发动机特有技术

zhenghuan

一  气门技术
（一）　可变气门正时技术(VVT)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。如今如本丰田的VVT-i ，现代的cvvt 等也都是源自VVT的发动机控制技术。
发动机的气门正时是指气门打开的时间，也就是气门应该在活塞运行到哪个位置的时候打开。一般我们会感觉，进气门应该在活塞从上止点开始向下运动，进行进气行程的时候打开，在活塞到达下止点完成进气行程的时候关闭；相应的排气门应该是活塞从下止点开始向上运动开始排气行程的时候打开，活塞运行到上止点完成排气行程的时候关闭。但是，因为空气是有惯性的，它需要一定的反应时间，为了更多的进气和排气，进气门会在活塞向下运动之前打开，并且到达下止点之后才关闭；排气门也是一样，会在活塞向上运动之前打开，到达上止点之后才关闭。那么我们会发现在活塞到达上止点完成排气行程的时候，也就是进气行程开始之前，会出现进气门和排气门同时打开的现象。这就是所谓的气门叠加，这个叠加时曲轴转过的角度就气门叠加角。 发动机在其不同的转速范围段，对气门叠加角的需求是不同的，低转速需要较小的气门叠加角，高转速的时候反之，需要较大的气门叠加角。普遍不带气门正时可变的发动机，是无法同时满足这两个需求的，一般只能采用一个折衷值，那么发动机在高速或者低速的时候运转都不会很舒服。传统的发动机气门工作状态如下：当发动机处于低转速时，凸轮轴的运转速度较慢，进气速度也相对较慢，气门则保持相对较长的开启时间和较小的开度。而当车辆在高速路上以120km/h的速度行驶时，发动机的转速则会维持在3000～4000rpm，甚至更高。这一状态下，气门开闭频率加快，进气速度也加快，虽然进气量大，但气门的开启时间短，这必然会使进氧量较少，造成燃烧不完全。如果在这一传统的发动机配气机构上引入电子控制系统——气门正时控制，那么发动机的工作效率将得到大幅改善。通过对凸轮轴的改造以及对传感器信号的收集，在低转速时，正时系统可控制凸轮轴使进气门提前开启或延时关闭，以保证气缸在低转速下的进气通畅；高转速时，还可对气门的开度实现适时调整，确保气缸内的燃烧更充分。如此一来，发动机在低速时便可实现大扭矩输出，而在高速时又可保持大功率的释放。如果加入了气门正时可变技术，那么这个问题就迎刃而解了。凯美瑞，君越，依兰特的发动机都采用了这个技术，但是区别在于，凯美瑞和依兰特的发动机只能实现进气正时可变，也就是它只能改变进气门打开和关闭的时间，来改变气门叠加角。而君越的发动机则采用的是双VVT设计，不仅可以实现进气门可变，同时也可以实现排气门可变，因此其调整的幅度会更大，是发动机更适合不同转速范围段的需求。因此君越的这款发动机在配气技术方面是要优于凯美瑞的。
对于一台4冲程发动机，按照很多人的理解，做功冲程末，活塞处于下止点时排气门开始打开，发动机进入排气冲程，直到活塞到达上止点，排气门关闭，进气门打开，发动机进入吸气冲程。当活塞正好运行一周重新回到下止点时，进气门关闭，发动机进入压缩冲程。这样来理解气门的动作是否正确呢？差不多是吧。然而，可能和与人们的直觉不同的是，这样的气门正时效率并不是最优的。让我们先来考虑一下排气门开启的时机。如果比活塞到达下止点提前一点就开启排气门会怎么样呢？从直觉上，这时废气仍可推动活塞做功，如果打开排气门开始排气，此时气缸内的压强就会降低，能量的利用率也就降低了，发动机性能也会随之下降。是这样吗？其实也不一定。
