摩托车之“心”（下）--四冲程发动机

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欢迎访问e展厅 展厅 5 摩托车/自行车展厅 沙滩摩托车, 电动自行车, 折叠自行车, ... 按发动机排量分类 所谓排量是指活塞从上止点到下止点之间的汽缸容积，取决于缸径和活塞行程。一般来说，同等情况下发动机排量越大，动力性能越好，但是制造成本和油耗等都会相应增加。因此，用于通勤、代步的普通摩托车，一般发动机排量不会超过250毫升；追求乐趣、刺激的高性能摩托车，较多采用排量超过250毫升的发动机。 国外大排量摩托车广为流行，一般中量级运动摩托车发动机排量为600毫升，超级摩托车发动机排量为1000毫升，而巡航摩托车、旅行摩托车的排量更大，如本田旅行摩托车“金翼”排量为1800毫升，凯旋的“火箭”排量为2300毫升，美国BOSS HOSS公司的摩托车更令人震惊——305型号的发动机排量为5735毫升，可产生259千瓦的功率和405牛米的扭矩；502型号排量更是高达8200毫升，功率和扭矩分别达到366千瓦和567牛米！ 按燃油供应方式分类 化油器发动机 即通过化油器来供应油气混合物的发动机。化油器是利用大气压力的基本原理设计的，当四冲程发动机的活塞处于下止点时，汽缸内会形成一个低压，这个低压也会引起化油器内的低压。由于化油器外面的压力比较高，空气将冲进化油器直到压力均衡。 与此同时，化油器管道内有一段口径收缩的部分叫做喉管，喉管的作用是迫使空气加速（类似于突然变窄的河道能够迫使水流变急）。根据流体力学原理，加速流动的空气将会产生真空度，流速越快、真空度越强。这样，化油器内的汽油，经由喉管下方的孔道被真空度“吸”出来，随同气流一起混合进入汽缸。 电喷发动机 所谓电喷发动机，是指通过电子燃油喷射系统供应燃油的发动机。电喷发动机空气进入汽缸的原理与化油器发动机完全相同，但是汽油进入汽缸的方法则大相径庭。简单来说，通过功能各异的传感器实时监测发动机温度、空气温度、油门开度、发动机转速、曲轴位置等状况，并将信息发送至电控单元ECU，由其综合、分析各类信息后，计算出最理想的汽油量，再发出指令喷射出汽油。 从上面的介绍可以看出，化油器使用的是纯粹的机械工作方式，优点是结构简单、成本较低，一般用于经济廉价的小排量摩托车。电喷发动机与化油器发动机相比，优点是能够针对发动机实际工作情况提供准确的汽油量，保证汽缸内的油气混合物燃烧完全，节省燃油，降低废气排放污染物，同时还可以提高发动机的充气效率，增加了发动机的动力性能；不足之处是结构复杂，成本较高。1980年，川崎公司率先为Z1000配置了EFI电喷四缸发动机，这是世界上第一辆四冲程电喷摩托车。 按冷却方式分类 风冷发动机 所谓风冷发动机，其实就是没有冷却系统的发动机，依靠驾驶时的自然风吹过发动机表面带走热量。为了增加与风接触的散热面积，汽缸表面增加了散热片以提高散热能力。风冷发动机的优势是结构简单，制造成本低廉，质量轻巧。不足之处是不适合做高转速、大功率的强化型发动机，此外在交通拥挤的城市也容易出现发动机过热现象。 风冷发动机还派生出强制风冷发动机，即通过冷风扇、导风罩等装置，强制导入冷空气以冷却发动机。强制风冷发动机通常用于小型踏板车，因为踏板车安装了塑料外壳，需要强制导入冷空气来带走发动机的热量。 水冷发动机 由于大排量、高转速、大功率的高性能发动机对散热提出更高要求，风冷方式已经无法满足，这时出现了水冷发动机。