被取代之前,发动机还将如何进化?

  • 发表于: 2015/05/11 05:30:06 来源:车云网

如果无视新能源看似汹涌的来势,对于发动机而言,唯一需要关注的就是满足法规中标明的日趋严格的节能与环保要求。

不论被炒得多么热火朝天,无论是哪种新能源,在占领王座的路上还需要排除千难万阻,即便万事俱备,就是走也得走一阵。在这段时间里,发动机唯一需要关注的,不是“敌人”走到了哪里,而是要如何去满足在法规中表明的日益严格的节能与环保要求,这样才能继续存活下去。

汽油机:以一看全

多翻几条相关新闻,基本上可以为打算继续奋斗的发动机们总结出一个普适的攻略:减小排量,2.0升发动机开始挑起大梁成为中坚力量,2.0升以下的小排量涡轮增压也在蓄势,预计三四年后将逐渐成为主力;不忘性能,动力性能不能随着排量降低而削弱,燃烧效率还得在细节上一点点往下抠,轻量化设计或者改善冷却润滑,都是常走的路子。

让发动机能够实现这些功能的手段很多,但是究其根本,要想降低油耗、提升性能,使用的手段都逃离不开两个基本点

  1. 1.增加燃烧过程中产生的能量:让进入到气缸中的燃油尽可能燃烧充分,产生更多的能量,燃油也得到了更充分利用,基本是围绕发动机的进气、燃油供给来下手。

  2. 2.减少传动过程中损耗的能量:燃油在燃烧之后产生的能量其实很大一部分都被消耗在发动机(以及传动系统,本文暂不讨论)动部件的摩擦之中,如果能够减小这些损耗,用于驱动车辆的能量就会更多。这方面则主要涉及到发动机的轻量化(尤其是动部件)以及发动机的冷却与润滑。

以一款车云菌曾现场观看过非暴力拆解的发动机——通用LTG 2.0T为例,这台发动机上使用的一些优化技术都可以按照这个方式进行归类。


ATS-L发动机拆解后的核心零部件

首先说增加燃烧中产生的能量,一般车企和供应商采用方法有两个:增加进气量,以及让燃油与空气混合更加充分,改善燃烧效果。

前者里面,最常用的则是涡轮增压器的使用。这台LTG上就使用了一台小型双涡管涡轮增压器,这一类型的增压器在现在的发动机上使用愈加普遍,是为了解决涡轮增压器存在的涡轮迟滞问题,改善低速下的动力输出。涡轮增压器的另外一个问题是高转速带来的高热量,凯迪拉克的办法是给它配备了一套空冷式中冷系统,加强运转时的冷却能力。据研发部门人员表示,这套中冷系统足够让涡轮增压器的温度保持在要求范围之内。

VVT(可变气门正时)也是增加进气量的常用办法之一,LTG 2.0T上采用双VVT结构,可调整角度相比之前的版本提升到了65°,可调整的角度范围越大,则系统的适应能力更强,更加灵活。

对于后者,LTG 2.0T也从两个角度双管齐下,一是加长了进气道对燃烧室的形状进行了优化,二是采用了博世出产的高压喷射系统,最大喷射压力20MPa。

然后是在减少能量损耗上。常规的轻量化手段比如铝合金缸体,比如中空的活塞与活塞销等,在这台发动机上均有使用,最具特色的发动机所使用的凸轮轴并非是传统样式的一根整轴,而是将所有凸轮依次嵌入到一根中空的轴上来减轻重量。在凸轮与轴之间通过花键配合的方式来进行定位与凸轮的固定。经过轻量化之后,整机重量在142公斤。

另一方面,发动机采用了偏心式可变排量机油泵。这个可变排量表现在两个方面,一个是偏心式结构本身在运转室,其内部就会因为发动机工况的变化而改变,从而导致供油量随之改变;另外这个机油泵上单独设有一个电子控制器,可以提供油压反馈,如果发现油压并不适合当前的运转工况,则会改变机油泵上控制油量的弹簧的压缩量,从而改变供油量。从控制角度来说,可以更加精准。

还有一些细节,比如发动机上设有活塞冷却喷嘴,会在高速工况下将机油喷射到活塞底部对其进行冷却;排气门中空充钠来促进冷却,降低运转时因为排气带来的高温等。

说起来,上面提到的这些已经具体应用了的技术,并没有哪一项是让人十分陌生的,其中出镜比较少的中空凸轮轴也并非是独此一家,长安去年上市的2014款CX20上所采用的EA14发动机同样有使用这项技术,还有奥迪的第三代TDI。另外,据研发人员透露,ATS-L这款发动机下一代上将使用缸盖集成式排气歧管的结构,并正在研发稀薄燃烧相关技术。

