发动机4气门与2气门之区别

发动机4气门与2气门之区别
有人大谈16气门的发动机好,知其然,知其所以然吗?16气门的真正用途是改善发动机高速运转时的燃烧效率。

随着发动机转速越来越高,各个动作就越来越快,进、排气门的开启时间就越来越短,发动机的吐故纳新变得困难起来,燃料不能完全燃烧,动力发挥不佳。这时,增加的气门就有助于提升动力了。
但是,代价是结构复杂了,成本上升了。对于舍不得把发动机轰到4000转/分以上的人,16气门只是一个摆设。

以福特嘉年华1.6L为例,看发动机动力曲线图,图中红色的是发动机功率随转速的变化曲线,在4400转/分时,曲线的上升开始变慢,这是随转速上升,发动机动力开始受换气困难影响,效率变差的表现,但影响不太大,到5500转/分,情况急转直下。16气门的多可以到6000转/分才开始曲线向下,这增加的最后500转的高速16气门功不可没。应该是个平滑过度的,不知FORD给的嘉年华曲线图为何比较明显。对于平滑过度的图,可按中、低速时的方向作切线状延长线,与曲线开始分离时的发动机转速就是加多气门开始有帮助的起始速度。

单就涡轮增压来说,成本已高于多气门了,但两者目的不同。涡轮增压之目的是为了调整发动机在各速度下的扭距特性,使发动机有一个较好的高而平的扭距曲线,改善各个速度下的提速性能。多气门之目的是改善发动机高转速时的功率曲线,即通过提高供氧能力让燃油充分燃烧。

两种改进是可以单独使用的!只是因为涡轮增压基本上只有较高成本的追求高性能的车才考虑,而这些车在低一个层面上已经要求多气门了,谁看见过穷人镶金牙的?但并不是穷人不可以镶金牙。
因为发动机扭距、功率都与转速相关,所以对一个指标的提升有时会间接改善另一个指标,这是顺带的收获。

跑步时缺氧,有人喜欢张开嘴呼吸,但是,他平时是不会需要张嘴呼吸的,除非他有毛病。多气门亦如此。“16V机器燃烧比8V好,所以更环保”这也是指发动机高转速时的情况,厂商省去前提条件的宣传其目的不用我说了吧。

16气门的发展也是环保逼的,此谓有需求才会有动力,这是功率与环保两者矛盾的产物。16气门是欧3以上排放的车的必由之路。
理论上讲,增加的气门总是有益的,但中、低速时,每缸两气门已经完全满足需要了,增加的气门虽无害,也不过是聋子的耳朵这就象跑步时缺氧,有人喜欢张开嘴呼吸,但是,他平时是不会需要张嘴呼吸的,除非他有毛病。

先看16V对8V发动机的变化:

为了发动机在高速下的换气顺畅,就要加大气门总有效面积,可随着口径的加大,面积是按平方关系加大的,而气门重量(以相同材质计)正比于体积是按立方关系加大的,结果是气门直径加大到2倍,换气面积加大不到4倍(因为气门还要考虑到堵死窟窿),气门重量加大到8倍,导致因大质量惯性而无法高速响应--还高速换气个屁。

对策就是不加大气门直径而加多气门个数,获得2倍换气面积的代价是2倍的气门总重量--16V就出现了。

既然16V有如此优点,为何不全面采用?

即使不考虑16V的复杂和成本问题,单从技术角度上看,在汽缸头上成倍地加多气门数量,需要空间,方法就是加大汽缸直径以满足要求。

这就带来了新的问题缸径比,即汽缸内径与活塞行程的比值。相同汽缸容积下,汽缸直径越大,其行程就越短,发动机反应亦随着变快,可以做高转速发动机。同时,会因活塞面积加大而瞬时发力加大(推力=活塞面积*燃烧产生的压强),这不是好事!后面分开说。同样是因为行程短,作用于活塞的推力时间也短,后劲较小(此道理就是枪膛越长,子弹就会飞得越远的道理,是爆燃气体作用距离的影响结果)。而较小直径的同容积汽缸因为活塞行程长,发动机的发力时间长,燃气推力利用率高,扭力就大,适合做大推力的发动机(远洋轮爱用低速柴油发动机的原因之一)。同时,也因低速下的机件协调性好,单位时间的往复次数较少,无用功消耗也少一点,故效率较高。--8V的优点:高效+相对省油。缺点:最高转速的限制导致单位时间的循环做功次数较少而影响最大功率。

高功率的发动机对车的贡献是车的极限速度高;而大扭距的发动机对车的贡献是提速快。再看相同排量的8V/16V汽缸对机件的强度要求和耐用性:

前面讲到大口径的活塞瞬时发力大而作用时间短,大的推力不正是我们想要的吗?为何说是坏事?因为活塞上的推力不等于就是车轮对地的推力(这里不考虑变速箱的问题,仅看发动机的轴端出力)。从结构上看,活塞推动的是曲轴,而曲轴的曲拐偏离量=活塞行程的1/2(曲拐运动的最前点和最后点对应着活塞的压气顶点和做功终点),这个离轴距离与活塞推力的乘积就是发动机的轴端动力力矩。结果是:16V较8V在活塞上推力的上升与曲拐力臂的减小在乘积项中相抵削--8V与16V发动机同排量时的瞬时最大轴端输出扭距是一样的(但因为在时间上的作用时间长度不同,在时间轴上的扭距积分量是8V高于16V)。

解释了上面的道理,再看下面就清楚了。

瞬时推力越大,曲轴的强度就要求越高,重量和成本也就大了;若曲轴材料和热处理结果相同,受较大力量且受力快速而大幅度周期变化的16V曲轴其磨耗就大于8V发动机,--耐久性/寿命/维护成本谁多谁少我就不用说了吧。



总结:
发展16V发动机的好处是:
1、在不增加排量的基础上追求上限功率,以求车的高速性能。
2、改善高速时发动机的燃烧效率,同时也是减小废气排放量,欧4排放只有上16V的发动机了。
缺点也有:
1、牺牲了发动机的低速大扭距,要高速轰发动机来补偿。
2、发动机制造和使用成本加大。
在市区走,发动机转速上不去时,8V机燃油效率高一些;上高速跑,把发动机转速开到4000转/分以上,16V机的燃油效率又反而高一些。