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“单缸最优排量”决定小排量发动机结构走势
文萱 汽车头条 2018-08-10 08:30:08 阅读数 71900

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,最大功率仅有区区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。  

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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发动机已经成为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。

“小型化”是属于这个时代的发动机技术趋势

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、发动机启停系统以及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加敏感,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提升?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经完成了从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,根据需要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,并采用不同技术策略来适应不同需要,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个世界说拜拜的准备。

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“单缸最优排量”指导着新一轮的合理精简

对于一些体积较小的汽车而言,发动机不仅仅可以减少气缸数量,排量同样也可以减少,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?对于这个问题,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。在一定范围内,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,从而导致热效率下降。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年关于这个课题做了一系列的测试,实验结果表明单个气缸从0.3L上升至0.4L,热效率可以提升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、结构紧凑,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。

小排量三缸机势头迅猛的背后

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。

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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年推出了全新一代的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的最大功率和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发动机的最大功率是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。

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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”。不可否认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,非常适合与混合动力技术的匹配,这些技术可以令驱动系统的动力和节油性能进一步提升,并令其可搭载在更高级别的整车平台之中。

种种迹象表明,小排量涡轮增压三缸发动机已经成为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随着时间的推移而逐渐加温,最终为全球汽车市场带来改变。

发布评论
缱绻流年✘记忆未冷 2018-08-19 21:49:29
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once 2018-08-18 21:53:28
才多久啊现在,NVH同样也已成为了客户评价产品的重要指标。
缱绻流年✘记忆未冷 2018-08-17 21:00:20
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缱绻流年✘记忆未冷 2018-08-15 21:19:39
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当时年少青衫薄 2018-08-15 21:15:00
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当时年少青衫薄 2018-08-14 20:27:51
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永不庭息! 2018-08-14 18:33:58
就是有一点 排量那么大 是不是很费油啊
fover love 2018-08-13 22:33:35
排量挺大的
小胖胖 2018-08-13 10:24:40
并没有什么亮点,很难给人惊喜。
小胖胖 2018-08-13 10:24:34
符合大部分国人眼里的SUV形象。
叮铃铃 2018-08-13 09:34:26
低油耗或许是未来消费者要追求的首要目标,毕竟钱最重要
糖果果的sunshine 2018-08-12 22:55:45
能够准确找个这个最优值确实不简单那吖
当时年少青衫薄 2018-08-12 20:53:24
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第二次人生 2018-08-12 17:53:17
也是最合适的东西,三缸结构显然是一个最佳的选择。
@成长中的男神 2018-08-12 17:04:30
不在是感觉动力空虚,实现性能提升提供了强大的助力。
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