汽车发动机(二)

1、合肥星驰电子工作室汽车发动机（二）袁经璜本文内容：本文内容： 可变气门配气相位和气门升程电子控制 （CVVT、VVT-i、 VTEC）等 缸内直喷分层燃烧引擎（ FSI ） 可变排量发动机（ MDS ） 升功率 稀燃发动机技术的发展 以日韩车为主导的VVT-i、VTEC、VVT等技术，基本原理都是通过改变进气量以及气门的升程来优化燃料的消耗与动力的输出； 而以大众汽车为代表的德系车这两年则一直在推广FSI技术，他们将燃料按所需的浓度直接喷入汽缸，再经过分层燃烧，以达到引擎最佳的工作效率 曾经以大排量、高油耗为荣的美国车在能源日益紧张的今天也不得不做了些妥协，于是关闭部分汽缸成了他们的独门秘籍。

2、 以克莱斯勒的8缸引擎为例，平稳运转时电脑可以自动关闭4个汽缸以节省能耗，而急速超车时8个汽缸则共同工作提供更大动力 。CVVT：连续可变的气门正时系统：连续可变的气门正时系统u韩国的汽车所用技术借鉴了德韩国的汽车所用技术借鉴了德 、日、日等国的经验等国的经验 ，而，而CVVTCVVT正是在正是在VVT-iVVT-i和和i- i-VTECVTEC的基础上研发而来的基础上研发而来 。u 以现代汽车的以现代汽车的CVVTCVVT引擎为例引擎为例 ，它，它能根据发动机的实际工况随时控制气门能根据发动机的实际工况随时控制气门的开闭的开闭 ，使燃料燃烧更充分，使燃料燃烧更充分 ，从而达，从而达到提升动力

3、到提升动力 、降低油耗的目的、降低油耗的目的 。u 但是但是CVVTCVVT不会控制气门的升程不会控制气门的升程 ，也就是说这种引擎只是改变了吸也就是说这种引擎只是改变了吸 、排气、排气的时间的时间 。VVT-i：智能可变配气正时系统：智能可变配气正时系统VVT-i是丰田独有的发动机技术 ，已十分成熟 ，近年国产的丰田轿车 ，包括新款的威驰等大都装配了VVT-i系统 。 与本田汽车的VTEC原理相似 ，该系统的最大特点是可根据发动机的状态控制进气凸轮轴 ，通过调整凸轮轴转角对配气时机进行优化 ，以获得最佳的配气正时 ，从而在所有速度范围内提高扭矩 ，并能改善燃油经济性 ，从而有效提高了汽车性能

4、 VTEC： 可变气门配气相位和气门升程电子控制系统 由本田汽车开发的VTEC是世界上第一款能同时控制气门开闭时间及升程两种不同情况的气门控制系统 ，现在已演变成i-VTEC 。 i-VTEC发动机与普通发动机最大的不同是 ，中低速和高速会用两组不同的气门驱动凸轮 ，并可通过电子系统自动转换 。此外 ，发动机还可以根据行驶工况自动改变气门的开启时间和提升程度 ，即改变进气量和排气量 ，从而达到增大功率 、降低油耗的目的 。 FSI 缸内直喷分层燃烧引擎缸内直喷分层燃烧引擎 FSI是汽油发动机领域的一项全新技术，配备了按需控制的燃油供给系统，然后通过一个活塞泵提供所需的压力，最后喷油嘴将燃料在最

5、恰当的时间直接注入燃烧室。 通过对燃烧室内部形状的设计，使火花塞周围会有较浓的混合气，而其他区域则是较稀的混合气，保证了在顺利点火的情况下尽可能地实现稀薄燃烧，这也是分层燃烧的精髓所在。FSI比同级引擎动力性显著提高，油耗却可降低15%左右。 MDS：（可变排量发动机）：（可变排量发动机）克莱斯勒研发的HEMI发动机配备了MDS系统 ，这套系统可在4缸和8缸模式间自动转换 。这种技术最适合多汽缸的发动机使用 ，在不影响驾驶者追求大排量车型的加速刺激时 ，又有效降低了堵车时的燃油消耗 。 例如一台常规的8缸发动机在采用了这种技术后 ，就等于装了两个独立的4缸发动机 ，可以根据驾驶的需要让一台发动

