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小型化趋势下遵循单缸最优?

雅斯顿 10-13

小型化趋势下遵循单缸最优?

雅斯顿原创文章|舒媚

发动机的排量和缸数,对于每一位汽车用户来说都不陌生。纵观发动机这一百多年的发展历史,先是从单缸机开始萌芽发展,到了20世纪中叶,主要是四缸机、六缸机、八缸机的天下;进入21世纪,在节能减排趋势下,已经很少看到六缸机和八缸机的身影,取而代之的则是四缸机和三缸机。

一百多年来,发动机缸数和排量经历了一个从少变多、到现在又慢慢减少的过程,但是动力却又没有因此而大幅度降低,排量和缸数之间的关系要怎样才能做到动力水平的一如既往?

小型化趋势下遵循单缸最优?

排量和缸数——矛盾共同体

排量可以说是决定发动机动力水平的最重要因素,对于大部分发动机来说,排量每增加一点,动力也会增加一些。如果不考虑成本,排量当然是越大越好,但是缸数则没有那么任性,并非越多越好。

这里首先需要明确单缸排量的概念。单缸排量指的是一台发动机单个缸的排量,比如1.0L的3缸机,单缸排量就是0.33L;2.0L的四缸机,单缸排量就是0.5L。也许很多人都认为单个缸的排量确立很简单,就是总的排量除以缸数,但是事实上没有那么简单。

选择合适的缸数是发动机开发设计中很重要的一步。比如一台1.3T发动机,可以做成四缸机,每个缸排量是0.325L;也可以做成三缸机,每个缸的排量大概就是0.45L。

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选用三缸还是四缸,对于一台同样排量的发动机来说完全是两种性能表现。总的来说,小型机气缸数从成本、性能、平衡等问题出发,会使用较少的气缸数,首选四缸,但是考虑到节能方向,也会选用三缸机。

那针对特定的排量,究竟是选择三缸机还是四缸机这里面要考虑的东西太多了,涉及到缸径,冲程,面容比,燃烧系统,进排气等等,如下图所示:

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由于上述每一个参数都会牵一发而动全身,因此对于汽车厂商来说,缸数的选择要综合考虑发动机的各种性能表现。

比如缸径冲程,缸径越大,面容比就越大,这样会有更多的燃烧热量散失到外界;但是缸径大也有好处,大缸径意味着进排气门直径也越大,进排气效率能够得到提升,对热效率也有好处。对于小缸径,燃烧火焰往四周传播的距离越短,也可以得到更好的燃烧,爆震的风险也越小。

而冲程越长,曲轴每转一圈时,活塞经过的路程就越长,气体的膨胀也就越充分,燃烧发出的热量更多地转化为机械能,因此热效率也就越高。长冲程也意味着高的活塞平均速度,活塞速度的提高则发动机功率也能提高;但是长冲程也带来了高的热负荷以及曲柄连杆机构的惯性负荷,摩擦损失也会增加。

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除了缸径冲程,还有进排气组合,燃烧系统,增压器选择等等。这些参数之间的相互博弈十分复杂,缸数与排量的组合绝非易事。

所谓道生一,一生二,二生三,三生万物。那我们究竟是要更好的燃烧过程,还是较高的功率表现?是想让燃烧气体更多的膨胀做功还是尽可能的降低摩擦损失?或者是想让发动机低速高扭还是高转高扭?

选择不一样,结果就不一样。

单缸最优——矛盾破解之道

大量的实践与理论分析表明,对于目前主流的1.0—1.5L排量发动机,最佳单缸排量区间为0.33-0.5L。不过,也不是所有汽车厂商都会用到这个概念,比如丰田的1.2T四缸卡罗拉,选择了0.3L的单缸排量;而在单缸最优思路下开发的通用1.3TEcotec发动机,则是选择了0.43L的单缸排量。

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所谓单缸最优的思路,简单理解就是在模块化发动机的前提下,重点关注单个气缸的最优解,充分发掘并释放单个气缸的潜力,让性能得到最大提升。

单缸最优分为两个方面:单缸结构最优和单缸燃烧最优。

单缸结构最优,无非就是缸径、冲程、燃烧室设计、低摩擦材料、曲柄连杆设计等方面。通用推出的1.3T发动机为此开发了新型的鱼腹型高滚流气道,以及平面挤气燃烧室,目的是为了提高湍流强度,加快燃烧速度,让燃料能够充分的与空气混合。