水冷发动机配置了散热器，用于吸收、散发发动机的热量。当发动机开始工作时，冷却水通过水泵的驱动流经发动机缸体，吸收并带走热量，然后通过散热片降温后流回，再次经水泵驱动流经发动机缸体，如是循环不已。水冷发动机可以有效防止发动机过热，维持理想、稳定的工作温度，有利于动力输出和延长发动机寿命，缺点是结构复杂，体积较大，造价较高，一般用于大排量、高转速的运动摩托车和豪华旅行摩托车等。 风油冷发动机 通常，高性能发动机均采用水冷方式冷却，但是结构复杂、制造成本较高；但是单纯的风冷发动机又无法满足高性能发动机的散热要求，特别在交通挤塞的城市更是会让风冷发动机“发高烧”。为此，一种折中路线的发动机随之诞生，这就是风油冷发动机。风油冷发动机内的机油不但承担了润滑作用，还扮演着“冷却液”的角色。高压机油泵将冷机油输送到汽缸头部，并经喷嘴喷射至发动机的最热部位，让冷机油带走发动机的热量；同时，已经吸收热量的热机油再流经外置的散热器，降低温度后又回到循环系统。油冷方式最典型的代表就是“铃木高级冷却系统”（SACS），代表车型就是铃木的“盗匪”家族。 按气门机构分类 侧置气门（SV）发动机 1896年，法国入普吉奥率先将四冲程发动机的配气机构改成侧置式气门（SV）。这种配气机构是将进气门和排气门并列安装在发动机汽缸一侧，直接由凸轮控制进气门和排气门。由于推杆的行程较短，因此侧置气门发动机具有结构简单、工作可靠、造价低廉、运转平稳等特点，且可以将发动机的高度降至最低。但是侧置气门发动机的缺点也是很明显的：从结构上来讲，侧置气门最为简单，但是侧置气门发动机的抗爆性能和高速性能差，压缩比无法提高，热效率不佳，只能用于低压缩比和转速不高的发动机。总的来说，侧置气门是初期四冲程发动机普遍采用的气门机构，目前几乎已被淘汰，只有少数车型仍保留简单的结构形式，如我国古董级别的长江750、山东750等。 侧置凸轮轴（OHV）发动机 1899年，法国人比歇为了提高发动机转速和功率，率先推出了侧置凸轮轴机构（OHV）。凸轮轴安装在汽缸的侧面下部，通过较长的推杆把摇臂往上推，再通过摇臂向下压开气门；气门则可以设置在汽缸头上，这样燃烧室可以优化为半球形或楔形，从而提高发动机的压缩比和热效率，实现高转速、高功率的目的。在提高转速和功率方面，侧置凸轮轴机构明显优于侧置气门机构，发动机的转速普遍由1200转/分以下提高到6000转/分，功率获得显著提高。此外侧置凸轮轴（OHV）发动机还具有扭矩较大的优势，这也是为什么虽然以后出现了更先进的顶置凸轮轴（OHC）发动机，但是仍有厂家坚持生产技术“落伍”的OHV发动机的缘故，这方面最典型不过的代表就是哈雷摩托车。 顶置凸轮轴（OHC）发动机 虽然顶置气门发动机优于侧置气门发动机，但是顶置气门发动机也有自身局限：由凸轮轴通过气门顶杆驱动气门，增加的气门顶杆相应增加了传动损耗。上世纪60年代起，更加先进的顶置凸轮轴（OHC）发动机开始大行其道。OHC与OHV相比，最大的不同是：OHV的气门位置在凸轮轴上方，凸轮轴利用气门顶杆驱动气门；OHC的凸轮轴位置则在气门上方，发动机飞轮通过皮带或链条带动凸轮轴齿轮，从而实现凸轮轴直接驱动气门。因此，OHC比OHV减少了气门顶杆和相应的传动损耗，且可以设计出更高的压缩比和发动机转速，同等排量下OHC发动机比OHV发动机的动力大、油耗小、易修护。现代摩托车配置的基本都是顶置凸轮轴发动机。 