美日汽车发动机研发的最新技术的比较分析

2012-08-29李潜

装备制造技术 2012年7期

李潜

（南昌大学机电工程学院，江西南昌 330038）

市场供需的要求，促使各大汽车生产商在外观不断更换、保持潮流特色的基础上，更加注重汽车性能的提升。对于消费者来说，在考虑汽车外观的同时，往往考虑的是汽车的安全性能等综合因素。本文以美系、日系车为研究对象，对两系车的发动机研发的最新技术试做比较分析。在发动机动力性能方面，美系近年来推崇涡轮增压直喷发动机，日系推崇自然吸气发动机。

1 降低油耗技术发展概况

1.1 关于气缸节能技术

通用汽车公司采用气缸节能新技术，计算机控制的对开式摇臂，可随时在发动机不需要最大功率工作时，使凸轮轴断开气阀，关闭某一侧的气缸，来达到节能的目的。首先应用在通用V8 载货车发动机，可使燃油经济性提高6%～12%。

另一项就是称为可变排量的切缸工作循环，即：根据汽车动力的需求，来实时调节发动机的有效排量，使做功的汽缸，总是处于大负荷状态，达到节能目的。这一技术在通用、本田等中大排量V 型布置发动机，均有采用。

美国福特公司利用电脑控制技术，开发出可变排量发动机（VDE），以此提高汽车的燃油经济性。这种技术最适合多汽缸的发动机使用，如12 缸，相当于安装两个独立的6 缸发动机，可根据驾驶需要，让一台发动机运行，另一台处于怠速状态。

1.2 关于均质压燃技术

均质混合气压燃技术，是指发动机工作过程中，向汽缸里注入比例均匀的空气和燃料的混合气，通过活塞压缩，使汽缸内的温度升高至混合气自燃。采用高压缩比，容易导致发动机爆震。为克服这一弊端，日本的马自达公司采用较长的排气路径，减少残留在燃烧室内的高温气体，来降低活塞压缩冲程上止点的温度；过延迟点火时间和Skyactiv G 活塞创新性改良（通过在活塞顶部平面的中心挖一个凹陷的圆孔）优化了燃油喷射状态，使得燃油与空气的混合气体，在火花塞附近以层叠装方式形成，既做到大幅延迟点火时间，又保证稳定燃烧。

1.3 关于启动机一发电机技术

该技术的首次应用，是在本田Insight 和丰田Prius 等混合动力车上，是将启动机和发电机合为一体的节油无污染装置。当汽车停车时，发动机关闭，装置转入发电机工作状态；当踏下加速踏板时，该装置重新启动发动机，以此达到降低油耗的目的。此外，日本研发的双喷油技术，也有效改善了燃油雾化，降低油耗。

2 提升性能技术发展概况

2.1 关于燃烧速率控制滑片

该技术主要解决两类现实问题。

一类是当发动机工作在怠速状态和小负荷时，燃烧室内残余废气过多，会导致点火困难，影响发动机的排放及工作效率。

而另一类是在一般城市交通中，汽车发动机绝大部分时间是在中、小负荷和怠速状态。为了优化发动机在这些状态下的排放和热效率，燃烧速率控制滑片就是通过促进燃烧室内在火花塞附近创造稳定的、容易点燃的空气燃油混合比，通过增加燃烧室的湍流强度，达到节能环保的目的。该技术在Toyota 和Ford 发动机上均有体现。

2.2 关于i-VTEC 技术

VTEC（Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System），该技术解决了发动机在不同转速下的进排气需求，提升了燃烧效率降低了排放。初期VTEC 技术，由于对配气机构的切换不够平滑而备受争议。

随后，本田推出了更为节油，并且可在全部转速区域内起作用的i-VTEC 技术。在VTEC 基础上增加了VTC。使发动机处于低转时，关闭每个气缸中的一个进气门，在燃烧室内形成稀混合气；而高转工况时，可变正时控制系统会提高进气门开度，延长开启时间，获得最大进气量，形成充分的混合气提升动力输出。采用前置进气歧管，后置排气歧管布局方式。进气歧管增设长度可变装置，低转时增加进气形成，提高空气流速，提升扭矩；缩短排气歧管长度，高温废气更快进入三元催化系统中，有效控制排放。

2.3 关于VVT-i 技术

图1 VVT-i 可变配气正时系统

丰田公司推出的VVT-i 可变配气正时系统（如图1），主要通过ECU（发动机控制模块）在各种工况下寻找对应发动机转速、进气量、节气门位置和冷却水温度的最佳气门正时，借以控制凸轮轴正时液压控制阀，通过传感器感知实际气门正时，最后通过反馈来补偿系统误差，获得最佳气门正时位置，使系统可根据发动机工况，灵活控制进气凸轮轴，从而实现对配气时机的优化，最终实现在各转速区间都能提高扭矩，并改善燃油经济性。