6、机运行 ，而让另一台休息 。 本田本田VTEC VTEC是本田开发的先进发动机技术，也是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程两种不同情况的气门控制系统。 VTEC（Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System）的意思“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”。 与普通发动机相比，VTEC发动机所不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法，它有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的调节进行自动转换。 通过VTEC系统装置，发动机可以根据行驶工况自动改变气门的开启时间和提升程度，即改变进气量和排气量

7、，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。 目前本田车型都使用i-VTEC(智能可变气门配气相位和气门升程电子控制系统)，i-VTEC技术作为本田公司VTEC技术的升级技术，其不仅完全保留了VTEC技术的优点，而且加入了当今世界流行的智能化控制理念。 在理论上VTEC和VVT-i是同出一辙，都是气门可变正时系统，但同时VTEC可以控制电子升程，而其他厂家产品只是气门可变正时。 本田以外的其他车 厂需完成可变气门正时全部都采用顶置双凸轮轴DOHC，而且VVT-i只能控制进气气门的正时，本田的VTEC可以同时控制进气和排气两侧的气门正时与升程。 vtec发动机凸轮与摇臂的数目及控制方法 有中低

8、速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的调节进行自动转换。 通过VTEC系统装置，发动机可以根据行驶工况自动改变气门的开启时间和提升程度，即改变进气量和排气量，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。 整个VTEC系统由ECU控制，接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温等）的参数并进行处理，输出相应的控制信号，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，获得所需的动力。 丰田丰田VVT-i VVT-i是丰田独有的领先发动机技术，VVT-i （Variable Valve Timing and Lift with intelligence）的意思是“智能可变配

9、气正时系统”。 该系统的最大特点是可根据发动机的状态控制进气凸轮轴，通过调整凸轮轴转角对配气时机进行优化，以获得最佳的配气正时，从而在所有速度范围内提高扭矩，并能大大改善燃油经济性，有效提高汽车的功率与性能，减少油耗和废气排放。 VVTi系统由传感器、电控单元、液压控制阀和控制器等部分组成，按控制器的安装部位不同而分成两种： 一种是安装在排气凸轮轴上的，称为叶片式VVTi，比如说丰田大霸王； 另一种是安装在进气凸轮轴上的，称为螺旋槽式VVTi，凌志400、430等高级轿车就是采用的此种型式 CVVT发动机发动机 CVVT（连续可变气门正时系统）只有控制气门正时没有控制气门升程的功能。因此引擎只

10、会改变吸、排气的时间差，无法改变进气量 简单来说它的工作原理就是当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60度的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。 所以在上述结构的作用下，可以保证发动机按照不同的路况改变气门开启、关闭时间，在保证输出足够牵引力的同时提高燃油经济性。 进气凸轮齿盘包含： 由时规皮带所带动的外齿轮、连接进气凸轮的内齿轮与一个能在内外齿轮间移动的控制活塞。 当活塞移动时在活塞上的螺旋齿轮会改变外齿轮的位置，进而改变正时的效果

11、。而活塞的移动量由油压控制阀所决定的，油压控制阀是一电子控制阀其机油压力由油泵所控制 当电脑（ECU）接受到输入信号时，例如引擎转速、进气空气量、节气门位置、引擎温度等以决定油压控制阀的操作。电脑也会利用凸轮位置感应器及曲轴位置感应器，来决定实际的进气凸轮的气门正时。大众大众FSI、VVT “Variable Valve Timing” 中文叫做“可变进气相位（正时）”。其原理与本田的VTEC 相似，不过相对较简单，少了升程控制系统，对气门的控制没有VTEC精确。 FSI，直译为燃油分层喷射，也叫“汽油直喷技术”，代表着汽油发动机的最新发展方向。 FSI发动机的主要优势有：动态响应好、功率和扭

12、矩可以同时提升、燃油消耗降低，在提供更大的输出功率和扭矩的同时，提高了燃油经济性并且减少了排放。 一般发动机采用的是将汽油和空气混合后喷入燃烧室，而汽油直喷技术则是将汽油直接注入燃烧室，通过均匀燃烧和分层燃烧，降低了燃油消耗，动力也有很大提升。FSI发动机结构图 为了实现汽油直接喷射，喷油嘴的位置由原来的进气歧管处直接安在了燃烧室的上方，高压电磁喷油嘴将燃油喷射时间控制在几千分之一秒内。 理论上，FSI发动机有至少两种燃烧模式：分层燃烧和均质燃烧，有人还把均质燃烧模式细分为均质稀燃模式和均质燃烧模式。 分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽可能多地转化成工作能量。 分层燃烧模式下

