李潛

（南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330038）

市場供需的要求，促使各大汽車生產(chǎn)商在外觀不斷更換、保持潮流特色的基礎(chǔ)上，更加注重汽車性能的提升。對(duì)于消費(fèi)者來說，在考慮汽車外觀的同時(shí)，往往考慮的是汽車的安全性能等綜合因素。本文以美系、日系車為研究對(duì)象，對(duì)兩系車的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的最新技術(shù)試做比較分析。在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能方面，美系近年來推崇渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，日系推崇自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

1 降低油耗技術(shù)發(fā)展概況

1.1 關(guān)于氣缸節(jié)能技術(shù)

通用汽車公司采用氣缸節(jié)能新技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制的對(duì)開式搖臂，可隨時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)不需要最大功率工作時(shí)，使凸輪軸斷開氣閥，關(guān)閉某一側(cè)的氣缸，來達(dá)到節(jié)能的目的。首先應(yīng)用在通用V8 載貨車發(fā)動(dòng)機(jī)，可使燃油經(jīng)濟(jì)性提高6%～12%。

另一項(xiàng)就是稱為可變排量的切缸工作循環(huán)，即：根據(jù)汽車動(dòng)力的需求，來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效排量，使做功的汽缸，總是處于大負(fù)荷狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能目的。這一技術(shù)在通用、本田等中大排量V 型布置發(fā)動(dòng)機(jī)，均有采用。

美國福特公司利用電腦控制技術(shù)，開發(fā)出可變排量發(fā)動(dòng)機(jī)（VDE），以此提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。這種技術(shù)最適合多汽缸的發(fā)動(dòng)機(jī)使用，如12 缸，相當(dāng)于安裝兩個(gè)獨(dú)立的6 缸發(fā)動(dòng)機(jī)，可根據(jù)駕駛需要，讓一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，另一臺(tái)處于怠速狀態(tài)。

1.2 關(guān)于均質(zhì)壓燃技術(shù)

均質(zhì)混合氣壓燃技術(shù)，是指發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，向汽缸里注入比例均勻的空氣和燃料的混合氣，通過活塞壓縮，使汽缸內(nèi)的溫度升高至混合氣自燃。采用高壓縮比，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆震。為克服這一弊端，日本的馬自達(dá)公司采用較長的排氣路徑，減少殘留在燃燒室內(nèi)的高溫氣體，來降低活塞壓縮沖程上止點(diǎn)的溫度；過延遲點(diǎn)火時(shí)間和Skyactiv G 活塞創(chuàng)新性改良（通過在活塞頂部平面的中心挖一個(gè)凹陷的圓孔）優(yōu)化了燃油噴射狀態(tài)，使得燃油與空氣的混合氣體，在火花塞附近以層疊裝方式形成，既做到大幅延遲點(diǎn)火時(shí)間，又保證穩(wěn)定燃燒。

1.3 關(guān)于啟動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)技術(shù)

該技術(shù)的首次應(yīng)用，是在本田Insight 和豐田Prius 等混合動(dòng)力車上，是將啟動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)合為一體的節(jié)油無污染裝置。當(dāng)汽車停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，裝置轉(zhuǎn)入發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)；當(dāng)踏下加速踏板時(shí)，該裝置重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，以此達(dá)到降低油耗的目的。此外，日本研發(fā)的雙噴油技術(shù)，也有效改善了燃油霧化，降低油耗。

2 提升性能技術(shù)發(fā)展概況

2.1 關(guān)于燃燒速率控制滑片

該技術(shù)主要解決兩類現(xiàn)實(shí)問題。

一類是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在怠速狀態(tài)和小負(fù)荷時(shí)，燃燒室內(nèi)殘余廢氣過多，會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火困難，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放及工作效率。

而另一類是在一般城市交通中，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分時(shí)間是在中、小負(fù)荷和怠速狀態(tài)。為了優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)在這些狀態(tài)下的排放和熱效率，燃燒速率控制滑片就是通過促進(jìn)燃燒室內(nèi)在火花塞附近創(chuàng)造穩(wěn)定的、容易點(diǎn)燃的空氣燃油混合比，通過增加燃燒室的湍流強(qiáng)度，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。該技術(shù)在Toyota 和Ford 發(fā)動(dòng)機(jī)上均有體現(xiàn)。

2.2 關(guān)于i-VTEC 技術(shù)

VTEC（Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System），該技術(shù)解決了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的進(jìn)排氣需求，提升了燃燒效率降低了排放。初期VTEC 技術(shù)，由于對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的切換不夠平滑而備受爭議。

