发展百年的
眼看着新能源大行其道，排放法规越发严苛，到处都充斥着燃油发动机即将退出历史舞台的声音。殊不知，发展已上百年的发动机，早已经历过无数个技术的研发与突破。在这百年的历程中，汽车发动机拥有太多的黑科技，时至今日依然叹为观止。
发动机的历史
19世纪中叶，伴随着第二次工业革命的发展，1876年内燃机正式登上历史的舞台。和现在相比，那时的发动机还很稚嫩，比如1886年奔驰1号发动机的功率只有0.89匹马力，最高速度也只能达到16km/h。在那个时代，汽车相比马车就好比现在续航能力不高的电动车，不被人看好也不是很流行。
经过一百多年的发展，燃料从最初的煤气变成现在的汽油、柴油乃至天然气，转速也从100rpm到如今的六七千乃至上万，功率也从当初的4.4Ps逐渐上升到现在的几百上千马力。随着各式各样的发动机电控技术纷纷出现，例如配气、正时、点火、冷却、启动系统等，现代的发动机的功率相比130年前整整提高了100倍。同时由于环保法规的升级，排放污染物也得到了大幅度减少，现在汽车的污染物水平不到20年前的10％。
燃油发动机技术
发动机技术大多围绕着如何有效组织发动机更好地工作而开展，发动机的核心是燃烧系统，其余的结构
都是围绕让发动机更高效率燃烧而设
计。其中涉及空气的进气量、气流
的组织、点火时刻的控制及排气的
控制。因此，发动机性能开发分别
涉及热物理、流体力学、传热学、燃
烧学等。
拿最基础的四冲程发动机来说，
发动机完成一个做功循环需要经历四
个阶段。首先是吸气冲程，活塞向下
运动，此时气缸顶部左侧的进气阀门
打开，混合气体被抽入燃烧室。然后
进气门关闭，活塞开始向上运动，将
混合气体压缩。然后在压缩将近终点
的时候火花塞点火，引燃混合气体。
高温高压的气体推动活塞向下运动。
在最后的排气冲程中，顶部右侧的排
气阀门打开，活塞向上运动并将废气
排出。至此，一个完整的工作流程结
束，接着进入下一轮吸气、压缩、做
功、排气的循环。
四个冲程最关键的控制机构就是
气门。有了气门的开闭，才能控制气
体按照顺序进出气缸，并完成做功
过程。当汽车发动机低速运转时，
气流惯性小，若此时配气定时保持
不变，则部分进气将被活塞推出气
缸，使进气量减少，气缸内残余废
气将会增多。当发动机高速运转时，
气流惯性大，若此时增大进气迟后角
和气门重叠角，则能增加进气量、减
少残余废气量，使发动机的换气过程
臻于完善。
因此，气门开闭的时间点对于
各个转速区间来说是不同的，可变
气门正时系统应运而生。可变气门
技术是通过改变气门的正时或者升程
更好地组织缸内的气流，在这方面
很多主机厂都有解决方案，例如本田
的i-VTEC可变气门升程技术、宝马的
Valvetronic无极可调气门升程技术。
本田VTEC技术的原理就是通过
在发动机里预先安装两种不同的凸轮
轴，一种针对低转速，另一种针对高
转速。然后在行驶过程中根据发动机
转速在这两种凸轮轴之间切换。不过
很可惜，虽然这种技术可以带来非凡
的驾驶体验，但也正是因为这种二段
式结构，导致这种技术的调节精度很
差，且平顺性不佳。优点自然就是成
本低，可靠性高了。
而宝马Valvetronic技术的工作原
理则是通过一个电控马达，操控一套
连杆机构，控制凸轮轴到气门之间的
放大系数，从而实现对于气门升程的
控制。由于调节是连续可变的，因此
可以针对每个转速进行特定的优化，
让整个转速攀升过程变得更顺畅，而
且在整个转速区域内都能输出最大的
扭矩。
18·石油知识  双月刊
石油史/ HISTORY OF THE INDUSTRY
发动机各环节相关重要技术
涡轮增压技术：1961年，小轿车开始试探性地安装涡轮增压器，但因为瞬间产生的巨大压力和热量，使安装后效果并不理想。而来自于北欧瑞典的萨博（Saab）公司则是第一家把涡轮增压器应用到汽车产品上的汽车制造商，1977年问世的萨博99汽车，使汽车发动机在应用涡轮增压技术上，真正开始走向成熟，它的到来同时宣告了汽车产业一个新时代的诞生。涡轮增压技术改写了"排量大小决定功率"的传统概念。
汽油机可控预混压燃技术：马自达独创科技，2019年的二代创驰蓝天发动机就要搭载了，该技术结合了汽油机和柴油机的工作方式，利用火花塞控制气缸内的压力，从而实现类似柴油机一样的燃烧方式，在某些工况下热效率高达50%，要知道以高效著称的丰田也只能做到41%，而普通发动机的热效率只有38%左右。50%的热效率可以说是诺贝尔奖级别的进步了。这也是汽油机压燃技术经过多年的发展首次应用到产业中。
混合喷射技术：在直喷发动机特别是直喷增压发动机越来越多的今
天，低速、低负荷情况下由于新鲜空
气滚流强度较差会导致汽油和空气
的混合较差，非常容易出现积碳，
这里就要点名本田的地球梦了，虽然
性能出但是积碳问题却是老大难。
为了解决这个问题丰田在发动机上采
用了双喷射系统，即部分工况下使用
进气道喷射，部分工况下使用缸内直
喷，这样就很大程度上避免了积碳的
问题。
FSI缸内分层喷射技术：主要是
利用一个高压泵，使燃油通过一个分
流轨道到达电磁控制的高压喷油器。
特点是在进气道中产生可变涡流，使
进气流以最佳的涡流形态进入燃烧室
内，以分层填充的方式推动，通过缸
内空气的运动在火花塞周围形成易于
点火的浓混合气，外层逐渐稀薄，
浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外
层，这样不但使气缸内燃烧更充
分，同时可以提高发动机的动力响应
并节省燃油。
发动机凸轮轴
可变压缩比技术：日产为此研发
了近20年，该技术可以在8:1到14:1之
间任意转换压缩比，根据不同工况调
整最佳压缩比例，从而保证动力性能
和燃油经济性皆可达到最优状态。对
比相同功率的V6发动机提升27%燃油
经济性，油耗远低于传统的2.0T及1.5L
发动机，排量相同时动力远超2.0L传
统发动机水平，媲美3.0L甚至3.5L发动
机性能。通过与其他多个可变技术的
配合，在追求高压缩比、高燃效的同
时，能够不牺牲加速时的动力性能，
兼顾高效、经济与动力性能。
人类在汽车发动机140多年的发
展历程中一直在不断探索和超越，这
些里程碑式的技术突破，推动了发动
机性能的飞跃，也推动了汽车工业的
发展，让汽车从少数人的玩具变成了
一种重要的交通载体。在当前新能源
大趋势下，未来是采用更高效的能源
来促进内燃机发动机的发展，还是采
用纯电动电机的结构，谁也说不准，
但值得期待。
2019年第4期·19
2019年第4期