在自吸的世界里进排气的每一处皆可变 Lucas
在上一期的专题中,我们讲述了针对涡轮增压发动机的一系列可变技术,但其实在现代的涡轮增压发动机中,也存在不少来自自然吸气发动机的可变技术。
是故在这期,我们要来看看自然吸气发动机有哪些历史更悠久、影响层面更大的可变技术……
01可变气门正时
相信稍微懂得奥托式四行程发动机的读者们都知道,这种发动机每个汽缸至少会有一进一出的气门配置,当活塞下行运动时开启进气门吸入空气与喷油——上行运动时关闭进气门压缩混合气——再下行运动时点燃油气爆炸产生动力——再上行运动时开启排气门排出燃烧过的废气,如此周而复始,完成发动机的四个行程运作。
但事实上,由于发动机时刻处于不同的转速运转,如果气门只是固定依照以上所说行程时机来启闭,你会发现如果我们让气门打开的时间长一点,高转速时确实会因为吸入更多空氣而有更好的马力延伸,但低转速时就会因为吸入空气多了导致压缩行程时泵气阻力增加,低转速扭力发放反而变差。当然,如果反之设定则会出现相反的问题!
有没有两全其美的方法呢7您或许会想到丰田的VVT-i、日产的NVCS可变气门正时技术,但其实它们只能算是把这项技术宣传得比较铺天盖地的车厂,真正世界首创可变气门正时技术的你可能想不到——早在1919年英国车厂Vauxhall就设计出透过凸轮轴纵向移动来改变气门正时的技术,而后1958年保时捷设计出可摆动式凸轮轴偏心盘来改变气门正时。但真正透过改变带轮与凸轮轴连接转角改变气门正时,这种已经接近现代化液压控制可变气门正时技术并应用在量产车上的,是来自意大利的AlfaRomeo车厂!这或许与他们很早就参与汽车赛事,以及意大利人天生浪漫喜爱追求速度有一定关系吧?
话说回来,最早采用VVT可变气门正时技术的车,是1983年那时AlfaRomeo品牌的第三代Spider北美版车型,技术被应用在其2.0L排量发动机上。起初,这种技术的出现,目的是为了满足北美市场环保标准,也就是让驾驶人不用频频深踩油门拉高发动机转速,就能在低转速时得到理想的加速扭矩,间接换取省油效率。但后来日本人技高一筹,把可变气门当作性能加值的宣传利器,正好切中上世纪90年代那时消费市场需求,于是才有很多人以为可变气门技术是日本车厂发明的……
现代化的可变气门正时机构,是在带轮轴上加装一套液力机构,由传感器、ECU和凸轮轴液压控制阀、控制器等部分组成。通过ECU的控制,计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀,在一定角度范围内对气门的开启、关闭的时间进行调节。凸轮轴的正时齿轮的外转子与正时链条相连,内转子与凸轮轴相连。外转子可以通过液压油间接带动内转子,从而实现一定范围内的气门角度提前或延迟。
02可变气门升程
虽然可变气门正时技术可改变气门的启闭时机,但并没有改变单位时间的进气量,而改变气门升程则不同,它确实改变了进气量,也对自然吸气发动机的效率造成更加显著的影响。
可变气门升程技术可以在发动机不同转速下匹配合适的气门升程,使得低转速下扭矩充沛,而高转速时马力强劲。例如本田VTEC可变气门升程技术,这种技术是透过多组气门摇臂以及不同挺举角凸轮来达到可变升程的效果,举每汽缸双进气门的VTEC机构来说,它比一般只有两个凸轮的凸轮轴设计多了一个更高挺举角的第三凸轮,以及三个为一组的气门摇臂与内部液压柱塞机构,当发动机低速运转时,三个摇臂相互独立运动,负责驱动气门运动的摇臂跟着低挺举角凸轮运动:但当发动机转速升高后,透过内部液压柱塞移动将三个摇臂连结在一起运动,所有摇臂跟着高挺举角凸轮运作,让气门开启量更大,令得发动机能够吸入更多空气换取更强劲的马力。但本田这种可变气门升程只能算是一种分段式的气门开启量调节方式,难免会让发动机的动力输出不够线性,而像宝马Valvetronic可变气门升程技术则可对发动机的升程进行无级调节,方法是先让凸轮轴凸轮推动由电机马达调控角度的异形中间臂,中间臂的运动轨迹受凸轮轴运动影响再问接带动气门摇臂驱动气门启闭,于是这种方法能让发动机控制电脑根据各种运作参数来微调气门开启量,甚至连传统汽油发动机的节气门都能省去了。
分析
(1)i-DSi为每汽缸双火花塞点火技术,后来逐渐被淘汰。
(2)很明显,有了i-VTEC技术让同样的L13A发动机释放更强的动力性能。
分析
(1)第三代车型的2.0L发动机换下了双喉韦伯化油器,改用博世L-Jetronic燃油喷射系统。
(2)可变气门机构加入并未对性能造成明显影响,但扭矩发放转速更低一点,且燃油经济性更高。
03補充教材:可变进气歧管
相信大家都很清楚进气歧管,但不知道大家有没有关注过,一些诉求实用的小轿车,进气歧管的造型往往会有点像海螺壳那样弯曲着,空气流体从节气门进入之后到进气门这段距离是比较长的。但有些性能跑车进气歧管造型往往很短很粗,甚至对应每个汽缸都有一个独立的节气门,空气流体从节气门到进气门行程极短,为何会有这样的差异呢?
