解密马自达6发动机特有技术

虽然马自达6的2.3升发动机和3.0升发动机有很大的区别，但两者却应用了一些类似的技术。两者都是用一个福特Duratec发动机组制造的，但两者都被马自达进行了改造，以获得更高的转速性能。虽然本文关注的焦点是2.3升四缸发动机，但所讨论的概念对于更大功率的V6发动机也是适用的（对于Miata，Protege和Mazda3所使用的部分发动机也是适用的）。{分段符}2.3升发动机所使用的进气技术有四种：{分段符}? (VAD) 可变进气道{分段符}? (VLIM) 可变长度进气歧管{分段符}? (VTCS) 可变涡流控制系统{分段符}? (VVT) 可变气门正时（可变凸轮相位，仅针对进气凸轮）{分段符}这些技术被应用到了一系列的马自达发动机上：Miata使用了VVT，老款的2.5升V6 Duratec使用了VLIM，Protege使用了VTCS。另外，类似的技术也被其他许多汽车厂商所使用（比如，宝马的VANOS实际上就是凸轮相位VVT，丰田的VVT-i也是同样的技术）。{分段符}奇怪的是，虽然2.5升V6和福特自己的3.0升V6都使用了VLIM，但马自达的3.0升V6却没有使用，而是仅仅使用了VVT和VAD。由于2.5升V6和福特自己的3.0升V6的技术应用方式和2.3升四缸发动机非常类似，所有本文只针对2.3升四缸发动机展开论述，不过请记住，V6并没有包含全部四种进气技术（而且与福特Duratec采用的技术也不太一样。）

{分段符}可变气门正时VVT和可变长度进气歧管VLIM的设计目的是为了扩大发动机的扭矩范围，从而打造出一款在整个转速范围内都可以产生较大扭矩的发动机。虽然本田并不是可变气门正时技术的首创者，但其VTEC技术却使得可变气门正时声名鹊起。特别值得注意的是，马自达的S-VT（马自达将其称为持续气门正时）与本田的VTEC有很大的区别。无论如何，可变气门正时技术毕竟有很多不同的呈现方式。{分段符}马自达6的发动机使用的是静态凸轮轴。一个凸轮轴被设计为在单一转速下发挥最佳的性能。有些发动机被调谐为最适合产生低转速所需的输出功率，比如大部分的扭力卡车发动机和用于牵引的发动机；而另外一些发动机则被调谐为最适合产生高转速所需的输出功率，比如摩托车的发动机。绝大部分的载客车辆的发动机采取的是居于上述两个极端之间的设计。{分段符}由于凸轮轴被最优化为适合单一转速，所以如果一款发动机使用两个凸轮轴将会带来极大的好处，一个被最优化为适合低转速，而另一个最适合高转速。而在中间的某个位置，发动机将由一个凸轮轴切换到另一个。{分段符}从本质上来看，本田的VTEC使用的就是上述原理。VTEC允许在同一个轴上有两个不同的凸轮轮廓，而且几乎可以在瞬间实现转换，这就形成了两种完全不同的定时。在高转速时，气门打开的时间更长、打开的速度更快、打开的程度也更高，这样进气的效果就会更好一些。而在低转速时，气门打开的时间较短，所以空气进入的速度会非常快。当转速提高时，进气门和排气门的打开时间会产生重叠，从而使得部分排出的气体得以进入再循环。

