【姿势】德国发动机Vs日本发动机

发表于 讨论求助 2020-06-30 16:25:46




说到发动机我们最关心的莫过于发动机的动力,油耗,噪音之类的性能。当然动力是发动机最重要的性能,不过作为一个普通人来讲,通常能了解发动机的性能渠道很有限,只能通过厂方公布的发动机参数来判断发动机的各方面性能,但是,大家都知道,这些厂家公布的数据,都是在理论状态下测得的,而且各个厂家的测试方法都有少许区别,所以厂家公布的功率,扭矩,油耗等参数,并不能完全代表汽车的实际性能,特别是无法体会实际的驾乘感受。当今的汽车技术已经发展得相当成熟,作为汽车研发和制造公司,几乎在技术上都没有什么障碍,那么产品的表现主要取决于车厂对市场的理解,对客户需求的理解。
对发动机动力性影响最大的是发动机排量,这也是很多人在买车时非常重视排量的原因,理论上,排量越大的发动机能产生的功率就越大。所谓排量,也就是发动机的气缸的工作容积。这个并不难理解,我们知道发动机是通过把汽油和空气燃烧产生的热能转换成机械能来达到输出动力牵引汽车前进的目的。所以发动机气缸越大,能吸入的空气也就就越多,那么燃烧产生的热量也就越多,动力自然就大。不过排量并不是影响发动机动力的绝对因素,这一点我们从市场上的很多车型不难看出,一些排量小的发动机输出的功率比排量大的发动机输出的功率还要大。比如,同样是2.4升排量的4缸发动机,广本雅阁的2.4能输出170匹功率,但三菱2.4升的4G64却只能输出136匹功率。差距很大。其实这都是由于发动机的工作效率造成的。在相同排量下,功率越大说明发动机工作效率越高。这就意味着燃烧同样多的空气和汽油能释放出来的热量和把热量转换成动能的能力也越强。作为现代汽车发动机,通常都是向着提高发动机工作效率的目标进行改进发展的。



提高发动机工作效率的手段有很多种,首先,提高发动机内部的润滑性能,减小发动机各运动部件之间的能量损耗是一个最基本的手段。现在的汽车发动机在这方面已经优化得很好了,那么对于自然吸气发动机来说(没有增压的发动机)提高工作效率的最直接的办法就是提高发动机的压缩比。因为压缩比越高汽油燃烧就更充分,产生的热量就越多,那么动力性自然就能提高。不过压缩比不能无限制的增大,因为压缩比过大会导致发动机的爆震。所谓爆震就是活塞还没运动到达上指点就开始自然,这种情况是会严重损坏发动机的。为了提高压缩比,通常需要使用更高辛烷值(标号)的汽油,这又会是的汽车的使用成本升高。所以为了提高发动机的工作效率现在各大厂家争相开发,改进,提高得最多的就是发动机的进气和排气效率。我们知道,发动机是通过活塞向下运动时把空气吸入气缸进行燃烧的,依靠这种活塞产生的大气压力差,在理论上是不可能把气缸内完全注满新鲜空气的,也是不可能把气缸内的废气完全排出的。所以怎么样让气缸尽可能的吸入新鲜空气,排除废气就成了各大车厂的设计师们争相开发的重点。因为进排气效率的高低直接会影响到整个发动机工作效率的高低。




在上世纪80年代全球各大厂家都还采用每个气缸两气门进排气(一个气门进气,一个气门排气)的时候,日本的厂家就开发出了多气门的发动机,所谓多气门就是指发动机的进排气门大于两个的配气方式。而当时日本厂家大力发展的主要是每缸四气门的多气门设计。对于较早的2气门来说,4气门使用两个气门进气两个气门排气。这样的设计有两个很大的好处,一个好处是能够提高进排气门的面积。从流体力学的知识我们可以知道,截面积越大,那么高速气流的流量也就越大。这就是的发动机的进排气效率能够更高。不过这主要是体现在高转速情况下,如果转速较低,那么大的进气面积相反会让发动机进气效率下降。其实这个道理跟人的呼吸的道理一样。我们在平静状态下通常只是使用鼻子呼吸。因为此时呼吸频率很低,空气流量很小,用鼻子呼吸,相当于进气面积很小,所以肺部能获得足够的负压得到足够多的空气。但是当我们迅速跑完100米以后,呼吸开始变得急促,而且自然而然的会张开嘴巴,此时是嘴巴和鼻子一同呼吸。因为此时呼吸频率高,空气流量大,所以需要大的进气面积来满足大流量的呼吸。