这并不是全部,同样是增压,使用相对较少的还有机械增压,以及大排量的变相妥协:可变排量技术等等。另外,更为细节一点的,喷油器侧置或者中置,正时皮带、正时链条、干式或者湿式,对哪个位置轻量化,选材料还是选工艺都值得好好研究一番。

共同的手段之外,秉承不同理念的企业也会选择一些不同的路子。比如同样选择了小型双涡管涡轮增压器的PSA,就并没有专设中冷器,而是增加了一个电子水泵,电动控制其运转单独给涡轮进行冷却,奥迪就看中了可变尺寸涡轮;马自达就一直与自然吸气死磕,挑战汽油机的最大压缩比,以此作为提升功率和降低油耗的路径,相应的发动机上所使用材料、工艺水平、为保证可靠性与寿命的辅助设计等,都必须同步更上;丰田就是执著于阿特金森循环,并在不同的运用上想尽办法来扬长避短,并且这种执著也感染了其他企业,通用正在考虑将其应用到下一代发动机上。

柴油机:渐成气候

大多数时候,在讨论发动机技术的时候基本上默认都是汽油机,柴油机则因为大家都懂的原因被各种边缘化。不过,因为柴油机天然的低能耗优势,在清洁柴油技术的加成下,一直是欧洲市场的主力军,最近在美国、日本及韩国市场,都开始发展起来。

国内目前乘用车领域柴油机的市场份额仅仅只有不到1%,不过因为第四阶段油耗标准的设定(2020年新车平均油耗达到5升)与国五标准的实施,油品的问题有得到解决的可能,柴油机在乘用车领域,尤其是SUV与MPV上的应用比例,将会逐步增大。

同样作为发动机,柴油机与汽油机的本质区别就在于燃烧过程从点火式变成了压燃(压缩燃烧,因为柴油的燃点低,可以依然压缩实现燃烧),因而,虽然汽油机提升性能的两个基本点同样适用于柴油机,但是在手段上却差距很大。

最为明显的区别是在排放情况上,清洁柴油技术是三管齐下:油品、改善燃烧过程以及尾气处理上。只看发动机的话,改善燃烧过程的措施基本上都是围绕着高压共轨油路着手。一方面,电控的高压共轨油路可以通过更精准的控制在合适的时间提供合适的油量,更主要是更高的压力让燃油的雾化效果更好。以欧洲市场柴油技术的主力供应商博世的产品为例,高压共轨系统的最大压力已经达到了200MPa。


博世柴油高压共轨系统CRS2-20

另外一项使用较多的则是多次喷射的技术,柴油机中燃油与空气在气缸中混合,又是采用压燃的方式,混合气的混合质量对于燃烧情况有很明显影响,多次喷射更有利于油气混合。直喷技术在汽油机上的应用让多次喷射也同样得到了移植。

而在燃烧过程之外的技术,在柴油机与汽油机上就是通用的,轻量化与小排量亦是柴油机的趋势。需要注意的是,因为燃烧方式的不同,柴油机的压缩比大于汽油机,单个气缸的直径也比汽油机大,发动机动部件受到的热负荷更高,因而在某些具体技术的使用上侧重点会有所不同。

车云小结:

车云菌曾经问过一些发动机的研发人员,在技术如此同质化的当下,是什么决定了发动机性能的不同?得到的回答大同小异:很多技术其实都是来自于零部件供应商,而并非车企自己研发,基本上来说,能够得到一款什么样的发动机,很大程度上取决于愿意花费多少成本。

听到这样的答案,或许你也会与车云菌一样暗自在心里感叹一番。不过,车云菌更想说的是,其实上文中提到的这些技术都可以算是进阶类技术,它的基础是一款底子好的发动机。底子好,锦上添花;底子不好,只能用来弥补短板。就好比涡轮增压的好处显而易见,自然吸气依然不缺少它的坚守者,而你很难说出这两者的优劣,就是因为这并非唯一的影响因素。

那么,究竟发动机上这些新的技术宠儿们的能力表现在哪些方面?如何让一款发动机从底子上就显出优劣?在电子技术加成愈多的当下,电控技术的突破口在哪里?柴油机与汽油机的路线有何不同?敬请关注车云菌后续系列报道。

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