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2012.11.14
■下一代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的主流——直噴式汽油發(fā)動(dòng)機
電動(dòng)汽車(chē)（EV）成為話(huà)題的機會(huì )越來(lái)越多。2009年三菱汽車(chē)和富士重工在日本開(kāi)始發(fā)售EV。這2家公司是將既有的發(fā)動(dòng)機汽車(chē)改造成EV的，在2010年日產(chǎn)設計了EV專(zhuān)用的汽車(chē)在日美市場(chǎng)上銷(xiāo)售。不難想象，今后會(huì )有越來(lái)越多的汽車(chē)制造商制造銷(xiāo)售EV?？梢愿杏X(jué)在不遠的將來(lái)，EV將成為汽車(chē)的主流，但是也有人不這樣認為。在汽車(chē)制造商和各種研究機構對未來(lái)的推測中，有“即使到2050年，純粹的發(fā)動(dòng)機汽車(chē)占20%以上，包括混合燃料在內有70%的汽車(chē)使用發(fā)動(dòng)機”的觀(guān)點(diǎn)。
很久以后的事我們我太清楚，但至少在這10年20年里，我們認為還是以發(fā)動(dòng)機汽車(chē)為主的。但是呢，這個(gè)發(fā)動(dòng)機和現在的發(fā)動(dòng)機會(huì )有所不同，應該會(huì )采用直噴式汽油發(fā)動(dòng)機。
■汽車(chē)的核心----發(fā)動(dòng)機的歷史
一般的發(fā)動(dòng)機，吸入空氣后，將和燃料混合氣化后的“混合氣”送入氣缸中，在氣缸中壓縮點(diǎn)燃使其燃燒。很久以前，是用一種叫做“汽化器”的類(lèi)似噴霧器的裝置使燃料和空氣混合形成混合氣的。但是到1970年代以后，減少廢氣排放和降低油耗成為人們關(guān)注的話(huà)題。為了應對這些問(wèn)題，需要通過(guò)嚴格控制燃料供給的量和燃料噴射時(shí)機來(lái)解決，于是汽化器漸漸被一種叫做“電控燃油噴射裝置”（（EFI：ElectricFuel Injection）所取代。電控燃油噴射裝置是由給燃料以壓力再?lài)娚涞膰娮煲约翱刂扑碾娮釉嫵?，其特點(diǎn)是能自如地控制燃料噴射的量和噴射的時(shí)機。
在發(fā)動(dòng)機內部，活塞做下降運動(dòng)時(shí)氣缸內形成負壓，從而吸入吸氣端口的空氣。這時(shí)從噴射器處噴射燃料，與空氣混合形成霧狀混合氣。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“霧化”。插圖中的淺藍色部分是空氣，紫色是燃料，深藍紫指的是混合氣?；钊竭_下死點(diǎn)時(shí)關(guān)閉吸氣閥門(mén)，這時(shí)氣缸處于一個(gè)密封的狀態(tài)。然后活塞上升的過(guò)程中燃料和空氣再次進(jìn)行混合。剛剛混合好后，活塞到達上死點(diǎn)，點(diǎn)燃火花塞使其燃燒，進(jìn)入燃燒沖程。
到1990年代的時(shí)候，大部分的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機都采用了EFI，但“空氣和燃料”混合后再送入氣缸的形式?jīng)]有變。直到1993年三菱汽車(chē)發(fā)售的【GDI】發(fā)動(dòng)機，顛覆了這一所謂的常識。GDI是 Gasoline Direct Injection 首字母的簡(jiǎn)稱(chēng)，顧名思義，是燃料（汽油）直接噴向汽缸內部的噴射裝置。
