决定小排量发动机结构走势

时间: 2024-07-24 14:06:35 |   作者: 蒸汽洗车机

  世界上第一台四部冲程内燃机是由德国人罗斯·奥古斯特·奥托在1876年制造，它使用煤气为燃料，采用单缸结构，上限功率仅有区区2.21 kW，但正是这台结构简陋的内燃机却成为了今后数以亿计四冲程发动机机的鼻祖。

  1886年当卡尔·本茨的三轮机动车获得了专利，成为公认的世界上第一辆现代汽车之后，发动机技术也迎来了第一波的飞速进步。1908年亨利·福特及其合作伙伴推出T型车时，就已经搭载了技术成熟的四缸发动机；而早在1903年，荷兰世爵汽车就实现了直列六缸发动机的生产；同年，法国人也制造出了世界上第一台V8发动机，不过十几年之后才由美国人将V8应用到了量产车上。增加气缸数量和排量一直是提升动力最直接有效的方式，到了20世纪20年代V12发动机慢慢的变成了了美国顶级豪华车的标准配置，但这仍不是顶峰，Peerless、Marmon和凯迪拉克等美国品牌甚至还生产出了装备V16缸的豪华轿车。

  发动机技术在经历了几十年的气缸数量与排量的比拼之后，资源与环境终于无法再继续承受人们的无限欲望，能源危机，大气污染，残酷的现实开始着手改变了发动机技术发展的航道。因此在近二十年的时间里，我们所能听到见到的各项汽车技术，例如发动机可变气门正时和升程、增压进气燃油直喷、停缸技术、发动机启停系统和配备更多挡位的变速器等，大多数都是与发动机的节能减排紧密相连，但即便如此各大车企在节能环保方面依旧面临着极大的压力。

  目前传统动力技术升级的核心挑战来自于两个方面，除了全球各大主要市场都将会在2020年后执行更加严格的排放要求之外，消费者们也都显现出了明显的消费升级变化，对动力系统的高性能、快速动力响应等表现变得更敏感，NVH同样也已成为了客户评价产品的重要指标。

  在对发动机各项系统组成进行了技术挖潜之后，如何继续让传统动力的性能大幅度的提高？全球发动机工程师们不约而同的将目光聚焦在了发动机小型化上。发动机小型化首先是围绕减少缸数展开的，目前几乎所有主流车企都已完成了从V6到L4的技术演变，市场也早已接受这一改变。车企们的通常做法是，研发一款四缸发动机，通过调校出不同的功率来达到适用不同车型的目的，例如PSA旗下的1.6THP发动机，根据自身的需求可提供三个不同版本，可以适用于小到308S，大到5008的各个车型。而另一些车企则是通过推出四缸发动机集群，并采用不一样技术策略来适应不一样需要，例如沃尔沃的Drive-E发动机系列就有单涡轮增压的T5、双涡轮增压的T6以及带有考虑了电气化布局的T8三个版本。目前沃尔沃的旗舰车型S90及XC90都清一色的采用了2.0T的Drive-E发动机，而奥迪、宝马、捷豹路虎等其它车企也接受了这种技术路线，六缸动力已经做好了和这样一个世界说拜拜的准备。

  对于一些体积较小的汽车而言，发动机不仅仅能够大大减少气缸数量，排量同样也能够大大减少，可问题是应该优先减少气缸数量，还是优先减少排量？亦或是两者同时减少？对这个问题，车企需要从热效率、尺寸、振动等多个方面去考虑，去寻找单缸排量的最优值。

  热效率是决定这样的一个问题关键的要素，而热效率的优劣着重要考虑气缸面积除以容积的比值，即面容比。在一些范围内，面容比越小，燃效率会越高。如果气缸排量过小，那么面容比会变大，导致表面冷却损失增加；相反，如果排量过大，火焰传播距离会延长，燃烧时间就会增加，因此导致热效率下降。如果燃烧时间过长、活塞过于下降，热能还会无法做功，所以一定存在一个单缸排量的最优值。日产汽车在2010年关于这一个课题做了一系列的测试，实验根据结果得出单个气缸从0.3L上升至0.4L，热效率能提高2.0%。因此业内工程师们认为0.33 – 0.5L是单缸的最优排量，如果单缸排量在这个区域里，更利于发动机实现动力性和燃油经济性的平衡。所以对于未来主流的1.0L– 1.5L排量发动机而言，三缸结构显然是一个最佳的选择。

