是自然吸气没落还是各种增压无敌（2）

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是自然吸气没落还是各种增压无敌（2）

发动机排气均一性表现最理想的当属F1赛车，F1赛车发动机排气系统其实只有排气歧管部分，为了在有限的空间内提供最佳的排气效率，一侧缸体的每一根歧管都以不同的走向和弯曲角度汇总在排气歧管的尾部，但每一根歧管的长度和截面积都是相同的，每一个缸体排出废气的流速、流量也就相差无几了。

　　不过在自然吸气时代，F1赛车发动机的怠速就已经超过每分钟3000转，常用转速至少在8000转以上，排气系统更多还是要满足极高转速范围内的需求，所以这种多根完全等长的管路汇合到一起的排气歧管，大多在赛车发动机上使用，并不适合日常使用的车型采用。

　　受到环保、油耗的压力，很多高性能车型都开始使用V6涡轮或机械增压发动机，最近问世的阿尔法·罗密欧4C更配备了排气量不到1.8升的四缸涡轮增压发动机。

　　四气缸也已经成为目前汽车发动机中最常见的缸体数目，和直列六缸、V6、V8、V12等较多气缸的发动机相比，由于四个缸体分别负责四行程中的一个，一个气缸点燃汽油产生热能并推动活塞做功时，其他三个气缸都处于流失热能或较低温度的状态，这种不平衡的状态就会产生明显的震动。

　　所以四缸发动机通常会安装一根与曲轴转动方向相反的平衡轴，用以抑制这种先天的震动，四缸以上的偶数气缸数量发动机，特别是V8发动机由于处于同一行程的缸体都会有处于同一行程的缸体与之对应，也就可以消除影响发动机工作平顺性的震动。

　　但是平衡轴只能治标，或者说只是隐藏了不应该存在的震动，通过对排气系统的优化设计，可以从根本上平衡不同气缸之间的温度差，也就可以减少四缸发动机固有的震动。采用多合一形式排气歧管的发动机在较低转速时，从完成排气行程的气缸内排出的废气先流入所有歧管的汇合处，也就与其他气缸的歧管之间产生了压力差。这个过程会在每个气缸之间轮流进行，转速越低轮流切换的频率也就越低，频率较低的压力差叠加到一起，就会形成排气谐振现象。

　　F1赛车发动机的排气歧管虽然采用的也是多合一的形式，但由于每根歧管的长度完全相同，且弯曲角度都经过计算机模拟设计，完全可以确保每根歧管内废气流速、流量的统一。更重要的是，F1赛车发动机实用转速很高，排气谐振现象已经可以忽略不计，道理和声音高到一定频率后人耳就无法听到是一样的。

　　为了解决四缸发动机常见的排气谐振问题，通常都会将与1、4和2、3气缸连接的排气歧管先分为两组汇合到一起，然后这两组管路最终再汇合到一起，这就是俗称的4-2-1形式排气歧管。不管点火顺序是1－2－4－3还是1－3－4－2，都有两根歧管各自进入4-2-1的4合2部分，如此一来排气干涉现象得以缓解，发动机处于低转速时排气谐振对动力输出平顺性的不良影响也就能得到解决了。

　　曾有观点认为4-2-1形式的排气歧管只适用于注重中低转速动力输出的发动机，会影响高转速区域的动力输出。其实在创驰蓝天SKYACTIV-G之前，本田汽车就在S2000、Civic Type-R等车型的高性能自然吸气发动机中采用了这种形式的排气歧管，前者的F20C发动机最高转速接近每分钟9000转，后者也可以达到每分钟8500转。

　　但这些车型毕竟还要在开放的道路上行驶，不去考虑低转速扭矩输出显然是不明智的，毕竟可以保持每分钟3-4000转转速弹射起步，挡挡都到红线区再换的城市道路并不会太多。本田后来把F20C发动机的排气量提高到2.2升，在高性能版K20A发动机中加入i-VTEC技术，目的都是为了改善日常行驶的实用性，4-2-1形式的排气歧管自然也就不可缺少了。

　　不过在量产非高性能自然吸气发动机中采用纯等长、4-2-1管路排列形式排气歧管的车企目前还很少见，先不说制造成本高低的问题，设计出这样的排气歧管就需要很强的流体动力学功力。

　　像马自达这样规模并不算大的汽车企业，能在量产车型的发动机中大量采用源自赛车的技术和设计理念，如今又为自然吸气汽油发动机未来的发展开拓了新的道路，这确实不是一件很容易的事！

