新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

傳統引擎已經不知道是第幾次變革了。渦輪增壓剛興起的時候,Downsizing是主流,以更小體積更小排量抗衡摩擦和燃燒不充分帶來的負面影響。這之間還引發了渦輪增壓和自然吸氣之間孰優孰劣的爭論

傳統引擎已經不知道是第幾次變革了。渦輪增壓剛興起的時候,Downsizing是主流,以更小體積更小排量抗衡摩擦和燃燒不充分帶來的負面影響。這之間還引發了渦輪增壓和自然吸氣之間孰優孰劣的爭論,但都隨日系品牌轉型渦輪增壓之後煙消雲散。

Downsizing之後是Rightsizing,即不單純強調降低排量轉而強調合適體積、合適佈局,所以小排量三缸渦輪發動機迅速成為潮流,當然這也是因為1。5L左右排量引擎佔據中國市場絕大份額。在小排三缸爭論即將塵埃落定之際,更加棘手的2。0T引擎何去何從已經箭在弦上了。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

不同於小排增壓引擎極強的經濟訴求,2。0T是經濟和動力分水嶺,是側重動力還是注重油耗,車企該如何調整才能滿足未來人們的需求?這一點,凱迪拉克XT4搭載的全新2。0T可變缸渦輪增壓引擎給出了他們的答案。

技術升級帶來更好體驗

政府對排放的要求越來越嚴格,雖然面對2020年尚有兩年過渡,但個別省市提前實行國六已經表明了政府對汽車限制油耗排放的決心。這對汽車製造商來說是一重考驗,汽車製造商不得不更加關注油耗。

從古到今,提高發動機熱效率始終離不開兩個方面:

1、 增加燃燒中產生的能量:也就是無論如何都讓汽油燃燒的更加充分,釋放更多的能量;

2、 減少傳動過程中損失的能量,燃油產生的能量很大一部分被浪費在發動機內部機械之間的摩擦過程中,改善冷卻和潤滑則可以讓更多能量充分利用起來。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

可以說過去數十年,工程師一直沒有停止過這兩個方面的研究,並且推出了許多革命性的技術,但當所有技術都開發完畢之後,剩下需要做的就是進一步提高技術的深度,

比如對發動機燃效影響極為明顯的缸內直噴,不僅直接改善了歧管噴射汽油霧化能力的不足,使汽油以更小顆粒存在,增加了汽油與空氣的接觸面積,讓汽油燃燒的更加充分,而且還可以精確控制噴油量,大大提升汽油的燃燒效率。

只不過,過去主流渦輪增壓引擎由於技術的限制,直噴壓力大都集中在20MPa左右,比如大眾的EA888發動機。如今,凱迪拉克XT4將這一系統的療效再度提升,從過去20MPa提升至35MPa,更大的直噴壓力可以有效提升發動機壓縮比,並帶來更好的燃燒效率。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

雙渦道電動放氣閥渦輪增壓器則是對單渦輪雙渦管的再度升級,從機械式控制氣體流速到加入電氣化裝置精確控制氣體流速,凱迪拉克XT4全新2。0T可變缸渦輪增壓引擎不僅可以實現對進氣量的控制,而且可以達到提升低速動力響應的目的。

ATM主動熱管理系統可以說是凱迪拉克XT4全新2。0T引擎上的一個亮點。由於發動機是由各種零部件組裝在一起的,各個零部件有著不同的適宜溫度,如果不對溫度進行控制,那麼發動機的熱效率無法提升到最大,因此全新2。0T引擎加入了全球首創的電子水泵與電控球閥模組組成的ATM主動熱管理系統,再加上可變排量機油泵、智慧主動電控碳罐泵,可以實現對發動機各個區域溫度的控制。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

實際上,ATM主動熱管理系統並不光負責發動機,還負責變速箱,當變速箱溫度過高時,ATM可以將這部分熱量帶回發動機;當發動機過熱時,ATM又可以將熱量傳遞至變速箱。這樣可以有效避免激烈駕駛中,變速箱溫度過熱的情況發生。

不同工況的不同對待

發動機越發智慧的標誌是應對不同工況可以做出不同的反應。雖然過去也有廠商推出過類似技術,但大都簡單直接,比如馬自達創馳藍天發動機以超高壓縮比為主要賣點,但同樣出現了低速動力不足的問題,因此馬自達將發動機設計成低速奧托迴圈,高速阿特金森迴圈兩種模式。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

不過,馬自達的處理方式只是一種妥協的做法,如今凱迪拉克XT4搭載的2。0T全新引擎推出了更優秀的解決方案——-在四缸發動機上推出了可變氣缸技術。

其實「可變氣缸」並不是一個新鮮的技術,這項在1981年同樣由凱迪拉克率先量產的技術,最初只是運用在一些大排量的引擎上。在人們不需要所有氣缸同時工作時,透過關閉其中幾個氣缸以求得到更好的經濟性(大概可以提升30%),這是大排量引擎提高經濟性比較重要的手段。最初凱迪拉克搭載V8引擎就可以透過關閉2個氣缸變為V6,甚至可以再關閉兩個以V4執行。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

這項技術許多車企都有采用,只是一直停留在大排量引擎上,未能在更小排量四缸上運用,其原因一共有兩點:

