为什么善变的发动机才是好发动机?(下)

发动机歇缸功能

车迷们总爱为哪台发动机马力大讨论的唾沫星子横飞,但其实绝大多数情况我们都用不到一台发动机的最大功率,尤其是像高速公路巡航等路况,发动机的实际输出功率很小。所以对多汽缸、大排量的发动机来说,关闭一部分汽缸有利于节省油耗,这也就是发动机歇缸功能(也叫闭缸或可变缸功能)。

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比较著名的克莱斯勒HEMI发动机(克莱斯勒叫MDS),就可以在高速巡航时V8变V4,本田此前的3.5 V6 VCM发动机可根据需要变成V4、V3发动机,凯迪拉克当前CT6的3.0TT发动机也具有该功能(通用叫DoD),大众的EA211 1.4T发动机的欧洲版本也具有歇缸功能(大众叫ACT),是小排量发动机中具有歇缸功能的代表。

为什么善变的发动机才是好发动机?(下)

歇缸功能的节油效果一方面来自于不工作汽缸的少喷油,这比较好理解,但更重要的是关闭部分汽缸的进排气门后,有效减小了发动机的泵气阻力,毕竟汽缸的吸气是一个十分消耗能量的过程。泵气阻力减少一半,不就能省油了么?

但为什么歇缸功能并未普及呢?成本收益比。节油的前提是进排气门关闭,这就意味着要有单独的一套机构来实现要关闭汽缸的气门动作,这就带来了几个问题,第一,技术有难度,这比可变气门正时难且应用范围窄,第二,可靠性会打折扣,第三,成本会大幅增加,尤其是对小排量和普通车型来说更敏感。

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另一方面,涡轮增压技术让发动小型化成为趋势(比如四缸的宝马7系(配置|询价)沃尔沃XC90(配置|询价)),发动机小型化大大降低了发动机的摩擦损耗,也提升了泵气效率,自动启停以及48V轻混系统带来的滑行停机等技术都让歇缸功能显得略鸡肋,花那么大成本得到的效果却不够明显,那就算了吧。

电子水泵

最近本田CR-V1.5T发动机机油增多的事件让很多车友认识到了发动机原来发动机对温度这么敏感,也让车友们认识到了发动机热管理系统多么重要。

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以水泵为核心的散热系统是发动机热管理系统的重要部分,传统的水泵是由发动机皮带驱动的,和发动机转速直接相关。这就导致了许多问题,举个栗子,车速低、负荷大的工况是最大的散热挑战,为了满足这部分需求,散热系统就得加大功率,也会带来低温时发动机升温慢等副作用(用散热大小循环抬杠的车友慢走不送)。

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电子水泵就没有这样的问题。电机驱动的水泵完全可以按需运行,低温冷启动时不用出力,发动机快速升温,有害排放能降低,磨损减少,还节省能量。而需要大幅度散热时全力工作,不需要和发动机转速挂钩,调整灵活。

可变排量机油泵

节能省油和排放的要求,让工程师们压力山大。所以工程师们除了搞出了电子水泵,还设计了可变排量机油泵。

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机油对发动机的润滑和抗磨损是如此重要,但是机油过多也会导致发动机内阻变大、浪费动力。鉴于发动机不同工况对机油的需求不同,实际泵油量总是偏多,所以可变排量机油泵的诞生很好的解决了这个问题,为省油做出贡献。

双喷射

缸内直喷的喷油方式逐渐替代了从前进气歧管喷射,原因就是动力强还省油,毕竟把汽油直接喷入汽缸的方法能够控制的更精准,满足动力后不多浪费汽油。但缺点也很明显,比如低负荷时增加的氮氧化物排放,再比如更严重的积碳问题。

为什么善变的发动机才是好发动机?(下)

于是,双喷射技术兴起。包括丰田和大众在内的诸多品牌都开始使用了双喷射技术,发动机低负荷时通过歧管喷射来降低排放和省油,高负荷状态下使用缸内直喷来保证动力和和省油的平衡。

