關鍵字：發(fā)動機工作效率氣門VTECVALTRONICVVT-I
說到發(fā)動機，消費者最關心的莫過于發(fā)動機的動力，油耗，噪音之類的性能。當然動力是發(fā)動機最重要的性能，不過作為一個買車者，通常能了解發(fā)動機的性能渠道很有限，只能通過廠家公布的發(fā)動機參數(shù)來判斷發(fā)動機的各方面性能，但是，大家都知道，這些廠家公布的數(shù)據(jù)，都是在理論狀態(tài)下測得的，而且各個廠家的測試方法都有少許區(qū)別，所以廠家公布的功率，扭矩，油耗等參數(shù)，并不能完全代表汽車的實際性能，特別是無法體會實際的駕乘感受。當今的汽車技術已經(jīng)發(fā)展得相當成熟，作為汽車研發(fā)和制造公司，幾乎在技術上都沒有什么障礙，那么產(chǎn)品的表現(xiàn)主要取決于車廠對市場的理解，對客戶需求的理解。
當然，在不同的國家，不同的市場，消費者的需求是完全不同的，在這里，筆者就全球美、日、德三大車系來分析這些來自不同國家的汽車廠家是如何理解客戶需求，其產(chǎn)品又有那些獨到之處。
對發(fā)動機動力性影響最大的是發(fā)動機排量，這也是很多人在買車時非常重視排量的原因，理論上，排量越大的發(fā)動機能產(chǎn)生的功率就越大。所謂排量，也就是發(fā)動機的氣缸的工作容積。這個并不難理解，我們知道發(fā)動機是通過把汽油和空氣燃燒產(chǎn)生的熱能轉換成機械能來達到輸出動力牽引汽車前進的目的。所以發(fā)動機氣缸越大，能吸入的空氣也汽油就越多，那么燃燒產(chǎn)生的熱量也就越多，動力自然就大。不過排量并不是影響發(fā)動機動力的絕對因素，這一點我們從市場上的很多車型不難看出，一些排量小的發(fā)動機輸出的功率比排量大的發(fā)動機輸出的功率還要大。比如，同樣是2.4升排量的4缸發(fā)動機，廣本雅閣的2.4能輸出170匹功率，但三菱2.4升的4G64卻只能輸出136匹功率。差距很大。其實這都是由于發(fā)動機的工作效率造成的。在相同排量下，功率越大說明發(fā)動機工作效率越高。這就意味著燃燒同樣多的空氣和汽油能釋放出來的熱量和把熱量轉換成動能的能力也越強。作為現(xiàn)代汽車發(fā)動機，通常都是向著提高發(fā)動機工作效率的目標進行改進發(fā)展的。
提高發(fā)動機工作效率的手段有很多種，首先，提高發(fā)動機內部的潤滑性能，減小發(fā)動機各運動部件之間的能量損耗是一個最基本的手段?，F(xiàn)在的汽車發(fā)動機在這方面已經(jīng)優(yōu)化得很好了，那么對于自然吸氣發(fā)動機來說（沒有增壓的發(fā)動機）提高工作效率的最直接的辦法就是提高發(fā)動機的壓縮比。因為壓縮比越高汽油燃燒就更充分，產(chǎn)生的熱量就越多，那么動力性自然就能提高。不過壓縮比不能無限制的增大，因為壓縮比過大會導致發(fā)動機的爆震。所謂爆震就是活塞還沒運動到達上指點就開始自燃，這種情況是會嚴重損壞發(fā)動機的。為了提高壓縮比，通常需要使用更高幸烷值（標號）的汽油，這又會是的汽車的使用成本升高。所以為了提高發(fā)動機的工作效率現(xiàn)在各大廠家爭相開發(fā)，改進，提高得最多的就是發(fā)動機的進氣和排氣效率。我們知道，發(fā)動機是通過活塞向下運動時把空氣吸入氣缸進行燃燒的，依靠這種活塞產(chǎn)生的大氣壓力差，在理論上是不可能把氣缸內完全注滿新鮮空氣的，也是不可能把氣缸內的廢氣完全排出的。所以怎么樣讓氣缸盡可能的吸入新鮮空氣，排除廢氣就成了各大車廠的設計師們爭相開發(fā)的重點。因為進排氣效率的高低直接會影響到整個發(fā)動機工作效率的高低。
