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【转载】汽车发动机的历史与发展趋势  

2013-09-15 23:51:41|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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汽车发动机的历史与发展趋势 - wuwei1101 - 西花社

 ■下一代汽车发动机的主流——直喷式汽油发动机

电动汽车(EV)成为话题的机会越来越多。2009年三菱汽车和富士重工在日本开始发售EV。这2家公司是将既有的发动机汽车改造成EV的,在2010年日产设计了EV专用的汽车在日美市场上销售。不难想象,今后会有越来越多的汽车制造商制造销售EV。可以感觉在不远的将来,EV将成为汽车的主流,但是也有人不这样认为。在汽车制造商和各种研究机构对未来的推测中,有“即使到2050年,纯粹的发动机汽车占20%以上,包括混合燃料在内有70%的汽车使用发动机”的观点。

很久以后的事我们我太清楚,但至少在这10年20年里,我们认为还是以发动机汽车为主的。但是呢,这个发动机和现在的发动机会有所不同,应该会采用直喷式汽油发动机。

File:4-Stroke-Engine.gif

■汽车的核心----发动机的历史

一般的发动机,吸入空气后,将和燃料混合气化后的“混合气”送入气缸中,在气缸中压缩点燃使其燃烧。很久以前,是用一种叫做“汽化器”的类似喷雾器的装置使燃料和空气混合形成混合气的。但是到1970年代以后,减少废气排放和降低油耗成为人们关注的话题。为了应对这些问题,需要通过严格控制燃料供给的量和燃料喷射时机来解决,于是汽化器渐渐被一种叫做“电控燃油喷射装置”((EFI:ElectricFuel Injection)所取代。电控燃油喷射装置是由给燃料以压力再喷射的喷嘴以及控制它的电子元件构成,其特点是能自如地控制燃料喷射的量和喷射的时机。

燃油喷射装置的原理图

在发动机内部,活塞做下降运动时气缸内形成负压,从而吸入吸气端口的空气。这时从喷射器处喷射燃料,与空气混合形成雾状混合气。这个过程称为“雾化”。插图中的浅蓝色部分是空气,紫色是燃料,深蓝紫指的是混合气。活塞到达下死点时关闭吸气阀门,这时气缸处于一个密封的状态。然后活塞上升的过程中燃料和空气再次进行混合。刚刚混合好后,活塞到达上死点,点燃火花塞使其燃烧,进入燃烧冲程。

汽车发动机的历史与发展趋势 - wuwei1101 - 西花社

到1990年代的时候,大部分的汽车发动机都采用了EFI,但“空气和燃料”混合后再送入气缸的形式没有变。直到1993年三菱汽车发售的【GDI】发动机,颠覆了这一所谓的常识。GDI是 Gasoline Direct Injection 首字母的简称,顾名思义,是燃料(汽油)直接喷向汽缸内部的喷射装置。

其实,在GDI发动机出现之前,直喷式汽油发动机也是存在的。因其盘旋时也能稳定地供给燃料的优点,在第2次世界大战中曾使用于航空飞机的发动机中;1954年梅赛德斯·奔驰300SL发动机也采用汽油直喷式装置,和汽化器相比,汽油直喷式装置因其强大的输出功率而大获成功。但是,那个时候的燃油喷射装置是机械式的,所以就产生一个问题:发动机停止运转时,点火塞切断后,气缸中的润滑油就会被已喷向气缸的燃料冲刷掉。

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三菱开发GDI发动机的目的是为了实现“稀薄混合气的分层燃烧”。用汽油燃料来讲,理想的燃烧状态是空气和燃料的混合质量比为14.7:1,这个比列称为理论空燃比①(也称为化学计量比)。当空燃比小于理论值时,也就是燃料比例多的混合气称为“浓混合气”,相反空燃比大于理论值时,也就是燃料稀少的混合气称为“稀薄混合气”。所谓的“稀薄燃烧”,是指使用稀薄混合气体燃烧使发动机运作。

稀薄燃烧的优点是,利用较少的燃料就能使发动机运作,也就是说省油,但是经常出现燃烧不稳定的问题。而三菱的GDI运用形状特殊的活塞在气缸内运动时产生翻滚流,形成越靠近火花塞燃料混合比例越浓的层状混合气体,解决了燃烧不稳定的问题。

GDI发动机的运转图


直喷式汽油发动机在吸气冲程中仅仅将空气吸入气缸内。而三菱的GDI发动机,因活塞顶部特殊的形状,在运动过程中使空气形成竖旋涡(翻转流)。活塞到达下死点开始向上运动时,翻转流以纵向推压的形式使空气向中部靠拢密度增加。这个时候呢,喷射燃料,在空气和燃料混合的同时形成中心燃料浓度高、外层浓度低的层状混合气。活塞到达上死点时,浓度高的一层混合气正好靠近火花塞的位置,作为整体来讲就算是非常稀薄的混合气也能稳定地燃烧。

