其中,进气冲程是发动机运转的前提和基础—汽缸里吸入了多少油气混合物,决定了有多少能源可以燃烧。在同等情况下,汽缸如
果能够吸到更多的空气,意味着可以燃烧更多的油气混合物、做更多的功,从而提高发动机输出功率,正所谓“吃得多、干得多”。但是这并不容易,因为进气门的开闭时间非常短,特别是高转速大功率发动机,留给空气进入的时间更是短得不可思议。比如,现代摩托车发动机转速达到10000r/min很常见,概略来说,进气时间只有0.003s!正因如此,百年来人们持续研究,研发出各种装置,让发动机呼吸得更多、更深、更顺畅,目的就是榨取更强的动力!
文、摄影|董澄
代表车型:哈雷-戴维森Breakout
银色和黑色相衬的发动机完全裸露,成为Breakout最突出醒目的亮点;再与肥硕的轮胎和迷你的挡泥板相得益彰,充分展示了强壮的肌肉感,呈现悍勇造型。这台经典的美式V型双缸发动机叫做TwinCam103B,其中B指的是平衡轴,所配置的反向平衡轴整饬了V型双缸的振动,因此允许刚性得安装在车架上,让骑手清晰感知动力心脏的独特韵律。103指的是排量,103立方英寸相当于1690mL。由于采用了哈雷经典的OHV气门机构,再经由ESPFI电子燃油喷射系统伺服,这台V型双缸可以在低转速时爆发令人吃惊的蛮力,最大扭矩高达129N·m,此时转速只有区区3000r/min。
与OHV双缸相匹配的是6速传动系统。启动、挂挡、加油,随着喉音很重的咆哮,第一挡加速显得冲劲十足,强悍扭矩通过肥硕后胎传给路面,给你强烈的拉拽感;第二挡同样劲道凶猛,将转速拉高到5400r/min时,速度为105km/h……由于6速齿轮箱配置了所谓的哈雷巡航驱动,因此转入第六挡时,转速降低了数百转,发动机出力显得从容自若。
哈雷还推出了更高规格的CVOBreakout,武装了更威猛的动力装置TwinCam110B,仍然采用的是OHV气门机构,但是发动机的排量高达1802mL,比标准版多出112mL;扭矩增长到165N·m,是哈雷目前最强劲的动力装置,只用于CVO版本。同时,CVOBreakout配置了很多高级零部件,如安装了新的辅助/滑动离合器组件,能在降挡时减少动力传动装置的负载,同时让骑手捏起离合器杆时感觉轻巧,据称最大力气减少了10%,持续力气减少了17%。CVOBreakout还装备了电子巡航控制、防抱死制动系统、哈雷智能安全系统等,将安全和舒适水平提高到了新的水准。
顶置气门(OHV)
1899年,法国人比歇为了提高发动机转速和功率,率先推出了顶置气门机构(OHV)。在顶置气门机构中,凸轮轴安装在汽缸的侧面下部,通过较长的推杆把摇臂往上推,再通过摇臂向下压开气门;气门则可以设置在汽缸头上,这样燃烧室可以优化为半球型或楔型,从而提高了发动机的压缩比和热效率,实现高转速、高功率的目的。在提高转速和功率方面,顶置气门机构明显优于侧置气门机构,发动机的转速普遍由1200r/min以下提高到6000r/min,功率获得显著提高。
此外顶置气门发动机还具有低转速、大扭矩的优势,且能够通过调整V型双缸的夹角以获得不同的振动节奏和排气声浪,具有很强的个性,这也是为什么虽然以后出现了更先进的顶置凸轮轴(OHC)发动机,但是仍有厂家坚持生产技术“落伍”的OHV发动机缘故,这方面最典型的代表就是哈雷摩托车。
代表车型:本田SH300i
SH300i搭载的发动机,脱胎于著名越野摩托车CRF250,但排量从249mL扩大到279.1mL,进气系统则由单顶置凸轮轴(SOHC)负责。这颗动力心脏经由PGM-FI电子燃油喷射系统伺服,最大功率为20kW(8500r/min),最大扭矩是26.5N·m(6000r/min),不但将竞争对手三阳Citycom300i、VespaGTS300Super、吉雷拉Nexus300、雅马哈Versity300等抛在后头,而且直逼400mL的大型踏板车。据测试,SH300起步加速到50km/h耗时不到4s,从50km/h加速到80km/h同样不到4s,从静止加速到100km/h只需10.9s,加速性能冠绝同组别的踏板车!令人称道的是,虽然是SH300i的发动机排量达到300mL,极速高达150km/h,但是本田没有追随大型踏板车的豪华和张扬造型,而是反其道行之,刻意缩减SH300i的身段和尺寸。通过精心设计的车架,SH300i的尺寸得到有效控制,看上去就像125mL般轻盈苗条;同时安装了16英寸的高轮,增强了转向性能和稳定性,再得到35mm正立式前叉和双筒减震器的相助,低速时就像125mL踏板车般轻巧,高速和快速过弯时则像骑式车一样稳定。
