【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 活塞向下運(yùn)動(dòng)的全部行程吸氣，這樣效率更高 ? 同樣的道理當(dāng)活塞到達(dá)進(jìn)氣沖程下止點(diǎn)時(shí)理論上應(yīng)該要關(guān)閉進(jìn)氣門了，但由于混合氣體的慣性，此時(shí)仍然能夠進(jìn)氣，也就是說混合氣體仍然在進(jìn)入汽缸，這個(gè)過程雖然只有一瞬間，但是不容忽視，如果在活塞剛好達(dá)到下止點(diǎn)的時(shí)候關(guān)閉了進(jìn)氣門，那么勢(shì)必會(huì)有一部分混合氣體進(jìn)入不到汽缸中，造成功率下降，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率減低，所以此時(shí)進(jìn)氣門必須延時(shí)關(guān)閉才能保證混合氣體盡可能的進(jìn)入到汽缸中來。排氣沖程也是一樣的道理。 ? 所以必須在設(shè)計(jì)凸輪軸轉(zhuǎn)角時(shí)考慮到這一點(diǎn)，給它設(shè)計(jì)一個(gè)進(jìn)排氣提前和延時(shí)的角度，這個(gè)角度統(tǒng)稱為配氣相位角，也叫配氣正時(shí)角。有人肯定會(huì)有疑問，如果像這樣進(jìn)排氣門都設(shè)置提前和延時(shí)角的話，那勢(shì)必會(huì)讓進(jìn)氣門和排氣門有一個(gè)同時(shí)開啟的瞬間？那么在壓縮和做功的時(shí)候不會(huì)漏氣嗎？其實(shí)在氣體質(zhì)量慣性的作用下壓縮和做功也是有一定遲滯的，只要配氣相位角時(shí)間配合得好，就不會(huì)影響到壓縮和做功。（如下圖）是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位角的設(shè)置方法。 ? 分缸斷油策略，就是在低工況下切斷發(fā)動(dòng)機(jī)一部分氣缸的燃油供應(yīng)，其馀各缸就會(huì)大幅度提高其負(fù)荷率，工作在經(jīng)濟(jì)性和排放都大為改善的工況區(qū)域。一旦這幾個(gè)工作氣缸已不能滿足功率要求時(shí)，斷油的氣缸便恢復(fù)供油并點(diǎn)火工作。這種工作方式稱為分缸斷油。 ? 最簡(jiǎn)單的模式是，斷油缸切斷燃油供應(yīng)，進(jìn)、排氣門照常啟閉。這種模式不能消除斷油缸的泵氣損失。所以，另一種更好的模式是，使斷油缸進(jìn)、排氣門暫停啟閉，其節(jié)油潛力可以提高 2至 3倍，在汽油車中達(dá)到整車節(jié)油 8~15%的效果，排放也可以相應(yīng)地減少。如果在斷油時(shí)能夠解除氣門跟凸輪之間的聯(lián)系，那麼就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。此時(shí)，盡管凸輪還在轉(zhuǎn)動(dòng)，氣門卻不為其所動(dòng)。可切換液壓挺桿就是為此而開發(fā)。 ? 圖 1為德國(guó) INA（依納）公司開發(fā)的可切換液壓挺桿。它由內(nèi)挺桿和外挺桿兩部分組成。內(nèi)、外挺桿可以互相分離，也可以鎖定為一個(gè)整體。真正的液壓補(bǔ)償元件在內(nèi)挺桿里面，最終通過液壓補(bǔ)償元件操縱氣門桿。內(nèi)凸輪接觸內(nèi)挺桿，外凸輪接觸外挺桿。外挺桿中的鎖定柱塞可以在柱塞彈簧的壓力下插入內(nèi)挺桿的孔內(nèi)，此時(shí)內(nèi)挺桿和外挺桿連成一體，氣門可以正常啟閉。內(nèi)挺桿中有兩個(gè)操縱柱塞，可以在機(jī)油壓力下克服柱塞彈簧的壓力，將鎖定柱塞朝外頂回到外挺桿中，使外挺桿和內(nèi)挺桿互相分離，此時(shí)盡管凸輪軸在轉(zhuǎn)動(dòng)，氣門卻不能啟閉。 圖 1 可切換液壓挺桿（資料來源： INA） ? 由於部分氣缸斷油以後會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性，所以通常只在四缸以上的發(fā)動(dòng)機(jī)中才采用這項(xiàng)節(jié)油技術(shù)。梅賽德斯在 1996年首次采用了分缸斷油的 V8發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)在該公司的 V8和 V12發(fā)動(dòng)機(jī)上都有應(yīng)用。美國(guó)的汽車生產(chǎn)商將向巿場(chǎng)推出采用分缸斷油技術(shù)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。