同样的稀薄燃烧发动机,其他公司也陆续开发销售,但它们中的大多数在2000年左右消失了。最大的原因是,没有预想的那样耗油低。即使是稀薄燃烧发动机,加速时也需要很大的动力,这是需要提供化学计量比的混合气或是浓混合气,而且实际行驶过程中,稀薄混合气并不能常用。另一个很大的原因是排出氮化物。在稀薄燃烧状态下,燃烧冲程过程中会生成大量的有害物质NOx。作为其对策,在排气系统中必须安装吸收处理氮化物的催化转化器,那么成本就大大增加了。总之,稀薄燃烧发动机给人一种价格高但油耗改善效果不明显这样的印象。

现代首款直喷式汽油发动机

■追求低油耗的直喷式汽油发动机

直喷式汽油发动机工作原理图


液体在汽化的过程中会吸收周围的热量,这称为汽化潜热②。直喷式发动机的话,因不与吸气端口和吸气阀门等高温部位接触,而是直接将燃料喷向气缸内部,这样,在气化潜热的作用下,气缸内部的温度大大降低。为了提高这个降温效果,便有了“多次喷射”。首先在吸气冲程中轻轻喷射少量燃料以冷却气缸,即使是压缩冲程,在不使燃料自燃的状态下也喷射少量燃料以抑制气缸内温度的上升。当活塞接近上死点时,再喷射燃烧用的燃料。这样一来,可提高发动机自身的压缩比,也能提升燃烧效率。

现如今的直喷式汽油发动机的设计目的与三菱GDI的不同。首先,第一个目标是减少不必要的燃料消耗。以前燃油是喷射到吸气端口内,在雾化的过程中燃油会附着在吸气口四壁,然后蒸发,所以在控制燃油喷射量的精确性上有一定的限制。但直喷式汽油发动机是将燃油全部直接送入气缸中,这样就可以做到精确的控制。因为不是稀薄燃烧,而是将空燃比控制在化学计量比附近,那么在燃烧的稳定燃烧稳定性方面就不会有问题,也不用担心特殊形状的活塞会产生什么不好的影响。

另一个目标,是通过燃料的汽化潜热降低燃烧室的温度,提高压缩比。发动机是一种利用压缩后的混合气燃烧而生成膨胀压力的机械。即使燃烧的燃料的量一样,如果强力压缩吸入的空气的话,会产生更大的膨胀力,也就能得到更强的动力。虽然可以通过提高压缩比来获得更强的动力,但这里存在一个问题:气体一压缩,温度就会升高,这是气体的特性。如果过分压缩混合气的话,气体温度就会上升,就会引起气体的自燃,从而可能导致异常燃烧损坏发动机。所以,发动机的压缩比,一般控制在不让气体自燃的程度。

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但是直喷式发动机的话,因为吸入的仅仅是空气,不管怎么压缩都不会自燃。问题是在燃油喷射后与空气混合的阶段,由于燃油汽化潜热的作用,混合气体的温度大大降低。特别是在吸气冲程的后半段,燃油一喷射,由于汽油的汽化热使得吸入的空气直接冷却,按化学计量比的混合气计算,混合气的温度降低24度多。这样一来混合气的体积减少8%,也就意味着可吸入空气的量增加8%,这部分增加的量可燃烧更多的燃料。而且,如果在压缩冲程的最后阶段喷射燃油的话,混合气可降低55度计算,那么这与压缩比提高2倍的效果是一样的。换言之,直喷式用于自然供气的发动机的话,增加2个压缩比,用于增压发动机的话,因为不用担心异常燃烧,不用降低压缩比,不管是哪种情况,都可提高动力。特别是与增加发动机的配合的话效果更好,对于推进发动机的小型化的贡献很大。

另外一个好处就是可实现多次喷射。以前的发动机,在吸气冲程中吸入的混合气1次性全部送入气缸内。但是直喷的话,1次燃烧可以喷射多次燃料。首先在吸气冲程中,喷射少量的燃料来降低气缸内的温度,为了抑制压缩冲程中温度的升高也进行少量喷射,然后在活塞到达上死点之前喷射供燃烧的燃料……。直喷式发动机可进行以上的控制,大幅度降低了发动机温度,提高效率。

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直喷式汽油发动机已在以欧洲汽车为中心进行广泛使用。日本车以及下一代的发动机也会陆陆续续使用到吧。为了绿色地球和生活的便利,希望直喷式发动机和混合燃料技术一样,能得到不断发展和应用。

注:

①空燃比:混合气中空气与燃料的质量比。

拿发动机来说,燃料必须和吸入的空气形成适当的比例,才能形成可燃的混合气。

所谓“理论空燃比”,也称为化学计量比,就是每克燃料充分燃烧时所需的最少空气。燃料 的不同,理论空燃比也就不同。一般来说,汽油的理论空燃比是14.7,柴油的空燃比是14.3。

②汽化潜热:温度不变时,每单位的液体在汽化过程中所吸收的热量。也称为“汽化热”(latent heat of vaporization)File:IC engine.JPG

