部分汽车发动机新技术解析.doc

吉林大学汽车工程学院序言 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，从未停止过一、可变技术1、VVT，可变气门技术 VVT其实是Variable Valve Timing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。 CVVT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。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Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System，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。2、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：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ACURA TL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3950 rpm），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-4100 V8引擎，这副引擎成为世界上第一副可变汽缸技术(VDE，Variable Displacement Engine)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AFM V6 3.0L引擎，AFM(Active Fuel Management)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(Displacement on Demand)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，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Variable Cylinder Management。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3.5L V6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。 MDS8缸与4缸的完美转换 MDS是英文Multi Displacement System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，并采用专用的一体式滑阀，该这些滑阀与缸盖内的摇臂轴支架一样起着双重作用。根据系统电子控制装置发出的指令，滑阀会有选择地将油压导向特定气缸的摇臂。然后，该油压会推动同步活塞，实现摇臂的连接和断开。 VCM系统对节气门开度、车速、发动机转速、自动变速箱档位选择及其它因素进行监测，以针对各种工作状态确定适宜的气缸启用方案。此外，该系统还会确定发动机机油压力是否适合VCM进行工作模式的切换，以及催化转化器的温度是否仍会保持在适当范围内。为了使气缸启用或停用时的过渡能够平稳进行，系统会调整点火正时、线控节气门的开度，并相应地启用或解除变矩器锁定。最终，3缸、4缸和6缸工作模式间的过渡，会在驾驶员觉察不到的状态下完成。 4、可变压缩比技术发动机的可变气门正时、可变气门行程和可变进气歧管技术都不是什么新鲜的技术了，许多车型都已经大量的采用了这些“可变”技术。但是发动机还有一项“可变”的技术，却是目前量产车里面十分罕见的，这种技术可谓是发动机控制在“可变”方面的一场革命，这就是萨博的“SVC可变压缩比技术”。 我们知道，由于汽油的燃烧特性导致了汽油发动机的混和气压力不能太高。如果气缸内的压力超过了临界值，汽油就会因为压缩而在点火之前被点燃，这种现象被称为爆震，会对发动机带来很大的伤害。这种问题在增压发动机的设计上显得尤为突出。固定的压缩比成为制约机械增压和涡轮增压发动机的一个很重要的因素。