我们知道，排气时活塞会压迫废气从而反过来对废气做功，这个过程会消耗一部分发动机已经获得的能量。如果在缸内压强相对较高时提前开始排气，排气过程就会更顺畅，从而在排气冲程减少了能量消耗。这样，一得一失，怎么才会最合算呢？考虑到活塞在下止点附近一定角度内垂直运动距离其实非常短，实际的发动机略微提前打开排气门效果会更好一些。再来看进气门关闭的时机。如果在活塞越过下止点一定角度，开始压缩冲程之后再关闭进气门。如何呢？直观的感觉可能是，这时活塞已经开始上升，刚刚吸入的可燃混合汽岂不是又要被排出去一部分？性能会不会下降？答案是：只要时机适当，这样做反而可以增加吸气量，改善性能。因为在吸气冲程可燃混合汽被活塞抽入汽缸，进气门附近的气流速度可以高达每秒两百多米，而我们前面说过，在下止点附近活塞的垂直运动相对很慢，汽缸内体积变化并不大。此时进气岐管内的可燃混合汽靠惯性继续冲入气缸的趋势还是占了上风。
说到这里，对一些VVT技术有所了解的兄弟可能要不耐烦了：讲了这么多，和VVT边还没沾呢！不要急，还没讨论排气门的关闭时机和进气门的开启时机呢。这是大家可能都想到了，排气时同样会形成高速气流，如果排气门也在活塞越过上止点一定角度之后再关闭，虽然活塞已经开始下降，排气门附近的废气仍就会继续排出。但是此时进气门不是已经开启了吗？废气难道不会涌入进气岐管？事实上，这又是个时机问题，燃烧室内的废气涡流的方向决定了废气短时间内是不会流向排气门对侧的进气门的，于是，一边进气一边排气的局面是完全可以实现的。事情还可以更理想。由于大部分废气在排气冲程中前期就已排出，并且在排气岐管中形成了高密度的高速气流，冲向排气管方向。这部分废气越是远离气缸，对于缸内尚未排出的废气来说，其需要填充的体积就越大，相应的平均压强也就越低。低到什么程度？低到活塞尚未到达上止点之前，缸内压强可能就已经低于进气岐管内可燃混合汽的压强了。如此看来，进气门也应当提前一点开启才好。
前边讲到了进气门和排气门同时打开的情况，也就是进气门和排气门的重叠。重叠持续的相对时程可以用此间活塞运行的角度来衡量，这样就可以抛开转速，把它作为系统的固有特性来看待了。重叠的角度通常都很小，可是对发动机性能的影响却相当大。那么这个角度多大为宜呢？我们知道，发动机转速越高，每个汽缸一个周期内留给吸气和排气的绝对时间也越短，但是前面讲到的进气岐管或排气岐管内的气流也越快。想想看，这时发动机需要尽可能长的吸气和排气时间，而且也有有利条件可以利用，还犹豫什么？只要重叠的角度大一些不就行了？当然，也不能太大，前边说了，这里有个时机问题，重叠角度太大肯定也不好，要不干脆让进气门和排气门同时开闭得了。很显然，这个时机是与转速有关的，转速越高，要求的重叠角度越大。
也就是说，如果配气机构的设计是对高转速工况优化的，发动机就容易得到较高的最大转速，也就容易获得较大的峰值功率。但在低转速工况下，这样的系统重叠角度肯定就偏大了，废气就会过多的泻入进气岐管，吸气量反而会下降，气缸内气流也会紊乱，ECU也会难以对空燃比进行精确的控制，最终的效果是怠速不稳，低速扭矩偏低。相反，如果配气机构只对低转速工况优化，发动机的峰值功率就会下降。所以传统的发动机都是一个折衷方案，不可能在两种截然不同的工况下都达到最优状态。
（二）可变气门升程技术
所谓气门行程，是指气门打开的大小。气门行程很大，其进气截面积就比较大，其进气阻力就会更小，进气更顺畅，这种设置比较适合发动机高速时候的工况，但在低速的时候会造成进气负压不够，发动机低速运转无力甚至不平稳。而如果气门行程很小，发动机在低速运转的时候能获得很好的进气负压，空气和燃油能够充分混合，从而低速运转平稳，扭矩充沛，但是高速的时候由于空气流速加快，会导致气阻过大，进排气不顺畅。显然，可变气门行程技术就是为了兼顾这两方需求的。