其實(shí)，在GDI發(fā)動(dòng)機出現之前，直噴式汽油發(fā)動(dòng)機也是存在的。因其盤(pán)旋時(shí)也能穩定地供給燃料的優(yōu)點(diǎn)，在第2次世界大戰中曾使用于航空飛機的發(fā)動(dòng)機中；1954年梅賽德斯·奔馳300SL發(fā)動(dòng)機也采用汽油直噴式裝置，和汽化器相比，汽油直噴式裝置因其強大的輸出功率而大獲成功。但是，那個(gè)時(shí)候的燃油噴射裝置是機械式的，所以就產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題：發(fā)動(dòng)機停止運轉時(shí)，點(diǎn)火塞切斷后，氣缸中的潤滑油就會(huì )被已噴向氣缸的燃料沖刷掉。
三菱開(kāi)發(fā)GDI發(fā)動(dòng)機的目的是為了實(shí)現“稀薄混合氣的分層燃燒”。用汽油燃料來(lái)講，理想的燃燒狀態(tài)是空氣和燃料的混合質(zhì)量比為14.7:1，這個(gè)比列稱(chēng)為理論空燃比①（也稱(chēng)為化學(xué)計量比）。當空燃比小于理論值時(shí)，也就是燃料比例多的混合氣稱(chēng)為“濃混合氣”，相反空燃比大于理論值時(shí)，也就是燃料稀少的混合氣稱(chēng)為“稀薄混合氣”。所謂的“稀薄燃燒”，是指使用稀薄混合氣體燃燒使發(fā)動(dòng)機運作。
稀薄燃燒的優(yōu)點(diǎn)是，利用較少的燃料就能使發(fā)動(dòng)機運作，也就是說(shuō)省油，但是經(jīng)常出現燃燒不穩定的問(wèn)題。而三菱的GDI運用形狀特殊的活塞在氣缸內運動(dòng)時(shí)產(chǎn)生翻滾流，形成越靠近火花塞燃料混合比例越濃的層狀混合氣體，解決了燃燒不穩定的問(wèn)題。
直噴式汽油發(fā)動(dòng)機在吸氣沖程中僅僅將空氣吸入氣缸內。而三菱的GDI發(fā)動(dòng)機，因活塞頂部特殊的形狀，在運動(dòng)過(guò)程中使空氣形成豎旋渦（翻轉流）?；钊竭_下死點(diǎn)開(kāi)始向上運動(dòng)時(shí)，翻轉流以縱向推壓的形式使空氣向中部靠攏密度增加。這個(gè)時(shí)候呢，噴射燃料，在空氣和燃料混合的同時(shí)形成中心燃料濃度高、外層濃度低的層狀混合氣?；钊竭_上死點(diǎn)時(shí)，濃度高的一層混合氣正好靠近火花塞的位置，作為整體來(lái)講就算是非常稀薄的混合氣也能穩定地燃燒。
同樣的稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機，其他公司也陸續開(kāi)發(fā)銷(xiāo)售，但它們中的大多數在2000年左右消失了。最大的原因是，沒(méi)有預想的那樣耗油低。即使是稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機，加速時(shí)也需要很大的動(dòng)力，這是需要提供化學(xué)計量比的混合氣或是濃混合氣，而且實(shí)際行駛過(guò)程中，稀薄混合氣并不能常用。另一個(gè)很大的原因是排出氮化物。在稀薄燃燒狀態(tài)下，燃燒沖程過(guò)程中會(huì )生成大量的有害物質(zhì)NOx。作為其對策，在排氣系統中必須安裝吸收處理氮化物的催化轉化器，那么成本就大大增加了?？傊?，稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機給人一種價(jià)格高但油耗改善效果不明顯這樣的印象。
■追求低油耗的直噴式汽油發(fā)動(dòng)機
液體在汽化的過(guò)程中會(huì )吸收周?chē)臒崃?，這稱(chēng)為汽化潛熱②。直噴式發(fā)動(dòng)機的話(huà)，因不與吸氣端口和吸氣閥門(mén)等高溫部位接觸，而是直接將燃料噴向氣缸內部，這樣，在氣化潛熱的作用下，氣缸內部的溫度大大降低。為了提高這個(gè)降溫效果，便有了“多次噴射”。首先在吸氣沖程中輕輕噴射少量燃料以冷卻氣缸，即使是壓縮沖程，在不使燃料自燃的狀態(tài)下也噴射少量燃料以抑制氣缸內溫度的上升。當活塞接近上死點(diǎn)時(shí)，再?lài)娚淙紵玫娜剂?。這樣一來(lái)，可提高發(fā)動(dòng)機自身的壓縮比，也能提升燃燒效率。