这就像多气阀发动机一样,通过增大进气面积来增大发动机高转时的进气效率。多气阀发动机还有一个好处就是由两个气门变成4个气门以后,每个气门的体积减小,重量减轻。所以运动惯量也减小了,这样非常有利于高速运动,也就是说非常有利于提高发动机的转速和响应速度。所以,有了多气阀,发动机的转速能够更高,而且高转速的时候进气效率也会更高,从而使得整个发动机的工作效率也得到了提高。
到了90年代,随着发动机技术的发展,和消费者需求的细分化,越来越多的人又开始对多气阀发动机表示不满。上文我们说过,由于气阀设计能提高发动机高转速时候的进排气效率,但在低转速时却会使进排气效率降低。对于经常开车穿梭于城市的人们来说,大多数时候,发动机都是在低转速状况下运行的。所以多气阀的优势并不能很好的发挥。但是如果我们为了提高低速性能刻意的把气门行程减小(同样能达到减小进排气面积的效果)那又失去了多气阀发动机的意义。所以在上世纪90年代,本田率先推出了可以改变气门行程和正时的VTEC发动机。至于它是怎么样去改变行程的,我们在这里暂且不谈。不过如果气门的正时和性能可以根据需要自动改变,这就能正好弥补多气门发动机在低转时候的不足。这一点我们很容易想象,当发动机处于低转速时,使用叫小的气门行程,这样能够达到减小进气面积的目的,也相当于于人在平静呼吸时候的状态,能够提高低转速时的进排气效率;当发动机高转速时,如果采用较大的气门行程,这就相当于增大了进气面积,也相当于人在剧烈运动时需要靠嘴巴呼吸一样,提高高转速时的进气流量。所以,有了可变的气门行程,我们可以同时获得所需要的高低转速时的良好性能。现在国内的广本和东风本田的发动机都配备了VTEC系统。不过VTEC也不是绝对的好。



由于受到结构的限制,气门的行程很难实现无极调节,早期的VTEC只有两段调节,而现在最新的VTEC也只有三段行程调节。而当气门从一个行程转换到另一个行程时,由于进气流量突然增大,是的发动机的输出也突然增大,导致发动机在整个转速范围段内的输出并不线性,也就是说并不柔和。装备了VTEC的发动机在加速时会经常又突如其来的推背感,这在很大程度上提高了驾驶乐趣,但是如果是追求平稳舒适的房车,则不太适合了。当然,要想做到动力线性的输出,则需要在技术上下更大的功夫做到气门的无极调节。不过这一点被宝马实现了。宝马的VALTRONIC就是具备无极调节气门行程功能的系统。它要实现的功能大致跟本田VTEC一样,最大的区别就是它的气门行程是线性调节的,所谓线性,指的就是连续可变。所以它不但能提高发动机高低转速时的工作效率,而且还有很好的动力输出曲线。动力输出很线性。





不但这样,由于能够无极调节行程,这就意味着,发动机能够在任何转速都保持最优化的进排气效率。而且实现了进气无极可调以后,可以取消节气阀的设置。因为普通发动机,在进气管内都有一个类似蝴蝶状的节气阀,它与油门相连,用来调节进气量,从而控制发动机的转速。由于所有的进气都要流过这个节气阀,而节气阀会产生一定的气阻,使得进气效率下降。所以取消了节气阀带来的最大好处就是进一步提高了进气效率。可见宝马的VALTRONIC已经是目前可变气门技术中的最高水平。




提高高低转速时的进气效率,除了采取改变气门行程的手段以外,还可以采用改变气门正时的手段,进一步提高发动机的工作效率。改变行程来提高工作效率很容理解,那么改变正时又为什么可以提高工作效率呢?这要从进气惯性说起。
我们知道,空气也是有质量的物体。有质量就意味着有惯性。那么我们不难想象,如果当活塞刚好在上止点即将向下运动进气时,此时进气门打开,由于空气有惯性,空气从静止加速进入气缸需要一定时间,所以此时排气门打开时,空气是没有立即进入到气缸里面来的,而是要从静止开始加速。这就意味着要浪费一定的活塞行程。为了提高进气效率,工程师门在设置气门正时时通常会让进气门提前打开,这就意味着进气管内的空气能有足够的时间加速,进入到气缸内来,同样的道理,当活塞运动到下止点时,由于进气管内的空气还有惯性,仍然具有运动速度,所以工程师通常会把气门正时设置成推迟关闭,让更多的空气能够进入到气缸里面来。相同的道理,排气系统也可以这样来设计。