13、节气门不完全打开，保证进气管内有一定真空度（可以控制废气再循环和碳罐等装置）。这时，发动机的扭矩大小取决于喷油量，与进气量和点火提前角关系不大。 分层燃烧模式在进气过程中节气门开度相对较大，减少了一部分节流损失。进气过程中的关键是进气歧管中安置一翻版，翻版向上开启（原理性质，实际机型可能有所不同）封住下进气歧管，让进气加速通过，与形活塞顶配合，相成进气涡旋。 分层燃烧时喷油时间在上止点前60至上止点前45，喷射时刻对混合气的形成有很大影响，燃油被喷射在活塞顶的凹坑内，喷出的燃油与涡旋进气结合形成混合气。 混合气形成发生在曲轴转角40至50范围内，如果小于这个范围，混合气无法点燃，若大于，就变成

14、均质状态了。分层燃烧的空燃比一般在 1.6-3之间 。 点火时，只有火花塞周围混合状态较好的气体被点燃，这时周围的新鲜空气以及来自废气再循环的气体形成了很好的隔热保护，减少了缸臂散热，提升了热效率。 点火时刻的控制也很重要，它只在压缩过程终了的一个很窄的范围内 均质稀燃模式混合气形成时间长，燃烧均匀，通过精确控制喷油，可以达到较低的混合气浓度。均质稀燃的点火时间选择范围宽泛，有很好的燃油经济性。 均质稀燃与分层燃烧的进气过程相同，油气混合时间加长，形成均质混合气。燃烧发生在整个燃烧室内，对点火时间的要求没分层燃烧那么严格。均质稀燃的空燃比大于1。 均质燃烧则能充分发挥动态响应好，扭矩和功率高的

15、特点。均质燃烧进气过程中节气门位置由油门踏板决定，进气歧管中的翻版位置视不同情况而定。 当中等负荷时，翻版依然是关闭的，有利于形成强烈的进气旋流，利于混合气的形成与雾化。 当高速大负荷时，翻版打开，增大进气量，让更多的空气参与燃烧。均质燃烧的喷油、混合气形成与燃烧和均质稀燃模式基本一样。均质燃烧情况下空燃比小于或等于1。 以上三种燃烧状态是FSI发动机特有的燃烧控制模式，但其中有些方面还停留在理论优势方面。 现在奥迪在全球发布的FSI发动机还都采用均质燃烧模式，这不是说分层燃烧不可实现，而只是说分层燃烧实施的成本或时机还不成熟。 主要表现在分层燃烧用稀混合气，提高了缸内温度也提高了氮氧化物这样

16、的有害排放物。 对于稀混合气，普通的三元催化器很难把氮氧化物转换干净，那么需要额外的降低氮氧化物的催化转换器，无疑加重了空间和成本的负担。 另外，现阶段高硫含量的汽油对此催化器损害很大，因此还有改造炼油设备，提升燃油品质的成本。国内生产的发动机取消了分层燃烧，仅剩直喷 没有了分层燃烧会不会让FSI发动机的原有优势荡然无存？答案是否定的。即使没有应用分层燃烧，FSI发动机还有能提升压缩比，降低燃烧残油量的特点。 FSI发动机采用缸内直喷，汽油在缸内蒸发产生内部冷却效果，这样就降低了爆震的可能性，可适当提升压缩比。而进气涡旋与气门正时的配合能使没燃烧的残油得到良好的再利用。这样，FSI发动机仍能在

17、提高动力，降低油耗方面有较大的作为。 FSI发动机产生的效果可以从奥迪公司公布的发动机指标看出来。以3.2升FSI和4.2升FSI为例，对比的机型分别是以前的3.0升和4.2升汽油机。 功率上，3.2升FSI发动机是257马力，比原机型的218马力提升了39马力，4.2升FSI发动机的350马力比原机型的335马力提升了15马力；在最大扭矩上，是3.2升FSI的330牛米对原机型的290牛米，4.2升FSI的440对原机型的420牛米。奔驰的CGI发动机也采用了直喷技术 宝马宝马Valvetronic 电子气门电子气门 宝马的Valvetronic无级可变电子气门控制系统，少了节流阀（一般所说

