从2016全球最佳发动机奖,看发动机的未来趋势

  • 唐华寅
  • 发表于: 2016/06/07 06:57:00 来源:欧洲汽车那些事儿

随着米勒+增压的组合的到来,发动机增压压力将不会持续大幅上升,目的是为最大效率让路,达到最佳妥协点。

6月初在德国斯图加特,UKIP Media & Events Ltd 颁布了2016年的最佳发动机奖项。此奖项由来自三十一个国家的六十二位专业记者共同投票评选生成,不受任何汽车生产商和经销商的广告费支持和其他经济支持。因此,一直是行业内最具权威的评选之一。

其实各个排量级别的较量并没有什么意外,因为去年本就没有什么特别的大批量机型诞生。依旧是老牌的1.0T,1.2T,1.5T,2.0T这几个往年的机型继续蝉联各自级别的冠军。 


2016年获奖产品2015年获奖产品
1.0升以下福特1.0T三缸福特1.0T三缸
1.0-1.4升标致雪铁龙1.2T三缸标致雪铁龙1.2T三缸
1.4-1.8升宝马1.5T三缸油点混动宝马1.5T三缸油电混动
1.8-2.0升

奔驰2.0T四缸

奔驰2.0T四缸
2.0-2.5升奥迪2.5T五缸奥迪2.5T四缸
2.5-3.0升保时捷3.0T六缸宝马3.0T六缸
3.0-4.0升法拉利3.9T八缸迈凯伦3.8八缸
4.0升以上法拉利6.3升自然吸气法拉利4.5升自然吸气

其中重点的几款小排量机型均是升功率在100kW/L左右的三缸汽油机。从这些获奖的发动机上,我们可以发现越来越多的技术共同点与下一步发展确实。

中置直喷:优化燃油雾化

喷射系统轨压正在从200bar朝向300-350bar发展。过高的汽油喷油压力会对油轨的可靠性和防腐性产生影响,另外也可能会导致喷射穿透长度过远产生的缸壁挂流。而且,中置喷油系统必然给缸盖的强度设计带来挑战。接下来,随着2020年法规的实施,进气道喷射+直喷的组合会逐渐出现,以降低颗粒物排放数量。一部分小型汽油机也会以直喷+GPF的模块化组合出现。

另外,一些低成本大批量发动机可能会继续选用经济可靠的气道喷射系统从根本上避免PN问题。对于直喷机型,逐渐会看到支持2-3次喷射的轻量化喷油嘴,以从直喷的角度克服颗粒物排放和冷启动排放。不过,轻量化喷油嘴的运动件在高频工作下的响应特性会对ECU前馈预估喷油量带来非常大挑战,因为在第二次和第三次喷油时喷油嘴的响应和Lift会受到之前活动的影响,这对于需要精准控制的空燃比来说很有挑战。

集成式排气岐管:降低排气温度和提高暖机速度

排气温度一直是汽油机高功率时加浓空燃比(增加喷油量),导致实际道路驾驶油耗偏高的罪魁祸首。福特1.0T之所以可以达到几乎不用加浓,就要归功于集成排气岐管和高温涡轮及排气系统(可承受1000-1050摄氏度,比常见的900-950度左右的汽油机最高排气温度要高很多)。在发动机冷启动时,排气向缸盖和岐管散热的速率主要由散热面积和流速决定(因为壁温主要还停留在室温状态)。因此,降低散热面积能够有效减少冷启动时的能量流失。

总体来看,集成排气岐管往往可以降低冷启动三元加热的时间10-20%左右(主要由排气阀到三元催化之间总壁面面积决定),同时提高高载荷稳态排气冷却效果(主要由水冷部分的壁面面积决定)。因此,合适的水冷/总壁面面积也是高效集成排气岐管的主要参数之一。但是这需要排气岐管的精确设计,因为在冷启动和稳态工作时的需求产生了差异。

比如,如果集成排气道直径设计有偏差,流速的变化将直接影响传热量,设计的不好甚至可能会起到反作用。总体的设计目标就是:降低整体散热面积,同时提升水冷部分的散热面积。而其中的排气道直径将由目标流量和流速决定,然后根据现有机型(或者目标机型)热分析数据中的壁温水温气温进行CFD优化和硬件选型。

