美日汽車發(fā)動機研發(fā)的最新技術(shù)的比較分析

李潛

（南昌大學(xué) 機電工程學(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。對于消費者來說，在考慮汽車外觀的同時，往往考慮的是汽車的安全性能等綜合因素。本文以美系、日系車為研究對象，對兩系車的發(fā)動機研發(fā)的最新技術(shù)試做比較分析。在發(fā)動機動力性能方面，美系近年來推崇渦輪增壓直噴發(fā)動機，日系推崇自然吸氣發(fā)動機。

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)，計算機控制的對開式搖臂，可隨時在發(fā)動機不需要最大功率工作時，使凸輪軸斷開氣閥，關(guān)閉某一側(cè)的氣缸，來達到節(jié)能的目的。首先應(yīng)用在通用V8 載貨車發(fā)動機，可使燃油經(jīng)濟性提高6%～12%。

另一項就是稱為可變排量的切缸工作循環(huán)，即：根據(jù)汽車動力的需求，來實時調(diào)節(jié)發(fā)動機的有效排量，使做功的汽缸，總是處于大負荷狀態(tài)，達到節(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)動機，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)動機（VDE），以此提高汽車的燃油經(jīng)濟性。這種技術(shù)最適合多汽缸的發(fā)動機使用，如12 缸，相當(dāng)于安裝兩個獨立的6 缸發(fā)動機，可根據(jù)駕駛需要，讓一臺發(fā)動機運行，另一臺處于怠速狀態(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)動機工作過程中，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)動機爆震。為克服這一弊端，日本的馬自達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的溫度；過延遲點火時間和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，既做到大幅延遲點火時間，又保證穩(wěn)定燃燒。

1.3 關(guān)于啟動機一發(fā)電機技術(shù)

該技術(shù)的首次應(yīng)用，是在本田Insight 和豐田Prius 等混合動力車上，是將啟動機和發(fā)電機合為一體的節(jié)油無污染裝置。當(dāng)汽車停車時，發(fā)動機關(guān)閉，裝置轉(zhuǎn)入發(fā)電機工作狀態(tài)；當(dāng)踏下加速踏板時，該裝置重新啟動發(fā)動機，以此達到降低油耗的目的。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)實問題。

一類是當(dāng)發(fā)動機工作在怠速狀態(tài)和小負荷時，燃燒室內(nèi)殘余廢氣過多，會導(dǎo)致點火困難，影響發(fā)動機的排放及工作效率。

而另一類是在一般城市交通中，汽車發(fā)動機絕大部分時間是在中、小負荷和怠速狀態(tài)。為了優(yōu)化發(fā)動機在這些狀態(tài)下的排放和熱效率，燃燒速率控制滑片就是通過促進燃燒室內(nèi)在火花塞附近創(chuàng)造穩(wěn)定的、容易點燃的空氣燃油混合比，通過增加燃燒室的湍流強度，達到節(jié)能環(huán)保的目的。該技術(shù)在Toyota 和Ford 發(fā)動機上均有體現(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)動機在不同轉(zhuǎn)速下的進排氣需求，提升了燃燒效率降低了排放。初期VTEC 技術(shù)，由于對配氣機構(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)動機處于低轉(zhuǎn)時，關(guān)閉每個氣缸中的一個進氣門，在燃燒室內(nèi)形成稀混合氣；而高轉(zhuǎn)工況時，可變正時控制系統(tǒng)會提高進氣門開度，延長開啟時間，獲得最大進氣量，形成充分的混合氣提升動力輸出。采用前置進氣歧管，后置排氣歧管布局方式。進氣歧管增設(shè)長度可變裝置，低轉(zhuǎn)時增加進氣形成，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 可變配氣正時系統(tǒng)

豐田公司推出的VVT-i 可變配氣正時系統(tǒng)（如圖1），主要通過ECU（發(fā)動機控制模塊）在各種工況下尋找對應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣量、節(jié)氣門位置和冷卻水溫度的最佳氣門正時，借以控制凸輪軸正時液壓控制閥，通過傳感器感知實際氣門正時，最后通過反饋來補償系統(tǒng)誤差，獲得最佳氣門正時位置，使系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動機工況，靈活控制進氣凸輪軸，從而實現(xiàn)對配氣時機的優(yōu)化，最終實現(xiàn)在各轉(zhuǎn)速區(qū)間都能提高扭矩，并改善燃油經(jīng)濟性。

此外，還采用智能諧波增壓進氣系統(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)動機技術(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、氫混合動力技術(shù)

混合動力車按動力分類，歸屬于電動汽車，其采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機和電動機作為動力能源，通過混合使用熱能和電能兩套系統(tǒng)驅(qū)動汽車?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的最大特點是油、電發(fā)動機的互補工作模式。在起步或低速行駛時，使用電力驅(qū)動，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，汽油發(fā)動機和電機同時輸出動力；在車輛制動時，混合動力系統(tǒng)能將動能轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中。