单顶置凸轮轴(SOHC)
虽然顶置气门发动机优于侧置气门发动机,但是顶置气门发动机也有自身局限:由凸轮轴通过气门挺杆驱动气门,增加的气门挺杆相应增加了传动损耗。上个世纪60年代起,更加先进的单顶置凸轮轴(SOHC)发动机开始大行其道。SOHC与OHV相比,最大的不同是:OHV是气门的位置在凸轮轴上方,凸轮轴利用气门挺杆驱动气门;SOHC则是凸轮轴的位置在气门上方,发动机飞轮通过皮带或链条带动凸轮轴齿轮,从而实现凸轮轴直接驱动气门。因此,SOHC比OHV减少了气门挺杆和相应的传动损耗,且可以设计出更高的压缩比和发动机转速,同等排量下SOHC发动机比OHV发动机的动力大、油耗小、易修护。现代的单缸摩托车发动机配置的基本上是单顶置凸轮轴。
代表车型:本田VTR250
VTR250虽然个子小巧,但是资格很老,最早可追溯至1982年面市的VT250F。到了1988年,VT250演化为VTR250,外观造型就像是缩水版的VFR750,1990年停产。中断一段时间后,1997年VTR250重出江湖,但是调整了定位,从全包式轻型跑车改为NK,主要是借鉴了杜卡迪的风格,成为了迷你型“怪兽”,主要面向亚洲地区市场。VTR250胸膛中奔腾着一颗充满活力的青春之心。动力装置的结构,继承了30年前问世的VT250F,采用了的是液冷、90°夹角的V型双缸发动机。虽然60mm×44.2mm缸径和冲程、249mL的排量很不起眼,但是效率很高,能够爆发出很高的能量。为了提升动力,VTR250采用了双顶置凸轮轴来司管“呼吸”;负责供油的PGM-FI电子燃油喷射系统匹配了6个传感器,在综合各种参数基础上提供准确的燃油量,实现了较好的燃油经济性,平均每100km油耗不到3L,12L的油箱加满后可跑上400余千米;汽油和空气在燃烧室混合后,经由11:1的较高压缩比,全晶体管控制的火花准时充足发放,实现了高效的燃烧。最终,VTR250可在转速10500r/min时,输出最大功率22kW,最大扭矩21.9N·m则在8500r/min时爆发。与同属本田阵营的CBR250R相比,VTR250的动力性能略高一筹;与同类竞争对手如铃木Inazuma250、韩国晓星GT250R等相比,同样不落下风。再考虑到VTR250加满气油后,重量不过160kg出头,这台V型双缸应该说很给力,通过齿轮比比较合理的5速传动系统,为后轮提供较强的加速动力。
双顶置凸轮轴(DOHC)
顶置凸轮轴发动机细分为单顶置凸轮轴(SOHC)发动机和双顶置凸轮轴(DOHC)发动机。SOHC是进气门和排气门的开启、关闭均由同一根凸轮轴来完成开关动作;DOHC则是利用两根凸轮轴来分别驱动进气门和排气门完成开闭动作。总体来说,DOHC的好处就是可以轻易的改变进排气门的开闭时间,每只气门的惯性质量比较低,因此具有高转速、大功率的特性,但是结构比较复杂,造价成本较高,维护也比较困难,一般来说,多缸、大排量的高速发动机多采用DOHC气门机构,单缸、小排量的普通发动机多采用SOHC气门机构。
机械气门机构(Desmodromic)
Desmodromic是杜卡迪招牌式气门控制机构,其优势是:绝大多数四冲程发动机都依赖于弹簧来闭合气门,但随着发动机转速的提高,特别是在高转速的赛车型发动机中,弹簧闭合气门的时间变得很苛刻,从而经常出现气门无法精确地按照凸轮形状来运转的情况,这导致了发动机性能的下降;而Desmodromic气门系统由于取消了弹簧,改为直接机械闭合气门,从而实现了发动机全转速范围内的精确气门动作,能够防止发动机高转速时出现性能下降的现象。