有人估計(jì)，從總體上看，將來美國(guó)生產(chǎn)的汽車將有20%左右采用分缸斷油技術(shù)。但是這些發(fā)動(dòng)機(jī)主要是帶有推桿的發(fā)動(dòng)機(jī)。 ? 國(guó)產(chǎn)轎車中的 6缸汽油機(jī)如采用可切換液壓挺桿的分缸斷油技術(shù)，有望節(jié)能 8~15%。 途徑一：汽油機(jī)增壓 ? 近年來，國(guó)外轎車行業(yè)愈來愈頻繁地使用一個(gè)名詞，叫做“ downsizing”，暫且將它翻譯成“縮小排量”。它的基本思路是，在保持發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率不降低的前提下，縮小發(fā)動(dòng)機(jī)總排量，使得在較低負(fù)荷條件下的負(fù)荷率得以提高，達(dá)到節(jié)能的目的；而在較高負(fù)荷條件下就通過增壓來達(dá)到標(biāo)定功率。如此，則經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性可以兼得。舉例來說，某自然吸氣的 12缸發(fā)動(dòng)機(jī)排量為 6升，標(biāo)定功率為 300kW?？墒?，如果采用增壓，也許將它改成 6缸 3升排量就可以達(dá)到同樣的標(biāo)定功率了。但是，低負(fù)荷時(shí)的負(fù)荷率卻提高了一倍左右。 ? 汽油機(jī)縮小排量策略的理論基礎(chǔ)是顯而易見的。排量較小的發(fā)動(dòng)機(jī)更多地在較高負(fù)荷率下運(yùn)行，所以它的節(jié)氣門開度較大，吸氣沖程中氣缸內(nèi)的真空度較低，它的泵氣損失自然就比排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)小得多。此外，在排量較小的發(fā)動(dòng)機(jī)中，由於摩擦和冷卻而造成的損失也比較小。 ? 汽油機(jī)縮小排量的核心技術(shù)其實(shí)就是增壓。增壓技術(shù)用於柴油機(jī)首先是為了提高升功率，同時(shí)也為了解決碳煙和碳?xì)浠衔锱欧诺膯栴}。汽油機(jī)增壓至今尚屬罕見。這是因?yàn)槠蜋C(jī)即使不采用增壓也很容易達(dá)到和超過 50kW/L的升功率，超過一般增壓柴油機(jī)；此外，汽油機(jī)采用增壓技術(shù)會(huì)增大爆振傾向，必須調(diào)整一下壓縮比；電子控制策略方面也有一些特殊要求。 ? 但是近年來客戶對(duì)於汽車動(dòng)力性的要求有增無減，汽車的最高車速愈來愈大，發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率也隨之提高，而且當(dāng)今的大排量轎車發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)是自然吸氣的汽油機(jī)。這就給通過增壓技術(shù)縮小轎車汽油機(jī)的排量以達(dá)到節(jié)能的目的留下了發(fā)展的空間。根據(jù)當(dāng)今國(guó)際巿場(chǎng)上客戶的愿望，為了滿足轎車在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、比重量、靈活性和停車方便等方面的要求，寧愿采取增壓也不愿采取增加缸數(shù)和排量的策略來提高汽油機(jī)的功率。1994年歐洲生產(chǎn)的汽油機(jī)中只有 1%是增壓的。1997年歐洲生產(chǎn)的 1,100萬臺(tái)汽油機(jī)中這個(gè)比例上升到了 %?，F(xiàn)在這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)還在繼續(xù)。這一動(dòng)向值得中國(guó)轎車行業(yè)注意。 大眾的雙增壓技術(shù) ? 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓是很傳統(tǒng)的提升動(dòng)力和燃油經(jīng)濟(jì)性的措施，同時(shí)它還能減少發(fā)動(dòng)機(jī)有害廢氣排放量，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展增壓技術(shù)也在不斷進(jìn)步。傳統(tǒng)的渦輪增壓和機(jī)械增壓都存在著不如人意的地方，把兩種技術(shù)結(jié)合在一起不失為一種解決方法 ? 今天用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的增壓器根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同主要分為兩類 —— 機(jī)械增壓和渦輪增壓。