国内在售2.0T发动机排行榜技术解析

最近在网上看见了一个非常用心的排行榜,《中国汽车市场2.0T引擎全景扫描与排行》,在其榜上罗列出了中国地区在售的165款车型所搭配的24款2.0T发动机的型号、主要技术以及外特性曲线图。事实上,全球主流车厂大都在最近几年转向涡轮增压的阵营,排量虽小,但马力和扭矩却有非常好的表现,因此装配涡轮增压发动机的车型像是雨后春笋一样接踵而至。这个榜单的意义其实就是对目前普遍性最高的2.0T涡轮增压发动机进行一次技术上的集体大列队,看谁能最大限度地发挥涡轮增压的优势,避免其劣势。认真看完之后除了对作者强大的搜集整理能力感到佩服外,还想谈一谈一些具有代表性的发动机技术发展趋势。

新技术革命了老涡轮

首先了解一下为什么现在主流的发动机都采用涡轮增压。涡轮增压即是指通过发动机排出的废气驱动涡轮增压器并压缩空气,在进气截面积不变的情况下增大发动机的进气量,使燃油得到充分燃烧,从而获得更大的扭矩和功率,提高发动机动力的技术。而车辆废气的排放到驱动涡轮压缩空气,再到发动机进气喷油燃烧,每一个过程都需要时间,所以涡轮迟滞就成了阻碍涡轮增压发动机发展的关键问题,例如榜上最后两位“纳智捷 C20TG”和陪伴我国汽车产业走过漫长岁月的 “航天三菱4G63S4T”,都采用了比较老旧的涡轮技术,2400rpm时扭矩输出才到达峰值,在日常驾驶中会感觉车子非常沉重,不够得心应手。但目前许多优秀的涡轮增压发动机通过复合增压、双涡流涡轮、可变截面涡轮等技术已经能做到大幅减少涡轮迟滞,开上去动力输出线性、灵敏,完全感觉不出是一台涡轮车。

让你感觉不到的涡轮机

在榜单中,排名前6位的2.0T发动机都使用了双涡流增压方式,这种增压方式是使点火顺序相邻的两个气缸的排气分别通过两根涡管进入涡轮,既消除了相邻两缸的排气干涉增加了排气效率,又让涡轮的启动更加敏感提前了涡轮的介入时机,再搭配偏重低扭的小缸径长冲程的气缸设计,例如“宝马N20”和“戴姆勒M274”,只要1250rpm就已经可以爆发出全部的扭矩,而且“宝马N20”能保持这样的最大扭矩输出直到4500rpm,这样出众的低扭表现在日常驾驶中相当实用,变道超车再也不用犹豫了。

直喷与涡轮才是最佳拍档

解决了涡轮迟滞问题后,各主机厂进一步做的就是降低油耗和减少排放来满足日益严苛的排放法规,这要比解决涡轮迟滞更困难。消费者往往存在这样的误区, 1.4T发动机有着1.4L的油耗和1.8L的动力,其实决定油耗的并不仅是排量,而是空燃比和转速,转速可以靠更敏感的涡轮和气缸结构设计做到低转速下扭矩的爆发。而空燃比一定的情况下,气缸每一次做工充进的空气越多所需的燃油也就越多,要做到涡轮增压机同样省油,首先就要掌握缸内直喷的稀薄燃烧技术。榜单中前18名无一例外的采用了缸内直喷设计,而垫底的6名全都使用进气歧管喷射的形式,这是因为缸内直喷是实现稀薄燃烧最好的方法。

让每滴燃油发挥最大能量

稀薄燃烧,顾名思义,就是说燃烧时气缸内空气中的燃料很稀薄,在空气与燃油比例大于18:1时,就可以将气缸内的燃烧状态称之为稀薄燃烧。稀薄燃烧的最大特点就是燃烧效率高、经济。同时因为在稀薄燃烧的条件下,混合气点火要比理论空燃比条件下更困难,暴燃也就更不容易发生,因此可以采用较高的压缩比设计,提高热能转换效率,发动机的功率输出也就得到了提升,例如居于榜首和榜眼位置的“宝马B48”和高功率版的“大众EA888 Gen.3B”,压缩比都超过了11:1,这甚至已经超过了一些自然吸气发动机的压缩比,所以它可以做到整个2.0T发动机队列中最强大的功率和扭矩输出,同时还能保证较低的油耗。不仅如此,稀薄燃烧还能使汽油在过量的空气里充分燃烧,所以发动机就能榨取每滴汽油的所有能量。但稀薄燃烧也不是完美的,在稀薄燃烧的情况下,废气中会有很多残留的氧气,同时排气的温度也较低,这两方面的原因使得三元催化器对NOx的还原转化率不高,从而增加了NOx的排放。而且由于油气混合时间较短,形成局部过浓区域可能性更大,所以直喷发动机的微粒排放要多于歧管喷射发动机,同时火焰在向外传播的过程中会逐渐减弱,容易熄灭,使混合气不能充分燃烧,进而产生积碳、增高排放。

