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四气门和五气门发动机的什么区别  

2011-09-15 16:34:39|  分类: 汽车 |  标签: |举报 |字号 订阅

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其实这里我们所说的两阀和五阀指的就是该车的发动机每缸有几个气门,两阀就是两个气门,五阀就是五个气门。现在的发动机的主流是每缸四气阀的,还有一部分老款的发动机仍然采用两气阀技术。那么为什么大众会另辟蹊径,单独开发每缸五气阀的发动机呢?又为什么它在跑高速时有劲呢?我们首先来分析一下这个问题。 
 
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上图为奥迪A3上使用的1.8T五气阀发动机    这里我们首先要说明一下气门在发动机中所起到的作用。气门分为进气门和排气门,它们除了负责进气和排气外,还扮演着其它的角色。在发动机的配气机构中,有一项参数的大小对发动机的功率有着直接的影响,这就是进气截面积。我们知道,要让发动机能够更好的运转,有一项很重要的设计就是让进气效率达到最高。在发动机高速运转的时候,单位时间进入气缸的混合气体的量非常大,这个时候,进气阻力将是制约发动机动力发挥的重要瓶颈。因此在发动机高速运转的时候,我们应努力让进气阻力尽可能的小,这样发动机才能畅快的进气,满足高转运行的进气需求。根据流体力学的原理,在进气过程中,油气混合气体所受到的阻力是和进气截面积成反比,和油气混合气体的运动速度的平方成正比的。在发动机高速运动时,进气的速度非常大,这样如果要想减少进气时所受到的阻力就只有增大进气截面积。这就好比我们在跑步的时候,光靠鼻子呼吸已经不够,需要接着嘴来呼吸的道理是一样的。因此我们就不难看出,如果要想增加发动机的功率,提高进气截面积就是一个很好的解决办法,每缸四气阀的发动机就是基于这个道理应运而生的,现在大有全面取代两气阀的趋势。 
 
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上图为采用了4气阀设计的宝马2.0升四缸发动机汽缸盖    根据数学原理,我们可以发现,在同一个圆内画两个圆和画四个圆,四个圆的总面积肯定大于两个圆的总面积。因此四气阀发动机的进气截面积肯定大于两气阀的发动机。为了进一步提升发动机功率,大众的工程师想出了一个办法,再增加一个进气门,这样三个进气门的进气截面积就大于了两个进气门的进气截面积,也就是说五气阀的发动机拥有比四气阀发动机更大的进气截面积。除了进气截面积,五气阀发动机还有一个优势能提升功率。由于在同样大小的缸盖上布置了更多的气门,会令单个气门更小,这样就可以在缸盖的顶部使气门杆接近平行的方式布置,在燃烧室里的展现就是上部弧度减小,活塞运动的上止点更加接近汽缸盖和气门,这样压缩的空间小了压缩比也就提升了。就又达到了提高发动机的功率的目的,进而提高动力性能。其实这样就说明了前文所说的为什么五阀的捷达要比两阀的捷达在高速上更有劲的原因了,不仅比两气阀的发动机,当时这款大众的五气阀发动机比许多四气阀发动机高速表现都要优秀。因为增加进气截面积的主要目的就是为了增加功率,而大功率的发动机就是为了满足汽车的高速行驶性能。 
 
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上图为采用了5气阀设计的奥迪V6 3.0升发动机 
 既然五气阀很好的解决了增加功率的问题,应该发扬光大,继续普及才对啊?但细心的朋友可能会发现,不仅其他厂家没有跟随大众采用五气阀技术,甚至大众自己已经暂时停止了对五气阀的使用,而广泛应用了更加主流的四气阀。这是为什么呢?难道真的是五气阀不如四气阀吗?还是大众随波逐流了?其实不然,这里自然有大众的苦衷。到底是什么原因让大众暂停了经营多年的五气阀技术呢? 
 
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    有些人认为这是因为五气阀的结构要比四气阀更为复杂、成本更高。这个观点有一定道理,由于四气门是对称设计,而且两个进气门在一条直线上,这样更有利于布置凸轮轴;五气阀则不同,五个气门分为五角布置在气缸顶部,三个进气门就成为一个三角,是不可能在一条直线上的,这样就需要额外的很多部件来达到凸轮轴的统一控制,随之带来了成本的提高、重量的增加,而且故障率也会有所增加。但这并不是主要原因,大众完全可以通过技术手段解决这一问题。 
 
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采用了5气阀技术的奥迪大型V8 4.2发动机 
    也有人说五气阀发动机性能上也有不好的一面,因为低速的时候扭矩太低。这种说法也有一定道理。由于在发动机在低速运动时,进气的主要动力是汽缸内部和外部的压力差所实现的,如果燃烧室的气压很小,那么油气混合气体就会以很快的速度被外界的大气压“推”进来,或者可以说是被燃烧室低压“吸”进来。这样如果进气截面积过大,就会带来的低速进气负压不够,导致燃烧室的进气不充分,做功效率低,最后的结果就是发动机的低速扭矩差。在低速行驶时尤其是在城市日常驾驶时这种弱点就显露无疑了。或许有人会说,为何不采用较小的气门行程来解决这个问题?实际上,大众开发五气阀的目的就是提高高速功率,加大进气截面积,如果采用较小的气门行程,无异于自相矛盾。这确实是大众暂停五气阀的主要原因之一,在找到有效解决这一问题的办法之前,大众的五气阀发动机优势还无法真正体现。但这仍然不是最直接的原因! 
 