本田i-vtec业内第一套气门正时及升程控制系统，可实现发动机全段转速控制。本田的vtec应该算是业内第一个能同时控制气门开闭时间和开度的正时控制系统，整套vtec系统由ecu控制，ecu根据发动机各个传感器（转速、车速、进气压力以及水温等）给予的信号进行指令，通过电磁阀调整摇臂实现特定的凸轮和摇臂运转，以实现控制气门开闭时间和升程的功能。i-vtec作为旧版vtec的改良产物，组合单词前面的“i”表示发动机所处的系列。i-vtec增加了一个vtc凸轮轴可变正时控制功能，即通过ecu控制一组进气门的凸轮轴，使进、排气门重叠时间更精确，使发动机功率提高20%左右。 i-vtec以电子控制方式控制着中间摇臂的工作与否，不论发动机处于哪个转速，它都可以随时控制气门的开度。图为思域r18a1 1.8l i-vtec发动机。 由于思域这台r18a1发动机结构紧凑，所以气门摇臂采用了上置式其实基于vtec技术，本田最初一共开发了3种规格的发动机。第一种是dohc vtec，这种机型以大功率和高扭矩输出为主，可以实现进、排气门正时和升程的分别控制。第二种是sohc vtec，可以实现进气门低、高速时不同的正时及升程控制。第三种就是vtec-e，这种机型可以在发动机低转速下停止气缸的某个气门工作，使燃烧室的混合气涡流达到最佳状态，尽可能实现稀薄燃烧，降低油耗。现在的i-vtec显然是三种机型结合的产物，在发动机运转中还实现气门关闭控制，如同vtec-e一样可实现稀薄燃烧，改善油耗。 我们以本田r18a1发动机为例，来看看vtec系统的特别之处。这款发动机装备于第八代思域上，排量为1.8l，最大功率103kw/6300rpm，最大扭矩174nm/4300rpm，采用sohc 16v（2进2排）结构。它和普通发动机的最大区别在于凸轮轴上，除了原有控制每缸2进、2排气门的一组凸轮和一对摇臂外，还增加了一个较高的中间凸轮和中间摇臂。三个摇臂连成一体，配有液压锁止活塞。当发动机处于低转速时，较高的中间凸轮不参与气门控制，虽然此时这个凸轮也会推动摇臂运动，但由于中间摇臂与两侧摇臂呈分离状态，所以并不影响气门的开闭，此时配气机构与普通发动机无异。假设当发动机达到预设转速4000rpm时，电磁阀启动开始控制液压锁止活塞使三根摇臂连成一体运转，并且一并由较高的中间凸轮驱动，由于这个凸轮的尺寸较大，所以不论是气门的开启时间还是开度都比普通凸轮驱动时要大。如果发动机转速降低到预设转速1500rpm时，摇臂的驱动液压降低，锁止活塞则自动归位使中间摇臂与两侧分开，恢复到两侧凸轮驱动状态。由于vtec系统对于气门正时的控制存在阶段性，即当达到预设转速时才启动，所以它对于改善发动机的工作效率并不明显，甚至平顺性不佳。i-vtec则彻底解决了这个问题，它不仅以电子控制方式进行精确控制，更是在进气歧管上增加了可变长度功能，从而有利于低速扭矩提升，这也使得i-vtec可随发动机一同启动。
（三）可变进气岐管技术与可变惯性进气技术vis（可变进气共振）
进气系统最重要的部分就是进气歧管，它就是一支引导气流的管子，空气经过滤清器之后，在此进行油气混合，并输送到汽缸进行燃烧。由于混合气是具有质量的流体，在进气管中的流动千变万化，工程上往往要运用流体力学来优化进气管的内部设计，例如将进气歧管内壁打磨光滑减少阻力，或者刻意制造粗糙面营造汽缸内的涡流运动。但是，正如前面所说，汽车发动机的工作转速高达每分钟数千转，各工作状态下的进气需求不尽相同。通常的固定式进气歧管，只能按照发动机的具体要求，或者按照高转速和低转速时的要求进行最优化的几何设计，或者采用折中的办法，但是无论那种设计，都不能兼顾到不同转速时的进气需求。我们知道，低转速时气门会设置成短行程开启，高转速时气门会设置成长行程开启，这都是“负压”惹出来的祸。那么除了气门，进气歧管就不能达到同样的效果吗？于是，天才的工程师们对进气歧管进行了深层次的开发——让它也能“变”起来。