如果您还记得高中物理学过的伯努利定律就会知道,流体在又细又长的管道中速度会变快,这应对于低转速运转时需要更好扭力发放的实用型发动机来说,可以凭借更好的气体流速满足此道。相反,对于需要高转速大马力输出的发动机来说,它本身就有更高的吸气量与吸气速度,这时就不适合用长进气歧管来妨碍气体流速。
但为了追求两全其美,一些车企例如马自达在进气歧管中设置了阀门,通过打开或关闭阀门来改变空气流动的行程,当发动机低转速时,阀门引导空气走长路径的进气道,相反高转速时阀门又引导空气走短路径进气道。另外也有一种方法,就是改变进气歧管中的某一段截面积,一样都是透过流体原理来让发动机兼顾低转扭力、高转马力的手法。
分析
(1)有了可变歧管,功率与扭矩反而降低?请注意,它的效果可是发挥在了节省油耗上!
可变的始祖 陈政义
关于可变气门正时我们都不陌生了,但如果说Alfa Romeo是可变气门的老祖宗,你可能要满地找眼镜了吧?
Alfa Romeo Spider 2.0&VVT
超过100年历史的Alfa Romeo,不论在设计上、技术上都有自己独特的一套坚持,尤其在对速度与运动的追求上,大家最熟知的可能是他们大量在量产发动机上使用Twin Spark每汽缸双火花塞技术,但除此之外,世界第一款DOHC双顶置凸轮轴跟VVT可变气门技术发动机,都是Alfa Romeo最先采用的。
毕业生的浪漫
眼前这台Spider是1993年出厂的最后一型后驱Spider,关于她的种种经典与美好画面,我已经在2011年4月刊的“经典车”内容中说过了,因此我首先来跟你聊聊Alfa Romeo成为可变气门VVT始祖,以及VVT之后30年演进的故事。
VVT是Valve Variable Timing的缩写,在距离我们还不算遥远的8气门时代,发动机结构全数为机械式设计,SOHC单凸轮轴和同一根轴上的鸡蛋形凸轮轴分别控制进气阀与排气阀的启闭,而齿状正时皮带随着发动机转速以相同的间隔频率连续启闭进排气阀,而我们知道,发动机运转时所有条件是不断在变的,外在环境也是不断在改变的,其中空燃比关系到燃烧效率,而燃烧时对进气量的需求也随着发动机转速而不同。
Alfa Romeo很清楚问题所在,所以他们很早就开始在发动机上使用两根凸轮轴独立控制进气与排气的时程(SOHC也可以做到,比如本田早期的VTEC),而在DOHC的气门正时基础上,加入了一个油压驱动机构使得进气凸轮轴可以做小角度的延长开启时程,进而确保了高转速时足够的进气量与运转效率,如此一来发动机设计也可以照顾好低转速的扭力,让转速的实用范围更加宽广。
当然,可变气门正时与升程的研发在90年代后进入了百家争鸣的时代,包括本田当家的VTEC、三菱的MIVEC、日产的NVCS、宝马的VANOS,都是基于相同的目的不断优化,而今天的可变气门,受惠于精密的电脑程序控制与电子驱动,搭配更加精准的供油与各种优化燃烧环境,发动机效率几乎已经达到内燃机的极限。
但说真的,如今这一切都逼近完美的状态,对我来说总好像有点不那么真实,相反,这台老Spider开起来的感觉,反而更让我难忘……
这是个值得纪念的历史脚步
我测试的Spider是1993年出厂,2.0升的版本,搭配的是机械式3速自动变速箱,这时的发动机已经采用了最新的Bosch供油与机械喷射系统,冷车肩动时不像早期化油器车型那样需要拉阻风门然后在发动机肩动时从排气管吐出一口浓烟。发动机的运转相当稳定,在收藏家Benny的细心呵护下,不论是金属件或是皮革都闪耀着新车般的光芒。