{分段符}马自达的发动机其实并不是特别复杂。马自达使用了一个静态凸轮轴，而轴被安装到了一个齿轮嵌齿上，该嵌齿可以加快或者减缓轴的旋转速度。气门可以更早或者晚一些打开，不过永远都不会出现气门打开的时间过长、打开的速度过快、或者打开的程度过高的现象。嵌齿由一个精密的油泵控制，称为燃油控制阀OCV。汽车的电脑会依据一系列的输入参数告诉OCV将进气速度加快或者减缓到什么程度，这些参数包括踏板压力、发动机温度等。下面的图表就来源于一款马自达Miata发动机，而不是一款马自达6，不过该发动机同马自达6使用了同样的S-VT技术。{分段符}如上所述，一个静态凸轮轴只能在单一转速下产生最佳的性能。马自达的可变相位加宽了这个范围（蓝线），不过扭矩在低转速和高转速时依然会有所下降。在转速范围的较低位置可变气门正时技术使得扭矩值增加了10%，这种增长直到VVT在转速6000rpm下达到全延迟位置（也就是蓝线和红线相交的位置）才会停止。假设在这个图表上凸轮轴不是位于全延迟位置，而是最大推进位置，扭矩就会在低转速下在蓝线位置维持不变，但在高转速下会跌至蓝线以下。{分段符}虽然马自达发动机可以在一个较宽的范围内使扭矩曲线维持在相对均匀的状态，但它们并不具备一款VTEC发动机的灵活性。VTEC系统（还有其他的一些系统，比如丰田的VVTL-i）对气门提供了更多的控制。这在马自达6和雅阁的较量中表现的非常普遍。马自达6的发动机在转速3000rpm时开始进入它的高扭矩范围（见此处的dynos功率或下面的VIS功率），并一直持续至超过5000rpm，而雅阁的VTEC发动机则是在转速2000rpm到5000rpm时输出最大的扭矩，而且在某些情况下还可以进一步延续。由此我们看出，VTEC发动机的优势非常明显。因此，马自达6的凸轮轴调整的重点并不是扭矩曲线范围的扩展，而是扭矩曲线的改变。如果你正指望将马自达6作为日常的驾驶用车而不仅仅是赛道车，意识到这一点非常重要。{分页符}当气门打开和关闭的时候，会放进一定的空气，从而产生共振。很多事情可以产生共振，比如气门的快速打开和关闭，或者活塞的前后移动。例如，当一个进气门关闭的时候，它会将一股压缩空气反向回送到进气口。这股空气在进气口内会发生反弹，如果正时控制极佳的话，这股空气就会在气门再次打开的时候回到进气门里。这种反弹效应可以从反弹空气的惯性中产生高达7psi的进气压力——和有些增压器的效果不相上下。{分段符}这是另外一种形式的气门调谐，其工作原理就是赫尔姆霍茨共振。由于静态进气歧管只能在特定的单一转速下达到最优化，所以找到一种可以改变进气口长度和/或容积的方法将会带来很大的益处。马自达2.3升发动机所使用的树脂进气歧管设有一个可以改变进气管通路容积的气门，该气门可以改变惯性进气的共振频率，在转速4500rpm时会发生不连续的转换。每一种状态都被调谐为将一股压力在不同的转速下回送到进气门。两条进气通路在特定的转速下互相转换，从而在进气口产生类似增压器的效果。这使得采用可变气门正时技术的马自达发动机可以得到相对较宽的扭矩范围，当然，还达不到VTEC发动机的扭矩范围。在发动机的设计上，改变和优化发动机共振是非常基础也是至关重要的一环，因为共振可以使空气的传输效率大为改观。事实上，转速高达9000rpm的RX-8就有一个三腔的可调进气门设计！马自达将其多腔进气门称为VIS（可变进气系统），不过人们更经常地将其称之为VLIM（可变长度进气歧管）。{分段符}空气的流动性对于一台发动机来说就是一切——发动机只能通过使其吸入的气体燃烧将空气和燃料转化为功率。由于发动机使用了静态凸轮轴，所以可以通过牺牲高转速产生的功率，将发动机更换为最优化后更适合低转速所能产生功率的类型，或者相反，但两者却不能兼得。别忘了，一个静态凸轮轴只能在单一转速下达到最优化——如果在转速6000rpm时最佳，那么在转速2000rpm下发动机所输出的扭矩就会受到影响。

{分段符}据说马自达6发动机上的较大气门所带来的空气流动性非常不错，当然这也可以从它们名副其实的高转速性能上得以证实。然而，马自达却为了控制两个副产品将另外两种技术组合进来，VTCS和VAD，其结果反而是降低了这款空气流动非常通畅的发动机的独特优势。

{分段符}可变涡流控制系统VTCS的设计目的是在低转速时帮助增强排气性能。气门将进气通道部分关闭，从而增加了进气的速度，速度的加快使得进入的空气产生惯性，从而在燃烧室内形成涡流，这使得进入的空气可以更充分地跟燃料混合进行燃烧。对于打开程度不是很高的气门来说进气速度并不是那么重要，不过别忘了，马自达的VVT并不能改变气门升程。在低转速下，需要使用VTCS来进行弥补。直到转速达到3750rpm，气门才会完全打开。马自达声称这种技术的应用目的是为了改善排气性能，而不是扭矩大小。{分段符}可变进气道VAD可以被当作位于空气滤清器前面的第二条进气道，该进气道在高转速下打开。马自达6的发动机气箱内设有另外一个安静的限制性阻尼进气口，当转速超过4500 rpm时，气箱一侧的第二条空气通道就会打开，使空气经过一条吵闹的短粗通路进入发动机。由于使用了VAD，马自达6的进气口从来都不缺少空气资源，不过在低转速下发动机会比较安静一些。在马自达6上，第二条空气通道流动的空气同时也成为了冷却器的空气来源——这些空气将一直流动到驾驶员一侧的发动机舱内。

{分段符}至于排气装置，4缸发动机和六缸发动机也存在很大的差异，所以也应该将两者分开讨论。比较明确的是，四缸发动机是在催化转换器前安装了4-2-1集气管，而V6则拥有大量的弯曲变形管，集气管也位于催化器前。我们将在以后具体讨论这个话题。