发动机新技术

四、发动机新技术

1.VCM可变气缸管理系统技术

VCM系统为本田公司发动机的新技术，应用在雅阁车型上。新一代VCM系统能够在三缸、四缸和全六缸工作模式间切换。VCM系统能够让新雅阁在起步、加速或爬坡等任何需要大功率输出的情况下保证全部六个气缸投入工作。而在中速巡航和低发动机负荷工况下，仅运转一个气缸组，即三个气缸，另一排气缸组停止工作。在中等加速、高速巡航和缓坡行驶时，发动机将会用4个气缸来运转，即前排气缸组的左侧和中间气缸正常工作，后排气缸组的右侧和中间气缸正常工作。

2.电喷发动机

电喷发动机是采用电子控制装置取代传统的机械系统（如化油器）来控制供油的一种发动机。如汽油机电喷系统就是通过各种传感器将发动机的温度、空燃比、节气门状况、发动机的转速、负荷、曲轴位置、车辆行驶状况等信号输入电子控制装置，电子控制装置根据这些信号参数。计算并控制发动机各气缸所需要的喷油量和喷油时刻，将汽油在一定压力下通过喷油器喷入到进气管中雾化。并与进入的空气气流混合，进入燃烧室燃烧。从而确保发动机和催化转换器始终工作在最佳状态。

1）电喷发动机的类型。

电喷发动机按喷射位置可分为缸内喷射和进气口喷射两种，见图2-2-26所示。缸内喷射为多点喷射（MPI）；进气口喷射又可分为单点喷射（SPl）和多点喷射（MPI）。

图2-2-26　缸内喷射和进气口喷射

缸内喷射方式是将喷油器安装在缸盖上直接向缸内喷油，这种燃油喷射方式又称为缸内直接喷射，简称DI。我们需要注意的是，汽油直接喷射与柴油直接喷射有根本的区别，这种区别主要表现在喷油时刻不同。汽油机直接喷射发生在压缩冲程开始前或刚开始时，而柴油机的直接喷射发生在压缩冲程将要结束时。由此可以引出以下几个区别：①直接喷射汽油机有较长的时间用于生成混合气；②直接喷射汽油机喷油时，缸内充气量的温度和压力较低，但相比进气管汽油喷射发动机要高得多；③直接喷射汽油机仍需要火花塞点火。

缸内直喷式汽油机能进行分层燃烧，可以点燃稀混合气。缸内直喷式汽油机的空燃比可达40∶1，压缩比可达12.5∶1。这种发动机排放污染也很小。缸内喷射是近几年来燃油喷射技术的发展趋势之一。

2）电控燃油喷射系统的优缺点。

电控燃油喷射系统的主要优点有：①提高了发动机的重启系数；②汽油燃烧更充分；③可均匀分配各缸燃油；④提高了汽车的驾驶性能。其缺点在于价格偏高，对维修技术的要求较高。

3.内燃机增压技术

所谓内燃机增压就是利用增压器，将空气或可燃混合气体进行预压缩后再送入气缸燃烧的过程。增压后，每个工作循环进入气缸的新鲜空气密度增大，使实际充气量增加，从而达到提高发动机功率和改善发动机经济性的目的。内燃机增压技术主要有以下4种不同的增压方式：

1）机械增压（Super Charge）。

机械增压器见图2-2-27所示。增压器皮带轮与发动机曲轴皮带轮之间用传动皮带连接，利用发动机的动力来带动机械增压器内部的工作叶片旋转，工作叶片旋转时，压缩进气歧管内的新鲜空气，从而使得发动机充气量增加。

图2-2-27　伊顿Roots式机械增压器

理想的机械增压器在1 000r/min～7 500r/min的发动机工作区域之内，能产生稳定的增压压力，让发动机输出功率提升20%～40%。因此机械增压器在发动机低转速时也能就产生增压效果，通常发动机一脱离怠速区域，在1 000r/min～1 300r/min即能带动机械增压器产生增压效果，并延续至发动机最高转速，因此整体增压曲线是呈现一缓步上升的平滑曲线，经由供油程序与泄压阀的调整，即可达成“高原型”发动机输出功率曲线的目标。机械增压的优点是，转子的速度与发动机转速是同步进行的，增加动力不存在滞后，动力输出更为流畅；其缺点是，由于机械增压消耗部分发动机动力，增压效率不高。

2）废气涡轮增压（Turbo Charge）。

废气涡轮增压是利用发动机排出的废气达到增压目的。我们知道，发动机排出的尾气具有很大的动能，废气涡轮增压器利用发动机排出的尾气动能来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮再压送由空气滤清器管道送来的新鲜空气，使之增压再进入气缸，从而达到增压目的，如图2-2-28所示。

图2-2-28　废气涡轮增压原理示意图

发动机转速越快，废气排出的速度就越大，涡轮的转速也就同步增大，叶轮就能压缩更多的新鲜空气进入气缸。新鲜空气的压力和密度越大，进入进气歧管内的新鲜空气总量就越多；新鲜空气总量越多，按照理论空燃比计算，需要燃烧更多的燃料，增压所增加的新鲜空气总量和燃料总量就可以增加发动机的输出功率和转矩。

一般增压压力可达180～300kPa，并且需要增设空气中间冷却器来给高温压缩空气进行冷却。涡轮增压器的最大优点，是在不加大发动机排量的前提下就能较大幅度地提高发动机的功率及转矩，一般而言，加装增压器后的发动机的功率及转矩要增大20%～30%。涡轮增压器的缺点是滞后，即由于叶轮的惯性作用对节气门瞬时变化反应迟缓，这对于要突然加速或超车的汽车而言，驾驶员会觉得有少许操纵滞后的感觉。

