排量與缸數不再守舊,小型化趨勢下遵循單缸最優?

雅斯頓原創文章 | 舒媚

發動機的排量和缸數,對於每一位汽車用戶來說都不陌生。縱觀發動機這一百多年的發展歷史,先是從單缸機開始萌芽發展,到了20世紀中葉,主要是四缸機、六缸機、八缸機的天下;進入21世紀,在節能減排趨勢下,已經很少看到六缸機和八缸機的身影,取而代之的則是四缸機和三缸機。

一百多年來,發動機缸數和排量經歷了一個從少變多、到現在又慢慢減少的過程,但是動力卻又沒有因此而大幅度降低,排量和缸數之間的關係要怎樣才能做到動力水平的一如既往?

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排量和缸數——矛盾共同體

排量可以說是決定發動機動力水平的最重要因素,對於大部分發動機來說,排量每增加一點,動力也會增加一些。如果不考慮成本,排量當然是越大越好,但是缸數則沒有那麼任性,並非越多越好。

這里首先需要明確單缸排量的概念。單缸排量指的是一台發動機單個缸的排量,比如1.0L的3缸機,單缸排量就是0.33L;2.0L的四缸機,單缸排量就是0.5L。也許很多人都認為單個缸的排量確立很簡單,就是總的排量除以缸數,但是事實上沒有那麼簡單。

選擇合適的缸數是發動機開發設計中很重要的一步。比如一台1.3T發動機,可以做成四缸機,每個缸排量是0.325L;也可以做成三缸機,每個缸的排量大概就是0.45L。

選用三缸還是四缸,對於一台同樣排量的發動機來說完全是兩種性能表現。總的來說,小型機氣缸數從成本、性能、平衡等問題出發,會使用較少的氣缸數,首選四缸,但是考慮到節能方向,也會選用三缸機。

那針對特定的排量,究竟是選擇三缸機還是四缸機這里面要考慮的東西太多了,涉及到缸徑,沖程,面容比,燃燒系統,進排氣等等,如下圖所示:

由於上述每一個參數都會牽一發而動全身,因此對於汽車廠商來說,缸數的選擇要綜合考慮發動機的各種性能表現。

比如缸徑沖程,缸徑越大,面容比就越大,這樣會有更多的燃燒熱量散失到外界;但是缸徑大也有好處,大缸徑意味著進排氣門直徑也越大,進排氣效率能夠得到提升,對熱效率也有好處。對於小缸徑,燃燒火焰往四周傳播的距離越短,也可以得到更好的燃燒,爆震的風險也越小。

而沖程越長,曲軸每轉一圈時,活塞經過的路程就越長,氣體的膨脹也就越充分,燃燒發出的熱量更多地轉化為機械能,因此熱效率也就越高。長沖程也意味著高的活塞平均速度,活塞速度的提高則發動機功率也能提高;但是長沖程也帶來了高的熱負荷以及曲柄連桿機構的慣性負荷,摩擦損失也會增加。

除了缸徑沖程,還有進排氣組合,燃燒系統,增壓器選擇等等。這些參數之間的相互博弈十分複雜,缸數與排量的組合絕非易事。

所謂道生一,一生二,二生三,三生萬物。那我們究竟是要更好的燃燒過程,還是較高的功率表現?是想讓燃燒氣體更多的膨脹做功還是盡可能的降低摩擦損失?或者是想讓發動機低速高扭還是高轉高扭?

選擇不一樣,結果就不一樣。

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單缸最優——矛盾破解之道

大量的實踐與理論分析表明,對於目前主流的1.0—1.5L排量發動機,最佳單缸排量區間為0.33-0.5L。不過,也不是所有汽車廠商都會用到這個概念,比如豐田的1.2T四缸卡羅拉,選擇了0.3L的單缸排量;而在單缸最優思路下開發的通用1.3T Ecotec 發動機,則是選擇了0.43L的單缸排量。

所謂單缸最優的思路,簡單理解就是在模塊化發動機的前提下,重點關注單個氣缸的最優解,充分發掘並釋放單個氣缸的潛力,讓性能得到最大提升。

單缸最優分為兩個方面:單缸結構最優和單缸燃燒最優。

單缸結構最優,無非就是缸徑、沖程、燃燒室設計、低摩擦材料、曲柄連桿設計等方面。通用推出的1.3T發動機為此開發了新型的魚腹型高滾流氣道,以及平面擠氣燃燒室,目的是為了提高湍流強度,加快燃燒速度,讓燃料能夠充分的與空氣混合。