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

3.2 關(guān)于天然氣驅(qū)動技術(shù)

該技術(shù)目前已經(jīng)在美、日廣泛應(yīng)用，主要因為其具備了較高的經(jīng)濟性能，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)動機款減少約30%，而比汽油發(fā)動機款則可減少約50%。天然氣儲氣罐選用高強度鋼制造，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 更進一步。

4 美日汽車發(fā)動機各方面新技術(shù)的實例比較

4.1 動力、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行比較。美系的君越匹配2.0 L 渦輪增壓直噴發(fā)動機，而日系的雅閣則匹配2.4 L 自然吸氣發(fā)動機。在技術(shù)方面，日系車企近十年來精力過于集中在混合動力技術(shù)，因此常規(guī)發(fā)動機呈現(xiàn)衰退跡象，本田雅閣2.4 僅采用了較為傳統(tǒng)的i-VTEC 可變氣門正時和升程技術(shù)，因此動力表現(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+雙可變氣門正時技術(shù)”這3 項全球先進技術(shù)，動力表現(xiàn)相當(dāng)強悍，新君越2.0 T 最大功率162 kW，最大扭矩則高達350 N·m。

4.2 超級跑車對發(fā)動機的苛求

LEXUS LF-A（雷克薩斯或凌志，LFA）是豐田集團最新推出的超級跑車，代表日系最先進的汽車制造技術(shù)。整車總質(zhì)量達到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)動機（1LR-GUE，如圖2），比V6 輕，在自然吸氣發(fā)動機中算數(shù)一數(shù)二的。最大輸出412 kW。

圖2 LFA 搭載的發(fā)動機

LFA 用的發(fā)動機斷油轉(zhuǎn)速在9 500 r/min，而90%的動力輸出在3 700 r/min 就能實現(xiàn)，在同類型發(fā)動機中很出色，鑄造工藝同樣先進。

單從技術(shù)上講，并不能表明自然吸氣比增壓發(fā)動機差，但就表現(xiàn)而言，渦輪增壓發(fā)動機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)動機，需要承受高溫高壓，還有變速箱也要很強悍，對傳動系統(tǒng)也是考驗。

CORVETTE ZR1 是GM（通用汽車）2009年推出的超跑，而動力部分凸顯出美系車輛對大排量大馬力的器重，V8 發(fā)動機達到了6.2 L 的排量，發(fā)動機型號是LS9（圖3）。

圖3 CORVETTE ZR1 搭載的發(fā)動機

LS 系列都是V8，并且被通用應(yīng)用在了自己的各個車型中，同時也被很多輕型飛行器當(dāng)做動力輸出。部分構(gòu)件是鋁合金?？奢敵?76 kW 功率，扭矩更是達到800 N·m，主要是因為有兩個supercharge（機械增壓）源源不斷給引擎輸送空氣。

比起渦輪增壓，機械增壓的好處，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械增壓，說明費油；0～97 km 是3.3 s，這就是機械增壓的優(yōu)勢了，最高時速可達330 km。此車用的機械增壓器和最近的豐田，還有奧迪（3.0TSI 發(fā)動機），都是Eaton 公司研發(fā)，具有穩(wěn)定、震動噪音低、效率更高的特點。

5 結(jié)束語

總體上，在發(fā)動機研發(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)動機的技術(shù)上，進行改良創(chuàng)新。

美、日在發(fā)動機研發(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。因為在現(xiàn)階段并沒有哪項技術(shù)是占有絕對優(yōu)勢的，技術(shù)只有最適合一個時期或順應(yīng)一種潮流，才會成為主導(dǎo)。

時至今日，發(fā)動機從研發(fā)到制造，應(yīng)該說近乎達到了完美的境界，目前研制的熱點主要是如何在動力性、經(jīng)濟性、環(huán)保性三者之間，達到一個滿意點，使之更適應(yīng)時代發(fā)展和滿足用戶需求。伴隨著能源危機的不斷加劇和汽車尾氣排放法規(guī)的日趨嚴厲，未來汽車發(fā)動機研發(fā)，必然是朝著節(jié)能環(huán)保和新能源方向發(fā)展。

[1] 薛 峰. 哈爾濱成功汽車維修有限公司發(fā)展戰(zhàn)略案例[DB/OL]. 哈爾濱工程大學(xué)，2007 中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10217-2008028805.htm

[2]張宗法，熊 銳.汽車發(fā)動機技術(shù)現(xiàn)狀與進展[J].城市車輛，2008，(2)：38-39.

[3]張東明.可變氣門驅(qū)動直噴汽油機缸內(nèi)氣流運動及燃油霧化混合的試驗研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

[4]徐俊芳.從上海車展看國內(nèi)外發(fā)動機技術(shù)發(fā)展[J].汽車與配件，2011，(27)：19-20.