此外，还采用智能谐波增压进气系统（ACIS）。燃烧室内的混合气，在任何转速下都能得到最有效的利用，成为日系发动机技术领域的主要研发方向之一。

3 环保和新能源利用技术发展概况

3.1 关于油、电、氢混合动力技术

混合动力车按动力分类，归属于电动汽车，其采用传统的内燃机和电动机作为动力能源，通过混合使用热能和电能两套系统驱动汽车。混合动力系统的最大特点是油、电发动机的互补工作模式。在起步或低速行驶时，使用电力驱动，燃油消耗是零；当车辆行驶速度提高到40 km/h 以上或者紧急加速时，汽油发动机和电机同时输出动力；在车辆制动时，混合动力系统能将动能转化为电能储存在蓄电池中。

日本马自达汽车公司在油、电、氢混合动力技术的研发上，处于领先位置，普力马混合动力概念车，向人们展示了全新的油、电、氢共3 种能源的混合动力技术。该车内部有一个内燃发动机，从电动机获得助力，所需电力来自制动等操作。同时，马自达还尝试着将电动引擎和一种能使用汽油和氢气作为燃料的混合动力引擎的内燃发动机结合在一起。

3.2 关于天然气驱动技术

该技术目前已经在美、日广泛应用，主要因为其具备了较高的经济性能，例如欧宝汽车推出以天然气作为主要燃料的赛飞利CNG。以欧宝赛飞“CNG”为例，成本可比柴油发动机款减少约30%，而比汽油发动机款则可减少约50%。天然气储气罐选用高强度钢制造，传输管线则由不锈钢制成，天然气比汽油易燃性低，安全性可靠。

3.3 关于乙醇燃料技术

目前，具备有可再生特性的生物能源，已成为近期汽车能源发展的趋势之一。其代表是被称作车用乙醇汽油的乙醇燃料，即变性乙醇和汽油按适当比例进行调配，最终形成一种新型清洁车用燃料。采用该技术的车型，具备较高的燃油经济性以及低排放的特性。

其中美国通用萨博汽车推出的Saab Bio Power混合动力概念车，首次混合使用了电力与纯生物乙醇燃料，该车较使用E85（85%生物乙醇，15%汽油）作为燃料的Saab9-5Bio Power 2.0T 更进一步。

4 美日汽车发动机各方面新技术的实例比较

4.1 动力、节油技术比拼：日系落伍，美系崛起

以君越和雅阁作为代表进行比较。美系的君越匹配2.0 L 涡轮增压直喷发动机，而日系的雅阁则匹配2.4 L 自然吸气发动机。在技术方面，日系车企近十年来精力过于集中在混合动力技术，因此常规发动机呈现衰退迹象，本田雅阁2.4 仅采用了较为传统的i-VTEC 可变气门正时和升程技术，因此动力表现明显落后美系车型，最大功率仅为132 kW，最大扭矩也仅为225 N·m。而新君越2.0T 则搭载了“涡轮增压+燃油缸内直喷+双可变气门正时技术”这3 项全球先进技术，动力表现相当强悍，新君越2.0 T 最大功率162 kW，最大扭矩则高达350 N·m。

4.2 超级跑车对发动机的苛求

LEXUS LF-A（雷克萨斯或凌志，LFA）是丰田集团最新推出的超级跑车，代表日系最先进的汽车制造技术。整车总质量达到1 485 kg。LFA 采用丰田和雅马哈共同研发的4.8 L V10 自然吸气发动机（1LR-GUE，如图2），比V6 轻，在自然吸气发动机中算数一数二的。最大输出412 kW。

图2 LFA 搭载的发动机

LFA 用的发动机断油转速在9 500 r/min，而90%的动力输出在3 700 r/min 就能实现，在同类型发动机中很出色，铸造工艺同样先进。

单从技术上讲，并不能表明自然吸气比增压发动机差，但就表现而言，涡轮增压发动机可以在不增加排量的前提下，大幅度提高马力以及扭矩（约30%，取决于涡轮尺寸和调校），是自然吸气无法抗衡的。增压的发动机，需要承受高温高压，还有变速箱也要很强悍，对传动系统也是考验。

CORVETTE ZR1 是GM（通用汽车）2009年推出的超跑，而动力部分凸显出美系车辆对大排量大马力的器重，V8 发动机达到了6.2 L 的排量，发动机型号是LS9（图3）。

图3 CORVETTE ZR1 搭载的发动机

LS 系列都是V8，并且被通用应用在了自己的各个车型中，同时也被很多轻型飞行器当做动力输出。部分构件是铝合金。可输出476 kW 功率，扭矩更是达到800 N·m，主要是因为有两个supercharge（机械增压）源源不断给引擎输送空气。

比起涡轮增压，机械增压的好处，就是不管多低的转速都可以，但是引擎需要分配出一些马力来维持机械增压，说明费油；0～97 km 是3.3 s，这就是机械增压的优势了，最高时速可达330 km。此车用的机械增压器和最近的丰田，还有奥迪（3.0TSI 发动机），都是Eaton 公司研发，具有稳定、震动噪音低、效率更高的特点。