新时代的引擎,如何考虑动力和油耗之间的平衡?

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雅斯顿原创文章|默默

传统引擎已经不知道是第几次变革了。涡轮增压刚兴起的时候,Downsizing是主流,以更小体积更小排量抗衡摩擦和燃烧不充分带来的负面影响。这之间还引发了涡轮增压和自然吸气之间孰优孰劣的争论,但都随日系品牌转型涡轮增压之后烟消云散。

 

Downsizing之后是Rightsizing,即不单纯强调降低排量转而强调合适体积、合适布局,所以小排量三缸涡轮发动机迅速成为潮流,当然这也是因为1.5L左右排量引擎占据中国市场绝大份额。在小排三缸争论即将尘埃落定之际,更加棘手的2.0T引擎何去何从已经箭在弦上了。



不同于小排增压引擎极强的经济诉求,2.0T是经济和动力分水岭,是侧重动力还是注重油耗,车企该如何调整才能满足未来人们的需求?这一点,凯迪拉克XT4搭载的全新2.0T可变缸涡轮增压引擎给出了他们的答案。



技术升级带来更好体验

政府对排放的要求越来越严格,虽然面对2020年尚有两年过渡,但个别省市提前实行国六已经表明了政府对汽车限制油耗排放的决心。这对汽车制造商来说是一重考验,汽车制造商不得不更加关注油耗。

 

从古到今,提高发动机热效率始终离不开两个方面:

 

1、   增加燃烧中产生的能量:也就是无论如何都让汽油燃烧的更加充分,释放更多的能量;

 

2、   减少传动过程中损失的能量,燃油产生的能量很大一部分被浪费在发动机内部机械之间的摩擦过程中,改善冷却和润滑则可以让更多能量充分利用起来。

 

 

可以说过去数十年,工程师一直没有停止过这两个方面的研究,并且推出了许多革命性的技术,但当所有技术都开发完毕之后,剩下需要做的就是进一步提高技术的深度,

比如对发动机燃效影响极为明显的缸内直喷,不仅直接改善了歧管喷射汽油雾化能力的不足,使汽油以更小颗粒存在,增加了汽油与空气的接触面积,让汽油燃烧的更加充分,而且还可以精确控制喷油量,大大提升汽油的燃烧效率。

 

只不过,过去主流涡轮增压引擎由于技术的限制,直喷压力大都集中在20MPa左右,比如大众的EA888发动机。如今,凯迪拉克XT4将这一系统的疗效再度提升,从过去20MPa提升至35MPa,更大的直喷压力可以有效提升发动机压缩比,并带来更好的燃烧效率。

 

 

双涡道电动放气阀涡轮增压器则是对单涡轮双涡管的再度升级,从机械式控制气体流速到加入电气化设备精确控制气体流速,凯迪拉克XT4全新2.0T可变缸涡轮增压引擎不仅可以实现对进气量的控制,而且可以达到提升低速动力响应的目的。

 

ATM主动热管理系统可以说是凯迪拉克XT4全新2.0T引擎上的一个亮点。由于发动机是由各种零部件组装在一起的,各个零部件有着不同的适宜温度,如果不对温度进行控制,那么发动机的热效率无法提升到最大,因此全新2.0T引擎加入了全球首创的电子水泵与电控球阀模块组成的ATM主动热管理系统,再加上可变排量机油泵、智能主动电控碳罐泵,可以实现对发动机各个区域温度的控制。

 

 

实际上,ATM主动热管理系统并不光负责发动机,还负责变速箱,当变速箱温度过高时,ATM可以将这部分热量带回发动机;当发动机过热时,ATM又可以将热量传递至变速箱。这样可以有效避免激烈驾驶中,变速箱温度过热的情况发生。



不同工况的不同对待

发动机越发智能的标志是应对不同工况可以做出不同的反应。虽然过去也有厂商推出过类似技术,但大都简单直接,比如马自达创驰蓝天发动机以超高压缩比为主要卖点,但同样出现了低速动力不足的问题,因此马自达将发动机设计成低速奥托循环,高速阿特金森循环两种模式。

 

 

不过,马自达的处理方式只是一种妥协的做法,如今凯迪拉克XT4搭载的2.0T全新引擎推出了更优秀的解决方案---在四缸发动机上推出了可变气缸技术。

 

其实「可变气缸」并不是一个新鲜的技术,这项在1981年同样由凯迪拉克率先量产的技术,最初只是运用在一些大排量的引擎上。在人们不需要所有气缸同时工作时,通过关闭其中几个气缸以求得到更好的经济性(大概可以提升30%),这是大排量引擎提高经济性比较重要的手段。最初凯迪拉克搭载V8引擎就可以通过关闭2个气缸变为V6,甚至可以再关闭两个以V4运行。

这项技术许多车企都有采用,只是一直停留在大排量引擎上,未能在更小排量四缸上运用,其原因一共有两点:

第一、进排气关闭技术十分复杂,何时开启何时关闭,如何结合节气门位置、转速、速度、温度、空调等各个因素,给出最合适的选择都十分困难。

 

