多氣閥發(fā)動機技術(shù)詳細解說

  多氣閥技術(shù)早在1912年就已經(jīng)出現(xiàn)了，第一款多氣閥發(fā)動機是當時標致的GP賽車發(fā)動機。后來，這種發(fā)動機也曾經(jīng)在賓利和布加迪的概念車上被采用過，但上述這些車型都不是量產(chǎn)車，之后的50年里，普通民用車仍然一直采用傳統(tǒng)的2氣閥設(shè)計。這種情況一直持續(xù)到60年代，本田在它的600車型上采用了多氣閥技術(shù)的發(fā)動機，這是最早采用多氣閥技術(shù)的普通民用汽車。到了70年代，更多的汽車開始采用4氣閥技術(shù)設(shè)計，如1976年的蓮花，1975年的雪佛蘭Cosworth Vega，1979年的寶馬M1等等。這時候的4氣閥發(fā)動機還是采用單根凸輪軸，通過搖臂驅(qū)動氣門。

圖為寶馬M5的V6發(fā)動機

    在80年代早期，本田采用了3氣閥發(fā)動機設(shè)計，并匹配到它的主流車型上。到80年代中期，豐田和本田都開始普遍采用4氣閥發(fā)動機，成為這一技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，旗下主流車型都采用了該發(fā)動機技術(shù)。而歐洲的汽車制造商，在這一領(lǐng)域比豐田和本田晚了將近10年。

    多氣閥技術(shù)通過改善進氣，增加發(fā)動機的輸出功率。由于2氣閥發(fā)動機的進氣截面積有限，在高轉(zhuǎn)速時容易造成其進氣不順暢，采用多的氣閥技術(shù)就能有效改變這種狀況。

    下面就各種多氣閥發(fā)動機分類說明

    3氣閥發(fā)動機

    多氣閥發(fā)動機的早期普遍采用3氣閥，這是因3氣閥的技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單——三個氣閥可以排列在一條直線上，因此只需要一根凸輪軸就能同時驅(qū)動一列氣缸的進氣門和排氣門。直到現(xiàn)在，仍然少量的多氣閥發(fā)動機采用這種低成本的設(shè)計，例如老款奔馳的V6和V8發(fā)動機，東風悅達起亞的千里馬1.3升發(fā)動機等等。當然，這種低成本的設(shè)計對于改善發(fā)動機的工作效率是很有限的。

    4氣閥發(fā)動機

    傳統(tǒng)的2氣閥發(fā)動機只能占有燃燒室頂部1/3的面積作為進氣口面積，進氣效率有限。4氣閥的發(fā)動機積相對于2氣閥的發(fā)動機，進氣截面可以增大超過50％以上，更適合高轉(zhuǎn)速時的平穩(wěn)運行。同時，因為4氣閥的設(shè)計可以將火花塞能布置在燃燒室的中央，火花塞的火焰可以更加均勻地分布到燃燒室的各個角落，混合氣的燃燒可以燃燒得更加充分，熱量損失小，因此4氣閥發(fā)動機也更有利于提高燃燒效率和降低排放。

    4氣閥發(fā)動機可以設(shè)計兩根凸輪軸來驅(qū)動氣門，一根驅(qū)動進氣閥，一個驅(qū)動排氣閥，控制可以更精確，并且可以采用更多的新技術(shù)。現(xiàn)在，多數(shù)主流的4氣閥發(fā)動機都采用了雙頂置凸輪軸的設(shè)計。本田和三菱在它的普通民用車上至今仍然喜歡采用單頂置凸輪軸，是出于降低成本的考慮。它需要在凸輪軸上布置搖臂，最終通過搖臂來驅(qū)動氣閥。這樣的設(shè)計雖然可以降低成本，但是增加了更多的摩擦阻力和運動慣性，影響了發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時動力的輸出。因此，在本田和三菱的運動車型上，出于性能提高的考慮，都配備了雙頂置凸輪軸設(shè)計的發(fā)動機。