現如今的直噴式汽油發(fā)動(dòng)機的設計目的與三菱GDI的不同。首先，第一個(gè)目標是減少不必要的燃料消耗。以前燃油是噴射到吸氣端口內，在霧化的過(guò)程中燃油會(huì )附著(zhù)在吸氣口四壁，然后蒸發(fā)，所以在控制燃油噴射量的精確性上有一定的限制。但直噴式汽油發(fā)動(dòng)機是將燃油全部直接送入氣缸中，這樣就可以做到精確的控制。因為不是稀薄燃燒，而是將空燃比控制在化學(xué)計量比附近，那么在燃燒的穩定燃燒穩定性方面就不會(huì )有問(wèn)題，也不用擔心特殊形狀的活塞會(huì )產(chǎn)生什么不好的影響。
另一個(gè)目標，是通過(guò)燃料的汽化潛熱降低燃燒室的溫度，提高壓縮比。發(fā)動(dòng)機是一種利用壓縮后的混合氣燃燒而生成膨脹壓力的機械。即使燃燒的燃料的量一樣，如果強力壓縮吸入的空氣的話(huà)，會(huì )產(chǎn)生更大的膨脹力，也就能得到更強的動(dòng)力。雖然可以通過(guò)提高壓縮比來(lái)獲得更強的動(dòng)力，但這里存在一個(gè)問(wèn)題：氣體一壓縮，溫度就會(huì )升高，這是氣體的特性。如果過(guò)分壓縮混合氣的話(huà)，氣體溫度就會(huì )上升，就會(huì )引起氣體的自燃，從而可能導致異常燃燒損壞發(fā)動(dòng)機。所以，發(fā)動(dòng)機的壓縮比，一般控制在不讓氣體自燃的程度。
但是直噴式發(fā)動(dòng)機的話(huà)，因為吸入的僅僅是空氣，不管怎么壓縮都不會(huì )自燃。問(wèn)題是在燃油噴射后與空氣混合的階段，由于燃油汽化潛熱的作用，混合氣體的溫度大大降低。特別是在吸氣沖程的后半段，燃油一噴射，由于汽油的汽化熱使得吸入的空氣直接冷卻，按化學(xué)計量比的混合氣計算，混合氣的溫度降低24度多。這樣一來(lái)混合氣的體積減少8%，也就意味著(zhù)可吸入空氣的量增加8%，這部分增加的量可燃燒更多的燃料。而且，如果在壓縮沖程的最后階段噴射燃油的話(huà)，混合氣可降低55度計算，那么這與壓縮比提高2倍的效果是一樣的。換言之，直噴式用于自然供氣的發(fā)動(dòng)機的話(huà)，增加2個(gè)壓縮比，用于增壓發(fā)動(dòng)機的話(huà)，因為不用擔心異常燃燒，不用降低壓縮比，不管是哪種情況，都可提高動(dòng)力。特別是與增加發(fā)動(dòng)機的配合的話(huà)效果更好，對于推進(jìn)發(fā)動(dòng)機的小型化的貢獻很大。
另外一個(gè)好處就是可實(shí)現多次噴射。以前的發(fā)動(dòng)機，在吸氣沖程中吸入的混合氣1次性全部送入氣缸內。但是直噴的話(huà)，1次燃燒可以噴射多次燃料。首先在吸氣沖程中，噴射少量的燃料來(lái)降低氣缸內的溫度，為了抑制壓縮沖程中溫度的升高也進(jìn)行少量噴射，然后在活塞到達上死點(diǎn)之前噴射供燃燒的燃料……。直噴式發(fā)動(dòng)機可進(jìn)行以上的控制，大幅度降低了發(fā)動(dòng)機溫度，提高效率。
直噴式汽油發(fā)動(dòng)機已在以歐洲汽車(chē)為中心進(jìn)行廣泛使用。日本車(chē)以及下一代的發(fā)動(dòng)機也會(huì )陸陸續續使用到吧。為了綠色地球和生活的便利，希望直噴式發(fā)動(dòng)機和混合燃料技術(shù)一樣，能得到不斷發(fā)展和應用。
注：
①空燃比：混合氣中空氣與燃料的質(zhì)量比。
拿發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，燃料必須和吸入的空氣形成適當的比例，才能形成可燃的混合氣。