隨后，本田推出了更為節(jié)油，并且可在全部轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)起作用的i-VTEC 技術(shù)。在VTEC 基礎(chǔ)上增加了VTC。使發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)時(shí)，關(guān)閉每個(gè)氣缸中的一個(gè)進(jìn)氣門，在燃燒室內(nèi)形成稀混合氣；而高轉(zhuǎn)工況時(shí)，可變正時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)提高進(jìn)氣門開度，延長開啟時(shí)間，獲得最大進(jìn)氣量，形成充分的混合氣提升動(dòng)力輸出。采用前置進(jìn)氣歧管，后置排氣歧管布局方式。進(jìn)氣歧管增設(shè)長度可變裝置，低轉(zhuǎn)時(shí)增加進(jìn)氣形成，提高空氣流速，提升扭矩；縮短排氣歧管長度，高溫廢氣更快進(jìn)入三元催化系統(tǒng)中，有效控制排放。

2.3 關(guān)于VVT-i 技術(shù)

圖1 VVT-i 可變配氣正時(shí)系統(tǒng)

豐田公司推出的VVT-i 可變配氣正時(shí)系統(tǒng)（如圖1），主要通過ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊）在各種工況下尋找對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量、節(jié)氣門位置和冷卻水溫度的最佳氣門正時(shí)，借以控制凸輪軸正時(shí)液壓控制閥，通過傳感器感知實(shí)際氣門正時(shí)，最后通過反饋來補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，獲得最佳氣門正時(shí)位置，使系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況，靈活控制進(jìn)氣凸輪軸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配氣時(shí)機(jī)的優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)在各轉(zhuǎn)速區(qū)間都能提高扭矩，并改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

此外，還采用智能諧波增壓進(jìn)氣系統(tǒng)（ACIS）。燃燒室內(nèi)的混合氣，在任何轉(zhuǎn)速下都能得到最有效的利用，成為日系發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的主要研發(fā)方向之一。

3 環(huán)保和新能源利用技術(shù)發(fā)展概況

3.1 關(guān)于油、電、氫混合動(dòng)力技術(shù)

混合動(dòng)力車按動(dòng)力分類，歸屬于電動(dòng)汽車，其采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力能源，通過混合使用熱能和電能兩套系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)汽車?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是油、電發(fā)動(dòng)機(jī)的互補(bǔ)工作模式。在起步或低速行駛時(shí)，使用電力驅(qū)動(dòng)，燃油消耗是零；當(dāng)車輛行駛速度提高到40 km/h 以上或者緊急加速時(shí)，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同時(shí)輸出動(dòng)力；在車輛制動(dòng)時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中。

日本馬自達(dá)汽車公司在油、電、氫混合動(dòng)力技術(shù)的研發(fā)上，處于領(lǐng)先位置，普力馬混合動(dòng)力概念車，向人們展示了全新的油、電、氫共3 種能源的混合動(dòng)力技術(shù)。該車內(nèi)部有一個(gè)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，從電動(dòng)機(jī)獲得助力，所需電力來自制動(dòng)等操作。同時(shí)，馬自達(dá)還嘗試著將電動(dòng)引擎和一種能使用汽油和氫氣作為燃料的混合動(dòng)力引擎的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合在一起。

3.2 關(guān)于天然氣驅(qū)動(dòng)技術(shù)

該技術(shù)目前已經(jīng)在美、日廣泛應(yīng)用，主要因?yàn)槠渚邆淞溯^高的經(jīng)濟(jì)性能，例如歐寶汽車推出以天然氣作為主要燃料的賽飛利CNG。以歐寶賽飛“CNG”為例，成本可比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)款減少約30%，而比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)款則可減少約50%。天然氣儲(chǔ)氣罐選用高強(qiáng)度鋼制造，傳輸管線則由不銹鋼制成，天然氣比汽油易燃性低，安全性可靠。

3.3 關(guān)于乙醇燃料技術(shù)

目前，具備有可再生特性的生物能源，已成為近期汽車能源發(fā)展的趨勢之一。其代表是被稱作車用乙醇汽油的乙醇燃料，即變性乙醇和汽油按適當(dāng)比例進(jìn)行調(diào)配，最終形成一種新型清潔車用燃料。采用該技術(shù)的車型，具備較高的燃油經(jīng)濟(jì)性以及低排放的特性。

其中美國通用薩博汽車推出的Saab Bio Power混合動(dòng)力概念車，首次混合使用了電力與純生物乙醇燃料，該車較使用E85（85%生物乙醇，15%汽油）作為燃料的Saab9-5Bio Power 2.0T 更進(jìn)一步。