涡轮增压简称Turbo，我们在轿车尾部看到排量加T的标记，即表明该车采用的发动机是属于涡轮增压发动机。

3）复合增压。

复合增压是废气涡轮增压和机械增压并用的内燃机增压技术，这种增压方式在大功率柴油机上用的较多。复合增压发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，但结构过于复杂。

4）气波增压。

气波增压是利用高压废气的脉冲气波迫使新鲜空气压缩后再进入进气歧管。这种系统低速增压性能好、加速性好、工况范围大；但尺寸大、笨重和噪声大。

4.柴油机共轨直喷技术

在车用柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为“共轨”的技术，见图2-2-29所示。

图2-2-29　柴油机共轨直喷系统示意图

共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。由ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。

5.可变气门技术

发动机可变气门正时技术（Variable Valve Timing，即VVT）是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的发动机新技术中的一种，采用可变气门正时技术的发动机可以提高充气系数，使充气总量增加，这样，发动机的转矩和功率可以得到进一步的提高，如图2-2-30所示。

图2-2-30　配气正时与充气效率的关系

合理选择配气正时，保证最好的充气效率，是改善发动机性能极为重要的技术问题。分析内燃机的工作原理，我们知道，在进、排气门开闭的四个过程中，进气门迟闭角的改变对充气效率影响最大。进气门迟闭角的变化对充气效率和发动机功率的影响关系可以通过图2-2-30予以说明。

图2-2-30示出了发动机功率和充气效率η_v曲线随转速变化的关系。从图上可以看出，当进气门迟闭角为40°时，充气效率η_v约在1 800r/min的转速下达到最高值，说明在这个转速下工作能最好地利用气流的惯性充气。当转速高于此转速时，气流惯性增加，使一部分本来可以利用气流惯性进入气缸的气体被气门关在气缸之外，加之转速上升，流动阻力增加，所以使充气效率η_v下降。当转速低于此转速时，气流惯性减小，压缩行程初始时就可能使一部分新鲜气体被推回进气管，因此，充气效率η_v也会下降。

从图2-2-30中还可以看出，不同的进气迟闭角，具有不同的充气效率η_v曲线。不同的进气迟闭角的充气效率η_v曲线最大值所相对应的转速又有所不同，一般迟闭角增大，与充气效率η_v曲线最大值所相对应的转速也增加。迟闭角为40°与迟闭角为60°的充气效率曲线η_v相比，曲线最大值相当的转速分别为1 800r/min和2 200r/min。由于转速增加，气流速度加大，这是因为，较大的迟闭角可充分利用高速的气流惯性来增加充气。

因此，改变进气迟闭角可以改变充气效率η_v曲线随转速变化的趋向，以调整发动机功率与转矩曲线，以满足不同工况下汽车的使用要求。显然，理想的气门正时应当是根据发动机的工作情况及时做出调整，而对于传统的凸轮挺杆气门机构，是无法做到这一点的。

1）丰田VVT-i发动机技术。

VVT-i系统的英文全称为Variable Valve Timing-intelligent，是丰田公司的智能可变气门正时系统的英文缩写，汉语意思是“智能可变配气正时系统”。现在，丰田轿车发动机已普遍安装了VVT-i系统。

VVT-i系统由传感器、电控单元、液压控制阀和控制器等部分组成，丰田发动机的VVT-i系统可连续调节气门正时。它的工作原理如图2-2-31所示：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，在机油压力的作用下，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度的范围内可以向前或向后旋转（相对于曲轴），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。

图2-2-31　VVT-i结构示意图

该系统的最大特点是可根据发动机的工作状态控制进气凸轮轴的转角，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转矩，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。

按控制器的安装部位不同而分成两种：一是安装在排气凸轮轴上的，称为叶片式VVT-i，如丰田大霸王普锐维亚；二是安装在进气凸轮轴上的，称为螺旋槽式VVT-i，如雷克萨斯400、430等高级轿车。

2）本田发动机的VTEC技术。

本田发动机的VTEC技术为英文“Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System”的缩写，中文意思为“可变气门正时及升程电子控制系统”。VTEC也是可变气门控制技术，与丰田发动机仅仅只改变气门开度的VVT-i技术不同的是，VTEC技术是通过同时改变气门开度和升程来改变进排气量，借以提高发动机功率和转矩。该系统由ECU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，VTEC发动机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，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。

近年，本田又推出了比VTEC更先进的i-VTEC系统，i-VTEC系统是在现有的基础上，添加了一个“可变正时控制系统”，通过ECU控制程序调节气门的开启关闭，使气门的重叠时间更加精确，达到最佳的进、排气时机，并且进一步提高了发动机的功率。从远期来看，VTEC将会被i-VTEC所取代。

6.可变排量技术（VDE）

美国福特汽车公司利用最先进的电脑控制技术，开发出可变排量发动机（VDE），可以很好地控制汽车发动机的动力输出和改善汽车的燃油经济性。这种技术适合多气缸的发动机使用。例如，一台具有12个气缸的发动机，利用VDE技术，可以根据行驶条件的需要，可以让12个气缸全部工作，也可以让6个气缸正常工作，而让另6个气缸处于怠速状态。这样，就可以随时调整发动机的排气量，从而减少能源的消耗。

7.可变压缩比技术（SVC）

一般汽车发动机的压缩比是不可以变动的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，在设计中已经确定好。近年，萨博（Saab）开发的SVC发动机以改变压缩比来控制发动机的燃油消耗量。它的核心技术就是在缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的容积，从而改变压缩比。其压缩比范围可从8～14之间变化。在发动机小负荷时采用高压缩比以节约燃油；在发动机大负荷时采用低压缩比，并辅以增压器以实现大功率和高转矩输出。