汽车上的顶尖配置——新一代环保节能发动机介绍
2019-11-05 广龙先生 次 我有话说
电脑配置单的第一项永远是CPU,汽车上最核心的配置就是发动机。在欧6/国6排放标准及CAFÉ/CAFC节能法规的压力下,这两年各大车企相继发布新一代汽油内燃机,写篇文章给大家简单介绍一下新一代先进发动机的特点。
1 大众EA888 Gen.3Bz
欧洲量产效率最高的2.0T发动机。
汽车上的顶尖配置——新一代环保节能发动机介绍
EA888发展历程
 
主要特点是运用了称为Budack-cycle的米勒循环模式。B-循环由大众工程师Ralf Budack提出,在吸气行程下半段时提前关闭进气门,减少进气量,从而做到膨胀比大于压缩比。相比之下,丰田、本田、马自达采取的是在压缩行程晚关进气门,将部分空气又排出气缸的方式来实现。
米勒循环是阿特金森循环的工程实现方法,日本厂商和大众虽然方案不同,但殊途同归。EA888 Gen.3Bz在扭矩和转速低于某个阈值时,是节能取向B循环;超过后就转为奥拓循环。
同时,该发动机通过改变气缸顶部容积,将压缩比从EA888 Gen.3的9.7提高到11.7,也是提高热效率的一个有效手段。
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Gen3B型比Gen.3燃油经济性取得较大提高
 
最先列装EA888 Gen3.Bz的是国产奥迪A4L,目前大众车系也已经使用B型发动机了。137及140kW为Gen.3B型发动机,超过140kW的均是Gen.3型发动机,大家注意甄别。
2 大众EA 211 Evo 1.5T
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大众最新、热效率最高的发动机。虽然型号看起来差不多,但新的1.5T比老旧的1.4T进化巨大,1.5T国内投产后会替换1.4T和1.2T。
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EA211 evo与EA211相比,缸径不变,冲程变长。缸盖、缸体、曲轴、润滑及冷却系统、附件都有变更,具有以下技术特点:
2.1 闭缸功能
在极低负载工况下,可以关闭中间两缸,比较适合中国的佛系驾驶员。
2.2 350Bar高压供油
欧6和国6排放标准的主要变化就是提高了尾气颗粒物的要求。EA211 evo
从EA211的200Bar供油系统升级到350Bar高压供油系统,再加上GPF(汽油颗粒物捕捉器),来满足尾气排放要求。
2.3 Budack-cycle(B-循环)
类似EA888 Gen3.Bz的B循环也应用到EA211 evo。
2.4 VTG
可变叶片角度增压器,取消废气旁路。可以提高响应和效率。但是,这个VTG
仅在96kW版本上应用,110kW版本依然是废气旁路。
2.5 主动冷却控制系统
简单描述一下,就是可以控制冷却液的通路,在冷启动时快速提高冷却液温
度。
大众已经计划国产EA211 evo 1.5T发动机了,预计2020年后可以装车。由于96kW版本使用可变叶片角度增压器,估计成本会高于110kW版本。如果一台低马力的车卖得比马力更高的车还贵,消费者能否接受?个人推测大众不会推出2个版本的发动机,更大的可能性是推出110kW版本。
3 丰田M20发动机
丰田宣布TNGA架构时,也公布了TNGA架构首款发动机:Dynamic Force Engine 2.5L自然吸气发动机,代号A25A。这款发动机实现了纯汽油版40%热效率,混合动力版41%热效率的惊人成绩。
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而M20发动机是在Dynamic Force Engine 2.5L发动机基础上开发的,并进行了优化。在尾气排放性能、燃油经济性、动力性能和发动机成本综合性能上更进一步。
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A25A和M20发动机的核心理念是高速燃烧。高压缩比+米勒循环,可以有效提高发动机热效率。但减少进气量势必影响发动机出力。为解决这个矛盾,丰田采用了"高速燃烧"技术。
高速燃烧就是减少从点火到火核成型,再到火焰锋面扩散至整个燃烧室的时间,让气体膨胀的力量更加集中!高速燃烧的极限速度就是压燃。
至于丰田如何通过提高滚流比实现高速燃烧,这是燃烧理论方面的问题,我也不懂,只是明白这么一回事。
D-4S双喷射系统介绍(缸内直喷+进气道歧管喷射)
虽然缸内直喷有很多好处,比如汽油缸内蒸发可以降低缸内温度、可以提高充气效率,但由于汽油和空气混合时间短,容易混合不均匀,导致尾气颗粒物排放超标。此时,就必须使用GPF来满足欧6或者国6排放标准。一台GPF,主机厂的采购成本也要上千元,而且还存在提高排气背压,降低效率和功率等一系列后果。
双喷射系统可以解决这个问题,不使用GPF即可达标排放。
但是双喷射系统不仅仅是成本问题,而是大大提高了发动机标定的复杂程度,目前只有丰田、大众、日产使用。
丰田M20 2.0L自吸发动机+Direct Shift CVT变速箱,算是丰田系的"黄金"动力组合了。
4 日产VC-Turbo可变压缩比发动机
日产在英菲尼迪Q50L和天籁上列装了代号KR20DDET的2.0T可变压缩比发
动机,据说日产在这台发动机上研究了20年,才最终实现世界首台商用化、量产可变压缩比发动机。
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为什么要做可变压缩比?高压缩比虽然可以提高热效率,但是在高负荷时,极易发生爆燃,此时点火角就要推迟,无法保持最佳点火提前角,推迟点火角就会降低动力输出和效率。所以,如果在高负载时,可以减少压缩比,则点火角依然可以保持在最佳时机,做到低负荷到高负荷,全工况的高热效率和高功率输出。
2.0T VC-Turbo可以实现压缩比从14:1~8:1连续可调。看gif图,这套名为VCR的连杆机构好像不太复杂,但鬼知道日产技术人员在可靠性和压缩比控制程序上下了多少功夫才最终量产。

