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深呼吸 漫談發動機進氣系統

時間:2024-11-01 08:39:06

衆所周知,四沖程發動機的名稱來自于一個循環的4個沖程,即進氣、壓縮、做功、排氣。

其中,進氣沖程是發動機運轉的前提和基礎—汽缸裡吸入了多少油氣混合物,決定了有多少能源可以燃燒。在同等情況下,汽缸如

果能夠吸到更多的空氣,意味着可以燃燒更多的油氣混合物、做更多的功,從而提高發動機輸出功率,正所謂“吃得多、幹得多”。但是這并不容易,因為進氣門的開閉時間非常短,特别是高轉速大功率發動機,留給空氣進入的時間更是短得不可思議。比如,現代摩托車發動機轉速達到10000r/min很常見,概略來說,進氣時間隻有0.003s!正因如此,百年來人們持續研究,研發出各種裝置,讓發動機呼吸得更多、更深、更順暢,目的就是榨取更強的動力!

文、攝影|董澄

代表車型:哈雷-戴維森Breakout

銀色和黑色相襯的發動機完全裸露,成為Breakout最突出醒目的亮點;再與肥碩的輪胎和迷你的擋泥闆相得益彰,充分展示了強壯的肌肉感,呈現悍勇造型。這台經典的美式V型雙缸發動機叫做TwinCam103B,其中B指的是平衡軸,所配置的反向平衡軸整饬了V型雙缸的振動,因此允許剛性得安裝在車架上,讓騎手清晰感知動力心髒的獨特韻律。103指的是排量,103立方英寸相當于1690mL。由于采用了哈雷經典的OHV氣門機構,再經由ESPFI電子燃油噴射系統伺服,這台V型雙缸可以在低轉速時爆發令人吃驚的蠻力,最大扭矩高達129N·m,此時轉速隻有區區3000r/min。

與OHV雙缸相匹配的是6速傳動系統。啟動、挂擋、加油,随着喉音很重的咆哮,第一擋加速顯得沖勁十足,強悍扭矩通過肥碩後胎傳給路面,給你強烈的拉拽感;第二擋同樣勁道兇猛,将轉速拉高到5400r/min時,速度為105km/h……由于6速齒輪箱配置了所謂的哈雷巡航驅動,因此轉入第六擋時,轉速降低了數百轉,發動機出力顯得從容自若。

哈雷還推出了更高規格的CVOBreakout,武裝了更威猛的動力裝置TwinCam110B,仍然采用的是OHV氣門機構,但是發動機的排量高達1802mL,比标準版多出112mL;扭矩增長到165N·m,是哈雷目前最強勁的動力裝置,隻用于CVO版本。同時,CVOBreakout配置了很多高級零部件,如安裝了新的輔助/滑動離合器組件,能在降擋時減少動力傳動裝置的負載,同時讓騎手捏起離合器杆時感覺輕巧,據稱最大力氣減少了10%,持續力氣減少了17%。CVOBreakout還裝備了電子巡航控制、防抱死制動系統、哈雷智能安全系統等,将安全和舒适水平提高到了新的水準。

頂置氣門(OHV)

1899年,法國人比歇為了提高發動機轉速和功率,率先推出了頂置氣門機構(OHV)。在頂置氣門機構中,凸輪軸安裝在汽缸的側面下部,通過較長的推杆把搖臂往上推,再通過搖臂向下壓開氣門;氣門則可以設置在汽缸頭上,這樣燃燒室可以優化為半球型或楔型,從而提高了發動機的壓縮比和熱效率,實現高轉速、高功率的目的。在提高轉速和功率方面,頂置氣門機構明顯優于側置氣門機構,發動機的轉速普遍由1200r/min以下提高到6000r/min,功率獲得顯著提高。

此外頂置氣門發動機還具有低轉速、大扭矩的優勢,且能夠通過調整V型雙缸的夾角以獲得不同的振動節奏和排氣聲浪,具有很強的個性,這也是為什麼雖然以後出現了更先進的頂置凸輪軸(OHC)發動機,但是仍有廠家堅持生産技術“落伍”的OHV發動機緣故,這方面最典型的代表就是哈雷摩托車。