再具体一些，顶置凸轮轴发动机又分为单顶置凸轮轴（SOHC）发动机和双顶置凸轮轴（DOHC）发动机。前者的进气门和排气门的开启、关闭均由同一根凸轮轴来完成开关动作；后者则是利用两条凸轮轴来分别驱动进气门和排气门完成开闭动作。总体来说，双顶置凸轮轴发动机的好处就是可以轻易地改变进排气门的开闭时间，每个气门的惯性质量比较低，因此具有高转速、大功率的特性，但是结构比较复杂，造价成本较高，维护也比较困难，一般来说，多缸、大排量的高速发动机多采用双顶置凸轮轴发动机气门机构，单缸、小排量的普通发动机多采用单顶置凸轮轴气门机构。 川崎的DOHC之梦：Z1 被本田的CB750抢走风头之后，1970年川崎启动了Z1研发项目（研发代号T103），虽然动力装置仍然是与CB750相同的直列四缸四冲程发动机，但是排量扩大到903亳升。更令人吃惊的是，Z1配置了当时极为罕见的双顶置凸轮轴气门机构（本田CB750采用的是单顶置凸轮轴气门机构），以实现低转速到高转速范围内的高性能，这是川崎第一次尝试在量产型摩托车上采用双顶置凸轮轴气门机构，当时国际范围内采用这种气门机构的量产型摩托车同样属于风毛麟角。这项当时流行于GP大奖赛的赛车技术，让Z1获得超过80马力的惊人动力，可以突破200公里/时的最高速度，成为当时红极一时的超级摩托车。 特殊的气门机构发动机 比较著名的特殊气门机构发动机，包括了杜卡迪的DESMO气门机构发动机、本田的可变气门（VTEC）发动机、川崎的可变气门正时系统（VVT）发动机等。其实这些发动机都可以归类到DOHC发动机，只是厂家分别增加了辅助机构，以更好地实现特定目标。 Desmo气门机构发动机 这是杜卡迪一向引以为傲的技术，其MotoGP赛车的命名即为Desmosedici（Desmo为杜卡迪特殊的气门机构，sedici意思是16气门）。Desmo气门机构发动机的优势是：绝大多数四冲程发动机都依赖弹簧来闭合气门，但随着发动机转速的提高，特别是高转速的赛车型发动机中，弹簧闭合气门的时间变得很苛刻，从而经常出现气门无法精确地按照凸轮形状来运转的情况，这导致了发动机性能的下降。Desmo气门机构则取消弹簧，改为直接机械闭合气门，从而实现了发动机全转速范围内精确的气门动作，能够防止发动机高转速时出现性能下降的现象。以世界上第一款仿制MotoGP战车的量产型摩托车杜卡迪Desmosedici RR为例，Desmo气门机构、16气门、排量为989毫升的V形四缸发动机，可在转速为13500转/分时爆发超过150千瓦的最大功率，即使扣除 传动系统等损耗功率，后轮也能获得令人吃惊的134千瓦功率，足以驱使Desmosedici RR以超过300公里/时的速度狂暴飞奔！ 可变气门（VTEC）发动机 VTEC全名就是Variable valve Timing & Lift Electronic Control system，即可变气门正时/升程电子控制系统，简称可变气门系统。以本田推出的CB400 SF VTEC为例，当发动机转速低于6750转/分时，每缸只有对角位置的一对气门工作；一旦发动机转速高于6750转/分，4个气门全部激活以加快进气、排气。该设计的优势是在确保高转速时大功率输出的同时，还可在低转速时增强扭矩、节省油耗，降低排放污染。 可变气门正时系统（VVT） 虽然从名字来看，川崎的VVT和本田的VTEC都是改变气门，但实际工作原理是并不相同的。