这就意味着,进气门和排气们都有一个提前开启和推迟关闭的角度。由于进气门和排气门一个提前打开一个推迟关闭,这就会有一个很短的时间内,进气门和排气门是同时打开的。有人肯定会说,那岂不会发生进排气的干涉?其实实际情况并不会糟糕。因为新鲜空气和废气在运动时都由于惯性的原因有迟滞,所以短暂的叠加角并不会有坏的影响。

不过这里又有一个问题。就跟多气阀的矛盾一样。发动机在不同的转速情况下空气的流速是不同的。而作为普通的发动机,设计师只能找一个折中的办法来设计这个气门叠加角。但是我们知道,发动机高转速时,由于空气流速大,所以我们需要更长的时间进气,这就意味着需要更大的气门叠加角达到提高进排气效率的目的;相反当发动机转速较低时,由于空气流慢,太大的气门叠加角会容易产生进排气干涉,所以最好的办法就是在发动机高转速时,使用较大的气门叠加角;低转速时使用较小的气门叠加角。这样即可以提高低转速时的进排气效率又能提高高转速时的进排气效率,带来的好处就是低速有强劲的扭力输出,高转有强大的功率输出。其实这个功能VTEC就已经实现了。



由于VTEC是通过选择不同的凸轮来达到改变气门行程的目的的,所以低转速时的凸轮不但行程短,而且它的气门开启时间也短(跟凸轮的形状有关),相反高速凸轮的形状能让气门有更长的开启时间,这样就达到了改变气门正时的目的,也就是可变配气相位。不过就像VTEC的可变行程一样,它也只能实现分段可调正时。因为它正时的改变时依赖于使用不同的凸轮得以实现的,而目前VTEC最多也只能实现3组凸轮的切换,也就是实现分3段可调。不过,相比之下丰田的做法显得比较明智。丰田的VVT-I就是具备连续可变气门正时功能的一套机构,他能够实现无极调节气门正时。那么好处就不言而喻了,他能实现气门正时与发动机转速,工况的完美匹配。这样使得VVT-I发动机的动力输出很线性,不会又像VTEC那样的唐突感。舒适性和发动机运转的平顺性也大大增强。





另外,提高进气效率还有最后一个手段,就是利用不同长度的进气管来获得更多的进气能量。这个系统并不复杂,被成为可变进气歧管系统。我们熟悉的奔驰,宝马,奥迪的发动机都配有这个系统,国内的福克斯发动机也具备这个功能。那么它是怎么样提高进气效率的呢?其实道理很简单,就是利用了共振原理。




我们知道,任何振动的物体,当它的振动周期或频率达到它的固有周期固有频率的时候就会发生共振。此时振动波彼此叠加,振动能量达到最大。说到这里,很多人肯定就想象到了,其实汽车的进气就是一个具有一定周期和频率的振动。因为进气管内的空气的流动是受进气门的开闭来控制的,当进气门打开时,空气开始运动,档进气门关闭时,空气静止。所以我们可以把进气作为具有一定频率的振动来看待。那么如果进气的运动频率达到了它的固有频率,那么就能获得最大的进气共振能量。那么实验证明,进气的固有频率是跟进气管的长度相关的。进气管越长,那么固有频率就越低;相反进气管越短的话,固有频率就越高。如果这个不好理解,我们可以想象一下大提琴和小提琴的区别。我们知道大提琴的共鸣箱体积很大,这就意味着里面振动的空气有着很大的运动行程,所以它的共振点是在低频的时候产生的,这就是为什么我们听到的大提琴的声音非常低的原因;相反小提琴的共鸣箱很小,里面运动的空气的固有频率很高,所以共振产生在高频的时候,那么我们听到的小提琴的声音自然就很尖锐了。