第一、進排氣關閉技術十分複雜,何時開啟何時關閉,如何結合節氣門位置、轉速、速度、溫度、空調等各個因素,給出最合適的選擇都十分困難。

凱迪拉克XT4搭載的全新2。0T可變缸渦輪增壓發動機創新運用了一種名為Tripower可變氣門管理技術,它搭配了一個特殊製作的三段式滑動凸輪軸,由這三段可以實現三種模式,分別是四缸高效能模式、四缸經濟模式、兩缸超級經濟模式,而其中的奧妙就在這個滑動凸輪軸上。

市面上大多數發動機的氣門是固定的,角度有且只有一種。凱迪拉克XT4上的發動機採用的可變氣門設計,只需要透過切換凸輪軸上高度不同的凸輪就可以改變氣門的升降。比如低負荷時,用小氣門升程控制進氣量控制噴油,實現經濟性,高負荷時採用較大氣門升程增加進氣量,發動機多噴油從而爆發更大動力。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

至於停缸時,凸輪軸只要切換到沒有升程的凸輪即可將氣門關閉,從而停缸。整個Tripower可變氣門管理技術會透過ECU電子控制單元,根據發動機當前轉速、油門踏板位置選擇最佳氣門升程,適時切換“四缸高效能模式”、“四缸經濟模式”、“兩缸超經濟模式”三種工作模式。在帶來澎湃動力與平順駕駛感受的同時,顯著提升燃油經濟性。搭載該發動機的凱迪拉克XT4百公里加速時間最快僅需7。6秒,綜合油耗低至7。2升。

第二、四缸發動機停缸會讓引擎的震動變差,這也是過去主要在V6、V8引擎上使用此項技術的原因。

不過,凱迪拉克這款全新2。0T可變缸渦輪增壓發動機第一次在四缸上推出可變缸缸技術顯然經過了一些技術攻關。在路況相對穩定時,工程師會計算凱迪拉克XT4在車輛最小負荷時,發動機需要提供的最小功率和最小扭矩,並決定是否關閉其中兩個氣缸。即便關閉兩個氣缸,由於凱迪拉克XT4採用了比較優秀的發動機懸置技術,在發動機減震和抖動方面進行了一些處理,所以最終凱迪拉克XT4在城市擁堵路段、城市快速路、國道和高速公路上行駛時,並未有過於突兀的表現。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

發動機設計理念的轉變

隨著汽車車型向模組化完成轉變之後,發動機也開始陸續進入模組化發展階段,沃爾沃、寶馬以及賓士已經相繼推出發動機模組化的產品,然而凱迪拉克XT4搭載的全新2。0T引擎卻基於發動機模組化提出了另外一個理念——-「單缸最優」。

「單缸最優」理念與沃爾沃提出的發動機模組化不同,沃爾沃是以2。0T發動機為基礎研發出不同功率的版本,而通用是集中所有精力做出一個優秀的單氣缸,然後透過放大縮小或者拼接的方式形成其他排量或者不同動力的引擎。「單缸最優」理念對通用而言,有著更大的靈活性和拓展空間。

「單缸最優」理念的前提是單缸容積。在發動機長期的研究中,人們發現當氣缸越接近0。5L氣缸時,發動機熱效率越優秀,過大或過小都會導致發動機熱效率下滑。如果確定了單個氣缸容積,那麼四缸和三缸發動機缸體在氣缸中心距、缸徑、氣缸襯套、缸體高度等尺寸方面保持一致,則可以簡化零件系列的複雜性,並可以在必要時更快地適應其它結構。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

一旦發動機氣缸容積確定,就需要確定氣缸的內部構造,而這就要進行大量實驗,比如最佳化活塞表面、噴油方向以保證氣缸內氣體可以最快最均勻流動,同時關注火焰傳播和排放控制。經過這些設計流程,通用會得出一款最適合的單氣缸結構,然後透過這個「母體」製造出其他排量的引擎。

這種研發理念其實會帶來整體引擎技術實力的提升。由於基於「單缸最優」理念的引擎會被安裝到更高階的車型上,所以在發動機基礎結構上會考慮到更出色的表現而做出最優設計,因此帶動中低端車型引擎技術水平的提升,比如缸蓋一體化就已經大規模應用於通用全系車型了。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

同時,在「單缸最優」的理念下,發動機未來升級的潛能巨大,由於發動機先天預留了新技術的介面,所以當嚴格的燃油排放政策到來之際,車企可以更加自主靈活的選擇對發動機進行升級。

不過,最關鍵的還是隻有當發動機實現了「單缸最優」理念之後,車輛的模組化開發才會變的更加有意義。因為「單缸最優」理念讓發動機有了統一的動力懸置點,從而對應相似或相同的傳統系統、懸掛系統,車輛可以將發動機的影響降到最小,並帶來更加實用的駕駛艙空間。

新時代的引擎,如何考慮動力和油耗之間的平衡?

從結果上看,凱迪拉克XT4搭載的這款全新2。0T可變缸渦輪增壓發動機是希望在提供優秀動力的基礎上,提供更好的經濟性,因此它不但提升了原有的經濟型技術,還創新性提出了ATM主動熱管理技術,第一次在四缸發動機上推出Tripower可變氣門管理技術,這些新技術的採用對發動機經濟性大有裨益,也讓這款發動機成為了豪華品牌中的佼佼者。