了解这些逆天的发动机技术 你就是酒桌上的王者

文章来源:易车 点击数:92 发布时间:2019-02-18
发动机的技术大多围绕着如何有效组织发动机更好的工作而开展的,发动机的核心是燃烧系统,其余的结构都是围绕让发动机更高效率燃烧而设计。其中涉及到空气的进气量、气流的组织、点火时刻的控制及排气的控制。因此发动机性能开发分别涉及到了热物理、流体力学、传热学、燃烧学等。
了解这些逆天的发动机技术 你就是酒桌上的王者

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眼看着新能源大行其道,排放法规的越发严苛,到处都充斥着燃油发动机即将退出历史舞台的声音。殊不知,发展已上百年的发动机,早已经历过无数个技术的研发与突破。在这百年的历程中,汽车发动机拥有太多的黑科技,时至今日依然叹为观止。

谈发动机技术之前,咱们先简单了解一下发动机的历史:

19世纪中叶,伴随着第二次工业革命的发展,1876年内燃机正式登上了历史的舞台。然而相比现在,那时的发动机还很稚嫩,比如1886年奔驰1号发动机的功率只有0.89匹马力,最高速度也只能到16km/h。在那个时代,相比马车就好比现在续航不高的电动车,不被人看好也不是很流行。

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经过一百多年的发展,燃料从当初的煤气变成现在的汽油、柴油乃至天然气,转速也从100rpm到如今的六七线乃至上万,功率也从当初的4.4Ps逐渐上升到现在的几百上千马力。随着各式各样的发动机电控技术纷纷出现,例如配气、正时、点火、冷却、启动系统等。使得现代的发动机相比130年前整整提高了100倍。同时由于环保法规的升级,排放污染物也得到了大幅度的减少,现在汽车的污染物水平仅为20年前的10%不到。

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接下来咱们具体探讨一下燃油发动机的那些NB技术:

发动机的技术大多围绕着如何有效组织发动机更好的工作而开展的,发动机的核心是燃烧系统,其余的结构都是围绕让发动机更高效率燃烧而设计。其中涉及到空气的进气量、气流的组织、点火时刻的控制及排气的控制。因此发动机性能开发分别涉及到了热物理、流体力学、传热学、燃烧学等。

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拿最基础的四冲程发动机来说,发动机完成一个做功循环需要经历四个阶段。首先是吸气冲程。活塞沿着绿色箭头向下运动,此时气缸顶部左侧的进气阀门打开,混合气被抽入燃烧室。然后进气门关闭,活塞开始向上运动,将混合气压缩。然后在压缩将近终点的时候火花塞点火,引燃混合气。高温高压的气体推动活塞向下运动。在最后的排气冲程中,顶部右侧的排气阀门打开,活塞向上运动并将废气排出。至此,一整个工作流程结束,接着进入下一轮吸气,压缩,做功,排气的循环。

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在此之中,四个冲程最关键的控制机构就是气门。有了气门的开闭,才能控制气体按照顺序进出气缸,并完成做功过程。当汽车发动机在低速运转时,气流惯性小,若此时配气定时保持不变,则部分进气将被活塞推出气缸,使进气量减少,气缸内残余废气将会增多。当发动机在高速运转时,气流惯性大,若此时增大进气迟后角和气门重叠角,则能增加进气量和减少残余废气量,使发动机的换气过程臻于完善。

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因此,气门开闭的时间点对于各个转速区间来说都是不同的,可变气门正时系统应运而生。可变气门技术是通过改变气门的正时或者升程更好地组织缸内的气流,在这方面很多主机厂都有解决方案,例如丰田的VVT-i可变气门正时技术、本田的i-Vtec可变气门升程技术、宝马的Valvetronic无极可调气门升程技术。

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那么就可变气门这一技术,上述三家都有哪些不同点呢?