打入D挡时,车身有一阵明显的顿挫,这是最后的前置后驱Spider,但别以为这车会像马自达MX-5一样开起来灵活刁钻,前双A臂/后非独立悬挂,加上行程很长阻尼很软,整车开起来是摇摇晃晃的,而我手握着Nardi复古方向盘,打开敞篷迎接阳光,这更像一种仪式,向60年代战后婴儿潮后快速复兴的创新力量与新鲜生活方式的致敬。
Spider跟性能是扯不上关系的,在三速自排的拖累下,转速的拉升懒洋洋的,即使4000转过后VVT运作能让我感受到一股慢慢延展的加速力道,但那跟我们经常听到本田VTEC开肩后的排山倒海完全是两回事。VVT的始祖开启了可变气门正时的先河,而我们或许感受不到那股魅力,但事实上这车与最早的Spider或是上一代相比,不论油耗或是扭力表现都已进步许多!
值得尊敬的先行者
短暂测试了这款具备VVT技术发动机的Spider,老实说我心中的感动难以言喻,不是对这车的动力性能(其实跟今日的车相比蛮没力的),而是我相信,如果Alfa Romeo不在那个时代用上VVT技术,也很快会有其他车厂会采用,就像后来的缸内直喷与稀薄燃烧技术是由三菱最早提出,只是没有落实与发扬,但Alfa Romeo敢为人先。而先行者永远是驱动汽车工业向前的力量,感谢那些孜孜不倦的车厂与工程师,感谢Alfa Romeo,没有你们,今天的汽车不会开起来这么有乐趣!
Alfa Romeo Spider 2.0L&VVT
图腾般的存在 涂纯明 潘曙光
关于自吸发动机的可变技术,任你说得天花乱坠,在我脑海里冒出的第一个印象,永远就是——本田VTEC!
“毒品”,VTEC
VTEC系统英文全称“Variable Valve Timing and Valve Lift Electronic Control System”,翻译到中文名则是可变气门正时和升程电子控制系统,在1989年由本田推出,也是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统。而有关VTEC技术方面的说明由于前面已经提到,加上网上资讯也很多,笔者在此就不多赘述。我要说的是,VTEC应用理念的转变……
大家都知道,目前一聽到本田的VTEC基本都得加上个i——i-VTCE,它比早期的VTEC技术更加强大,但车厂赋予它的任务,更多是在省油、效率这方面,当然……有这项技术的本田发动机,动力性能整体来说也不弱就是!
但是回顾到2000年初以及90年初以及90年代那时,VTEC技术可是很明确的被应刚存性能领域,屡屡挑战自然吸气发动机相对排量下最高马力世界纪录,而与其相伴的,则还有能扛住高转速运转的发动机内部结构与机件。可以说,在那个时代里,VTEC是本田最著名的科技,但其实它只是本田众多来自赛车技术的其中之一。
无奈的是,在那个有钱挥霍的时代里,把发动机拉高转追求大马力可以,在如今这个处处都有环保理念禁铜的时代,这样消耗能源可就是罪过了,于是本田将VTEC技术升华为省油利器。
我更缅怀那个用VTEC压榨马力,让排气声浪在VTEC机构变换时爆发出迷死人咆哮声的时代,也因此我与六代Civic Type-R有个约会……
摸一次少一次的体验
第六代Civic Type R搭载的是本田B16B高转速发动机,虽说压缩比仅有10.8:1,但在8200rpm的时候却能够输出185hp最大马力,最大扭矩的爆发点为7500rpm,最大扭矩160Nm。这样一台高转速机器日常使用可能有些憋屈,但来到山路或者赛道中,绝对是霸主级别!