所謂“理論空燃比”，也稱(chēng)為化學(xué)計量比，就是每克燃料充分燃燒時(shí)所需的最少空氣。燃料 的不同，理論空燃比也就不同。一般來(lái)說(shuō)，汽油的理論空燃比是14.7，柴油的空燃比是14.3。
②汽化潛熱：溫度不變時(shí)，每單位的液體在汽化過(guò)程中所吸收的熱量。也稱(chēng)為“汽化熱”（latent heat of vaporization)
被稱(chēng)之為“汽車(chē)心臟”的發(fā)動(dòng)機是所有車(chē)主們最關(guān)注的焦點(diǎn)，也是汽車(chē)工業(yè)中最核心的技術(shù)，隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機的結構也不斷產(chǎn)生著(zhù)變化。而按照發(fā)動(dòng)機汽缸的排列形式和缸數，普遍見(jiàn)到的發(fā)動(dòng)機形式多為“L4”、“V6”、“V8”、“W12”，“V8”、“W12”多用于高性能跑車(chē)如布加迪威龍、蝰蛇等，L4多用于家用轎車(chē)，而關(guān)于Ｖ６（Ｖ型六缸）發(fā)動(dòng)機的奧秘更成為車(chē)市中的熱門(mén)話(huà)題，在市場(chǎng)競爭的硝煙味的背后，這其實(shí)折射出了發(fā)動(dòng)機百年歷史的一個(gè)片面縮影。
從“Ｌ”到“Ｖ”汽車(chē)發(fā)展有百年歷史，而作為汽車(chē)核心之一的內燃發(fā)動(dòng)機，其歷史要遠早于汽車(chē)，世界上第一款發(fā)動(dòng)機大約在１９世紀中期以來(lái)就已經(jīng)誕生，是單缸兩沖程的，而在此后百余年間，隨著(zhù)汽車(chē)排量的增大，發(fā)動(dòng)機的汽缸數逐漸增加，由兩缸到三缸到四缸，再到以后的六缸、八缸、十缸甚至十二缸以上。一般說(shuō)來(lái)，排量1升以下的發(fā)動(dòng)機常用3缸，例如0.8升的奧拓和福萊爾轎車(chē)。排量1升至2.5升一般為4缸發(fā)動(dòng)機，常見(jiàn)的經(jīng)濟型轎車(chē)以及中檔轎車(chē)發(fā)動(dòng)機基本都是4缸。3升左右的發(fā)動(dòng)機一般為6缸，4升以上用8缸。但是為什么發(fā)動(dòng)機的汽缸數會(huì )越來(lái)越多呢? 因為只有更多的汽缸才能夠滿(mǎn)足人們對于汽車(chē)功率、排量以及發(fā)動(dòng)機平穩性越來(lái)越高越來(lái)越奢侈的追求。從技術(shù)上講，在同等缸徑下，通常缸數越多，排量越大，功率也就越高；而在發(fā)動(dòng)機排量相同的情況下，缸數越多，缸徑越小，發(fā)動(dòng)機轉速就可以提高，從而獲得較大的提升功率。簡(jiǎn)單的比喻，就好比是用四匹馬還是用六匹馬來(lái)拉一臺車(chē)。
V型發(fā)動(dòng)機內部結構氣缸排成兩列，左右兩列氣缸中心線(xiàn)的夾角γ<180°，稱(chēng)為V型發(fā)動(dòng)機，V型發(fā)動(dòng)機與直列發(fā)動(dòng)機相比，縮短了機體長(cháng)度和高度，增加了氣缸體的剛度，減輕了發(fā)動(dòng)機的重量，但氣缸體加大了發(fā)動(dòng)機的寬度，且形狀較復雜，制造工藝需要很高水平，一般用于8缸以上的發(fā)動(dòng)機，6缸發(fā)動(dòng)機也有采用這種形式的氣缸體。 當然，L直列發(fā)動(dòng)機由來(lái)已久。早期的發(fā)動(dòng)機基本都是采用直列式汽缸布局，也就是我們所說(shuō)的“Ｌ型”發(fā)動(dòng)機，而此后德國人最早發(fā)明了Ｖ型布局的發(fā)動(dòng)機，并迅速風(fēng)靡起來(lái)，今天，幾乎所有的大排量轎車(chē)和豪華轎車(chē)都采用了Ｖ型發(fā)動(dòng)機（Ｗ型發(fā)動(dòng)機從結構上說(shuō)也是Ｖ型發(fā)動(dòng)機的變種），為什么大排量高端發(fā)動(dòng)機會(huì )有Ｖ型取代Ｌ型的發(fā)展趨勢呢？