在上世紀80年代全球各大廠家都還采用每個氣缸兩氣門進排氣（一個氣門進氣，一個氣門排氣）的時候，日本的廠家就開發(fā)出了多氣門的發(fā)動機，所謂多氣門就是指發(fā)動機的進排氣門大于兩個的配氣方式。而當時日本廠家大力發(fā)展的主要是每缸四氣門的多氣門設計。對于較早的2氣門來說，4氣門使用兩個氣門進氣兩個氣門排氣。這樣的設計有兩個很大的好處，一個好處是能夠提高進排氣門的面積。從流體力學的知識我們可以知道，截面積越大，那么高速氣流的流量也就越大。這就是的發(fā)動機的進排氣效率能夠更高。不過這主要是體現(xiàn)在高轉速情況下，如果轉速較低，那么大的進氣面積相反會讓發(fā)動機進氣效率下降。其實這個道理跟人的呼吸的道理一樣。我們在平靜狀態(tài)下通常只是使用鼻子呼吸。因為此時呼吸頻率很低，空氣流量很小，用鼻子呼吸，相當于進氣面積很小，所以肺部能獲得足夠的負壓得到足夠多的空氣。但是當我們迅速跑完100米以后，呼吸開始變得急促，而且自然而然的會張開嘴巴，此時是嘴巴和鼻子一同呼吸。因為此時呼吸頻率高，空氣流量大，所以需要大的進氣面積來滿足大流量的呼吸。
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這就像多氣閥發(fā)動機一樣，通過增大進氣面積來增大發(fā)動機高轉時的進氣效率。多氣閥發(fā)動機還有一個好處就是由兩個氣門變成4個氣門以后，每個氣門的體積減小，重量減輕。所以運動慣量也減小了，這樣非常有利于高速運動，也就是說非常有利于提高發(fā)動機的轉速和響應速度。所以，有了多氣閥，發(fā)動機的轉速能夠更高，而且高轉速的時候進氣效率也會更高，從而使得整個發(fā)動機的工作效率也得到了提高。
到了90年代，隨著發(fā)動機技術的發(fā)展，和消費者需求的細分化，越來越多的人又開始對多氣閥發(fā)動機表示不滿。上文我們說過，由于氣閥設計能提高發(fā)動機高轉速時候的進排氣效率，但在低轉速時卻會使進排氣效率降低。對于經(jīng)常開車穿梭于城市的人們來說，大多數(shù)時候，發(fā)動機都是在低轉速狀況下運行的。所以多氣閥的優(yōu)勢并不能很好的發(fā)揮。但是如果我們?yōu)榱颂岣叩退傩阅芸桃獾陌褮忾T行程減?。ㄍ瑯幽苓_到減小進排氣面積的效果）那又失去了多氣閥發(fā)動機的意義。所以在上世紀90年代，本田率先推出了可以改變氣門行程和正時的VTEC發(fā)動機。至于它是怎么樣去改變行程的，我們在這里暫且不談。不過如果氣門的正時和性能可以根據(jù)需要自動改變，這就能正好彌補多氣門發(fā)動機在低轉時候的不足。這一點我們很容易想象，當發(fā)動機處于低轉速時，使用叫小的氣門行程，這樣能夠達到減小進氣面積的目的，也相當于于人在平靜呼吸時候的狀態(tài)，能夠提高低轉速時的進排氣效率；當發(fā)動機高轉速時，如果采用較大的氣門行程，這就相當于增大了進氣面積，也相當于人在劇烈運動時需要靠嘴巴呼吸一樣，提高高轉速時的進氣流量。所以，有了可變的氣門行程，我們可以同時獲得所需要的高低轉速時的良好性能?，F(xiàn)在國內的廣本和東風本田的發(fā)動機都配備了VTEC系統(tǒng)。不過VTEC也不是絕對的好。
由于受到結構的限制，氣門的行程很難實現(xiàn)無極調節(jié)，早期的VTEC只有兩段調節(jié)，而現(xiàn)在最新的VTEC也只有三段行程調節(jié)。而當氣門從一個行程轉換到另一個行程時，由于進氣流量突然增大，是的發(fā)動機的輸出也突然增大，導致發(fā)動機在整個轉速范圍段內的輸出并不線性，也就是說并不柔和。裝備了VTEC的發(fā)動機在加速時會經(jīng)常又突如其來的推背感，這在很大程度上提高了駕駛樂趣，但是如果是追求平穩(wěn)舒適的房車，則不太適合了。當然，要想做到動力線性的輸出，則需要在技術上下更大的功夫做到氣門的無極調節(jié)。不過這一點被寶馬實現(xiàn)了。寶馬的VALTRONIC就是具備無極調節(jié)氣門行程功能的系統(tǒng)。它要實現(xiàn)的功能大致跟本田VTEC一樣，最大的區(qū)別就是它的氣門行程是線性調節(jié)的，所謂線性，指的就是連續(xù)可變。所以它不但能提高發(fā)動機高低轉速時的工作效率，而且還有很好的動力輸出曲線。動力輸出很線性。