可变进气歧管技术可以分两段或更多的级数来适应不同的发动机转速。可变进气歧管技术与可变配气技术有些类似，但是可变进气歧管技术更注重的提高低转速时的扭力输出（对高转速时功率的输出提高效果不是很明显），因此这种技术被非常广泛的应用于普通的民用轿车上。不过这也不是绝对的，由于它能提供更好的引擎响应性，所以在运动型车上也逐渐开始采用这种技术，例如法拉力的360 和575。
目前，有三种可变进气歧管技术：可变进气歧管长度，截面和可变进气共振，他们都是通过进气歧管的几何设计实现的。
1可变进气歧管长度
可变进气歧管长度是一种广泛应用于普通民用车的技术，进气歧管长度大部分被设计成分两段可调——长的进气歧管在低转速时使用，短的进气歧管在高转速时使用。
为何在高转速时要设计为短进气歧管？因为它能使得进气更顺畅，这一点应该很容易理解；但是为什么在低转速时需要长进气歧管呢，它不会增加进气阻力吗？因为发动机低转速时发动机进气的频率也是低的，长的进气歧管能聚集更多的空气，因而非常适合与低转速时发动机的进气需求相匹配，从而可以改善扭矩的输出。另外，长进气歧管还能降低空气流速，能让空气和燃料更好的混合，燃烧更充分，也可以产生更大的扭矩输出。
2：变截面
　根据流体力学的原理，管道的截面积越大，流体压力越小；管道截面积越小，流体压力越大。大道理不理解没关系，现举个例子来说明：小时候我们都玩过自来水管，将水管前端捏扁，自来水的压力会变得非常大。根据这一原理，发动机需要一套机构，在高转速时使用较大的进气歧管截面积，提高进气流量；在低转速时使用较小的进气歧管截面积，提高汽缸的进气压力，也能在汽缸内充分形成涡流，让空气与汽油更好地混合。
  进气歧管截面可变的机构设计
以4气门发动机为例，2进2排设计，其中一进气管带有气阀，该气阀受到ECU（行车电脑）的直接控制。当发动机低转速运转时，需要的进气歧管截面积小，这时可以关闭气阀，使两个进气门只有一个能够进气，这相当于减少了一半的截面积。 同样，发动机高转速运转，气阀在ECU控制下开启，两个进气门同时工作，这相当于加大了截面积，提高了进气效率，达到了发动机高转速下对进气量的特殊要求。
3可变惯性进气技术vis
汽车用4冲程发动机的活塞上上下下往复2次才算完成一个工作循环，进气门只有1/4时间打开，随着进气气门的打开和关闭，空气在进气歧管里面会有一个振荡过程。在发动机吸气的时候，进气歧管里的空气是以一定速度向气缸里流动的，在进气气门关闭瞬间，流动的空气被进气门阻挡了，由于空气的运动特性，这部分空气会向进气门方向堆积（即压缩），然后向反方向回弹，如此往复，形成振荡。，因此发动机进气呈现有频率的脉动状态。发动机转速越高，气门开启间隔也就越短，频率也就越高，同时也就需要更大的进气量来维持发动机发出更大的力量。如何维持进气量呢？使进气频率与进气的振动频率一致是一个关键。
让我们回忆一下高中物理书中有关振动的知识：振动体的振动频率与它的固有频率相同时，震动的能量最大。如果你感觉实在难以理解，不妨回忆一下周星驰电影《功夫》里的狮吼功，当包租婆的发声频率与大钟固有频率相同时，产生的能量最大，所以能搞定火云邪神。
如果，我们能够改变进气歧管的固有频率，使它与进气的频率相等，那气流将如同包租婆的“狮吼功”一样直奔发动机汽缸。 天才的工程师发现改变进气长度，就能够最为直接地改变其固有频率，从而改进气流的流动。
进气歧管长度可变机构的设计