18、的节气门）设计,直接利用精确控制的气门升程来控制进入汽缸的空气量，就如同我们的肺在作呼吸动作时一样地跟空气直接接触。 省略掉节气门后,引擎在吸进新鲜空气时,将更顺畅,少掉因为空气流动的一些粘滞力与磨擦力,而使引擎在运转时省去不必要的无用功。 而一般的车,当我们用脚踏油门时,是驱动着钢丝而驱动节气门,而踏油门的深浅正控制着节气门的开关的程度，而引进的就是将进入引擎燃烧室燃烧的新鲜空气。所以,节气门控制着燃烧室的空气量与流动速率 宝马Valvetronic技术则是在原有的进气气门正时及排气气门正时无级可变的double -VANOS（双凸轮轴可变气门正时控制系统）技术基础之上，增加了进气气门升程可

19、变功能。 在功能上，宝马的Valvetronic技术与本田的i-VTEC技术非常接近，但是宝马的Valvetronic技术实现的方法却完全不同，可调节的气门升程也更加广泛。 Valvetronic技术在提高燃油经济性的同时，还能够提高发动机功率及扭矩输出和降低排放。 衡量发动机性能的重要指标升功率 体现发动机品质高低主要是看动力性和经济性，也就是说发动机要具有较好的功率、良好的加速性和较低的燃料消耗量。 影响发动机功率和燃料消耗量的因素有很多，其中影响最大的因素有排量、压缩比、配气机构。 发动机以曲轴输出功率为基础的指标称有效指标，这种指标表示整个发动机性能的高低。 有效指标包括有效功率、有效

20、扭矩、升功率等等。 不是功率和扭矩越大的发动机就越好，真正能够反映发动机动力的指标是每升气缸工作容积所发出的功率，即“升功率”。 升功率表示了单位气缸工作容积的利用率，升功率越大表示单位气缸工作容积所发出的功率越大 升功率的高低反映出发动机设计与制造的质量。 因为升功率（N）大小主要决定于气缸平均有效压力（P）和转速（n）的乘积， 即N=（P）（n） 提高升功率就要从提高气缸压力和转速入手，因此提高升功率的具体措施也就有： （1）提高充气量。这是四冲程发动机增加热量的首要条件，因为燃料燃烧需要空气，燃料与空气比较，后者更难以充入气缸，所以就要改善换气条件，减少进气阻力增大气门通道截面积，有些发

21、动机就采用4气门形式。 当多气门结构布置困难时，首先要满足进气门的需要，不管气门布置形式怎么样，都是进气门数量等于或者大于排气门数量。 （2）提高转速以增加单位时间内的充气量。现在轿车的发动机一般都是高转速发动机，每分钟转速在5千转以上。 （3）改善混合气质量和燃烧过程。采用电控燃油喷射系统，在所有工况下混合气的质量尽可能达到最佳，空气与燃油的混合地点从节气门处移至喷油嘴处，燃油直接与吸入的空气混合，从本质上改善了混合气的均匀性。 （4）提高发动机机械效率增加有效功的输出，减少机械损失主要是减少零件之间的摩擦，涉及到零件加工的精度、表面加工质量、润滑质量、温度控制及减少附件等。 这里指出的是，

22、多气门与2气门设计的结构上最大差异，就是多气门的配气结构复杂，增加气门、导管、凸轮轴摇臂等，有些还要专门增加一支凸轮轴，即双顶置凸轮轴（DOHC），这些增加的装置必然会增加机械损失。因此，一些讲究实际的厂家仍然在中小型汽车发动机上采用2气门设计。 以上四点是相互关联的，例如发动机转速越高引起的每次循环充气量减少问题也越突出，这就要采用增大气门通道截面积的措施，加大进气门头直径或者采用多进气门形式。 但采用多气门形式又会涉及到发动机机械效率的问题。世界上的事物总是矛盾并存的，厂家工程师怎样调整平衡点，尽量完善地处理各种矛盾，就体现在各种发动机的性能表现上了。 发动机的进排气管发动机的进排气管 提

23、升发动机功率最简单的方法就是增大气缸工作容积，也就是提高排量。 一般而言，增大工作容积就会增大发动机体积，重量也会随之增加，这种方法对于追求结构紧凑，追求行驶经济性的现代乘用车设计者来说是难以接受的。 因此，在同体积或者更小体积的前提下，通过改进发动机结构和采用新材料来追求更高的输出功率，是当前厂商的追求目标。 提高发动机的升功率，也就是每升气缸工作容积所发出的有效功率，是实现这个目标的方法。要提高发动机的升功率，加大进气量是一种解决方案。 有些发动机采用强制吸气法的方式，用增大气体密度来提高进气量，例如采用涡轮增压（Turbo）。 但是，在日益严格的废气排放法例的管制及制造成本的限制下，多数