可变压缩比

为什么相对来说柴油机扭矩大且省油?原因之一是柴油机的压缩比比汽油机高。压缩比指的是压缩冲程前的汽缸总容积和压缩冲程后汽缸总容积的比值,压缩比高(一定范围内)意味着混合气做功的效率更高,翻译过来就是越省油。

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但汽油机的压缩比不能太高,因为很可能还没压缩完成混合气就开始燃烧爆炸,导致发动机报废,俗称爆缸。因此,为了平衡动力性和经济性,工程师们也让发动机的压缩比可变。

简单点的有弥勒循环和阿特金森循环,这两者是通过气门的延时开闭来改变混合气被压缩的程度(准确说改变的是膨胀比),汽缸本身硬件并不可变。

为什么善变的发动机才是好发动机?(下)

复杂点的就是英菲新2.0T发动机,通过一套复杂的连杆机构,能让这台发动机的活塞连杆位置产生变化,进而改变活塞离燃烧室顶的距离,让压缩比能在8到14之间连续调节。好处是显而易见的,低负荷时高压缩比能大幅度省油,强动力时低压缩比不怕爆震,动力输出凶猛。

可变点火方式

汽油的挥发性好,但着火点高,所以汽油机要靠火花塞点燃,因此压缩比低、热效率低。柴油抗爆震性好但挥发性差,所以柴油机要靠压燃,但氮氧化物和碳颗粒的排放问题严重(这也是各种柴油门事件的原因)。那么能不能把两者结合在一起呢?答案是能。

为什么善变的发动机才是好发动机?(下)

这就是理想的HCCI(均质压燃)发动机,介于汽油柴油之间,适当燃料在燃烧室中与混合均匀后被压燃,压缩比和空燃比都大幅提高,油耗和排放均大幅下降。但却难以实现,因为对汽油机来说(加油站中目前没有那种理想燃油,只能用汽油),更高的空燃比(油少空气多)会让汽缸点不着火成为大概率事件,而高压缩对温度控制要求也极高,不是爆震就是打不着。

因此,纯靠压燃的HCCI当下几乎没法实现。因此,工程师们想到结合火花塞点燃和HCCI压燃的方式,给发动机做个妥协。这就是马自达的新的Skyactiv-X技术重点SPCCI发动机。

为什么善变的发动机才是好发动机?(下)

SPCCI意思是Sparkcontrolled compression ignition,即火花塞控制的压燃点火。SPCCI发动机把点火分为两步,第一步火花塞点燃一小点混合气,燃烧的混合气体积膨胀后挤压未燃烧的混合气,这些未燃烧的混合气压力就变大,然后发动机把这些混合气压燃。

为什么善变的发动机才是好发动机?(下)

这样一来,发动机的压缩比不用过高,设定在15-16即可(目前柴油机17以上很正常),然后通过调整火花塞的点火时机以及气门的动作来营造出HCCI可以稳定运行的温度压力环境。这样,SPCCI发动机的燃烧效率大为增加,油耗得以降低。

严格来说,SPCCI不算“可变”,但因为可以通过火花塞点火时机间接控制和改变缸内压力(这也是SPCCI发动机多了缸压传感器的原因)以及分两级的点火方式,所以本文把SPCCI发动机也列举出来。

为什么善变的发动机才是好发动机?(下)

从目标和效果上看,马自达称之为SPCCI(火花塞控制的压缩点燃)的点燃方式和英菲尼迪的VCT可变压缩比殊途同归,都是利用高压缩比和比热比来节油。只不过英菲尼迪是用那套复杂的连杆机构来应对不同负荷,而马自达是在点火方式上做文章。

为什么善变的发动机才是好发动机?(下)

丰田DynamicForce并未采取前两者的策略,也通过其他措施的优化提升热效率。而欧洲品牌等也通过其他技术在动力总成层面(并非单独的发动机优化)优化进行节油和提升,总之,每家的技术路线略有不同。

不过目前装有英菲尼迪VCT和马自达的SPCCI发动机的新车还未上市,新技术能取得怎样的皆有效果,大家静静的等待MJ车谈的实际测试吧。

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