VTEC是根据不同的转速范围改变气门的数目，主要目的是节省油耗；VVT则是在发动机不同转速范围内，优化最合适的气门开启、关闭时间，以提高燃烧效率，实现低转速时扭矩丰沛、高转速时功率酣畅的目标，具体实现过程是：进气凸轮轴的尾端装配了可变正时驱动装置。来自发动机机油泵的低压机油，被机油控制阀（OCV）调节方向后进入可变正时驱动装置的腔内，驱动进气凸轮轴在0~23.8度的角度范围内偏转；具体偏转角度的数值，则由32位的电控单元ECU综合比较曲柄位置、凸轮轴位置、油门开度和节气门传感器、水温等信息后，计算出最佳的实时进气门正时，再发出指令让OCV阀驱动进气凸轮轴偏转到相应角度，从而实现相应的进气提前或延迟。由于结构简单，活动零件很少，且通过低压机油驱动，因此VVT工作可靠、耐久。该项技术装备于川崎最新推出的2008年超级运动型旅行摩托车Concours 14。 按气门数目分类 气门是用于控制发动机吸气、排气的阀门，一般来说，同等排量情况下，气门越多，进排气效率越好，功率越充沛。比较常见的发动机，包括2气门发动机、3气门发动机、4气门发动机、5气门发动机，其中最普通的发动机是2气门发动机，即每只汽缸各配置一只进气门和一只排气门。2气门发动机的优势是结构简单，制造成本低，维护便利，对于输出功率要求不太高的普通摩托车来说，两气门发动机已经能够获得较为满意的功率与扭矩，满足一般代步和通勤需要。 排量较大，追求大功率、高速度的摩托车多采用多气门发动机，最简单的多气门发动机是3气门结构，即2个进气门和1个排气门，代表车型是本田推出的“影子”（Shadow）系列。从1983年第一辆“影子”推出，到2007年最新一代的“影子”Shadow Spirit 750 C2亮相，每缸3气门的双缸发动机都是“影子”家族成员的标准动力装置。4气门发动机是多缸大排量跑车最常用的动力装置，每个汽缸各有2个进气门和2个排气门，可大幅度提高发动机的吸气、排气效率，如铃木GSX-R1000、本田CBR1000RR、川崎ZX-10R等武装的均为4气门发动机。此外，还有较为罕见的5气门发动机，即3个进气门和2个排气门，该技术以雅马哈旗舰跑车YZF-R1为代表。早在1998年推出第一代YZF-R1时，雅马哈就为其武装了全新设计的直列四缸发动机，每缸5气门共20气门，气焰极为嚣张凶悍，最大功率可达112千瓦，再结合仅为177千克的净重和1395毫米的超短轴距，成为当时的超级摩托车。 那么，是不是发动机的气门数目越多越好呢？也不是这样的。在目前的技术条件下，达到或超过6气门不仅使配气结构过于复杂，还会导致发动机寿命缩短，气门开启的空间帘区（气门的圆周和气门的升程）也较小，效率反而下降，眼下最成熟也最流行的多气门发动机是4气门发动机。虽然5气门发动机确实可以提高进气效率，但是结构复杂，加工困难，且限制了发动机燃烧室的形状，可能降低中低转速时的燃烧效率，因此雅马哈甚至开起了“倒车”，2007年YZF-R1就放弃了标志性的5气门发动机，改为采用4气门发动机。 按汽缸数目和结构分类 摩托车发动机以汽缸数目分类，可以分为单缸发动机和多缸发动机，多缸发动机又分为双缸、三缸、四缸、五缸、六缸发动机，此外还有缸数更多的罕见发动机，如美国Boss Hoss公司502的八缸发动机和戴姆勒•克莱斯勒“战斧”的十缸发动机。 一般来说，单缸发动机因为曲轴每转两圈才燃烧一次，所以能明显地感到发动机工作的断续特征。因此，单缸发动机在低转速时可能出现工作不够平稳的问题，容易使发动机熄火停转；在高转速时，则会出现困扰骑手的震动大问题。