奔驰新SLK（R171）发动机所采用的进气歧管长度可变的机构采用了一个控制阀来控制进气管的长度，这是目前主流的进气歧管长度可变机构的设计。 进气歧管被设计成蜗牛一般的螺旋状，分布在V型发动机缸体中间，气流从中部进入。当发动机在2000prm低转速运转时，黑色控制阀关闭，气流被迫从长歧管流入汽缸。依照振动学原理，歧管长度变长之后使进气歧管固有频率得以降低，与此时的低转速气流振动频率接近，从而爆发“狮吼功”一样的效果。 当发动机转速上升到5000rpm时，随着进气门速度的加快，进气频率上升，此时又需要一个更高的进气歧管固有频率与之相适应。奔驰解决的办法是将控制阀开启以缩短进气歧管长度，气流绕开下部导管直接注入汽缸，提升共振频率，利于高速进气。
　上面这种方式结构简单，但是只有2级可调，这显然不能完全满足各个转速下发动机的进气需求。解决的办法是设计一套连续可变进气歧管长度的机构。宝马760装配的V12发动机就采用了这种设计。
宝马的进气机构中间设计了一个转子来控制进气歧管的长度，通过转子角度的变化，使进气气流进入汽缸的长度连续可变。这显然更能满足各个转速下的进气效率，动力输出更加线性，扭力分布更加均匀，燃油经济性更加优秀。
（四）比较
1 vvt，vtec低中高速都有效，但结构太复杂，vtec噪音大，不能改变排气。
2可变进气岐管技术与可变惯性进气技术，结构简单，但中高速效果不明显，也不能改变排气
3可变惯性进气技术比可变进气岐管技术有效，可变进气岐管技术主要改变进气的通畅度。
（五）装备情况
1日本车 三者全用 丰田vvt+可变进气岐管技术与可变惯性进气技术 本田 vvt+vtec
2韩国车 vvt
3欧美车 可变惯性进气技术
　二　直接喷射引擎
汽油直接喷射引擎早在很早时已经在航空器的引擎和一些竞技赛车的引擎上使用。在这时的使用原因是为了提高性能和更好的应答性。但是，除了上面极少数以外，都没能实现直喷汽油引擎的实用化。原因是，为了实现实用化，需要注射器包括在内的准确的燃料量供给系统，在使用方面系统的价格一般很昂贵。在过去数十年间,电子控制和机械加工技术得到了飞跃的发展。随着它的发展，可以准确的燃料量控制系统，小型的可以喷雾微粒燃料的注射器和燃料泵的制造变成了可能。这些技术的发展，使一直处在汽油直接喷射引擎的实用化变成了可能。
一般的汽油引擎使用电子控制式燃料喷射系统。注射器安装在吸气端口，喷射的燃料在吸气端口与空气混合均匀后进入到燃烧室。在汽油直喷引擎，只有空气吸入到燃烧室，燃料被精确控制的注射器直接喷射到燃烧室。这个方式不论是使混合气均匀，还可以形成成层气。从而达到高功率，低耗油量。
三 机械增压，此类增压器是以不增加引擎排气量为前提，使动力轮输出提升的方法。是直接利用引擎出力来驱动增压器，再将高密度空气送入汽缸内以提高引擎的输出功率。
机械增压器压缩机的驱动力来自引擎曲轴，一般都是利用皮带连接曲轴皮带轮，间接将曲轴运转的扭力带动增压器，达到增压目的。依构造不同，机械增压会经出现过许多种类 ，包括叶片式(Vane)、鲁氏(Roots)、温克尔(Wankle)等型式，而活塞运动最早也被认为是一种机械增压，时至今日，则以鲁氏增压器最被广泛使用，更是改装的大热门。鲁氏增压器有双叶与三叶转子两种型式，目前以双叶转子较普遍，其构造是在椭圆形的壳体中装两个茧形的转子，转子之间保有极小的间隙而不直接相连，藉由螺旋齿轮连动，其中一个转子的转轴与驱动的皮带轮连结，转子转轴的皮带轮上装有电磁离合器，在不需要增压时即放开离合器以停止增压,离合器则由计算机控制以达到省油的目的。机械增压的特征，除了在低转速便可获得增压外，增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例，即机械增压引擎的油门反应随着转速的提高，动力输出随之增强，因此机械增压引擎的操作感觉与自然气极为相似，却能拥有较大的马力与扭力。
四 涡轮增压
