多氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)詳細(xì)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(dòng)機(jī)是當(dāng)時(shí)標(biāo)致的GP賽車發(fā)動(dòng)機(jī)。后來，這種發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)。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(dòng)機(jī)，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(jì)，如1976年的蓮花，1975年的雪佛蘭Cosworth Vega，1979年的寶馬M1等等。這時(shí)候的4氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)還是采用單根凸輪軸，通過搖臂驅(qū)動(dòng)氣門。

圖為寶馬M5的V6發(fā)動(dòng)機(jī)

    在80年代早期，本田采用了3氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，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(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)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(jìn)氣，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。由于2氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣截面積有限，在高轉(zhuǎn)速時(shí)容易造成其進(jìn)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(dòng)機(jī)分類說明

    3氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)

    多氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)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(jiǎn)單——三個(gè)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(shí)驅(qū)動(dòng)一列氣缸的進(jìn)氣門和排氣門。直到現(xiàn)在，仍然少量的多氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)采用這種低成本的設(shè)計(jì)，例如老款奔馳的V6和V8發(fā)動(dòng)機(jī)，東風(fēng)悅達(dá)起亞的千里馬1.3升發(fā)動(dòng)機(jī)等等。當(dāng)然，這種低成本的設(shè)計(jì)對(duì)于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率是很有限的。

    4氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)

    傳統(tǒng)的2氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)只能占有燃燒室頂部1/3的面積作為進(jìn)氣口面積，進(jìn)氣效率有限。4氣閥的發(fā)動(dòng)機(jī)積相對(duì)于2氣閥的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣截面可以增大超過50％以上，更適合高轉(zhuǎn)速時(shí)的平穩(wěn)運(yùn)行。同時(shí)，因?yàn)?氣閥的設(shè)計(jì)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(gè)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(dòng)機(jī)也更有利于提高燃燒效率和降低排放。

    4氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)兩根凸輪軸來驅(qū)動(dòng)氣門，一根驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥，一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)都采用了雙頂置凸輪軸的設(shè)計(jì)。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(dòng)氣閥。這樣的設(shè)計(jì)雖然可以降低成本，但是增加了更多的摩擦阻力和運(yùn)動(dòng)慣性，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)力的輸出。因此，在本田和三菱的運(yùn)動(dòng)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(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)。

5氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)

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

    與4氣閥相比，早期的5氣閥不能提供更高的進(jìn)氣效率。不過如果燃燒室能夠像圖中那樣，設(shè)計(jì)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(jì)，用以提高高轉(zhuǎn)速時(shí)的呼吸效率。然而它的缺點(diǎn)也是很明顯的，如果沒有尺寸的限制，更快的進(jìn)氣會(huì)傷害到低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭力輸出。所以這種設(shè)計(jì)不適合普通民用車的使用，而更適合運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)車型上。

    現(xiàn)在的5氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)，每缸氣缸都有3個(gè)進(jìn)氣閥和2個(gè)排氣閥，他們成梅花狀分布。雖然單個(gè)地看是排氣閥比較大，但是總面積則是進(jìn)氣閥更大。在F355上，外側(cè)的進(jìn)氣閥比內(nèi)側(cè)的進(jìn)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(shì)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(shì)，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(yùn)用的時(shí)間不長(zhǎng)，沒過幾年，法拉力的F1發(fā)動(dòng)機(jī)又改回了4氣閥設(shè)計(jì)。

    缺點(diǎn)和解決辦法——可變氣門技術(shù)

    早期的4氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于2氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)也有缺點(diǎn)——在低轉(zhuǎn)速時(shí)沒有很好的扭力輸出。原因很簡(jiǎn)單——較大的進(jìn)氣截面積會(huì)讓空氣流速減慢，而這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的運(yùn)轉(zhuǎn)是十分不利的。低流速的空氣流入到進(jìn)氣歧管中，會(huì)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(huì)減小。因此傳統(tǒng)的4氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)僅能有效提高高轉(zhuǎn)速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)例：豐田的T-VIS發(fā)動(dòng)機(jī)

    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(shí)的燃油混合效率。其原理很簡(jiǎn)單，在其中一個(gè)進(jìn)氣歧管安裝了一個(gè)節(jié)氣閥。在4650rpm以下時(shí)，節(jié)氣閥是關(guān)閉的，此時(shí)相當(dāng)于2氣閥的發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過4650rpm時(shí)，節(jié)氣閥打開，此時(shí)相當(dāng)于4氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)。

    由于這種技術(shù)有效提高了4氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)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)。