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上图为大众的四气阀FSI发动机 
    最直接的原因,是由于大众近几年一直热衷和推广的FSI(缸内直喷)技术!大众全面开发FSI发动机时,五气阀发动机却处于一个很尴尬的位置——它在现有阶段无法实现缸内直喷。为什么呢?主要是因为五气阀的发动机在进气门处无法布置直喷装置,在四气阀发动机上就可以很好的布置喷油装置的位置,只要将它放在两个进气门中间就可以实现均匀的缸内直喷了。而五气阀的三个进气门特殊形式怎么布置呢?我想大众的工程师们也许也正为这件事情“茶不思、饭不想呢”。这个就是暂停五气阀的直接原因。 
 
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    那五气阀技术真的就要变成历史了吗?毕竟五气阀发动机有着四气阀在高速时无法比拟的优势,这样的设计暂停岂不是很可惜?不用担心,大众的工程师们当然不会让五气阀成为永久的历史,尤其是在欧洲这种提倡高转速、大功率,注重高速度驾驶的大环境下,大众就更不会放弃对五气阀的研发了。那么有什么很好的办法吗?当然有!如果你熟悉可变气门行程技术的话,是不是会有眼前一亮的感觉?如果我在这时告诉你,大众正在研发可变气门行程技术,你会有什么联想吗?答案呢就是要相信你自己的直觉,这就是解决五气阀低速进气负压不够问题的有力办法。 
 
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上图为奥迪新A6上使用的四气阀FSI发动机 
    有力办法?真的是这样吗?让我们从新回到进气截面积这个问题上来,五气阀能获得比四气阀更大的进气截面积这个问题我们之前已经有过很好的解释了,既然在没有气门行程可变的情况下这个问题成立,那么五气阀带可变气门行程的发动机同样能比四气阀带气门行程可变的发动机能获得更大的进气截面积,从而带来更大的高转进气效率,提升功率。这时有人就会疑问了,这不就是五气阀的优势吗,那么他的劣势怎么解决呢?那么我们再来看看可变气门行程技术。可变气门行程,顾名思义就是气门的开合行程可以改变,就好比可以通过水龙头控制水流的大小一样。这样一套机构可以实现低转速时采用较小的气门行程,以获得更大的进气负压,高速是采用较大的气门行程,获得更为畅快的进气。那么很好理解,这样一套技术可以将五气阀发动机低速进气负压不足的问题彻底解决。而到了高速区域呢,由于五气阀发动机拥有比四气阀发动机更大的进气截面积,因此这样可变气门行程的五气阀发动机能获得比同样采用可变气门行程的四气阀发动机更高的升功率。 
 
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    那么大众研发可变气门行程技术后是不是就放弃FSI在五气阀发动机上应用的研发了呢?答案也是否定的,别忘了FSI是大众现在最炙手可热的一项技术,他怎么会容忍有这么一台动力优越的五气阀发动机应用不了呢?对于五气阀和FSI之间的矛盾,大众也一直在研究当中,其中最有可能的解绝办法就是设置两组直喷装置分别布置在靠近两边的进气门内侧的位置,以达到直喷时的均匀喷射。这些就都是我们的猜测,究竟会是什么样子的设计,我们还需要耐心的等待一段时间。 
 
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    通过这么一番分析,我们就可以发现大众暂停对于五气阀的使用并不是因为五气阀发动机不好,而大众的一种无奈,但是我们却有理由相信这种无奈不会持续太久。五气阀发动机在高速时的进气效率要比四气阀更加优秀,可以获得更高的转速和功率,满足更大的动力需求。它的副作用是进气负压不足,导致低速扭矩小,在低速行驶不如四气阀甚至还不如两气阀的发动机。但是通过可变气门行程这项技术的应用,这些问题就迎刃而解,而且使它的优点更加优越。再加上大众对于五气阀和FSI矛盾的解决,那么五气阀技术前景就仍然非常广阔。当然,时间情况自然不如像文字描述那么简单,这些问题的解决会有很多意想不到的技术难听,毕竟我们知道,五气阀发动机的气门排列是非对称型的,而且比四气阀多了一个气门,各种机构都更为复杂,要给它设计一套可靠低成本的气门行程可变机构绝非易事。但是对于大众的研发能力我们还是有信心的,也许再过几年我们就可以看见大街上跑着一辆4缸20V FSI发动机的第n代“捷达王”在我们身边疾驰而过了……
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