大众EA888发动机热力学分析模型大众EA888发动机热力学分析模型

强化排气脉冲:改善涡轮在发动机低转速时响应速度

三缸机互不交叉的排气脉冲是涡轮最喜欢的,而我们也可以发现现在相当一部分四缸机开始使用双流道系统增强脉冲。在六缸机上,增强脉冲可以通过双流道或者双涡轮(每个涡轮针对三个气缸)的方式进行。实际上,除了分离排气脉冲之外,进一步的做法可以使用Mixed Flow Turbine(混流涡轮,或称混合式涡轮),它可以让涡轮在脉冲工况下的效率提升。所以第一步是提升排气的脉冲强度,下一步可能就是在提升强脉冲下的效率了。

这种涡轮已经用在福特1.0T和大众 1.5T 汽油机VGT之上。但是,高脉冲对于发动机的性能开发和预测带来很大挑战,因为涡轮在脉冲下的效率很难准确估算。所以这就需要涡轮供应商对涡轮在更大工作区间内进行测试(脉冲强度与双流道流量比例)。

另外,双流道中间的壁面在汽油机高温和大温差循环工况下的耐久性需要有针对性的设计,而且额外的壁面会在大流量时带来略多的排气摩擦损失。

传统涡轮与混流涡轮区别对比传统涡轮与混流涡轮区别对比

*以上三个方向,在实际开发过程中都需要大量的行业数据,原始或者目标机型的基础测试数据(大量高频压力、温度、流量测试、光学单缸等试验数据),以及1D-CFD-FEA仿真计算和边界条件的相互配合和交叉。整套系统工程实际也囊括了行业主流OEM多年以来积淀的开发流程、改善、质量控制和内部数据。笔者在看到了目前国内自主品牌的投入和进展之后也坚信,自主品牌的赶超过程正在发生。

水冷式中冷

随着增压压力的提高和发动机平均有效压力的提升,汽油机燃烧点火时间对于进气温度敏感度的重要性开始凸显。以往的空冷式中冷已经不能满足高增压所需求的传热效率和散热量需求(中冷后目标温度35-40摄氏度左右)。

因此,一般高增压机型需要一套单独的低温冷却液水冷系统,独立于发动机主体的高温冷却系统而存在,配以一个小型散热片位于车辆前端。其实包括水冷中冷和集成排气岐管在内,这两者都对车辆前端的散热能力提出巨大挑战。在小排量花发动机缩小发动机缸体尺寸的同时,车辆散热系统往往会加大,产生与车辆外形设计和发动机舱布局相冲突的取舍关系。

米勒循环

米勒循环和涡轮增压的结合将会是接下来的一大趋势之一。米勒提供高膨胀比带来的最高效率点提升,增压改善由于升功率降低导致的过大排量和暖机速度变慢及摩擦升高的问题。随着MHEV和强混,插电混动的到来,发动机所需要覆盖的高效区间逐渐变小。使得怠速和2-5barBMEP区间内过度小排量化以及连续可变气门升程CVVL带来的优势降低。

小结

其他技术还有很多,包括智能热管理系统,高压缩比燃烧系统,高滚流进气道及缸内设计,闭缸技术等等。小排量机型的众多奖项与去年几乎没有变化。但是,最亮点的是年度综合最佳发动机奖颁给了法拉利3.9T八缸双涡轮增压汽油发动机!

最大功率492千瓦(126千瓦每升),最大扭矩760牛米。每四缸公用一个双流道水冷涡轮增压器(来自日本IHI石川岛),直喷+双气门正时可变,压缩比9.4:1。除了使用短冲程牺牲效率和低扭抗爆震性能,提升高转性能外(最大功率点在8000转),其他指标似乎越来越像欧美其他小排量增压发动机了。

笔者相信这一趋势会越来越强烈。但是随着米勒+增压的组合的到来,增压压力将不会持续大幅上升,目的是为最大效率让路,达到最佳妥协点。

和2015年一样,2016年的最佳绿色动力系统给了特斯拉的纯电动驱动系统。不管这是立牌坊以显示行业大牌们跟得上潮流、搞政治(给特斯拉个奖玩玩),还是货真价实的给特斯拉奖,无可否认的是,各大老牌主机厂不管在公开场合怎么表示忽略特斯拉,都已经在内部将特斯拉列为主要竞争对手之一。即使现在特斯拉每卖一辆车还在亏钱,但他已经在汽车行业的历史上写下了一笔,并且给行业注入了新的灵感和动力。要知道,丰田90年代开始卖普锐斯的时候也是亏钱亏了不少年。

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