早期的增壓器都屬于機(jī)械增壓，被稱作“超級(jí)增壓器”（ Supercharger），后來渦輪增壓器發(fā)明了， 就被稱為了Turbocharger。 ? 機(jī)械增壓器就像空氣壓縮機(jī) ? 機(jī)械增壓器就像發(fā)動(dòng)機(jī)的附件轉(zhuǎn)向助力泵一樣安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，并由發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)，將壓縮空氣輸送到進(jìn)氣歧管。機(jī)械增壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作溫度介于 70℃ 100℃ ，不需特殊冷卻系統(tǒng)，機(jī)件維護(hù)簡(jiǎn)單。不過增壓值會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而降低，當(dāng)達(dá)到某一界限時(shí)，由于本身的阻力增壓器反而會(huì)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升。因此，目前歐洲生產(chǎn)的機(jī)械增壓系統(tǒng)多半采取低增壓。它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是相對(duì)應(yīng)的，沒有滯后，動(dòng)力輸出流暢，成本低。缺點(diǎn)是要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，機(jī)械增壓容易產(chǎn)生噪音。 ? 像奔馳公司的小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)就使用了機(jī)械增壓器。 SLK兩款機(jī)械增壓 4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)輸出 120kW 和 145kW，強(qiáng)調(diào)了低速高扭矩，SLK 200KOMPRESSOR 在 2500rpm 時(shí)就達(dá)到了最大扭矩 230Nm，綜合油耗只有，以 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油特性達(dá)到6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性。這種機(jī)械增壓器是奔馳和 Eaton 公司聯(lián)合開發(fā)的，性能非常出色，增壓器的最大轉(zhuǎn)速達(dá)到 14000rpm。 ? 渦輪增壓器利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣 ? 渦輪增壓是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)增壓器，由于廢氣有上千度，需要增設(shè)空氣中間冷卻器來給高溫壓縮空氣進(jìn)行冷卻。優(yōu)點(diǎn)是增壓效率高于機(jī)械增壓，缺點(diǎn)是受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，低轉(zhuǎn)速時(shí)效果不明顯，待發(fā)動(dòng)機(jī)提升到一定轉(zhuǎn)速時(shí)才會(huì)有出色表現(xiàn)。渦輪遲滯也是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的在儀表中增加了增壓顯示表頭最大難題。 ? 在低轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪增壓器沒有介入，同時(shí)廢氣仍然要驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，排氣沒有自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)順暢，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭力輸出要比同等排量的自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)還要弱。