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不但這樣，由于能夠無極調節(jié)行程，這就意味著，發(fā)動機能夠在任何轉速都保持最優(yōu)化的進排氣效率。而且實現(xiàn)了進氣無極可調以后，可以取消節(jié)氣閥的設置。因為普通發(fā)動機，在進氣管內都有一個類似蝴蝶狀的節(jié)氣閥，它與油門相連，用來調節(jié)進氣量，從而控制發(fā)動機的轉速。由于所有的進氣都要流過這個節(jié)氣閥，而節(jié)氣閥會產(chǎn)生一定的氣阻，使得進氣效率下降。所以取消了節(jié)氣閥帶來的最大好處就是進一步提高了進氣效率?？梢妼汃R的VALTRONIC已經(jīng)是目前可變氣門技術中的最高水平。
提高高低轉速時的進氣效率，除了采取改變氣門行程的手段以外，還可以采用改變氣門正時的手段，進一步提高發(fā)動機的工作效率。改變行程來提高工作效率很容理解，那么改變正時又為什么可以提高工作效率呢？這要從進氣慣性說起。
我們知道，空氣也是有質量的物體。有質量就意味著有慣性。那么我們不難想象，如果當活塞剛好在上止點即將向下運動進氣時，此時進氣門打開，由于空氣有慣性，空氣從靜止加速進入氣缸需要一定時間，所以此時排氣門打開時，空氣是沒有立即進入到氣缸里面來的，而是要從靜止開始加速。這就意味著要浪費一定的活塞行程。為了提高進氣效率，工程師門在設置氣門正時時通常會讓進氣門提前打開，這就意味著進氣管內的空氣能有足夠的時間加速，進入到氣缸內來，同樣的道理，當活塞運動到下止點時，由于進氣管內的空氣還有慣性，仍然具有運動速度，所以工程師通常會把氣門正時設置成推遲關閉，讓更多的空氣能夠進入到氣缸里面來。相同的道理，排氣系統(tǒng)也可以這樣來設計。
這就意味著，進氣門和排氣們都有一個提前開啟和推遲關閉的角度。由于進氣門和排氣門一個提前打開一個推遲關閉，這就會有一個很短的時間內，進氣門和排氣門是同時打開的。有人肯定會說，那豈不會發(fā)生進排氣的干涉？其實實際情況并不會糟糕。因為新鮮空氣和廢氣在運動時都由于慣性的原因有遲滯，所以短暫的疊加角并不會有壞的影響。
不過這里又有一個問題。就跟多氣閥的矛盾一樣。發(fā)動機在不同的轉速情況下空氣的流速是不同的。而作為普通的發(fā)動機，設計師只能找一個折中的辦法來設計這個氣門疊加角。但是我們知道，發(fā)動機高轉速時，由于空氣流速大，所以我們需要更長的時間進氣，這就意味著需要更大的氣門疊加角達到提高進排氣效率的目的；相反當發(fā)動機轉速較低時，由于空氣流慢，太大的氣門疊加角會容易產(chǎn)生進排氣干涉，所以最好的辦法就是在發(fā)動機高轉速時，使用較大的氣門疊加角；低轉速時使用較小的氣門疊加角。這樣即可以提高低轉速時的進排氣效率又能提高高轉速時的進排氣效率，帶來的好處就是低速有強勁的扭力輸出，高轉有強大的功率輸出。其實這個功能VTEC就已經(jīng)實現(xiàn)了。
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由于VTEC是通過選擇不同的凸輪來達到改變氣門行程的目的的，所以低轉速時的凸輪不但行程短，而且它的氣門開啟時間也短（跟凸輪的形狀有關），相反高速凸輪的形狀能讓氣門有更長的開啟時間，這樣就達到了改變氣門正時的目的，也就是可變配氣相位。不過就像VTEC的可變行程一樣，它也只能實現(xiàn)分段可調正時。因為它正時的改變時依賴于使用不同的凸輪得以實現(xiàn)的，而目前VTEC最多也只能實現(xiàn)3組凸輪的切換，也就是實現(xiàn)分3段可調。不過，相比之下豐田的做法顯得比較明智。豐田的VVT-I就是具備連續(xù)可變氣門正時功能的一套機構，他能夠實現(xiàn)無極調節(jié)氣門正時。那么好處就不言而喻了，他能實現(xiàn)氣門正時與發(fā)動機轉速，工況的完美匹配。這樣使得VVT-I發(fā)動機的動力輸出很線性，不會又像VTEC那樣的唐突感。舒適性和發(fā)動機運轉的平順性也大大增強。