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除了可变压缩比的工程黑科技外,这台发动机也具有直喷+歧管喷射的双喷射系统和米勒循环-奥拓循环双循环控制系统。属于新一代环保排放达标、燃油经济性好、动力达标发动机的标准配置。不过这台发动机动力不能说达标,应该说很充沛了,2.0T新天籁非弹射起步、零百加速跑进7秒轻轻松松,可谓省油又有劲,但是低负载省油和高负载有劲依然不是并存的。
据说日产近期要投产KR15DDET三缸可变压缩比发动机,可以再次拉低可变压缩比发动机的入手门槛,就是三缸让人满纠结的。
5 马自达Skyactiv-X SPCCI发动机
Skyactiv-X SPCCI发动机的核心理念是通过压燃实现稀薄燃烧。虽然F1赛
车上已经使用预燃烧室技术实现了稀薄燃烧,但是马自达是首台商业化、量产的汽油压燃发动机。
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简单说一下稀薄燃烧和压燃:在现在的燃烧理论下,发动机理论空燃比是14.7:1,实际控制在13~15之间。空气多,油少,富氧环境下,汽油更容易燃烧的干净——提高效率。但是,也更难以点燃,燃烧也不稳定,难以控制。所以为了实现稀薄燃烧,马自达拿出了SPCCI技术—火花塞控制压燃点火技术:在压缩阶段时,在火花塞附近喷一小团雾化汽油,然后点燃,这一小团雾化汽油燃烧后迅速提高缸内压力,和压缩阶段的活塞共同把缸内压力提高到可以压燃超稀薄油气混合器的程度,实现压燃状态下的稀薄燃烧,据说最大空燃比达到36:1,传统方法绝对无法点着。
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但是,这台发动机也无法在全工况实现压燃点火,和双循环发动机类似,在中低负荷是SPCCI压燃点火,高负荷切换回低空燃比,火花塞点火。
为了实现高空燃比,发动机需要大量进气,这台发动机安装了机械增压器。为什么不使用涡轮增压?一是涡轮增压响应慢,不好控制。二是在稀薄燃烧的情况下,排气能量比较低,涡轮也无法获得足够的动力。
这台发动机除了经济性好、动力强之外,还有一个特点很吸引我,就是动力响应更快。因为在压燃工况时,发动机节气门一直处于全开状态,进气比自然吸气还要顺畅,据说动力响应比这一代Skyactiv-G发动机还要快。
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我说日产可变压缩比是工程黑科技,马自达SPCCI就是理论黑科技了。
Skyactiv-X发动机国内也未上市,个人推测要随CX-30国产同步上市了,估计得明年年中以后了。
6 通用第8代Ecotec发动机家族
称其为家族是因为其包含1.0T、1.3T和2.0T三种排量。技术亮点依然是通
过大范围可变气门技术实现双循环、350Bar高压喷油、主动热管理技术和部分负荷停缸技术。
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这台发动机未使用双喷射技术,但却能在不使用GPF的情况下满足国6排放标准,难能可贵,通用的发动机研发技术可见一斑。
7 总结
新一代发动机的开发目标主要是减排和节能,维持动力性能。主要采取的手
段也都殊途同归:双循环、双喷射、350Bar高压直喷、主动热管理、机油泵电控化。
以14.7:1理论空燃比为基础设计的发动机,目前来看,到丰田41%热效率几乎是到头了。再继续搞下去,就是稀薄燃烧。
德国车企在汽油发动机技术上应该已经止步了,后面就是48V、插电混动和纯电了。发动机技术上,个人认为大众是领先的,奔驰M264和宝马B48成本高,但取得的效果很一般,在节能减排上没有什么突破。EA211 evo应该就是欧洲最先进的发动机了。
日本车企一直就没有减少对汽油内燃机的研究,从成果来看,也确实独领风骚,在燃烧理论层面取得领先。本田据说2020年要量产基于预燃烧室的稀薄燃烧发动机,丰田和马自达合作,自然也不会落下。
通用和福特基于美国本土市场,应该也不会放弃内燃机的研发,资料不多,我认为也应该是稀薄燃烧的技术路线。
现代起亚的发动机相关资料太少,就没有介绍。但现代起亚可以开发出HEV车型,发动机技术也是一流行列了,不容小觑。
前面十年,可以说是涡轮增压和自然吸气的竞争。后面十年,各厂商就真正地分道扬镳,各走各路了。到底哪条路线正确,我这个水平也没法评判,只能说我个人作为马自达铁粉,是计划开满6年换Skyactiv-X发动机。
个人愚见: 比配置起码先比发动机,然后变速箱、转向、悬架和刹车技术。
刨除机械核心去对比配置,实属买椟还珠。