代表車型:本田SH300i

SH300i搭載的發動機,脫胎于著名越野摩托車CRF250,但排量從249mL擴大到279.1mL,進氣系統則由單頂置凸輪軸(SOHC)負責。這顆動力心髒經由PGM-FI電子燃油噴射系統伺服,最大功率為20kW(8500r/min),最大扭矩是26.5N·m(6000r/min),不但将競争對手三陽Citycom300i、VespaGTS300Super、吉雷拉Nexus300、雅馬哈Versity300等抛在後頭,而且直逼400mL的大型踏闆車。據測試,SH300起步加速到50km/h耗時不到4s,從50km/h加速到80km/h同樣不到4s,從靜止加速到100km/h隻需10.9s,加速性能冠絕同組别的踏闆車!令人稱道的是,雖然是SH300i的發動機排量達到300mL,極速高達150km/h,但是本田沒有追随大型踏闆車的豪華和張揚造型,而是反其道行之,刻意縮減SH300i的身段和尺寸。通過精心設計的車架,SH300i的尺寸得到有效控制,看上去就像125mL般輕盈苗條;同時安裝了16英寸的高輪,增強了轉向性能和穩定性,再得到35mm正立式前叉和雙筒減震器的相助,低速時就像125mL踏闆車般輕巧,高速和快速過彎時則像騎式車一樣穩定。

單頂置凸輪軸(SOHC)

雖然頂置氣門發動機優于側置氣門發動機,但是頂置氣門發動機也有自身局限:由凸輪軸通過氣門挺杆驅動氣門,增加的氣門挺杆相應增加了傳動損耗。上個世紀60年代起,更加先進的單頂置凸輪軸(SOHC)發動機開始大行其道。SOHC與OHV相比,最大的不同是:OHV是氣門的位置在凸輪軸上方,凸輪軸利用氣門挺杆驅動氣門;SOHC則是凸輪軸的位置在氣門上方,發動機飛輪通過皮帶或鍊條帶動凸輪軸齒輪,從而實現凸輪軸直接驅動氣門。因此,SOHC比OHV減少了氣門挺杆和相應的傳動損耗,且可以設計出更高的壓縮比和發動機轉速,同等排量下SOHC發動機比OHV發動機的動力大、油耗小、易修護。現代的單缸摩托車發動機配置的基本上是單頂置凸輪軸。

代表車型:本田VTR250

VTR250雖然個子小巧,但是資格很老,最早可追溯至1982年面市的VT250F。到了1988年,VT250演化為VTR250,外觀造型就像是縮水版的VFR750,1990年停産。中斷一段時間後,1997年VTR250重出江湖,但是調整了定位,從全包式輕型跑車改為NK,主要是借鑒了杜卡迪的風格,成為了迷你型“怪獸”,主要面向亞洲地區市場。VTR250胸膛中奔騰着一顆充滿活力的青春之心。動力裝置的結構,繼承了30年前問世的VT250F,采用了的是液冷、90°夾角的V型雙缸發動機。雖然60mm×44.2mm缸徑和沖程、249mL的排量很不起眼,但是效率很高,能夠爆發出很高的能量。為了提升動力,VTR250采用了雙頂置凸輪軸來司管“呼吸”;負責供油的PGM-FI電子燃油噴射系統匹配了6個傳感器,在綜合各種參數基礎上提供準确的燃油量,實現了較好的燃油經濟性,平均每100km油耗不到3L,12L的油箱加滿後可跑上400餘千米;汽油和空氣在燃燒室混合後,經由11:1的較高壓縮比,全晶體管控制的火花準時充足發放,實現了高效的燃燒。最終,VTR250可在轉速10500r/min時,輸出最大功率22kW,最大扭矩21.9N·m則在8500r/min時爆發。與同屬本田陣營的CBR250R相比,VTR250的動力性能略高一籌;與同類競争對手如鈴木Inazuma250、韓國曉星GT250R等相比,同樣不落下風。再考慮到VTR250加滿氣油後,重量不過160kg出頭,這台V型雙缸應該說很給力,通過齒輪比比較合理的5速傳動系統,為後輪提供較強的加速動力。

雙頂置凸輪軸(DOHC)

頂置凸輪軸發動機細分為單頂置凸輪軸(SOHC)發動機和雙頂置凸輪軸(DOHC)發動機。SOHC是進氣門和排氣門的開啟、關閉均由同一根凸輪軸來完成開關動作;DOHC則是利用兩根凸輪軸來分别驅動進氣門和排氣門完成開閉動作。總體來說,DOHC的好處就是可以輕易的改變進排氣門的開閉時間,每隻氣門的慣性質量比較低,因此具有高轉速、大功率的特性,但是結構比較複雜,造價成本較高,維護也比較困難,一般來說,多缸、大排量的高速發動機多采用DOHC氣門機構,單缸、小排量的普通發動機多采用SOHC氣門機構。

機械氣門機構(Desmodromic)