代表车型:杜卡迪Monster821
众所周知,杜卡迪“怪兽”是被模仿最多的经典,自1993年面市以来,就以裸露NK造型、强烈个性特征、敏捷操控和舒适乘骑,成为万千骑手竞相追逐的骏马,至今销售总量已经突破250000辆!2015年全新一代的Monster821,使命是接替Monster796,性能显著超过前辈!显而易见,这款所谓的“入门级”NK,实力绝对不可小觑!Monster821的L型双缸依然采用Desmodromic气门机构,每缸4气门;排量为821mL,比上一代Monster796多出18mL。但这只是最表层的区别,核心的变化在于,风冷双缸发动机已经被新一代液冷双缸彻底取代!与Monster796相比,Monster821的动力性能再次提升,最大功率和扭矩分别达到了82.4kW(9250r/min)和89.4N·m(7750r/min)。Monster821的是发动机昵称为Testastretta11°,这是因为:针对新的用途定位,杜卡迪工程师着力修改高转速竞技性Testastretta发动机,核心之一,就在于把41°气门重叠角,降到了11°。此举牺牲了部分高转速性能,但是显著增强了中段转速的动力输出,同时整体优化了发动机的运转顺畅程度,动力特性易于掌控、易于使用,从而恰当地适合了“怪兽”的街车身份。
代表车型:本田VFR800F
本田对V型四缸情有独钟,眼下的MotoGP赛车RC213V、旗舰运动旅行车VFR1200F搭载的都是V4发动机,最新一代VFR800F同样如此。这台液冷、DOHC16气门的V型四缸发动机,缸径和冲程维持72mm×48mm,排量仍然是782mL,内置可变气门系统;同时做了重要改进,焦点放在凸轮正时和气门重叠角优化上,PGM-FI电子燃油喷射系统相应调整,压缩比也略微提高到11.8:1。最终,这台V4机器挤榨出最大功率77.9kW(10250r/min),最大扭矩75.1N·m则在8500r/min时爆发。由于输出最大功率和最大扭矩时的转速均有所降低,因此中低转速范围内的性能得以强化,骑手在公路行驶时,更容易获得丰沛的动力。对于VTEC,针对骑手反映气门转换时不够平顺问题,本田花心思优化了VTEC的气门正时,宣称2气门和4气门工作模式的过渡绵密自然,全转速范围内动力输出线性感更鲜明,有助于骑手准确掌控动力发放。
可变气门系统(VTEC)
VTEC全名是VariableValveTiming&liftElectronicControlsystem,即可变气门正时/升程电子控制系统,简称可变气门系统,主要应用于本田中量级V4发动机。当转速低于设定值时,这台V型四缸的16只气门中,只有8只气门在工作;一旦转速超过限值,16只气门全部激活,全力以赴榨取最大动力。VTEC兼具2气门和4气门发动机之特长,在中低转速时输出强韧扭矩,同时降低了油耗;高转速时则酣畅淋漓地输送充沛动力。
代表车型:川崎1400GTR
川崎运动旅行车1400GTR引以为傲的,当然是排量高达1352mL的发动机,这台来自于“超级忍者”ZX-14的动力心脏是排量最大的并列四缸,114kW(8800r/min)最大功率和136N·m(6200r/min)最大扭矩明显压过竞争对手;即使法国版的动力输出刻意予以限制,最大功率和扭矩仍然分别有78.2kW(8000r/min)和121N.m(4500r/min)。因此,驾驶1400GTR永远不必顾虑动力不够用,加速、超车异常简单,只需拧动油门,后轮几乎没有延迟地迅猛加速。虽然整备质量高达300kg,但是这对于超强的并列四缸来说根本不在话下,即使偕同友人、满负辎重,1400GTR仍然举重若轻,以200km/h高速巡航轻而易举!当然,1400GTR的发动机绝非抄袭“超级忍者”。对照运动-旅行的定位,川崎工程师进行了二次设计,最核心的就是可变气门正时系统(VVT)。川崎VVT与本田VTEC的区别是:本田VTEC根据不同的转速范围改变气门的数目,主要目的是节省油耗;川崎VVT类似于汽车采用的可变气门正时系统,在发动机不同转速范围内,优化最合适的气门开启、关闭时间,以提高燃烧效率,实现低转速时扭矩丰沛、高转速时功率酣畅的目标。两者相比,川崎VVT系统结构简单,活动零件很少,且通过低压机油驱动,因此工作极为可靠、耐久。