在山道上驾驶这台第六代Civic Type-R,刚行驶了一段路,就能发现“Type-R”和“VTEC”真是本田神级的名号,5800rpm的转速就好像哆啦A梦任意门一般把家里和舞厅接在一起,低于这个点的中低转速域其实说穿就是一般1.6L自然进气发动机的调调,动力还不错但适合居家买菜,上山加速不算孔武有力,相对类似“秋名山下山之战”会是更适合它的战场。好在,那时的发动机是使用钢索油门控制节气门,而且B16B的动力响应也足够灵敏,能让我清楚知道油门深度、车速、挡位这些的互动关系,驾驭起来很心随意转。
但在5800rpm以上……你能想象不经思考时间,让人一下从家里空间转移到舞池中是何感觉吗?“砰”的一声,VTEC机构已经把16个气门都切换为全升程,改装排气管从此开始就像舞池里的PA喇叭狂奏摇头乐,那连绵狂暴的声线好像与我全身三万六千毛孔都产生共鸣,直接的影响就是让我舍不得放松油门踏板。而在这个对于一般车来说几乎已经要断油的转速,B16B才刚刚开始打出如来神掌最后一招直上8000多转,而且很明显的是,这段拉抬转速的过程比起5800rpm之前快非常多,整个力量的进发感也非常强烈。个人觉得如果只是看动力参数作为依据完全没法衡量,B16B在VTEC作动前后动力有着强大的差异感,打个简单的比方,VTEC作动后就如同忽然把1.6L的发动机提高到了2.0L般,那种感觉真的让我欲罢不能!
当然了,这种强烈的对比感也是本田VTEC之所以被无数车迷追捧的根本,它的迷人之处就像对比撞色设计般,深深的刺激着驾驶者的感官。只可惜这种属于十多年前的体验放在今天,并不是想体验就可以如愿的……
回到现实的VTEC
体验完六代Civic Type-R带来的乐趣,再把目光拉回到节能减排以及新能源车遍地的现在,你会发现第十代Civic Type-R已经没有再坚持自然吸气发动机,换装上了同样带有VTEC的K20T涡轮心脏。或许你会感慨现在已经没法体验到属于自吸+高转的“Honda sound”,但当你感受过K20T之后你会发现,它同样很美也很强,虽然并不像以前那么亲民,但必须承认的是,本田工程师们精心调校,将VTEC的乐趣在它身上成功传承下来,而且……还更省油!
两级?三级?无级! 陈家诚
宝马此变的厉害之处在于,连传统汽油发动机必备的节气门都给变走了……
华晨宝马325i(E90)& Valvetronic
世人对宝马的灵魂车系有一个极高评价:“每一代3系都是经典!”
E90虽老矣,但犀利的操控和直列六缸发动机一样,都注定是不可复制的经典。代号为N52825BF的2.5L直列六缸自然吸气发动机搭载宝马第二代Valvetronic技术,最大马力218匹,放在今天来看可能只是一个平平无奇的数据,但在当年已经够Bimmer好好把玩一番。
一项隐形的技术
让我感到意外的是,这辆325i的动力远没有我想象中那么狂躁,不管是否运动模式,一脚地板油下去,车子都只是不慌不忙的提速,谈不上什么推背感,论感官上的刺激度甚至还不如换装了涡轮增压发动机的现款320Li,虽然天然的线性输出是它仅存的一点优势,但难免给人比“区区”184匹马力低功率版B48发动机更“肉”的感觉,并且6AT变速箱也很难和如今的8AT匹敌。
也罢,毕竟这台机器并不是宝马最强的NA直列六缸,此等动力远未触及3系的极限。不过,有些地方并不需要通过动力强弱来体现,例如踩下油门之后发动机的响应十分迅速,脚下的动作和车速的变化几乎是同步的,这就是俗话说的“跟脚”。想要有畅快的驾驶体验,一个“跟脚”的油门是非常关键的。就算来到全面涡轮化的F30时代,宝马仍能保持住这个优点,使得3系即使变舒服、变家用了,仍然是同级车中最具驾驶趣味的一位。
正如我在上期专题日产VC-TURBO部分说的那样,一项先进且成熟的技术往往都是润物细无声的。当发动机运转的时候,即使里面藏有一套复杂的结构,也并不需要通过“獨特”响声甚至震动来宣示它的存在,它不像涡轮增压器那样明显改变汽车的
动力特性,可能很多人并不会发现Valvetronic技术对车辆性能有什么提升。实际上,这项技术由于放逐了节气门,只由气门肩闭特性来控制发动机转速,所以显著改善了发动机低负荷状态下的泵气损失,进气更加畅顺,混合气的形成效果更好,从而有助于提升燃油经济性和污染物的排放。