在我的印象里，也就是近10年才被人们常常提到，哪知道它已经100岁了。在1905年，Sulzer Brothers Research and Development 公司的Alfred Buchi博士申请了第一款涡轮增压器的专利——动力驱动的轴向增压器，1911年在瑞士的Winterthur增压器厂开工，在1915年制造出了原型航空器发动机增压器，利用发动机废气驱动，主要目的是用来克服高海拔稀薄空气对动力的负面影响。在1919年，通用电气(GE)制造的增压器将飞行器升到了一万米高空。当时的人们还没有完全认识到增压器的潜力，直到1938年第一款带增压的卡车发动机面市。
  汽车增压技术走向成熟
Buchi是涡轮增压器之父，Garrett将它广泛推广。到了1961年，小轿车才开始试探性地安装增压器，首先出现在Oldsmobile F85上, 并在1962年上市。使用了增压技术的Oldsmobile Jetfire3.5升V8发动机达到了215马力，而非增压的最好成绩只有185马力。对于轿车，20世纪70年代是涡轮增压器的一个转折点。带增压的Porsche911于1975年面市。1977年Saab 99 将涡轮增压器技术传播得更广泛，使2升发动机的动力性能与3升发动机相同。接着是奔驰300D Turbo，它的动力性能给人留下了很深的印象。1978年别克Regal和Le Sabre运动款安装了涡轮增压器。在20世纪最后20年中，带涡轮增压器的车型一款款的出现了。涡轮增压器在赛车中也起着重要的作用，包括WRC、勒芒24小时。
涡轮增压器会产生更大的扭矩以满足驾驶乐趣。为了满足发动机不同转速下的需求，1989年出现了可变增压的涡轮增压器(VNT)。在发动机低速时，涡轮增压器减小喉口，提高增压；在发动机全速运转时，涡轮增压器喉口增大，保证增压不会超出需求。喉口可用真空管控制。优点是提高了发动机低速时的加速性能。今天的涡轮增压器已经变得部件更少、体积更小、转速更高(高达280000rpm)，空气压缩比已经达到2-2.5∶1(汽油机)和4-6∶1(柴油机)。
涡轮增压器工作原理简单，但制造工艺要求高
涡轮增压器就是一个气泵，由发动机排出的废气来驱动涡轮增压器一侧的叶轮，当它越转越快时，另一侧的叶轮也在同步加快，增大了进入燃烧室的进气量。就像你所理解的，压缩后的空气会变得很热，所以在进入燃烧室前要进行冷却，就是我们常说的中冷。中冷也帮助降低了燃烧室的温度。涡轮增压器的原理很简单，但实际上它是很复杂和精密的。不仅需要内部配件的严密配合，涡轮增压器还要和发动机严密匹配，否则就会降低发动机的效率甚至造成损坏。
　涡轮增压器带来的好处
今天，随着排放标准的越来越严格，汽车制造商不仅要满足环保要求，同时又要满足客户的需求，保证足够的驾驶乐趣。涡轮增压器正好能满足降低排放并提高燃油经济性，同时又不会以失去驾驶乐趣为代价。涡轮增压器能够提供更好的燃油经济性，因为增压会给燃烧室提供更多的空气，使燃烧更彻底，排放更干净。对于汽油机，CO2的排放与相同功率的自然吸气发动机相比要少10-20%。其他好处有：在高海拔地区也能满足空气供给；在冷启动时使三元催化更快进入工作等。
今天在欧洲，涡轮增压器已经占到了50%，在亚洲、美国也都在增长。现代涡轮增压器也改变了人们对柴油机的看法，涡轮增压器已经成为提高动力性能的主流方向。随着新的耐高温材料、新的平衡技术和润滑油轴承系统及全新电子控制的使用，涡轮增压器对于21世纪的汽车还同样起着重要的作用。

TDI是英文Turbo Direct Injection的缩写，意为涡轮增压直接喷射（柴油发动机）。 为了解决SDI的先天不足，人们在柴油机上加装了涡轮增压装置，使得进气压力大大增加，压缩比一般都到10以上，这样就可以在转速很低的情况下达到很大的扭矩，而且由于燃烧更加充分，排放物中的有害颗粒含量也大大降低