进气管也是一样。当在发动机低速运转时,由于气门开合频率低,此时如果选用长进气管,能够更容易达到进气共振,所以有利率提高进气效率;当发动机处于高转速时,由于气门开合频率高,如果选用短的进气管,那么能获得进气共振,从而提高进气效率。很多车的发动机就是通过控制阀门的开闭,来接通和断开不同长度的进气管,从而实现在高低转速都能产生进气共振的目的。不过奔驰和宝马的可变进气歧管技术,采用了一个巧妙的设计,首先让进气管盘旋几圈(回旋进气),在中心处设计一个转子,通过转子转角的改变能够获得连续可变的进气歧管长度,从而可以让发动机在任何转速都拥有最大的进气能量。
所以我们可见,就算使用了可变进气或排气技术,由于各种技术存在设计上的差别,导致性能也各不相同。总的来说这些技术都是为了达到同一个目的,就是尽可能的提高发动机的工作效率,榨取发动机的每一滴动力。不过,正因为不同的厂家对目标客户需求的理解不相同,是的各种技术的匹配和调校都有偏向。对于本田来说,发动机的调校有着明确的诉求。本田的工程师曾经说过:当你轻踩油门时,它是一台非常经济的发动机;当你猛踩油门时,它是一台动力澎湃的发动机。可见本田发动机注重的是低负荷时的经济型和高负荷时的动力输出。VTEC正好可以实现这样的诉求,但是要达到这样的诉求势必让两者都变得很极端,也就是说,VTEC在低速时虽然经济性很好但是会显得动力不足;高转速时虽然动力澎湃,但油耗猛增。为了实现这两个极端,VTEC在改变气门行程时,势必会是的行程的跨度很大,加上又是分段调节,导致发动机的功率输出很不线性,很不平顺。这也是VTEC不可回避的问题。


对于VTEC来说,由于它是依靠长的气门行程(大的进气面积)来榨取动力的,这就意味着发动机必须很高转速时才能达到高功率输出的效果。因为只有高流速的进气才能发挥大进气面积的性能,而我们知道普通民用发动机的最高转速都在6000转左右,而VTEC需要到5000转才能打开第三级行程,所以虽然从数字上看功率很大,但持续时间并不长。对于加速来说,就意味着真正能够用于加速的转速很少,引擎刚一发力,就要转到头了,对于极速来说,由于最大功率是在5000转以后通过开启VTEC得以实现的,这就意味着在这之前并没有这么大的功率来加速,所以可能还没等引擎转到5000转,扭矩就已经无法克服高速带来的风阻了,所以这样的大功率往往徒有虚名。这恐怕也是一些车主总是抱怨1.8升的CIVIC虽然固有140匹的大功率,但真正驾驶起来却感觉不到140匹的动力性的原因吧。所以我们在评价发动机的动力性时不能一味的只看功率和扭矩数字,而应该跳出数字的陷阱,分析发动机在整个转速范围内的输出特性。
不过对于丰田的VVT-I来说情况似乎要好得多,因为丰田VVT-I的主要诉求就是要实现平顺的动力输出,实现经济性和动力性的完美接合。丰田是这样说的也是这样做的。从丰田VVT-I发动机的特性曲线可以看出,它的扭矩输出很线性,而且能一直持续下来。

这给发动机的平顺性带来好处,使得发动机在整个转速范围段都能拥有良好的动力输出。不过跟本田的VTEC相比,由于发动机输出过于平顺,虽然加速并不慢,但给人的加速感并不强,因为扭矩一直保持不变,而在加速过程中阻力不断上升,使得加速的感觉让加速度越来越小。而本田的VTEC由于有着并不平顺的扭力曲线,速度增加时,发动机的扭矩也在不断攀升,而汽车行驶阻力增加的速度远没有发动机扭力增加的速度快使得驾驶起来感觉加速度越来越大,虽然,如果把两台车放在一起拼加速,VTEC不见得是VVT-I的对手,但VTEC能带来更多让人热血沸腾的驾驶乐趣。这可能也是本田引擎最能迷惑人的地方。

相比之下德系发动机则是最完美的匹配,宝马的发动机能实现从气门行程到气门正时,以及进气管长度的连续可变,这就意味着所有配给部件都能做到性能的最大化。拥有完美的进排气就意味着拥有超群的发动机性能,不但输出线性,而且后劲十足。德系发动机最大的特点就是后备功率足。这也跟德国国情有关,我们知道德国的高速公路是不限速的,而且高速公路的设计标准非常高,使得很多高性能车都有用武之地。在德国的高速公路上驰骋,低速扭矩就显得不那么重要了,重要的是高转速时的强大功率输出。由于德系发动机的功率输出持续性好,使得在150甚至180的时速状态下仍有明显的加速感,换了日本车,180-190基本上就是极速了。不过德系发动机在低速扭矩的输出上有些让人抓狂,可能全世界只有德国人的驾驶是最疯狂的,他们喜欢高转速起步高转速换挡,但对于习惯了拥堵的亚洲人,则更偏向于低速扭矩,因为这样在城市驾驶会变得更轻松。所以不同国家不同地域的厂家都有着各自的诉求,而这些诉求都是为了致力于满足当地市场的需求。


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