但是单缸发动机同样具有自身优势；结构简单，成本较低，维护容易，恶劣工作环境下故障率低。由于单缸发动机的曲轴短、质量轻，因此陀螺效应较小，转弯时轻便灵活、便于操控。一般来说，125毫升以下的小排量摩托车基本采用单缸发动机，工作环境恶劣的越野摩托车也大多采用单缸发动机。 二缸以上的发动机叫多缸发动机。多缸发动机的优点很多，例如运转平稳、圆滑、绵密，允许提高发动机的转速，有利于榨取更多的功率。但是缺点也不少，比如体积大、质量大、结构较为复杂，因此制造成本和维护成本较高；对于直列多缸发动机来说，因为曲轴较长、质量较大，所以发动机的陀螺效应很明显，车辆转弯的时候骑手会感到比较吃力。总的来说，追求大功率、高速度的豪华舒适跑车、巡航摩托车、旅行摩托车倾向于采用多缸发动机。 按照汽缸布置方式分类，单缸发动机还可以分为立式发动机、卧式发动机，多缸发动机则可以分为纵置V形双缸发动机、横置V形双缸发动机、水平对置双缸发动机、L形双缸发动机、并列双缸发动机，直列三缸发动机，直列四缸发动机、V形四缸发动机、矩形四缸发动机，V形五缸发动机，水平对置六缸发动机等。汽缸的布置方式，与车体设计、动力特性等密切相关，臂如以V形汽缸为例：与直列四缸发动机相比，V形结构可使曲轴长度变短，增强摩托车的灵活性能；发动机的节奏感强，哈雷摩托车最喜欢采用45度夹角的V形双缸发动机，以突出这种发动机节奏和脉动。当V形双缸发动机的夹角达到90度时又称为L形双缸发动机，特点是双缸所产生的振动可互相抵消。 不同的汽缸数量和汽缸布置方式，甚至成为各大厂家或者车型的招牌标志。比如，横置V形双缸发动机的代表是摩托•古兹，纵置V形双缸发动机的代表有哈雷•戴维森，L形双缸发动机的代表是杜卡迪，水平对置双缸发动机的代表是宝马，直列三缸发动机的代表是凯旋，直列四缸发动机的代表是日本各大厂家，矩形四缸发动机的代表是爱瑞尔（Ariel），V形五缸代表是MotoGP赛车RC211V和RC212V，水平对置六缸发动机的代表是“金翼”和“瓦尔基里”等。 罕见的矩形四缸发动机 所谓矩形四缸发动机，其实就是四只汽缸分别位于矩形的四个直角位置，两对汽缸通过一对齿轮连接。理论上来说矩形四缸发动机很完美，结构紧凑且平衡性能很好，但是也有散热困难等自身局限。 1928年，爱德华•特纳（Edward Turner）设想制造矩形四缸发动机。他拿着自己矩形四缸发动机的设计图在摩托车行业内游说，希望有“伯乐”赏识他这匹“千里马”，雇用他工作并采纳他别出心载的矩形四缸发动机设计方案。最终，爱瑞尔（Ariel）公司采纳了矩形四缸发动机的设计，并将排量为500毫升的矩形四缸发动机和Ariel 250的车架结合起来，在1930年推出第一辆武装了矩形四缸发动机的摩托车，新颖前卫的设计引起很大轰动。1932年，爱瑞尔又将矩形四缸发动机排量扩大到600毫升，以此为平台推出了侧三轮摩托车。1937年爱瑞尔重新改造矩形四缸发动机，最重要的是改进了气门机构，以解决矩形四缸发动机散热困难的问题，同时还将排量扩大到1000毫升，这是当时英国排量最大的摩托车发动机。了解了这些五花八门的四冲程发动机后，想必你对不同四冲程发动机的优劣有了详尽的了解，在购车、改装和选择配件时，这些基础知识是帮助你成为火眼金睛的最好武器。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/15/2007)