再说说其他方面,现款3系的方向盘已经算重了,老3系的方向盘还要再重50%!油门也很有份量感,所以我还挺佩服天天开着它上下班的女车主。另外,扎实的底盘和犀利的操控果然名不虚传,那是属于那个时代、难以再现的味道,不过局促的空间在现在已经无法满足消费者的要求了。
拿走拿走别客气
本期的专题是汽车发动机里的各种“可变”技术,我们可以看到不同品牌使出的各种奇招,这里可以变,那里可以变。转眼间,随着全新一代宝马3系在去年年底亮相,这辆E90时代的3系已经是爷爷辈的产品了,除了更纯粹、更原始的操控感值得人们津津乐道,为什么它还可以出现在这次的专题里?这份独门秘籍就是宝马引以为傲的Valvetronic技术,也就是我们常说的电子控制气门。
前面技术讲解里已经有详细介绍,搭载Valvetronie技术的发动机和传统发动机一个显著区别就是从理论上来说不再需要节气门(仍保留节气门设计,但基本处于全开状态),油门不再控制节气门的开合,转而通过向伺服电动机发送信号,电子气门机构控制汽缸的气门升程在一定范围内无级调节,从而能够根据发动机工况精准地控制进气量,每个进气门就相当于一个小的节气门。这项技术大大减轻了传统节气门在低开度时的泵气损失效应,既有益于燃油经济性,又能提高低速时的油门响应速度。相对于其他品牌的气门升程技术只能在有限级数里进行调节,而宝马却能做到无级可调,形式上的区别就像CVT无级变速箱和10AT变速箱那样,但要实现气门升程的无级调节可要困难多了!这无疑是老牌德国汽车厂家深厚技术底蕴的又一体现。
Valvetronic是宝马的名片
现在,宝马最新的B系列发动机装备的是第四代Valvetronic技术,宗旨没有改变,但结构变得更紧凑,同时也帮助降低发动机的高度和重心。宝马通过大胆的构想和尝试,“变”走了传统节气门,使发动机的呼吸更顺畅,有鉴于Valvetronie技术在节能减排方面贡献突出,相信宝马会一直沿用该技术。和“Sheer Driving Pleasure”的slogan一样,Valvetronic是宝马独有的名片之一!
相信大家都知道,如今这个市场啥东西突飞猛进得最快?答案就是智能手机、电脑这些科技类产物。
同样的,当车载的发动机控制电脑随着时代推移不断进化之后,前面介绍的一些可变技术就成为了机械结构上的基础,让更先进的控制电脑可以透过更强大的运算能力将这些可变技术灵活运用,玩出更多发动机的潜力……。是故,在这里需要大家了解的是,发动机可变技术在可以预见的未来,将越来越不可能单项存在于一台发动机内,它们会透过工程师精心撰写的发动机控制电脑编程协同工作,让发动机在环保大潮下释放更多潜能。
可变气门+电脑控制=米勒循环
如今不少车厂都在宣传,说自家有可以透过阿特金森循环技术换取更高运作效率,搭配电机也不怕低转速时没力……等等的混合动力系统,好像阿特金森与电机马达天生就是一对。但其实这其中有两大谬误。
首先第一个错误就是“阿特金森”,这名词的来由是1882年英国科学家詹姆士·阿特金森发明了一种独特发动机运作模式。这种发动机与一般常见机器不同之处,在于它透过独特连杆机构,让四行程发动机活塞运作时的压缩行程比起爆炸行程短,等于透过减少泵压阻力换取发动机运转更高效率。但无可避免的是,由于这种发动机机械结构较复杂,所以如今没有几家车厂愿意采用,他们所谓的阿特金森其实是取了可变气门技术的巧,让进气门在活塞上行压缩行程时晚点关闭,等于把吸入的气体又从进气道推了一点出去,基本等同于降低了泵压阻力,但这种技术其实是美国工程师罗夫·米勒于上世纪40年代发明的,马自达于上世纪90年代最早应用于他们家的Millenia(在欧洲车市叫Xedos)大型轿车上,是故应该被称为“米勒循环”。
第二个错误是,就算米勒循环由于在发动机低转速时进气会被逆推一点出去导致进气不足、低扭较差,但也不一定就等于这种发动机天生就该被电机绑死。如前所说,如果发动机控制电脑运算能力足够强大,其实有许多种方法能够透过可变气门正时、可变气门挺举压套……等机构,来在发动机各种不同工况之下灵活改变进气门开闭时机,好比说低转速时回复正常奥拓循环,中高转速才启动米勒循环模式,这其实在很多发动机上都已经得到应用,并非米勒循环或“不太正确”的阿特金森循环一定得被电机或涡轮绑死才厉害,有时言传手法……大家知道就好,呵呵!