会分层才是好直喷

为了解决稀薄燃烧所带来的弊端,榜单前18名的发动机又在缸内直喷基础上加入了一个革命性的技术——分层喷射技术,分层喷射技术最显著的优点就是在缸内直喷利用稀薄燃烧技术提供更大的输出功率和扭矩的同时,还能够进一步提高燃油经济性和降低排放减轻积碳。

直喷与积碳成了死敌

而不同发动机采用的分层喷射技术也不止一种,如“大众EA888”“丰田8AR-FTS”等榜上大多数缸内直喷发动机采用的“壁面导向燃烧(Wall-guided)”分层喷射技术,这也称之为第一代分层燃烧技术。这种分层燃烧的特点是燃油喷注与燃烧室壁面的相互作用形成混合气,再借助于燃烧室的特殊形状,在涡流和滚流的作用下,将混合气引导到火花塞附近,在火花塞周围形成易于点火的浓混合气,混合比达12:1左右,外层逐渐稀薄,较浓混合气点燃后,燃烧迅速波及外层以形成分层燃烧。但由于壁面导向使得燃油喷雾与活塞顶及气缸壁发生碰撞,而缸壁的温度又较低,从而导致燃油在燃烧前来不及蒸发,形成“湿壁效应”,产生未燃碳氢化合物,影响排放并产生积碳,导致壁面导向型燃烧没办法充分开发出在降低油耗方面的潜力,这也是人们总说的缸内直喷容易产生积碳的原因。

减排并不简单

为了优化缸内直喷的这些弊端,工程师们又研发了一种全新的分层喷射技术,如榜首的“宝马B48”以及里程碑级的“宝马N20”和堪称机械杰作的“戴姆勒M274”都采用了“喷注导向燃烧(Spray-guided)”的分层喷射技术。这种技术能够显著降低“湿壁效应”,充分发挥分层燃烧的潜力,是目前最先进的缸内直喷技术。其特点是喷油嘴与火花塞之间的距离小,通过压电驱动的喷油器针阀开启极为迅速,能以极短的时间在压缩冲程后实现多次喷油,形成分层燃烧,提高燃烧效率和燃油经济性的同时降低了排放。但仍会存在一部分问题,如喷油嘴和火花塞积碳、火花塞热负荷大等,因此更稳定更灵敏的喷油嘴,和更高的喷射压力是喷注导向直喷发动机的研发方向。

进气也有新玩法

除了在燃烧上下功夫外,各主机厂为了更进一步的减少油耗和降低排放,在发动机做工的循环方式上同样开始进行改进,使涡轮增压发动机同样实现阿特金森循环的工作模式,所谓阿特金森循环,就是引擎的做功冲程比压缩冲程更长,相当于用相同的燃油,做更多的功,效果就是更加省油。如“大众EA888 Gen.3B”、“丰田8AR-FTS”、“斯巴鲁FA20F”三款增压发动机,在处于低负载工况时,通过凸轮轴相位调节,在压缩冲程中使进气门延迟关闭,挤出一小部分空气,这样尽管做功冲程没有变化,但气缸内混合气少了,相当于压缩冲程变短了,发动机进入阿特金森循环模式(运用在增压发动机上的阿特金森循环可以称为米勒循环),实现燃烧效率的最大提升。也就是说匀速行驶在限速60km/h的城市道路上时,发动机负载相对较低,此时旁通阀打开,涡轮不介入工作,同时凸轮轴相位调整到使进气门晚关闭状态,发动机进入阿特金森循环模式,最大限度地降低油耗,当你需要超车加速时,涡轮重新介入,凸轮轴相位调整回正常状态,发动机进入奥托循环模式,爆发动力从而顺畅加速。

技术永远不会止步

纵观整个2.0T发动机排行榜,我认为居于前几名的发动机各具特点,难分高下,不论是政策所需还是市场所向,每一款新的发动机都在不遗余力地挖掘着传统内燃机的效率极限,除了榜单上这些2.0T发动机们为了降低能耗提高效率带来的新技术外,还有很多例如F1赛车上用的“气动气门技术”等更先进的技术在逐渐融入量产车当中,目的只有一个,就是更高效,在内燃机技术已经达到一个较高平台今天,还能研发出什么新技术去挑战电动化的趋势,相信大家和我一样期待。

最后让我们看一下榜单中前三甲的优秀发动机最低都装配在哪些车型上, 这也是你可以拥有的最低目标:

“宝马B48”,最低装配在2016款MINI COOPER S 2.0T手动版,售价28.50万。

“大众EA888 Gen.3”,最低装配在2016款高尔夫GTI 2.0TSI,售价23.99万。

“丰田8AR-FTS”,最低装配在2015款汉兰达 2.0T 两驱精英版 5座,售价23.98万。

二十多万元的价格,你买到的不仅是最先进的发动机技术带给我们的高效体验,更是数以千计的工程师们为了技术的革新付出的那份执着,为世界上所有的执着致敬。

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