我们知道，当涡轮增压介入以后，燃烧室的温度和压力会大幅度升高，如果这个值过高，爆震就不可避免。这会对发动机造出巨大伤害，同时也会影响动力输出。所以，固定压缩比的涡轮增压和机械增压发动机只能把压缩比设计得比普通自然吸气发动机低很多。但是这种过低的压缩比设计，又会导致发动机在增压器（特别是涡轮增压）没有完全介入时（也就是说，发动机在低转速时），燃烧效率非常低，能产生的动力要比普通自然吸气发动机所产生的动力要少的多。这个矛盾是促使设计师开发可变压缩比发动机的重要原因。 另外，这种技术可以让发动机在燃油适应性方面拥有巨大的优势。现在新款的主流发动机的压缩比普遍设计在10:1以上，以获得更好的动力输出和燃油经济性。但是高压缩比的发动机需要使用较高标号的燃油，这种要求在发达国家也许不算什么，但是在国内，这种要求会降低汽车在偏远地方的适应性，直接影响到车辆的销售。目前国内市场上的许多车型就是因为压缩比偏高而影响了其在偏远地区的推广。例如著名的polo1.4发动机，因为压缩比太高，必须使用97号汽油，使得polo1.4在没有97号汽油的偏远地方几乎无法销售。即便是在97号汽油充足的大都市，也会遇见买了这类车型不敢的现远足旅行的苦恼，因为在中国，有太多地方没有97号汽油了。但是，高压缩比设计是现在汽油发动机的一个设计趋势，太小的压缩比会降低发动机的性能，如果将发动机的压缩比设计的很低，又与发动机的主流发展方向相违背。这种矛盾在中国及其他发展中国家显得尤为明显。这时候，可变压缩比的发动机就显得十分可贵了。 2000年的日内瓦车展上，萨博展出了它的SVC可变压缩比发动机，当时这款发动机震惊了整个业内。虽然在2年前就有人听说过这款发动机，但大家了解的只是一个概念。而这次，萨博第一次向大家详细的介绍了它这款发动机的性能，其优越的特性让所有的参观者都感叹不已。 在很多年以前，制约可变压缩比发动机设计的一个很重要的原因是，工程师们无法改变活塞上止点的位置。当时工程师设想，如果在涡轮增压器介入之前，压缩比就像自然吸气发动机一样能达到10:1，甚至更高，当增压器完全介入以后，压缩比降到7:1以下，这样的增压发动机将是非常完美的。但由于上述的技术障碍，这种想法在当时仅仅是空想而已，没有一个设计师能实现它。 直到10多年以后的今天，萨博终于解决了这一难题，最终设计出了可变压缩比发动机。 我们下面就来看看萨博的精彩设计吧！ SVC（Saab Variable Compression）发动机为了实现其可变压缩比功能，在其气缸体和气缸盖的设计上完全打破了传统的设计理念。 先看看下面这张图： 左：高压缩比情况下 右：低压缩比情况下 SVC发动机的气缸盖和气缸体是动态连接在一起的，气缸盖与气缸体通过一组摇臂连接（图中的桔黄色部分），摇臂能在ECU的控制下改变一定的角度，从而改变了燃烧室的体积，也就是说，压缩比也同样被改变了。 SVC比早期的可变压缩比设计更灵敏，发动机没有其他多余的运动部件，只有气缸盖前后摆动，所以它的结构简单耐用。由于比普通发动机多出了一套摇臂装置，所以它比普通发动机多需要一套冷却系统，它通过气缸盖和气缸套周围的冷却水散热。由于气缸盖和气缸体会发生移位，在气缸盖和气缸体之间设计了一组橡胶套，起到密封作用。 这套可变压缩比系统允许萨博发动机可以采用更高的增压压力（2.8bar），这个值比保时捷911Turbo的1.94bar要增加很多，甚至比萨博9-3的Viggen发动机高出2倍。传统的涡轮增压器是无法提供如此高的增压值的，如果要想获得如此高的增压值，只能采用机械增压来替代（但是机械增压的缺陷是显而易见的）。 SVC能根据发动机的转速、负荷、工作温度、燃料使用状况等进行连续调节压缩比，这一切，都在ECU的控制下进行，所以动力和油耗能达到完美的平衡。 在日内瓦车展上展出的这款SVC发动机已经是第三代设计了，它是一台直列5缸每缸4气阀的发动机，排量为1598cc，但是其工作效率非常显著，它的压缩比能在8.1和14.gif/img1之间连续调节，它能产生225匹的最大功率和304牛米的最大扭力，动力与本田的3.2升V6发动机相似，而油耗却非常低比普通相同功率发动机能减少超过30的燃油消耗。 这款SVC发动机升功率能达到150匹每升，这个指标是目前轿车发动机上最高的。同时废气排放能达到欧四标准。 这款发动机另外一个非常重要的优点， 发动机的ECU能通过传感器传出的信息来判断汽油的标号，并选择最适合的压缩比。