多多益善!详细解说多气阀发动机技术

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发布时间:2017年6月17日

    多气阀技术早在1912年就已经出现了,第一款多气阀发动机是当时标致的GP赛车发动机。后来,这种发动机也曾经在宾利和布加迪的概念车上被采用过,但上述这些车型都不是量产车,之后的50年里,普通民用车仍然一直采用传统的2气阀设计。这种情况一直持续到60年代,本田在它的600车型上采用了多气阀技术的发动机,这是最早采用多气阀技术的普通民用汽车。到了70年代,更多的汽车开始采用4气阀技术设计,如1976年的莲花,1975年的雪佛兰Cosworth Vega,1979年的宝马M1等等。这时候的4气阀发动机还是采用单根凸轮轴,通过摇臂驱动气门。

    在80年代早期,本田采用了3气阀发动机设计,并匹配到它的主流车型上。到80年代中期,丰田和本田都开始普遍采用4气阀发动机,成为这一技术领域的领头羊,旗下主流车型都采用了该发动机技术。而欧洲的汽车制造商,在这一领域比丰田和本田晚了将近10年。

    多气阀技术通过改善进气,增加发动机的输出功率。由于2气阀发动机的进气截面积有限,在高转速时容易造成其进气不顺畅,采用多的气阀技术就能有效改变这种状况。

    下面就各种多气阀发动机分类说明

    3气阀发动机

    多气阀发动机的早期普遍采用3气阀,这是因3气阀的技术结构简单——三个气阀可以排列在一条直线上,因此只需要一根凸轮轴就能同时驱动一列气缸的进气门和排气门。直到现在,仍然少量的多气阀发动机采用这种低成本的设计,例如老款奔驰的V6和V8发动机,东风悦达起亚的千里马1.3升发动机等等。当然,这种低成本的设计对于改善发动机的工作效率是很有限的。

    4气阀发动机

    传统的2气阀发动机只能占有燃烧室顶部1/3的面积作为进气口面积,进气效率有限。4气阀的发动机积相对于2气阀的发动机,进气截面可以增大超过50%以上,更适合高转速时的平稳运行。同时,因为4气阀的设计可以将火花塞能布置在燃烧室的中央,火花塞的火焰可以更加均匀地分布到燃烧室的各个角落,混合气的燃烧可以燃烧得更加充分,热量损失小,因此4气阀发动机也更有利于提高燃烧效率和降低排放。

    4气阀发动机可以设计两根凸轮轴来驱动气门,一根驱动进气阀,一个驱动排气阀,控制可以更精确,并且可以采用更多的新技术。现在,多数主流的4气阀发动机都采用了双顶置凸轮轴的设计。本田和三菱在它的普通民用车上至今仍然喜欢采用单顶置凸轮轴,是出于降低成本的考虑。它需要在凸轮轴上布置摇臂,最终通过摇臂来驱动气阀。这样的设计虽然可以降低成本,但是增加了更多的摩擦阻力和运动惯性,影响了发动机高转速时动力的输出。因此,在本田和三菱的运动车型上,出于性能提高的考虑,都配备了双顶置凸轮轴设计的发动机。

    5气阀发动机

    这是一种存在争议的多气阀发动机技术。最大的争议就是每缸设计5个气阀是否能真正有效地增加发动机的工作效率。目前大众和奥迪在许多车型的发动机上都采用了这种技术,但是并没有明显的提高发动机的功率输出。许多同排量同技术的5气阀发动机,在功率和扭矩上,与主流的4气阀发动机相比,没有明显的优势。事实上,大众本身现在也在逐步用传统的4气阀发动机取代以前的5气阀发动机。

与4气阀相比,早期的5气阀不能提供更高的进气效率。不过如果燃烧室能够像图中那样,设计成梅花形状,那么气门则可能覆盖更大的面积。法拉力的F355就是采用了这种设计,用以提高高转速时的呼吸效率。然而它的缺点也是很明显的,如果没有尺寸的限制,更快的进气会伤害到低转速时的扭力输出。所以这种设计不适合普通民用车的使用,而更适合运用在运动车型上。

    现在的5气阀发动机,每缸气缸都有3个进气阀和2个排气阀,他们成梅花状分布。虽然单个地看是排气阀比较大,但是总面积则是进气阀更大。在F355上,外侧的进气阀比内侧的进气阀要提前10度打开,这样更容易形成涡流,让空气与汽油充分混合,因此有更高的燃烧效率和更好的排放。

    总的来说5气阀的优势还不是很明显,仅有很少的汽车制造商采用这种技术(大众、法拉利和早期的布加迪)。不过由于其在高转速范围的优势,仍然总有少数厂家一直比较热衷于5气阀技术,甚至包括法拉力的F1赛车。只不过,这种技术运用的时间不长,没过几年,法拉力的F1发动机又改回了4气阀设计。

    缺点和解决办法——可变气门技术

    早期的4气阀发动机相对于2气阀发动机也有缺点——在低转速时没有很好的扭力输出。原因很简单——较大的进气截面积会让空气流速减慢,而这对于发动机低转速的运转是十分不利的。低流速的空气流入到进气歧管中,会使空气与燃料混合不充分,从而容易产生爆震,扭矩的输出也会减小。因此传统的4气阀发动机仅能有效提高高转速时的发动机性能,随着可变气门技术在越来越多的车上得到普及,这种状况才有所改变。下面就举例说明一下可变气门技术

    丰田在80年代中期提出了T-VIS(Toyota Variable Intake System)的概念。T-VIS提高了低转速时的燃油混合效率。其原理很简单,在其中一个进气歧管安装了一个节气阀。在4650rpm以下时,节气阀是关闭的,此时相当于2气阀的发动机,当转速超过4650rpm时,节气阀打开,此时相当于4气阀发动机。

    由于这种技术有效提高了4气阀发动机在低转速时的燃烧效率和扭矩输出,继丰田之后,许多厂商也纷纷采用该技术。