可变点火、喷油正时+可变气门+电脑控制=闭缸运转
透过闭缸技术来达到省油目的其实并不是什么新玩意儿,早在上世紀90年代前后那时凯迪拉克的早期北极星系列V8发动机就已经开始采用,但当时官方对外的说法,是闭缸技术可对应发动机欠缺冷却水时关闭其中四缸运作,待其温度降低之后才开始喷油运作,并关闭另外那一半的汽缸进行散热,而当时我们就这么单纯的相信这是高深技术了,如今想来真是too young too slmple!因为其实严格来讲,这几乎可以说是一种失败的闭缸技术——它只是透过其中某几个汽缸不喷油、不点火来运作,原本估计目的是想让发动机更省油,但没算到汽缸不点火运作反而变成个大泵浦在那边用泵压阻力拖另外运作汽缸的后腿,一点都达不到省油目的,于是只好冠冕堂皇的说是为了保护发动机不过热。试想,哪家车厂会那么笨,只为了让发动机不高温损坏就专门发明一套闭缸技术呢?
但如今的闭缸技术,已经是结合喷油、可变气门等多项可变技术的全面系统,它除了在某几个汽缸停止喷油、点火工作时,连带控制该汽缸的气门也相应配合,以避免泵压阻力产生,还会控制另外正在运作汽缸的喷油与点火正时相应调整,确保在闭缸工作条件下发动机依然保持一定运作稳定度。
可变,会戛然而止吗?
经过两期的连载探讨,我们对发动机的可变技术做了一系列分析与实测,但严格来说,我们提到的可变技术还只能算是冰山一角,因为在发动机进化的历史长河中,还有太多的车厂、专家们,为了榨出多一分内燃机效率而费尽心力开发出的技术,好比可变歧管、可变排气阀……,它们或没有被我们收入专题内容中,甚或根本就由于市场、成本等因素被扼杀于实验室中未能与世人见面。
但不可否认,这些人付出的努力都是伟大的,值得赞颂的。
但我们也很担心,在这个节能减排议题大行其道的时代里,电机马达已是绕不开的趋势,还有多少车厂、多少工程师愿意为了进一步优化发动机来付出成本与心力?更别说,有的车厂推出的新一代发动机,整体运作品质还退步得能令人发指,就有如某家车厂的三缸作品……在此顺便剧透,下期我们将为大家奉上有关三缸发动机的专题,敬请期待喔!
还好,目前看来内燃机在20年以内还很难完全退出市场,同时也有像Mazda、Honda、Ferrari……车厂还愿意继续投入心力来挖掘发动机那尚未开发的60%热效率,只是不可否认的是,未米,发动机可能会越来越趋向高端、个性消费市场,反之电动动力可能会越来越普罗大众化……。有幸生活在如今的我们,或许更该珍惜与缅怀这段有发动机陪伴与历史可言的时代,因为搞不好我们的下下一代,就好像不知道录音带、CD一般,再也不知道发动机为何物了……
仅以此文,感谢缔造发动机可变技术的幕后英雄们……