而在活塞環以及氣缸內壁材料方面,通用1.3T發動機採用了低摩擦塗層技術;活塞環使用的是低張力DLC(Diamond Like coating)類金剛石塗層活塞環。DLC塗層具有比鋼材更高的硬度和耐磨性,塗層採用高難度的低溫物理氣相沉積的方式沉積在活塞環表面,相比一般PVD塗層,硬度提升了100%,耐磨性提升了80%,摩擦損失功跟上代發動機相比減少了15%。

缸體缸套以及曲柄連桿機構都高度集成化設計。比如鋁合金缸體,高熱傳導率的缸套能夠最大限度的降低重量,提高散熱效率;最優動力學設計的最優動力學曲軸孔偏置有利於提升充氣效率,降低活塞側向力。

由此可見,單缸結構設計地關鍵點是為了提高燃燒效率以及降低摩擦和散熱損失。

至於單缸燃燒系統最優,則主要是通過進排氣與噴油的組合,盡可能的提高燃燒速度。

繼續以通用的1.3T Ecotec為例,它的燃燒系統中採用了每缸兩個噴油器,雙噴噴油器協同噴射能夠做到更廣的噴射覆蓋面積以及更高的燃油霧化率,減少燃油濕壁,使噴射的燃油更多地參與燃燒;而且也可以靈活根據負荷的變化,配合進氣組織高效的燃燒方式。

在進氣方面,這台發動機配備了60度全程可變氣門正時系統,電磁閥直接布置在凸輪軸上,大幅提高相位器響應速度,而且進排氣門相位都可以獨立控制,這樣的好處就是進排氣的響應大大提高,在高低轉速均能保證最佳的進排氣效果。

對於汽油機這種進氣量決定噴油量的控制系統,進排氣的快速絕對是影響動力性能的決定性因素,因此燃燒系統中,小慣量渦輪的使用對於提高整車動力響應又很關鍵。這台發動機的增壓器使用的是小慣量的渦輪,重量輕慣性小,加速快,在1700轉就能夠讓發動機達到扭矩峰值,也解決了渦輪增壓發動機渦輪遲滯的問題。

以上,可以看出單缸燃燒系統最優的核心在於提高整個進排氣以及燃燒系統的響應速度。

這就是通用1.3T Ecotec發動機的最優單缸概念,通過合理選擇氣缸數,讓單個缸發揮的性能得到最大的優化,而不是片面的追求堆排量提高整體功率。

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單缸最優——概念如何落地

通用這台以單缸最優概念開發的1.3T發動機實際效果又是如何。以2018款新英朗與老款的1.4T進行對比:

從曲線上看,紅色曲線代表的1.3T Ecotec在同等轉速區間下功率扭矩也更大,功率扭矩曲線斜率更抖,意味著動力響應更快。1.4T英朗的排量還大了0.1L,但是在動力表現上,搭載1.3T的新款英朗各項數據更為突出,再看發動機曲線:

在油耗方面,經過單缸最優設計之後,2018款新英朗的綜合工況百公里油耗分別為5.8L/5.1L。其燃油經濟性相比上一代車型,綜合百公里油耗改善5%左右。

不過以上測試數據只是在標準實驗環境下測試出來的結果,實驗室數據僅作參考,為了考察英朗的真實道路表現,雅斯頓聯合駕仕派與買車問問進行了四款主流家轎的橫評:分別是:大眾1.4T朗逸,別克1.3T英朗,日產1.6L軒逸,豐田1.2T卡羅拉。(參考閱讀《在台風天完成賽道體驗後,我們重新找齊緊湊級轎車四強做了這件事 | 聯合測試》)

這四款車都是同級別各自的競爭的對手,他們之間的測評相對來說比較有說服力。

在加速方面,測試了0-60kph,0-80kph,0-100kph加速時間,大眾朗逸壓倒1.2T的卡羅拉,但是英朗的加速更勝一籌,百公里急加速在8秒多。加速快主要得益於快速響應的發動機,加速G值也大幅領先,說明提速猛,推背感最強。

油耗方面,在加滿92號汽油之後,進行了140km的市區,城市和盤山公路測試,並且輪換四個駕駛員輪流駕駛四個車。這次測試平均速度31km/h,由於均是真實路況,不同於實驗室,因此四個車的油耗都高於工信部平均油耗。

當然,由於三缸機在油耗方面具有天生的優勢,加上在發動機方面進行了最優化的設計,別克英朗在油耗測試中表現更好,其他三款車則水平相當。

結合技術與實際數據的分析,我們可以看出在1.5L以下排量的發動機中,選擇合適的缸數和單缸排量,並進行單缸最優化設計,乃是內燃機發揮最大性能的最佳選擇,是當下小型發動機設計趨勢,而不是片面的追求提高排量和缸數達到高性能。

圖片| 網路、雅斯頓

圖表 | 雅斯頓、駕仕派

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