因為人們發(fā)現當大功率發(fā)動(dòng)機的汽缸數越來(lái)越多時(shí)，傳統直列汽缸布局存在兩大缺陷：其一是汽缸間因為不對稱(chēng)的互相作用，發(fā)動(dòng)機運轉不平順，震動(dòng)大噪音大；其二，多缸直列發(fā)動(dòng)機軸向尺寸過(guò)長(cháng)，并且容易造成汽車(chē)重心過(guò)高。很快聰明的汽車(chē)先驅們就發(fā)明了Ｖ型發(fā)動(dòng)機：把發(fā)動(dòng)機的汽缸以一定夾角呈Ｖ形對稱(chēng)排列，于是更平順更安靜更緊湊的大排量高功率發(fā)動(dòng)機終于變成了現實(shí)。
因此，在國內市場(chǎng)，時(shí)常能聽(tīng)到有內行人士說(shuō)Ｖ６發(fā)動(dòng)機比Ｌ４發(fā)動(dòng)機更為先進(jìn)，從發(fā)動(dòng)機發(fā)展的角度講，這是不無(wú)道理的。天籟VQ系列發(fā)動(dòng)機的歷史
事實(shí)上，早在1988年，日產(chǎn)就開(kāi)始了V6發(fā)動(dòng)機的研發(fā)工作，天籟所搭載的VQ發(fā)動(dòng)機就是日產(chǎn)汽車(chē)創(chuàng )新技術(shù)的結晶。VQ發(fā)動(dòng)機基于“羽毛”的開(kāi)發(fā)理念，完美的詮釋了其輕量化、高效、節能的核心訴求，并經(jīng)過(guò)多年的錘煉研發(fā)而成，可謂冠蓋同級。 在問(wèn)世的第二年，VQ發(fā)動(dòng)機就獲得了《Ward’s Autoworld》評選的“全球十佳發(fā)動(dòng)機獎”榮譽(yù)。隨后，VQ發(fā)動(dòng)機更一舉成為在該獎項成立以來(lái)，唯一一款連續14年獲得這一殊榮的發(fā)動(dòng)機。同時(shí)，VQ發(fā)動(dòng)機還被業(yè)界稱(chēng)為“地球上運轉最平順、動(dòng)力最暢快的V6發(fā)動(dòng)機”，是日產(chǎn)眾多傲人技術(shù)中最為著(zhù)名的一項。
除去具有V6發(fā)動(dòng)機共有的先進(jìn)性外，天籟搭載的日產(chǎn)第四代VQ發(fā)動(dòng)機還有其獨特優(yōu)勢：應用了大量的賽車(chē)技術(shù)，綜合運用了電子節氣門(mén)ETC、連續可變氣門(mén)正時(shí)控制C-VTC、可變吸氣系統VIAS等技術(shù)；凸輪軸采用F1賽車(chē)零部件超精磨工藝技術(shù)加工，使發(fā)動(dòng)機運動(dòng)件磨損減少了30%以上；大缸徑短沖程設計、大直徑燃燒室、超大氣門(mén)的設計，增加了進(jìn)氣效率，大幅提升了發(fā)動(dòng)機的功率和扭矩……諸多尖端科技的應用，保證了VQ發(fā)動(dòng)機的超凡性能。
競爭利器——V6發(fā)動(dòng)機 而對于Ｖ６發(fā)動(dòng)機在運轉平穩順暢和低噪音方面的主要優(yōu)勢，無(wú)論從口碑還是媒體試駕報道，都流傳著(zhù)這樣一種說(shuō)法，在運轉的發(fā)動(dòng)機頂端放置一滿(mǎn)杯水，新一代天籟Ｖ６發(fā)動(dòng)機的當時(shí)滴水不灑的平穩表現讓人至今記憶猶新。
事實(shí)上，從國內車(chē)市的狀況來(lái)看，日系中高級轎車(chē)熱銷(xiāo)榜最前列的依然是新雅閣、新一代天籟和凱美瑞這三強，日系車(chē)對于商務(wù)家庭兩用的全面調試以然令人心儀，而對于選擇新一代天籟的消費者而言，先進(jìn)的Ｖ６發(fā)動(dòng)機肯定是主要的選擇因素之一。
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