　　自然吸气汽油发动机完全依靠缸体内形成的真空吸入新鲜空气，进气效率也就成为决定整体工作效率的最关键因素。进气效率最高的当然还是赛车的自然吸气发动机，不过极致的进气效率同样体现在高转速，对于量产车并没有什么现实意义。

　　增压进气形式汽油发动机本质上也是提升发动机的进气效率和压缩比，其弥补的正是自然吸气发动机进气行程中偏低的效率。自然吸气发动机处于进气行程时，进气门打开后虽然可以使发动机吸入新鲜空气与燃油的混合气，但也会造成气缸内热能的流失，使发动机的热效率有所下降。

　　这个问题在侧置凸轮轴每缸两气门（OHV）时代还不算严重，但是随着进、排气效率更高、更适合高转速的顶置凸轮轴（OHC）技术的广泛应用，热能流失造成发动机热效率降低的问题才变得更明显。

　　特别是顶置双凸轮轴每缸四气门甚至五气门设计得以应用之后，后者的昙花一现正是因为热流失多过所提升的进气效率，所以每缸四气门的设计目前看来还是最合理的。虽然现在可以通过进、排气双侧可变气门正时系统，把多气门汽油发动机的热流失问题大幅改善，但这并不能达到完全利用热能的目的。

　　如今量产车型配备的自然吸气汽油发动机的压缩比已经达到了13：1甚至14：1的水平，对于目前市售的汽油而言已经达到了极限状态，通过提高压缩比来提升发动机工作效率的方法也很难再继续了下去了。活塞往复式内燃机有压缩比就要有与之相对应的膨胀比，膨胀比也是可以提高的，提高膨胀比就可以充分利用排气行程之后气缸内形成的剩余热能。

　　上世纪40年代美国工程师Ralph Miller在传统Otto cycle（奥托循环四行程）发动机的基础上，发明了可以提高膨胀比的Miller cycle（米勒循环五行程）发动机。相比于同样可以提高膨胀比的Atkinson（阿特金森循环）发动机，米勒循环实现起来要简单可行得多，只需要在进气行程完成之后延长进气门的关闭时间，形成一个进气回流（减压）行程，相当于在奥托循环的四行程中再加入一个行程，就可以达到提高发动机膨胀比的目的。

　　米勒循环发动机技术1957年就已经获得了专利，不过活塞由下止点向上运行的过程中，进气门仍处于开启状态，就会造成一部分混合气流失。没有足够的汽油被点燃，也就无法获得足够的动力输出，这种缺点让大部分车企都对这项技术敬而远之。不过对于擅长“领养弃婴，并将其养大成人”的马自达来说，米勒循环发动机并不算什么难题。

　　1993年马自达分别在北美市场、欧洲市场、日本和澳洲市场推出了Millenia、Xedos 9、Eunos 800三款车型，这三款车型几乎完全相同，只是根据不同市场的需求进行了相应的调整，还有一个更独特的共同点，就是都有配备编号为KJ-ZEM发动机的车型。

　　KJ-ZEM中的Z和M，分别代表机械增压和米勒循环技术，马自达使用一台由IHI（石川岛播磨重工业）制造的Lysholm（双螺旋式）机械增压器，来解决米勒循环发动机低转速进气效率偏低的问题。

　　这种类型的机械增压器可以实现比常见的Roots式机械增压器更高的增压值，奔驰AMG多款机械增压发动机使用的也是由IHI提供的这种高增压值机械增压器。马自达KJ-ZEM的增压值高达1.5bar，在压缩比达10：1的情况下，需要在V型排列的两侧缸体上分别设置一个中冷器，虽然排气量仅有2.3升（2255毫升），但是日本和澳洲版最大动力输出在每分钟5300转时可以达到217马力，最大扭矩在每分钟3500转时达到280牛·米。

　　这样的数据看起来并不算惊人，但是马自达同时期排气量为2.5升的KL-DE V6发动机，最大动力输出也不过170马力，215牛·米的最大扭矩要到每分钟5500转时才能达到。更重要的是在机械增压器和米勒循环技术的合力之下，至少可以节省15%-20%燃油消耗，但是过于复杂的结构和偏高的成本，就是马自达自己也没有继续再发展这种高增压机械增压与米勒循环相结合的发动机技术。

　　不过马自达并没有完全放弃米勒循环这项技术，而是在近20年之后使其出现在独门绝技Skyactiv（创驰蓝天）之中，只是双螺旋式机械增压器和复杂的双中冷器已经不复存在，采用这项技术的目的也已经只是为了提高燃油效率。