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，例如突破 3000 轉(zhuǎn)以后，渦輪增壓器突然介入，這個(gè)時(shí)候產(chǎn)生的動(dòng)力將陡增。這種動(dòng)力的突然增加影響了動(dòng)力輸出的平順性。盡管渦輪增壓能給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來更強(qiáng)的動(dòng)力輸出，但是作為一臺(tái)民用汽車，流暢的動(dòng)力輸出是非常重要的，而渦輪遲滯會(huì)給駕駛舒適性帶來一定影響。 ? 以雙增壓技術(shù)來克服缺陷 ? 機(jī)械增壓有助于低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭力輸出，但是高轉(zhuǎn)速時(shí)功率輸出有限；而廢氣渦輪增壓在高轉(zhuǎn)速時(shí)擁有強(qiáng)大的功率輸出，但低轉(zhuǎn)速時(shí)則力不從心。發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)師們于是就設(shè)想把機(jī)械增壓和渦輪增壓結(jié)合在一起，來解決兩種技術(shù)各自的不足，同時(shí)解決低速扭矩和高速功率輸出的問題。 ? 2023年，大眾開始將這套技術(shù)裝配到量產(chǎn)的民用車型高爾夫 TSI上，這套系統(tǒng)被稱作“雙增壓”，兼顧了低速扭力輸出和高速功率輸出。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，由機(jī)械增壓提供大部分的增壓壓力，在 1500rpm時(shí)，兩個(gè)增壓器同時(shí)提供增壓壓力，其總增壓值達(dá)到 （如果渦輪增壓器單獨(dú)工作，只能產(chǎn)生 的增壓壓力）。隨著轉(zhuǎn)速的提高，渦輪增壓器能使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的功率，與此同時(shí)，機(jī)械增壓器的增壓壓力逐漸降低。機(jī)械增壓通過電磁離合器控制，它與水泵集合在一起。在轉(zhuǎn)速超過 3500rpm時(shí)，由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力，此時(shí)機(jī)械增壓器在電磁離合器的作用下完全與發(fā)動(dòng)機(jī)分離，防止消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率。 ? 升的高爾夫“雙增壓”（ Twincharger）發(fā)動(dòng)機(jī)在雙增壓器的作用下最大輸出功率為 125kW，最大扭矩為 240Nm。從 0 至100km/h 只需 秒。 動(dòng)力達(dá)到 發(fā)動(dòng)機(jī)水平，但油耗卻降低了 20％，平均油耗只有 。在 1750rpm 就發(fā)出了最大扭矩 240 Nm，并一直到 4500rpm。優(yōu)點(diǎn)是適合全部工況。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在高轉(zhuǎn)速區(qū)域的動(dòng)力表現(xiàn)并不突出。按大眾公司的解釋，性能并非這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要訴求，動(dòng)力輸出的順暢度與經(jīng)濟(jì)性才是重點(diǎn)。看來其它各大汽車公司都沒有力推此技術(shù)是因?yàn)樗鄙脔r明的個(gè)性。 ? 另外，最大輸出功率為 103kW（ 138PS）、最大扭矩為 220Nm的 Twincharger將從 2023年初開始用于配備小型 MPV（多功能商務(wù)車）“途安（ Touran）”，并計(jì)劃在此之后用于配備“高爾夫”。 途徑二 可變壓縮比在增壓汽油機(jī)的應(yīng)用 發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比愈高，效率愈高。但問題是，汽油機(jī)中提高增壓壓力會(huì)增大汽油機(jī)爆振傾向。在采用了增壓技術(shù)的汽油機(jī)中，全負(fù)荷時(shí)希望適當(dāng)降低壓縮比以抑制爆振；而部分負(fù)荷時(shí)又希望提高壓縮比以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。這種情況很自然地把人們的思路帶到了可變壓縮比電子控制。這是國(guó)外目前汽油機(jī)的發(fā)展方向之一。國(guó)外一些汽車制造商正在努力開發(fā)可變壓縮比的汽油機(jī)。