Desmodromic是杜卡迪招牌式氣門控制機構,其優勢是:絕大多數四沖程發動機都依賴于彈簧來閉合氣門,但随着發動機轉速的提高,特别是在高轉速的賽車型發動機中,彈簧閉合氣門的時間變得很苛刻,從而經常出現氣門無法精确地按照凸輪形狀來運轉的情況,這導緻了發動機性能的下降;而Desmodromic氣門系統由于取消了彈簧,改為直接機械閉合氣門,從而實現了發動機全轉速範圍内的精确氣門動作,能夠防止發動機高轉速時出現性能下降的現象。

代表車型:杜卡迪Monster821

衆所周知,杜卡迪“怪獸”是被模仿最多的經典,自1993年面市以來,就以裸露NK造型、強烈個性特征、敏捷操控和舒适乘騎,成為萬千騎手競相追逐的駿馬,至今銷售總量已經突破250000輛!2015年全新一代的Monster821,使命是接替Monster796,性能顯著超過前輩!顯而易見,這款所謂的“入門級”NK,實力絕對不可小觑!Monster821的L型雙缸依然采用Desmodromic氣門機構,每缸4氣門;排量為821mL,比上一代Monster796多出18mL。但這隻是最表層的區别,核心的變化在于,風冷雙缸發動機已經被新一代液冷雙缸徹底取代!與Monster796相比,Monster821的動力性能再次提升,最大功率和扭矩分别達到了82.4kW(9250r/min)和89.4N·m(7750r/min)。Monster821的是發動機昵稱為Testastretta11°,這是因為:針對新的用途定位,杜卡迪工程師着力修改高轉速競技性Testastretta發動機,核心之一,就在于把41°氣門重疊角,降到了11°。此舉犧牲了部分高轉速性能,但是顯著增強了中段轉速的動力輸出,同時整體優化了發動機的運轉順暢程度,動力特性易于掌控、易于使用,從而恰當地适合了“怪獸”的街車身份。

代表車型:本田VFR800F

本田對V型四缸情有獨鐘,眼下的MotoGP賽車RC213V、旗艦運動旅行車VFR1200F搭載的都是V4發動機,最新一代VFR800F同樣如此。這台液冷、DOHC16氣門的V型四缸發動機,缸徑和沖程維持72mm×48mm,排量仍然是782mL,内置可變氣門系統;同時做了重要改進,焦點放在凸輪正時和氣門重疊角優化上,PGM-FI電子燃油噴射系統相應調整,壓縮比也略微提高到11.8:1。最終,這台V4機器擠榨出最大功率77.9kW(10250r/min),最大扭矩75.1N·m則在8500r/min時爆發。由于輸出最大功率和最大扭矩時的轉速均有所降低,因此中低轉速範圍内的性能得以強化,騎手在公路行駛時,更容易獲得豐沛的動力。對于VTEC,針對騎手反映氣門轉換時不夠平順問題,本田花心思優化了VTEC的氣門正時,宣稱2氣門和4氣門工作模式的過渡綿密自然,全轉速範圍内動力輸出線性感更鮮明,有助于騎手準确掌控動力發放。

可變氣門系統(VTEC)

VTEC全名是VariableValveTiming&liftElectronicControlsystem,即可變氣門正時/升程電子控制系統,簡稱可變氣門系統,主要應用于本田中量級V4發動機。當轉速低于設定值時,這台V型四缸的16隻氣門中,隻有8隻氣門在工作;一旦轉速超過限值,16隻氣門全部激活,全力以赴榨取最大動力。VTEC兼具2氣門和4氣門發動機之特長,在中低轉速時輸出強韌扭矩,同時降低了油耗;高轉速時則酣暢淋漓地輸送充沛動力。

代表車型:川崎1400GTR

川崎運動旅行車1400GTR引以為傲的,當然是排量高達1352mL的發動機,這台來自于“超級忍者”ZX-14的動力心髒是排量最大的并列四缸,114kW(8800r/min)最大功率和136N·m(6200r/min)最大扭矩明顯壓過競争對手;即使法國版的動力輸出刻意予以限制,最大功率和扭矩仍然分别有78.2kW(8000r/min)和121N.m(4500r/min)。因此,駕駛1400GTR永遠不必顧慮動力不夠用,加速、超車異常簡單,隻需擰動油門,後輪幾乎沒有延遲地迅猛加速。雖然整備質量高達300kg,但是這對于超強的并列四缸來說根本不在話下,即使偕同友人、滿負辎重,1400GTR仍然舉重若輕,以200km/h高速巡航輕而易舉!當然,1400GTR的發動機絕非抄襲“超級忍者”。對照運動-旅行的定位,川崎工程師進行了二次設計,最核心的就是可變氣門正時系統(VVT)。川崎VVT與本田VTEC的區别是:本田VTEC根據不同的轉速範圍改變氣門的數目,主要目的是節省油耗;川崎VVT類似于汽車采用的可變氣門正時系統,在發動機不同轉速範圍内,優化最合适的氣門開啟、關閉時間,以提高燃燒效率,實現低轉速時扭矩豐沛、高轉速時功率酣暢的目标。兩者相比,川崎VVT系統結構簡單,活動零件很少,且通過低壓機油驅動,因此工作極為可靠、耐久。