5氣閥發(fā)動機

    這是一種存在爭議的多氣閥發(fā)動機技術(shù)。最大的爭議就是每缸設(shè)計5個氣閥是否能真正有效地增加發(fā)動機的工作效率。目前大眾和奧迪在許多車型的發(fā)動機上都采用了這種技術(shù)，但是并沒有明顯的提高發(fā)動機的功率輸出。許多同排量同技術(shù)的5氣閥發(fā)動機，在功率和扭矩上，與主流的4氣閥發(fā)動機相比，沒有明顯的優(yōu)勢。事實上，大眾本身現(xiàn)在也在逐步用傳統(tǒng)的4氣閥發(fā)動機取代以前的5氣閥發(fā)動機。

    與4氣閥相比，早期的5氣閥不能提供更高的進氣效率。不過如果燃燒室能夠像圖中那樣，設(shè)計成梅花形狀，那么氣門則可能覆蓋更大的面積。法拉力的F355就是采用了這種設(shè)計，用以提高高轉(zhuǎn)速時的呼吸效率。然而它的缺點也是很明顯的，如果沒有尺寸的限制，更快的進氣會傷害到低轉(zhuǎn)速時的扭力輸出。所以這種設(shè)計不適合普通民用車的使用，而更適合運用在運動車型上。

    現(xiàn)在的5氣閥發(fā)動機，每缸氣缸都有3個進氣閥和2個排氣閥，他們成梅花狀分布。雖然單個地看是排氣閥比較大，但是總面積則是進氣閥更大。在F355上，外側(cè)的進氣閥比內(nèi)側(cè)的進氣閥要提前10度打開，這樣更容易形成渦流，讓空氣與汽油充分混合，因此有更高的燃燒效率和更好的排放。

    總的來說5氣閥的優(yōu)勢還不是很明顯，僅有很少的汽車制造商采用這種技術(shù)（大眾、法拉利和早期的布加迪）。不過由于其在高轉(zhuǎn)速范圍的優(yōu)勢，仍然總有少數(shù)廠家一直比較熱衷于5氣閥技術(shù)，甚至包括法拉力的F1賽車。只不過，這種技術(shù)運用的時間不長，沒過幾年，法拉力的F1發(fā)動機又改回了4氣閥設(shè)計。

    缺點和解決辦法——可變氣門技術(shù)

    早期的4氣閥發(fā)動機相對于2氣閥發(fā)動機也有缺點——在低轉(zhuǎn)速時沒有很好的扭力輸出。原因很簡單——較大的進氣截面積會讓空氣流速減慢，而這對于發(fā)動機低轉(zhuǎn)速的運轉(zhuǎn)是十分不利的。低流速的空氣流入到進氣歧管中，會使空氣與燃料混合不充分，從而容易產(chǎn)生爆震，扭矩的輸出也會減小。因此傳統(tǒng)的4氣閥發(fā)動機僅能有效提高高轉(zhuǎn)速時的發(fā)動機性能，隨著可變氣門技術(shù)在越來越多的車上得到普及，這種狀況才有所改變。下面就舉例說明一下可變氣門技術(shù)

    實例：豐田的T-VIS發(fā)動機

    豐田在80年代中期提出了T-VIS（Toyota Variable Intake System）的概念。T-VIS提高了低轉(zhuǎn)速時的燃油混合效率。其原理很簡單，在其中一個進氣歧管安裝了一個節(jié)氣閥。在4650rpm以下時，節(jié)氣閥是關(guān)閉的，此時相當于2氣閥的發(fā)動機，當轉(zhuǎn)速超過4650rpm時，節(jié)氣閥打開，此時相當于4氣閥發(fā)動機。

    由于這種技術(shù)有效提高了4氣閥發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時的燃燒效率和扭矩輸出，繼豐田之后，許多廠商也紛紛采用該技術(shù)。