可变气门正时系统(VVT)
川崎的可变气门正时系统(VVT)能在发动机不同转速范围内,优化最合适的气门开启、关闭时间,以提高燃烧效率,实现低转速时扭矩丰沛、高转速时功率酣畅的目标。具体实现过程是:进气凸轮轴的尾端装配了可变正时驱动装置。来自发动机机油泵的低压机油,被机油控制阀(OCV)调节方向后进入可变正时驱动装置的腔内,驱动进气凸轮轴在0°~23.8°角度范围内偏转;具体偏转角度的数值,则由32位的电控单元ECU综合比较曲柄位置、凸轮轴位置、扼流阀开度和扼流阀传感器、水温等信息后,计算出最佳的实时进气门正时,再发出指令让OCV阀驱动进气凸轮轴偏转到相应角度,从而实现相应的进气提前或延迟。
代表车型:川崎NinjaH2
NinjaH2武装了排量999mL的并列四缸发动机,最大的亮点就是采用了机械增压。这只机械增压器吸收了川崎航天公司的技术,采用了行星齿轮装置,通过曲轴来驱动,从而把叶轮转速提高至曲柄转速的9.2倍。NINJAH2的发动机转速高达14000r/min,这意味着,机械增压器的叶轮轴转速高达130000r/min!在大气压力下,叶轮的泵流量超过每秒200L,进气速度超过100m/s;气流经由机械增压器后,气压提高至大气压力的2.4倍!得益于此,H2排量为998mL的并列四缸,爆发出更多的能量,最大功率达到147.2kW/(11000r/min),最大扭矩则为133.5N·m/(10500r/min)。如果是赛车版H2R,机械增压的性能彻底发挥,并列四缸发动机能在14000r/min时滂沛倾泻230kW功率!
机械增压(Supercharged)
所谓机械增压,就是在发动机上安装了迷你空气压缩机,提高供应给发动机的空气压力或密度。这一做法,让发动机在进气时获得更多的氧气,可以燃烧更多的油气混合物、做更多的功,从而提高发动机的功率。机械增压器的驱动力来自于发动机的曲轴,连接方式可能是皮带、齿轮、链条或轴等方式。
代表车型:Roehr1250sc
美国Roehr1250sc搭载的是哈雷-戴维森V型双缸发动机,这台昵称为Revolution的大双缸来自V-Rod,由哈雷与保时捷公司联合研发,采用液冷、DOHC8气门,排量达到1250mL。劳尔为其准备了RSS增压系统,升压比达到12.7:1,且工作噪声很低,骑手戴上头盔之后几乎听不到RSS的哨鸣。为了优化增压系统的功能,劳尔工程师还设计了旁路阀门,可在怠速、巡航速度以及减速时打开,这样可以卸载增压功能,以降低干扰阻力,提升发动机效能。但是在加速的情况下,旁路阀门将被关闭,这样RSS增压系统将提升汽缸的进气填充效率,从而大幅度增强动力性能。装配了RSS增压系统后,哈雷的大双缸变得完全不同。当转速仅为4000r/min时,后轮获得的扭矩已经超过95N·m,在8000r/min前后则可达到135N·m。据劳尔公司公布的数据,Roehr1250sc的最大功率、最大扭矩是134.2kW(9100r/min)和156N·m(7600r/min),分别比V-ROD多出42.5kW和41N·m,绝对是“青出于蓝而胜于蓝”!
涡轮增压(Turbocharged)
发动机上的增压器,其实是一种强制进气的装置。在不改变排量的前提下,安装了增压器的发动机,比起自然吸气的发动机,能在相同的时间内,让汽缸填充更多的油气混合物,因此效率更高、动力更强。
常见的增压器有两种,除了上述的机械增压器之外,另一种则是涡轮增压器。两种增压器的核心区别,在于它们的驱动力来源不同。机械增压器的工作动力来自于发动机,而涡轮增压器则是借助排气管的高速气流来驱动涡轮。