车工业的绿色环保理念。

随着科技的进步，VDE技术日益成熟，其应用领域也在不断拓宽。在发动机控制策略、可变排量机构设计等方面，都有新的突破。这些技术的发展，使得VDE发动机在各种工况下都能实现最优的燃油消耗和排放性能。未来，随着智能化和新能源技术的融合，VDE技术将发挥更大的潜力，助力汽车工业实现更高效、更环保的发展目标。