这样，它就能适应不同标号的汽油，特别是低标号的汽油。如果国内的汽车采用了这种技术的发动机，车主们就不用在选择高性能还是高适应性方面苦恼了。 萨博早在80年代末期就开始研发SVC技术了，并且在1990年获得了专利。当时的那款原型发动机是一台2.0排量的发动机。到了第二代，发展成1.4升直列6缸发动机，但是6缸的设计使得布置十分困难。最终直列5缸成了最佳的选择。 即便到目前，SVC发动机仍然出于试验室阶段，如果要将其量产，还需要做很多的工作。 优点：提高了增压发动机的功作效率以及动力输出的平顺性，发动机的体积小重量轻，能适应各种不同标号的燃油，环保性好。 缺点：气缸盖异常复杂。PSA与宝马合作发展出的进化版本智能可变压缩比技术VCR1 在2009年3月的日内瓦国际汽车展上，装备此款1.5L MCE5 VCRi发动机的标致407也将亮相，其所使用的可变压缩比技术可将压缩比可以控制在7.1至20.1之间，油耗仅为百公里6.7升，二氧化碳的排放量为每公里158克而搭载这款新型发动的407也将在日内瓦车展正式亮相。此款发动机的排量为1.5L，其最大功率为220HP(162KW/rpm),最大扭矩为420Nm。这款标致1.5L MCE5 VCRi 发动机所提供的最大功率输出相当于标致3.0升V6发动机（155KW/rpm）所提供的动力,而其扭矩则达到了一些V8发动机（陆巡LC200 4.7L V8最大扭矩410Nm；奔驰G500，5L V8最大扭矩460Nm；陆虎发现3 4.4L V8发动机最大扭矩425Nm；奥迪Q7 4.2L最大扭矩440Nm）所提供的扭矩性能。 二、缸内直喷技术 在近来各厂采用的发动机科技中，最炙手可热的技术非缸内直喷莫属。这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含大众（含奥迪）、宝马、梅赛德斯-奔驰、通用以及丰田车系上。 大众：FSI 奥迪：FSI 梅赛德斯-奔驰：CGI 宝马：GDI 通用：SID1、FSI，燃油分层直喷技术 关键词：FSI/TSI/国产TSI/TFSI/SIDI/CGI/GDI FSI是Fuel Stratified Injection的词头缩写，意指燃油分层直喷技术。该技术利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道(共轨)到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。 FSI发动机与传统发动机相比拥有更低的油耗、更好的环保和更大的输出功率和扭力。燃油分层喷射技术是发动机稀燃技术的一种，可以让每一滴燃油都能更加充分的燃烧，从而节省汽车的燃油消耗量。2、SIDI来自通用的技术 对于缸内分层燃烧的技术并不只有大众拥有，美国通用公司也有类似的技术，那就是安装在凯迪拉克CTS上SIDI发动机。它采用了双模的设计理念，配合D-VVT双可变气门正时技术。所谓双模就是指发动机在不同运行情况下，采用分层稀薄燃烧模式和均质燃烧模式，以达到提高发动机动力和降低油耗的目的。 SIDI的优势在于其使用的并不是超高压缩比技术，所以对燃油辛烷值的要求并没有FSI和发动机这么高，也不会因为压缩比不够而导致发动机无法运行。 3、CGI分层汽油直喷 顺便再提一下奔驰CGI发动机。奔驰在几年前就发布了CGI直喷汽油机产品，将直喷汽油机技术又向前推进了一步。这款发动机与大众TSI的工作原理基本相同。不同点有二：一是奔驰现有的CGI发动机上都没有采用增压技术；二是奔驰不再利用进气流作为混合气分层填充的动力，而是通过喷嘴来实现这一效果。尽管奔驰CGI(即：Stratified-Charged Gasoline Injection，分层汽油直喷)发动机在很多方面都有突破，但和其他直喷发动机一样，它也面临难以解决的问题，那就是因高压缩比带来的高温副作用，产生过多的氮氧化合物的排放。奔驰用了专门的氮氧化合物净化器以及传感器来净化，但该装置是比三元催化器贵得多的器件。4、小结 缸内直喷 将量变转为质变 近两年，当工程师们发现即便将发动机的气门数提升至五个或者改用可变气门，其对于V8发动机的动力抬升也未必有明显帮助。为此缸内直喷技术成为了各大厂商的主攻方向。虽然研发是痛苦的，但大家都清楚，成果将是令人满意的。与多点喷射系统相较，缸内直喷拥有不受限于传统机械构造的进气方式