  与此同时，三缸机相比传统四缸机还有很多优势，如体积小、重量轻、结构紧密相连，没有四缸机固有的排气干扰，所以涡轮迟滞更小，还有更好的低速扭矩表现。特别是三缸机在设计结构上具备摩擦功优势，能够进一步减少摩擦功10-15%等等，这也是为什么近年来，以三缸为代表的发动机“小型化”，“合理精简”正成为内燃机技术的新趋势。

  当前不少主流品牌已完成了小排量三缸发动机的布局，特别是在欧洲市场，已有20多个品牌推出了三缸发动机车型，2017年三缸发动机整车销量就超过200万辆。在北美市场，美系品牌的三缸机车型布局也在稳步推进中，福特、通用都是这项技术的排头兵。这股技术热潮在中国市场同样迅猛，长安福特、东风标致、华晨宝马、上汽通用等合资车企都采取了快速反应，推出了大批同步全球最新科技、深度集成、高效匹配的三缸发动机，为整车油耗改善，实现性能提升提供了强大的助力。

  其中上汽通用的三缸发动机投放时机并不算最早，但却是势头最凶猛的一个。上汽通用在2017年推出了新新一代的1.0T和1.3T Ecotec双喷射涡轮增压发动机，这两款三缸发动机是整合通用汽车全球资源开发而来，采用了大量的领先动力科技，其中不乏首创技术，例如它的DPI智能单缸双喷射燃烧系统就是全球首次应用在增压发动机上。在一系列先进的技术的助力之下，两款三缸动力的燃油消耗率指标也实现了同级领先，1.3T Ecotec发动机可输出120kW的上限功率和230Nm的最大扭矩，相比上汽通用上一代的1.4T发动机，新1.3T发动机动力提升15%，油耗下降了5%。另一款1.0T Ecotec发动机的上限功率是92kW，最大扭矩为170Nm，转速在1500～5200 r/min区间可持续输出90%以上的峰值扭矩；不仅性能全面超越上汽通用上代的1.5L自然吸气发动机，燃油经济性也提升了10%。

  这两款三缸发动机目前已经应用在了全新英朗、GL6、阅朗等别克品牌的多款全新产品之上，无论是动力性，还是燃油经济性都已经受到了中国消费者的广泛认可。

  从“低油耗、低排放、低重量”的技术发展路线来看，涡轮增压加三缸结构是小排量发动机最优的解决方案，在日经BP社最近出版的《发动机技术大全》中，日本媒体甚至提出了一个极其激进的观点——“世界不再需要四缸”。毋庸置疑小排量四缸发动机目前仍是主流，日本媒体的这一观点也有大胆武断之嫌，但在权威性的“国际引擎年度大奖”十佳评选中，三缸发动机从2015年至今已经包揽了1.8L及以下排量的所有奖项，这也充分证明了三缸发动机的技术前景。

  在未来5-10年，深度电气化和智能化将会是发动机技术开发的重要手段，包括48V，HEV，PHEV的驱动系统电气化技术将进一步助力节能汽车和新能源汽车的传统动力的升级。高性能的三缸发动机在空间方面更加紧凑，很适合与混合动力技术的匹配，这些技术能令驱动系统的动力和节油性能逐步提升，并令其可搭载在更高级别的整车平台之中。

  种种迹象说明，小排量涡轮增压三缸发动机慢慢的变成了未来传统动力的发展主流，当前的这场小排量三缸发动机热潮也将跟着时间的推移而逐渐加温，最终为全世界汽车市场带来改变。