被称之为“汽车心脏”的发动机是所有车主们最关注的焦点,也是汽车工业中最核心的技术,随着汽车工业的发展,发动机的结构也不断产生着变化。而按照发动机汽缸的排列形式和缸数,普遍见到的发动机形式多为“L4”、“V6”、“V8”、“W12”,“V8”、“W12”多用于高性能跑车如布加迪威龙、蝰蛇等,L4多用于家用轿车,而关于V6(V型六缸)发动机的奥秘更成为车市中的热门话题,在市场竞争的硝烟味的背后,这其实折射出了发动机百年历史的一个片面缩影。

从“L”到“V”
汽车发展有百年历史,而作为汽车核心之一的内燃发动机,其历史要远早于汽车,世界上第一款发动机大约在19世纪中期以来就已经诞生,是单缸两冲程的,而在此后百余年间,随着汽车排量的增大,发动机的汽缸数逐渐增加,由两缸到三缸到四缸,再到以后的六缸、八缸、十缸甚至十二缸以上。一般说来,排量1升以下的发动机常用3缸,例如0.8升的奥拓和福莱尔轿车。排量1升至2.5升一般为4缸发动机,常见的经济型轿车以及中档轿车发动机基本都是4缸。3升左右的发动机一般为6缸,4升以上用8缸。但是为什么发动机的汽缸数会越来越多呢? 因为只有更多的汽缸才能够满足人们对于汽车功率、排量以及发动机平稳性越来越高越来越奢侈的追求。从技术上讲,在同等缸径下,通常缸数越多,排量越大,功率也就越高;而在发动机排量相同的情况下,缸数越多,缸径越小,发动机转速就可以提高,从而获得较大的提升功率。简单的比喻,就好比是用四匹马还是用六匹马来拉一台车。

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V型发动机内部结构
气缸排成两列,左右两列气缸中心线的夹角γ<180°,称为V型发动机,V型发动机与直列发动机相比,缩短了机体长度和高度,增加了气缸体的刚度,减轻了发动机的重量,但气缸体加大了发动机的宽度,且形状较复杂,制造工艺需要很高水平,一般用于8缸以上的发动机,6缸发动机也有采用这种形式的气缸体。
 当然,L直列发动机由来已久。早期的发动机基本都是采用直列式汽缸布局,也就是我们所说的“L型”发动机,而此后德国人最早发明了V型布局的发动机,并迅速风靡起来,今天,几乎所有的大排量轿车和豪华轿车都采用了V型发动机(W型发动机从结构上说也是V型发动机的变种),为什么大排量高端发动机会有V型取代L型的发展趋势呢?因为人们发现当大功率发动机的汽缸数越来越多时,传统直列汽缸布局存在两大缺陷:其一是汽缸间因为不对称的互相作用,发动机运转不平顺,震动大噪音大;其二,多缸直列发动机轴向尺寸过长,并且容易造成汽车重心过高。很快聪明的汽车先驱们就发明了V型发动机:把发动机的汽缸以一定夹角呈V形对称排列,于是更平顺更安静更紧凑的大排量高功率发动机终于变成了现实。


因此,在国内市场,时常能听到有内行人士说V6发动机比L4发动机更为先进,从发动机发展的角度讲,这是不无道理的。
天籁VQ系列发动机的历史

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 事实上,早在1988年,日产就开始了V6发动机的研发工作,天籁所搭载的VQ发动机就是日产汽车创新技术的结晶。VQ发动机基于“羽毛”的开发理念,完美的诠释了其轻量化、高效、节能的核心诉求,并经过多年的锤炼研发而成,可谓冠盖同级。
 在问世的第二年,VQ发动机就获得了《Ward’s Autoworld》评选的“全球十佳发动机奖”荣誉。随后,VQ发动机更一举成为在该奖项成立以来,唯一一款连续14年获得这一殊荣的发动机。同时,VQ发动机还被业界称为“地球上运转最平顺、动力最畅快的V6发动机”,是日产众多傲人技术中最为著名的一项。

除去具有V6发动机共有的先进性外,天籁搭载的日产第四代VQ发动机还有其独特优势:应用了大量的赛车技术,综合运用了电子节气门ETC、连续可变气门正时控制C-VTC、可变吸气系统VIAS等技术;凸轮轴采用F1赛车零部件超精磨工艺技术加工,使发动机运动件磨损减少了30%以上;大缸径短冲程设计、大直径燃烧室、超大气门的设计,增加了进气效率,大幅提升了发动机的功率和扭矩……诸多尖端科技的应用,保证了VQ发动机的超凡性能。

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竞争利器——V6发动机
  而对于V6发动机在运转平稳顺畅和低噪音方面的主要优势,无论从口碑还是媒体试驾报道,都流传着这样一种说法,在运转的发动机顶端放置一满杯水,新一代天籁V6发动机的当时滴水不洒的平稳表现让人至今记忆犹新。

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事实上,从国内车市的状况来看,日系中高级轿车热销榜最前列的依然是新雅阁、新一代天籁和凯美瑞这三强,日系车对于商务家庭两用的全面调试以然令人心仪,而对于选择新一代天籁的消费者而言,先进的V6发动机肯定是主要的选择因素之一。


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