丰田VVT-i技术的工作原理是: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,从而使凸轮轴在固定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。

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本田VTEC技术的原理就是通过在发动机里预先安装有两种不同的凸轮轴,其中一种针对低转速,另一种针对高转速。然后在行驶过程中根据发动机转速在这两种凸轮轴之间切换。不过很可惜,虽然这种技术可以带来突然打鸡血的驾驶体验,但也正是因为这种二段式结构,导致这种技术的调节精度很差,且平顺性不佳。优点自然就是成本低,可靠性高了。

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宝马Valvetronic技术的工作原理则是通过一个电控马达,操控一套连杆机构,从而控制凸轮轴到气门之间的放大系数。从而实现对于气门升程的控制。由于调节是连续可变的,因此可以针对每个转速进行特定的优化,让整个转速攀升过程变得更顺畅,而且在整个转速区域内都能输出更大的扭矩。

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说完了进气,咱们来谈谈与发动机各环节相关的其它重要技术:

涡轮增压技术: 1961年,小轿车开始试探性地安装增压器,但因为瞬间产生的巨大压力和热量,使安装后效果并不理想。而来自于北欧瑞典的Saab萨博公司则是第一家把涡轮增压器应用到汽车产品上的汽车制造商,1977年问世的Saab萨博99汽车,使汽车发动机在应用涡轮增压技术上,真正开始走向成熟,它的到来同时宣告了汽车产业一个新时代的诞生。涡轮增压技术改写了"排量大小决定功率"的传统概念。

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汽油机可控预混压燃技术:马自达家的独创科技,19年的二代创驰蓝天发动机上就要搭载了,结合了汽油机和柴油机的工作方式,利用火花塞控制气缸内的压力从而实现类似柴油机一样的燃烧方式,在某些工况下热效率高达50%,要知道以高效著称的丰田也只能做到41%,而普通发动机只有38%左右。50%的热效率可以说是诺贝尔奖级别的进步了。这也是汽油机压燃技术经过多年的发展首次应用到产业中。

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混合喷射技术:在直喷发动机特别是直喷增压发动机越来越多的今天,低速、低负荷情况下由于新鲜空气滚流强度较差会导致汽油和空气的混合较差,非常容易出现积碳,这里就要点名下本田的地球梦了,虽然性能出色但是积碳问题却是老大难。为了解决这个问题丰田在发动机上采用了双喷射系统,即部分工况下使用进气道喷射部分工况下使用缸内直喷,这样就很大程度上避免了积碳的问题。

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FSI缸内分层喷射技术:其主要是利用一个高压泵,使燃油通过一个分流轨道到达电磁控制的高压喷油器。特点是在进气道中产生可变涡流,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,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,外层逐渐稀薄,浓混合气点燃后,燃烧迅速波及外层,这样不但能够使气缸内燃烧更充分同时可以提高发动机的动力响应并节省燃油。

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可变压缩比技术:日产为此研发了近20年,该技术可以在8:1到14:1之间任意转换压缩比,根据不同工况来调整最佳压缩比例,从而保证动力性能和燃油经济性皆可达到最优状态。对比相同功率的V6发动机提升27%燃油经济性,油耗远低于2.0T及1.5L,动力远超2.0L发动机水平,媲美3.0L甚至3.5L发动机性能。通过与其它多个可变技术的配合,使追求高压缩比高燃效同时,能够不牺牲加速时的动力性能,兼顾高效、经济与动力性能。

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有成功的技术,必然也有失败的经历:

以马自达的转子发动机为代表,转子发动机将可燃气的燃烧膨胀力转化为了驱动扭矩,连接在转子上的输出轴会随着转子本身的转动一起转动。取消了无用的直线运动,使得相比同等功率传统汽油发动机,它的零件总数约少20%,体积约小30%,自重降低近一半,震动和噪声也更低。

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然而,莱洛三角形之于转子发动机虽然在机械工程领域,它的作用和使用率远不及圆形,但恰到好处的美妙真能让人心潮澎湃。且由于转子尖角易磨损的问题,严重降低了使用寿命,和一般的四冲程发动机相比,转子发动机没有高压缩比,并且燃烧不够充分,所以会导致油耗偏高,其独特的机械结构也造成这类引擎较难维修,再加上排放的问题,不得以退出历史舞台。

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其实发动机虽已是一个多世纪之前的产物,但是经过不断的发展,工程师们通过各种新奇的手段和想法,将原本看似不可能实现的功能变成现实。在此之中,充满了各种尝试和失败,好在经过所有人共同努力之后,一种又一种解决方案得以问世。同时后人在借鉴前人研发的经验的基础上,不断改良,推出性能更好且结构更简单的全新方案。

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人类在汽车发动机140多年的发展历史中一直在不断探索和超越,这些里程碑式的技术突破,推动了发动机性能的飞跃,也推动了汽车工业的发展,让汽车从少数人的玩具变成了一种重要的交通载体。在当前新能源大趋势下,未来是采用更高效的能源来促进发动机的发展还是采用纯电动电机的结构,谁也说不准,但值得期待。