而在活塞环以及气缸内壁材料方面,通用1.3T发动机采用了低摩擦涂层技术;活塞环使用的是低张力DLC(DiamondLikecoating)类金刚石涂层活塞环。DLC涂层具有比钢材更高的硬度和耐磨性,涂层采用高难度的低温物理气相沉积的方式沉积在活塞环表面,相比一般PVD涂层,硬度提升了100%,耐磨性提升了80%,摩擦损失功跟上代发动机相比减少了15%。

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缸体缸套以及曲柄连杆机构都高度集成化设计。比如铝合金缸体,高热传导率的缸套能够最大限度的降低重量,提高散热效率;最优动力学设计的最优动力学曲轴孔偏置有利于提升充气效率,降低活塞侧向力。

由此可见,单缸结构设计地关键点是为了提高燃烧效率以及降低摩擦和散热损失。

至于单缸燃烧系统最优,则主要是通过进排气与喷油的组合,尽可能的提高燃烧速度。

继续以通用的1.3TEcotec为例,它的燃烧系统中采用了每缸两个喷油器,双喷喷油器协同喷射能够实现更广的喷射覆盖面积以及更高的燃油雾化率,减少燃油湿壁,使喷射的燃油更多地参与燃烧;而且也可以灵活根据负荷的变化,配合进气组织高效的燃烧方式。

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在进气方面,这台发动机配备了60度全程可变气门正时系统,电磁阀直接布置在凸轮轴上,大幅提高相位器响应速度,而且进排气门相位都可以独立控制,这样的好处就是进排气的响应大大提高,在高低转速均能保证最佳的进排气效果。

对于汽油机这种进气量决定喷油量的控制系统,进排气的快速绝对是影响动力性能的决定性因素,因此燃烧系统中,小惯量涡轮的使用对于提高整车动力响应又很关键。这台发动机的增压器使用的是小惯量的涡轮,重量轻惯性小,加速快,在1700转就能够让发动机达到扭矩峰值,也解决了涡轮增压发动机涡轮迟滞的问题。

以上,可以看出单缸燃烧系统最优的核心在于提高整个进排气以及燃烧系统的响应速度。

这就是通用1.3TEcotec发动机的最优单缸概念,通过合理选择气缸数,让单个缸发挥的性能得到最大的优化,而不是片面的追求堆排量提高整体功率。

小型化趋势下遵循单缸最优?

单缸最优——概念如何落地

通用这台以单缸最优概念开发的1.3T发动机实际效果又是如何。以2018款新英朗与老款的1.4T进行对比:

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从曲线上看,红色曲线代表的1.3TEcotec在同等转速区间下功率扭矩也更大,功率扭矩曲线斜率更抖,意味着动力响应更快。1.4T英朗的排量还大了0.1L,但是在动力表现上,搭载1.3T的新款英朗各项数据更为突出,再看发动机曲线:

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在油耗方面,经过单缸最优设计之后,2018款新英朗的综合工况百公里油耗分别为5.8L/5.1L。其燃油经济性相比上一代车型,综合百公里油耗改善5%左右。

不过以上测试数据只是在标准实验环境下测试出来的结果,实验室数据仅作参考,为了考察英朗的真实道路表现,雅斯顿联合驾仕派与买车问问进行了四款主流家轿的横评:分别是:大众1.4T朗逸,别克1.3T英朗,日产1.6L轩逸,丰田1.2T卡罗拉。(参考阅读《在台风天完成赛道体验后,我们重新找齐紧凑级轿车四强做了这件事|联合测试》)

这四款车都是同级别各自的竞争的对手,他们之间的测评相对来说比较有说服力。

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在加速方面,测试了0-60kph,0-80kph,0-100kph加速时间,大众朗逸压倒1.2T的卡罗拉,但是英朗的加速更胜一筹,百公里急加速在8秒多。加速快主要得益于快速响应的发动机,加速G值也大幅领先,说明提速猛,推背感最强。

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油耗方面,在加满92号汽油之后,进行了140km的市区,城市和盘山公路测试,并且轮换四个驾驶员轮流驾驶四个车。这次测试平均速度31km/h,由于均是真实路况,不同于实验室,因此四个车的油耗都高于工信部平均油耗。

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当然,由于三缸机在油耗方面具有天生的优势,加上在发动机方面进行了最优化的设计,别克英朗在油耗测试中表现更好,其他三款车则水平相当。

结合技术与实际数据的分析,我们可以看出在1.5L以下排量的发动机中,选择合适的缸数和单缸排量,并进行单缸最优化设计,乃是内燃机发挥最大性能的最佳选择,是当下小型发动机设计趋势,而不是片面的追求提高排量和缸数达到高性能。

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