凯迪拉克XT4搭载的全新2.0T可变缸涡轮增压发动机创新运用了一种名为Tripower可变气门管理技术,它搭配了一个特殊制作的三段式滑动凸轮轴,由这三段可以实现三种模式,分别是四缸高性能模式、四缸经济模式、两缸超级经济模式,而其中的奥妙就在这个滑动凸轮轴上。

市面上大多数发动机的气门是固定的,角度有且只有一种。凯迪拉克XT4上的发动机采用的可变气门设计,只需要通过切换凸轮轴上高度不同的凸轮就可以改变气门的升降。比如低负荷时,用小气门升程控制进气量控制喷油,实现经济性,高负荷时采用较大气门升程增加进气量,发动机多喷油从而爆发更大动力。

 

至于停缸时,凸轮轴只要切换到没有升程的凸轮即可将气门关闭,从而停缸。整个Tripower可变气门管理技术会通过ECU电子控制单元,根据发动机当前转速、油门踏板位置选择最佳气门升程,适时切换“四缸高性能模式”、“四缸经济模式”、“两缸超经济模式”三种工作模式。在带来澎湃动力与平顺驾驶感受的同时,显著提升燃油经济性。搭载该发动机的凯迪拉克XT4百公里加速时间最快仅需7.6秒,综合油耗低至7.2升。

第二、四缸发动机停缸会让引擎的震动变差,这也是过去主要在V6、V8引擎上使用此项技术的原因。

不过,凯迪拉克这款全新2.0T可变缸涡轮增压发动机第一次在四缸上推出可变缸缸技术显然经过了一些技术攻关。在路况相对稳定时,工程师会计算凯迪拉克XT4在车辆最小负荷时,发动机需要提供的最小功率和最小扭矩,并决定是否关闭其中两个气缸。即便关闭两个气缸,由于凯迪拉克XT4采用了比较优秀的发动机悬置技术,在发动机减震和抖动方面进行了一些处理,所以最终凯迪拉克XT4在城市拥堵路段、城市快速路、国道和高速公路上行驶时,并未有过于突兀的表现。

 


发动机设计理念的转变

 

随着汽车车型向模块化完成转变之后,发动机也开始陆续进入模块化发展阶段,沃尔沃、宝马以及奔驰已经相继推出发动机模块化的产品,然而凯迪拉克XT4搭载的全新2.0T引擎却基于发动机模块化提出了另外一个理念---「单缸最优」。

 

「单缸最优」理念与沃尔沃提出的发动机模块化不同,沃尔沃是以2.0T发动机为基础研发出不同功率的版本,而通用是集中所有精力做出一个优秀的单气缸,然后通过放大缩小或者拼接的方式形成其他排量或者不同动力的引擎。「单缸最优」理念对通用而言,有着更大的灵活性和拓展空间。

「单缸最优」理念的前提是单缸容积。在发动机长期的研究中,人们发现当气缸越接近0.5L气缸时,发动机热效率越优秀,过大或过小都会导致发动机热效率下滑。如果确定了单个气缸容积,那么四缸和三缸发动机缸体在气缸中心距、缸径、气缸衬套、缸体高度等尺寸方面保持一致,则可以简化零件系列的复杂性,并可以在必要时更快地适应其它结构。

 

 

一旦发动机气缸容积确定,就需要确定气缸的内部构造,而这就要进行大量实验,比如优化活塞表面、喷油方向以保证气缸内气体可以最快最均匀流动,同时关注火焰传播和排放控制。经过这些设计流程,通用会得出一款最适合的单气缸结构,然后通过这个「母体」制造出其他排量的引擎。

这种研发理念其实会带来整体引擎技术实力的提升。由于基于「单缸最优」理念的引擎会被安装到更高级的车型上,所以在发动机基础结构上会考虑到更出色的表现而做出最优设计,因此带动中低端车型引擎技术水平的提升,比如缸盖一体化就已经大规模应用于通用全系车型了。

 

 

同时,在「单缸最优」的理念下,发动机未来升级的潜能巨大,由于发动机先天预留了新技术的接口,所以当严格的燃油排放政策到来之际,车企可以更加自主灵活的选择对发动机进行升级。

 

不过,最关键的还是只有当发动机实现了「单缸最优」理念之后,车辆的模块化开发才会变的更加有意义。因为「单缸最优」理念让发动机有了统一的动力悬置点,从而对应相似或相同的传统系统、悬挂系统,车辆可以将发动机的影响降到最小,并带来更加实用的驾驶舱空间。

 

 

从结果上看,凯迪拉克XT4搭载的这款全新2.0T可变缸涡轮增压发动机是希望在提供优秀动力的基础上,提供更好的经济性,因此它不但提升了原有的经济型技术,还创新性提出了ATM主动热管理技术,第一次在四缸发动机上推出Tripower可变气门管理技术,这些新技术的采用对发动机经济性大有裨益,也让这款发动机成为了豪华品牌中的佼佼者。


图 | 来源于网络


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