24、汽车的发动机还是倾向采用自然吸气法方式。 采用自然吸气法，又要提高进气量，设计者就把注意力放在了进排气的速度方面，也就是千方百计提高气体的流动速度来提高单位时间内的进排气量，在提高换气效率上做文章。 换气是汽车发动机最基本的功能。通过换气，排出废旧气体，发动机工作循环回复到循环初始状态，吸纳新鲜气体来提供燃料所需的氧气。用一句成语形容，就是“吐故纳新”，只有“吐故纳新”畅顺，发动机才能正常工作。 良好的发动机进气通道设计是提高进气量的重要保证。一些汽车运动者在传统发动机改装上，采用了大通量的空气滤清器，大口径或多支排气管，目的就是改善气体的流速以提升发动机功率。 更进一步，改装深入到结构内部及

25、材料的选用，例如打磨进气歧管内壁，使用不锈钢排气管等，以增高管壁的光滑程度来减少与气体之间的摩擦，提高气体的流动速度。 传统发动机进排气管多安装在气缸的同一侧，进气管依赖排气管加热。它们用铸铁铸成一体或者分别铸成，再用螺栓连接在一起。 现在高转速发动杌由于结构上的需要，进排气管多分置在气缸的两侧，进气管的加热靠冷却水或电热装置。 因受废气温度的影响，排气管的冷热温度是急剧变化的，巨大的热应力可使排气管产生裂纹，为保证一定的热胀冷缩，排气歧管的安装形式与进气管有所不同，一般发动机排气管是一缸一歧管，以减少排气管的热负荷。 按照空气动力学原理，气管的流通性应以最小截面处的流动情况为依据，而发动机整

26、个进排气道系统中最小截面处位于气门阀隙处，这也就是现代发动机采用多气门或者尽量增大气门头直径的原因。 同时，也要考虑到进排气管尺寸、形状、材料、弯曲半径、安装位置等因素对气流速度的影响，只有各种因素配合良好，发动机才能发挥最佳性能。 稀燃发动机技术的发展稀燃发动机技术的发展 目前，各大公司都拥有自己的稀燃技术，目前，各大公司都拥有自己的稀燃技术，其共同点都是利用缸内涡流运动，使聚其共同点都是利用缸内涡流运动，使聚集在火花塞附近的混合气最浓，先被点集在火花塞附近的混合气最浓，先被点燃后迅速向外层推进燃烧，并有较高的燃后迅速向外层推进燃烧，并有较高的压缩比。压缩比。 三菱缸内喷注汽油机（GDI）

27、混合比达到40:1。它采用立式吸气口方式，从气缸盖的上方吸气的独特方式产生强大的下沉气流。 这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵向涡旋转流。 在高压旋转喷注器的作用下，压缩过程后期被直接喷注进气缸内的燃料形成浓密的喷雾，喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化。 这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近，在火花塞四周形成较浓的层状混和状态。 这种混合状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄，但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布，因此能保证点火并实现稳定燃烧。 大众的直喷汽油发动机（FSI），则是采用了一个高压泵，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

28、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。 本田最新的VTEC发动机也将采用稀燃技术。 这款取名为VTECi 2.0升发动机将比一般本田发动机省油20%，其特点是将VTEC技术与稀燃技术相结合，也是当低转速时令其中一组进气门关闭，在燃烧室内形成一道稀薄的混合气体涡流，层状分布集结在火花塞周围作点燃引爆，从而起到稀薄燃烧作用。 汽车汽油发动机实现稀燃的关键技术主要有三个方面： 一、提高压缩比采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高

29、压缩比至13：1左右，促使燃烧速度加快。 二、分层燃烧二、分层燃烧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。 为了提高燃烧的稳定性，降低氮氧化物（NOx），现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，进气初期喷油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃，实现分层燃烧。 三、高能点火高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。 有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。 以上三点只是对整体汽油发动机稀燃技术而言，具体到某种机型会有所偏重。 因为各种汽油发动机稀燃方式的技术措施不完全一样，甚至同一部发动机在不同的工况下稀燃方式也会不完全一样。 有些着重缸内气流运动及燃油分布的配合，重点在分层燃烧。有些着重加大点火能量、增快火焰传播速度和缩短火焰传播距离，重点在高能点火。 多气门发动机 现代轿车发动机的转速一般可达每分钟5500转以上，