可變氣門正時系統(VVT)

川崎的可變氣門正時系統(VVT)能在發動機不同轉速範圍内,優化最合适的氣門開啟、關閉時間,以提高燃燒效率,實現低轉速時扭矩豐沛、高轉速時功率酣暢的目标。具體實現過程是:進氣凸輪軸的尾端裝配了可變正時驅動裝置。來自發動機機油泵的低壓機油,被機油控制閥(OCV)調節方向後進入可變正時驅動裝置的腔内,驅動進氣凸輪軸在0°~23.8°角度範圍内偏轉;具體偏轉角度的數值,則由32位的電控單元ECU綜合比較曲柄位置、凸輪軸位置、扼流閥開度和扼流閥傳感器、水溫等信息後,計算出最佳的實時進氣門正時,再發出指令讓OCV閥驅動進氣凸輪軸偏轉到相應角度,從而實現相應的進氣提前或延遲。

代表車型:川崎NinjaH2

NinjaH2武裝了排量999mL的并列四缸發動機,最大的亮點就是采用了機械增壓。這隻機械增壓器吸收了川崎航天公司的技術,采用了行星齒輪裝置,通過曲軸來驅動,從而把葉輪轉速提高至曲柄轉速的9.2倍。NINJAH2的發動機轉速高達14000r/min,這意味着,機械增壓器的葉輪軸轉速高達130000r/min!在大氣壓力下,葉輪的泵流量超過每秒200L,進氣速度超過100m/s;氣流經由機械增壓器後,氣壓提高至大氣壓力的2.4倍!得益于此,H2排量為998mL的并列四缸,爆發出更多的能量,最大功率達到147.2kW/(11000r/min),最大扭矩則為133.5N·m/(10500r/min)。如果是賽車版H2R,機械增壓的性能徹底發揮,并列四缸發動機能在14000r/min時滂沛傾瀉230kW功率!

機械增壓(Supercharged)

所謂機械增壓,就是在發動機上安裝了迷你空氣壓縮機,提高供應給發動機的空氣壓力或密度。這一做法,讓發動機在進氣時獲得更多的氧氣,可以燃燒更多的油氣混合物、做更多的功,從而提高發動機的功率。機械增壓器的驅動力來自于發動機的曲軸,連接方式可能是皮帶、齒輪、鍊條或軸等方式。

代表車型:Roehr1250sc

美國Roehr1250sc搭載的是哈雷-戴維森V型雙缸發動機,這台昵稱為Revolution的大雙缸來自V-Rod,由哈雷與保時捷公司聯合研發,采用液冷、DOHC8氣門,排量達到1250mL。勞爾為其準備了RSS增壓系統,升壓比達到12.7:1,且工作噪聲很低,騎手戴上頭盔之後幾乎聽不到RSS的哨鳴。為了優化增壓系統的功能,勞爾工程師還設計了旁路閥門,可在怠速、巡航速度以及減速時打開,這樣可以卸載增壓功能,以降低幹擾阻力,提升發動機效能。但是在加速的情況下,旁路閥門将被關閉,這樣RSS增壓系統将提升汽缸的進氣填充效率,從而大幅度增強動力性能。裝配了RSS增壓系統後,哈雷的大雙缸變得完全不同。當轉速僅為4000r/min時,後輪獲得的扭矩已經超過95N·m,在8000r/min前後則可達到135N·m。據勞爾公司公布的數據,Roehr1250sc的最大功率、最大扭矩是134.2kW(9100r/min)和156N·m(7600r/min),分别比V-ROD多出42.5kW和41N·m,絕對是“青出于藍而勝于藍”!

渦輪增壓(Turbocharged)

發動機上的增壓器,其實是一種強制進氣的裝置。在不改變排量的前提下,安裝了增壓器的發動機,比起自然吸氣的發動機,能在相同的時間内,讓汽缸填充更多的油氣混合物,因此效率更高、動力更強。

常見的增壓器有兩種,除了上述的機械增壓器之外,另一種則是渦輪增壓器。兩種增壓器的核心區别,在于它們的驅動力來源不同。機械增壓器的工作動力來自于發動機,而渦輪增壓器則是借助排氣管的高速氣流來驅動渦輪。
   

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