4 美日汽車發(fā)動(dòng)機(jī)各方面新技術(shù)的實(shí)例比較

4.1 動(dòng)力、節(jié)油技術(shù)比拼：日系落伍，美系崛起

以君越和雅閣作為代表進(jìn)行比較。美系的君越匹配2.0 L 渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，而日系的雅閣則匹配2.4 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。在技術(shù)方面，日系車企近十年來精力過于集中在混合動(dòng)力技術(shù)，因此常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)衰退跡象，本田雅閣2.4 僅采用了較為傳統(tǒng)的i-VTEC 可變氣門正時(shí)和升程技術(shù)，因此動(dòng)力表現(xiàn)明顯落后美系車型，最大功率僅為132 kW，最大扭矩也僅為225 N·m。而新君越2.0T 則搭載了“渦輪增壓+燃油缸內(nèi)直噴+雙可變氣門正時(shí)技術(shù)”這3 項(xiàng)全球先進(jìn)技術(shù)，動(dòng)力表現(xiàn)相當(dāng)強(qiáng)悍，新君越2.0 T 最大功率162 kW，最大扭矩則高達(dá)350 N·m。

4.2 超級(jí)跑車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的苛求

LEXUS LF-A（雷克薩斯或凌志，LFA）是豐田集團(tuán)最新推出的超級(jí)跑車，代表日系最先進(jìn)的汽車制造技術(shù)。整車總質(zhì)量達(dá)到1 485 kg。LFA 采用豐田和雅馬哈共同研發(fā)的4.8 L V10 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)（1LR-GUE，如圖2），比V6 輕，在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)中算數(shù)一數(shù)二的。最大輸出412 kW。

圖2 LFA 搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)

LFA 用的發(fā)動(dòng)機(jī)斷油轉(zhuǎn)速在9 500 r/min，而90%的動(dòng)力輸出在3 700 r/min 就能實(shí)現(xiàn)，在同類型發(fā)動(dòng)機(jī)中很出色，鑄造工藝同樣先進(jìn)。

單從技術(shù)上講，并不能表明自然吸氣比增壓發(fā)動(dòng)機(jī)差，但就表現(xiàn)而言，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可以在不增加排量的前提下，大幅度提高馬力以及扭矩（約30%，取決于渦輪尺寸和調(diào)校），是自然吸氣無法抗衡的。增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)，需要承受高溫高壓，還有變速箱也要很強(qiáng)悍，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)也是考驗(yàn)。

CORVETTE ZR1 是GM（通用汽車）2009年推出的超跑，而動(dòng)力部分凸顯出美系車輛對(duì)大排量大馬力的器重，V8 發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了6.2 L 的排量，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)是LS9（圖3）。

圖3 CORVETTE ZR1 搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)

LS 系列都是V8，并且被通用應(yīng)用在了自己的各個(gè)車型中，同時(shí)也被很多輕型飛行器當(dāng)做動(dòng)力輸出。部分構(gòu)件是鋁合金。可輸出476 kW 功率，扭矩更是達(dá)到800 N·m，主要是因?yàn)橛袃蓚€(gè)supercharge（機(jī)械增壓）源源不斷給引擎輸送空氣。

比起渦輪增壓，機(jī)械增壓的好處，就是不管多低的轉(zhuǎn)速都可以，但是引擎需要分配出一些馬力來維持機(jī)械增壓，說明費(fèi)油；0～97 km 是3.3 s，這就是機(jī)械增壓的優(yōu)勢了，最高時(shí)速可達(dá)330 km。此車用的機(jī)械增壓器和最近的豐田，還有奧迪（3.0TSI 發(fā)動(dòng)機(jī)），都是Eaton 公司研發(fā)，具有穩(wěn)定、震動(dòng)噪音低、效率更高的特點(diǎn)。

5 結(jié)束語

總體上，在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)上，雖然美國與日本投入相當(dāng)，但美國汽車公司主要研發(fā)方向還是大排量汽油汽車，以及采用小排量與增壓技術(shù)的組合，來解決排放與性能矛盾；而日本公司則逐漸將研發(fā)資金注入環(huán)保汽車領(lǐng)域，以及在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)上，進(jìn)行改良創(chuàng)新。

美、日在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)上的區(qū)別，絕不止研發(fā)技術(shù)一方面，更顯著的是在研發(fā)理念方面。因?yàn)樵诂F(xiàn)階段并沒有哪項(xiàng)技術(shù)是占有絕對(duì)優(yōu)勢的，技術(shù)只有最適合一個(gè)時(shí)期或順應(yīng)一種潮流，才會(huì)成為主導(dǎo)。

時(shí)至今日，發(fā)動(dòng)機(jī)從研發(fā)到制造，應(yīng)該說近乎達(dá)到了完美的境界，目前研制的熱點(diǎn)主要是如何在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性三者之間，達(dá)到一個(gè)滿意點(diǎn)，使之更適應(yīng)時(shí)代發(fā)展和滿足用戶需求。伴隨著能源危機(jī)的不斷加劇和汽車尾氣排放法規(guī)的日趨嚴(yán)厲，未來汽車發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)，必然是朝著節(jié)能環(huán)保和新能源方向發(fā)展。

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