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以巧妙的方式实现排量可变
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汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ...
实现排量可变应该说是很长一段时间以来发动机设计者的一个重要研发方向,否则就不会有那么多厂商煞费苦心地研发所谓的变缸技术。已有的变缸技术普及度不高是因为效果不好。而效果不好的原因,是因为这些变缸技术通过改变工作的汽缸数并没有达到真正意义上的变排量诉求——没有参与工作的汽缸依旧在压缩,由此产生的能量损失大幅抵消了变缸带来的节能效果。

然而这并不意味着“变排量”就没有价值或者没有方向。恰恰相反,从丰田推出的6AR、8AR以及日产的小排量发动机HR12DDR来看,它们正通过一种巧妙的方式在实现着排量可变。而这个改变的核心,就是阿特金森OR米勒循环。

阿特金森/米勒循环可以等效于降低排量和压缩比

阿特金森循环和米勒循环是区别于奥托循环(目前99%以上的发动机所采用的循环)的一种方式。当然,目前生产的阿特金森/米勒循环发动机早已不似当年那么复杂和诡异了。它只是借鉴了当年这两种循环的工作原理,而发动机结构则与常规奥托循环发动机并无两样。

我们回想一下奥托循环的四个冲程:吸气、压缩、点火做功、排气。然后再回想一下各个循环过程的气门开闭:吸气进气门开排气门闭,压缩和点火做功两个冲程进排气门皆关闭,然后排气冲程排气门开进气门闭。当然这些过程中会有气门叠加,但总体来说,奥托循环仍基本遵循了前面所说的气门开闭过程。

Tips:气门叠加即排气结束与进气开始这个交替过程中,会存在排气门延时关闭、进气门提前开启的情况。VVT可变气门正时就是改变这个叠加角的。

阿特金森/米勒循环呢?其实很简单。它只是相当于奥托循环延时关闭进气门而已。奥托循环的进气门在压缩行程开始时关闭(会稍有延后但非常短暂),而阿特金森/米勒循环则会在压缩行程开始一段时间以后,进气门才会关闭。这会带来什么结果?已经吸进汽缸内的空气(或混合气)又有一部分压回进气歧管。这有什么意义?这岂不是与传统意义上充分利用进气气流以更多进气的设计初衷相违背吗?

这里我们就需要了解到膨胀比这个概念。膨胀比与压缩比相反,它等同于压缩后的混合气体积与在点火做功后混合气体积的比值。按照常规的奥托循环,活塞运行到下止点,混合气点火做功后的能量是否用尽呢?显然没有。这部分能量在排气行程被白白的浪费掉了。假设此时活塞能继续向下运行一段,无疑更有利于提升发动机的能效。阿特金森/米勒循环就能起到这个效果。

由于进气门晚关闭,实际上吸入汽缸内的空气/混合气仅相当于设计排量的一部分(HR12DDR可相当于70%)。既如此,喷油量也会按照这个进气量来配比(空燃比的概念)。这实际上就等同于这款发动机的排量被改变了。例如HR12DDR,在米勒循环下的进气量就与0.84L相当,且按照0.84L来设计喷油量,其实就等同于排量变成了0.84L。这还不算完。在做功行程,这款发动机却是按照1.2L的发动机来膨胀的。这一小一大,效率自然提升,油耗也得以降低。

阿特金森/米勒循环在常规车型上出现源于其“可变”

阿特金森/米勒循环既然这么好,为何没见有人装呢?原因就在于它好端端的把一款发动机的排量阉割了,一来会降低发动机的功率值,不利于产品竞争,二来这种发动机在真正需要加速、尤其是低速加速的时候很不给力,让车子的性能折扣太多,也不利于产品竞争。因此在此之前它只能与混动车搭配——混动车的电机辅助可以弥补这个不足。

那么现在为何丰田和日产的发动机并非混动却又采用了这种技术呢?根源就在于可变。也就是他们的阿特金森/米勒循环是可以切换的。在需要省油的工况下,系统会采用阿特金森/米勒循环,在需要加速的工况下,系统又会切换到奥托循环。这样一来,发动机的排量就能做到按需而变,进一步提高综合能效。

阿特金森/米勒循环与增压、高压缩比设计结合,可以进一步实现“多级可变”

当阿特金森/米勒循环可变如果与增压可变结合在一起会是什么情况?从本质上说,增压恰好与阿特金森/米勒循环相反,它可以等同于增排量——一款1.2L的发动机,通过增压器导致其进气量与一台1.6L的发动机相当,然后燃油喷射也按照1.6L来配比,这其实就等效于增加了排量。如果增压器也可切换,那么就可以相当于它的排量可以在0.84L-1.6L之间切换。

增压器可切换?日产的HR12DDR的确是这样设计的。它采用的是机械增压器而非涡轮增压器,并且这增压器是可以通过离合器来实现接通和断开。必要时就接通,它就是一台机械增压发动机,不需要时断开,它就变成了一台自然吸气发动机。至于何时接通何时断开,无需驾驶者操心,系统会根据工况的需要来自动选择。

颇有些奇妙是吗?而事实上这种设计,也是要与阿特金森/米勒循环搭配的。这里面又涉及到压缩比的问题。我们知道,增压发动机和自然吸气发动机对于压缩比的需求是截然不同的。如果压缩比设计高了,增压状态下就很容易出现爆震。压缩比设计低了,自然吸气的状态下又效率极低。还有,什么情况下发动机容易爆震?回想一下手动挡车什么时候容易“叫杆”?没错,就是低转速大油门的时候。那么如果压缩比也可以随时改变,在容易爆震的工况下让压缩比变小,在需要高效动力的时候让压缩比变元大,那么这些问题就都会迎刃而解。

回想一下压缩比的原理以及阿特金森/米勒循环的原理就会发现, 在这种循环工作状况下,压缩比实际上是变小了的——参与压缩的空气/混合气比发动机的原设计值要小,而压缩后的体积不变。那么通过对阿特金森/米勒循环的切换,就可以等效于改变了压缩比。

小结

不得不承认日产的这台HR12DDR发动机在设计上是颇费了番心思的。如此费心的目的也只有一个,尽可能让这款发动机实现更高的能效。当然,在这么一款小型发动机上采用如此复杂的结构是否有价值目前还不好说,但这个思路应该说是有价值的。

从丰田和日产的这些动作来看,日系似乎想从这个方向有所突破,以改变这些年来在动力总成技术方面持续落后于欧美厂商的状况。如果这个目标能实现的话,未来这种技术组合很可能会在全球普及。因为这种技术组合不仅有利于传统内燃机效能的总体提升,同时也有利于发动机模块化的发展。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2/1/2015)
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