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另外，提高進氣效率還有最后一個手段，就是利用不同長度的進氣管來獲得更多的進氣能量。這個系統(tǒng)并不復雜，被成為可變進氣歧管系統(tǒng)。我們熟悉的奔馳，寶馬，奧迪的發(fā)動機都配有這個系統(tǒng)，國內的?？怂拱l(fā)動機也具備這個功能。那么它是怎么樣提高進氣效率的呢？其實道理很簡單，就是利用了共振原理。
我們知道，任何振動的物體，當它的振動周期或頻率達到它的固有周期固有頻率的時候就會發(fā)生共振。此時振動波彼此疊加，振動能量達到最大。說到這里，很多人肯定就想象到了，其實汽車的進氣就是一個具有一定周期和頻率的振動。因為進氣管內的空氣的流動是受進氣門的開閉來控制的，當進氣門打開時，空氣開始運動，檔進氣門關閉時，空氣靜止。所以我們可以把進氣作為具有一定頻率的振動來看待。那么如果進氣的運動頻率達到了它的固有頻率，那么就能獲得最大的進氣共振能量。那么實驗證明，進氣的固有頻率是跟進氣管的長度相關的。進氣管越長，那么固有頻率就越低；相反進氣管越短的話，固有頻率就越高。如果這個不好理解，我們可以想象一下大提琴和小提琴的區(qū)別。我們知道大提琴的共鳴箱體積很大，這就意味著里面振動的空氣有著很大的運動行程，所以它的共振點是在低頻的時候產(chǎn)生的，這就是為什么我們聽到的大提琴的聲音非常低的原因；相反小提琴的共鳴箱很小，里面運動的空氣的固有頻率很高，所以共振產(chǎn)生在高頻的時候，那么我們聽到的小提琴的聲音自然就很尖銳了。
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進氣管也是一樣。當在發(fā)動機低速運轉時，由于氣門開合頻率低，此時如果選用長進氣管，能夠更容易達到進氣共振，所以有利率提高進氣效率；當發(fā)動機處于高轉速時，由于氣門開合頻率高，如果選用短的進氣管，那么能獲得進氣共振，從而提高進氣效率。很多車的發(fā)動機就是通過控制閥門的開閉，來接通和斷開不同長度的進氣管，從而實現(xiàn)在高低轉速都能產(chǎn)生進氣共振的目的。不過奔馳和寶馬的可變進氣歧管技術，采用了一個巧妙的設計，首先讓進氣管盤旋幾圈（回旋進氣），在中心處設計一個轉子，通過轉子轉角的改變能夠獲得連續(xù)可變的進氣歧管長度，從而可以讓發(fā)動機在任何轉速都擁有最大的進氣能量。
所以我們可見，就算使用了可變進氣或排氣技術，由于各種技術存在設計上的差別，導致性能也各不相同。總的來說這些技術都是為了達到同一個目的，就是盡可能的提高發(fā)動機的工作效率，榨取發(fā)動機的每一滴動力。不過，正因為不同的廠家對目標客戶需求的理解不相同，是的各種技術的匹配和調校都有偏向。對于本田來說，發(fā)動機的調校有著明確的訴求。本田的工程師曾經(jīng)說過：當你輕踩油門時，它是一臺非常經(jīng)濟的發(fā)動機；當你猛踩油門時，它是一臺動力澎湃的發(fā)動機?？梢姳咎锇l(fā)動機注重的是低負荷時的經(jīng)濟型和高負荷時的動力輸出。VTEC正好可以實現(xiàn)這樣的訴求，但是要達到這樣的訴求勢必讓兩者都變得很極端，也就是說，VTEC在低速時雖然經(jīng)濟性很好但是會顯得動力不足；高轉速時雖然動力澎湃，但油耗猛增。為了實現(xiàn)這兩個極端，VTEC在改變氣門行程時，勢必會是的行程的跨度很大，加上又是分段調節(jié)，導致發(fā)動機的功率輸出很不線性，很不平順。這也是VTEC不可回避的問題。
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