這種技術(shù)使得油耗可以大大地下降，同時(shí)卻不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。 ? 德國(guó) SAAB公司在這方面居於領(lǐng)先地位。該公司SVC（ SAAB可變壓縮比）試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)排量為 ，缸徑行程比為68:88mm；壓縮比可在 14:1（部分負(fù)荷）到 8:1（全負(fù)荷）的範(fàn)圍內(nèi)變動(dòng)（見圖 2）。橫置式發(fā)動(dòng)機(jī)的整體氣缸蓋可以用液壓裝置往後傾側(cè)，最大可達(dá) 4度。發(fā)動(dòng)機(jī)上部相對(duì)於下部的傾側(cè)擴(kuò)大了活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)燃燒室的容積大小，減少了壓縮程度，降低了壓縮比。如果要提高壓縮程度，只要重新減少整體氣缸蓋的傾斜度就可以了。此時(shí)，燃燒室容積會(huì)重新減少，壓縮比就提高了。SAAB公司的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng) Trionic會(huì)根據(jù)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和燃油質(zhì)量計(jì)算出最佳壓縮比，這個(gè)最佳壓縮比是在不斷地變化。 ? 圖 2 通過液壓調(diào)節(jié)裝置使整體氣缸蓋相對(duì)於曲軸箱發(fā)生傾斜而實(shí)現(xiàn)壓縮比的改變 ? 該機(jī)的最大增壓壓力可達(dá) ，最大功率和為扭矩 165kW和 305Nm，小小的 升增壓汽油機(jī)大致達(dá)到了 動(dòng)機(jī)的水平，然而油耗比後者降低了三分之一左右?？勺儔嚎s比在傳統(tǒng)的自然吸氣汽油機(jī)中只能減少油耗 4到 5個(gè)百分點(diǎn)。它的全部潛力只有在帶有高增壓的較小排量汽油機(jī)中才能顯現(xiàn)出來，從而達(dá)到令人驚異的功率水平。 ? 同樣引人注目的還有廢氣排放方面的優(yōu)點(diǎn)：二氧化碳（ CO2）排放跟油耗成正比下降，而一氧化碳（ CO）、碳?xì)浠衔铮?HC）和氮氧化物（ NOX）都滿足當(dāng)今世界上有效的以及正在擬議中的一切法律條文的規(guī)定。如果采用 SVC概念，就可以縮短在催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到工作溫度之前所經(jīng)歷的冷起動(dòng)階段。汽油機(jī)起動(dòng)時(shí)可以采用比較低的壓縮比，因?yàn)樵谳^低的壓縮比下，汽油機(jī)的熱效率較低，廢氣溫度較高，當(dāng)廢氣抵達(dá)催化轉(zhuǎn)化器時(shí)能夠更快地使它們加熱，因而縮短起燃時(shí)間。如果催化轉(zhuǎn)化過程已經(jīng)開始，系統(tǒng)就根據(jù)當(dāng)時(shí)的行駛條件將壓縮比調(diào)節(jié)到最優(yōu)化的數(shù)值。 ? 可變壓縮比使汽油機(jī)在所用燃料種類方面非常機(jī)動(dòng)靈活，因?yàn)?SVC能夠使汽油機(jī)跟當(dāng)時(shí)使用的燃料辛烷值實(shí)現(xiàn)最佳的匹配。SVC汽油機(jī)總是以最適合於燃料的壓縮比工作。 ? 結(jié)論： ? * 提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性； ? * 分缸斷油可以提高負(fù)荷率，且成本較低。INA（依納）公司開發(fā)和生產(chǎn)的可切換液壓挺桿可以解決斷油缸氣門暫停啟閉的問題，使分缸斷油的節(jié)能效果更佳； ? * 通過增壓縮小排量，可以在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的前提下提高部分負(fù)荷時(shí)的負(fù)荷率； ? * 汽油機(jī)增壓結(jié)合可變壓縮比可以最大限度地兼顧汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性； ? * 根據(jù) SAAB公司的經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)生產(chǎn)的某 3升排量自然吸氣汽油機(jī)高級(jí)轎車如果采用增壓和可變壓縮比技術(shù)，可望將排量降低到 ，油耗降低三分之一，動(dòng)力性卻不下