CAFE法规下,小排量发动机在动力和油耗上会怎么发展?

2019-05-30 14:10:20 33点赞 83收藏 47评论

随着美国CAFE、中国CAFC等新法规的实施,有趣的大排量、大马力车型突然变得珍稀起来,它们的生产和销售都要面临更大的阻力。6.0L V12、5.0L V10等大排量行政旗舰车已凤毛鳞角,比L4运转更平顺、更安静的V6也被大量的后生2.0T涡轮增压L4迅速取代,经典的宝马E92 M3上的那颗堪称艺术品般的V8,被排量只有自己一半的涡轮增压发动机推进历史博物馆。时代不以个人的情怀而停止向前,在越来越严苛的法规下,downsizing的涡轮增压发动机是提升燃油经济性以满足法规政策的同时,又不降低用户体验的理想捷径。

CAFE法规下,小排量发动机在动力和油耗上会怎么发展?

有人就会想,既然downsizing+涡轮增压那么神,能轻而易举地提升燃油经济性来满足法规,未来只要将排量继续缩小下去,不就行了么?实际上,虽然downsizing的效果立杆见影,但显然不可能无止境地“down”下去,如果在downsizing的过程中保证最佳的燃烧效率,同时不降低用户体验,成了厂商们都需要面对的课题。这里牵涉的知识面十分广,各位看官请耐心往下看:

一、downsizing大潮下的三缸化之路

从F1都放弃疯狂高转自吸V8,转投1.6T V6小排量涡轮增压阵营可以看出,节能环保不单是民用家轿,同样是高性能车和赛车的发展方向。

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为了更好地应对法规,过去一直以大排量自吸形象圈粉的宝马也不得不向downsizing小排量涡轮增压发动机低头,同时也不得不向三缸发动机低头。全新前驱UKL平台1系、2系、2系旅行车、X1上搭载的B38 1.5T就是一个很好的例子。

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就在近一两年间,全球掀起了小排量三缸涡轮增压发动机的热潮,更有一发不可收拾的势头。包括宝马、通用、PSA、本田、吉利、上汽和广汽传祺在内的各大车企,都在旗下的新车型上推行三缸发动机的普及之路。继大众1.4T、通用1.4T、本田1.5T等大行其道的四缸发动机之后,进一步向小排量发展的福特1.0T、宝马1.5T、通用1.0T/1.3T、本田1.0T、PSA 1.2T、吉利1.5T等一大批三缸后起之秀,大有在其A级及以下车型全面普及的势头,甚至在一些B级车上我们也能看到三缸发动机的身影。

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历史总是惊人的相似,长江后浪推前浪,前浪拍死沙滩上。如今,三缸机正是那个来势汹汹的后浪。

“老司机”们都说三缸机吵并且抖动,在他们眼中三缸发动机相比传统的四缸发动机似乎一无是处,“买车认准四缸机”是他们在三缸发动机面市后,心中毫不动摇的选车准则。

但为什么制造商们要投入巨资去进行三缸机研发呢?结果还换来一些老司机们的一脸嫌弃。是汽车制造商单纯为了减少零部件、降低制造成本而不顾消费者体验吗?个中原因绝非普罗大众想象中那么简单。

三缸机总需具备四缸机所没有的先天优势,才会被“再次”选中成为下一位接棒者。(为什么说“再次”?因为从90年代开始在神州大陆走红的铃木奥拓,就是采用1.0L三缸发动机。)

二、downsizing不能降低用户体验

拿神车东风本田思域来一场性能小PK。东风本田十代思域搭载两款发动机,一款是1.0T L3,尾标180 TURBO;一款是1.5T L4,尾标 220 TURBO。消费者对思域 180 TURBO并不买帐,就以街上180 TURBO车型的能见度,大家心里应该都有数。

进一步downsizing的思域1.0T最大功率只有125匹,最大扭矩173牛米,在最大功率上稍输福特福克斯1.0T 3匹马力,与同门师弟飞度GK5 的1.5L直喷自吸机相比,则在最大功率和最大扭矩方面各有千秋。

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思域180 TURBO 百公里加速时间在10.26秒,比思域220 TURBO慢了几近3秒!真的是“神车的外表下,藏着一颗买菜的心”。虽然说180 TURBO能提供跟9代思域1.8L+5AT相同的加速体验,但放到今时今日的市场上,似乎有点跟不上节奏。可要知道,同门小弟本田超跑GK5的百公里加速时间也只有区区8.67秒!油耗要满足法规的同时,包括加速性能在内的用户体验也需同步提升。

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我们都知道,downsizing的涡轮增压发动机在低扭输出方面会比同级自然吸气发动机优胜不少,但最大功率(马力)的输出方面,同级别自然吸气发动机要比小排量涡轮增压要好。这就是为什么思域1.0T的扭矩会比飞度1.5L的要大,但最大功率却要输不少。

思域180 TURBO只在油耗的表现上扳回一城,凭藉1.0T小排量涡轮增压发动机+CVT无级变速箱,取得工信部百公里油耗只有5L的理想成绩,表现一枝独秀。但5L这个成绩也只比排量大了50%、整备质量重了40kg、百公里加速快了将近3秒的220 TURBO省下了0.4L/百公里。

1.0T思域如果畅销,整个本田公司在CAFE/CAFC法规的加权平均油耗就会降低。虽然本田的理想很丰满,但现实中的销售现状却很骨感。小马拉大车导致用户体验不佳,定价上没有跟220 TURBO拉开明显差距,加上老司机口口相传的三缸发动机劣势,造成思域 180 TURBO的不受待见。

1.0T装在一辆A级的思域上导致用户体验不佳,但如果把这副1.0T装在低一级的A0级车上,也许情况会有所改变。正是这个时间节点,本田第四代飞度的假想图浮出了水面,确定搭载本田1.0T发动机。本田1.0T发动机在飞度身上必定会有更好的用户体验,有望将这副1.0T在全球普及开来。广汽本田全新凌派也搭载了1.0T发动机,至于后续的市场表现如何,让我们拭目以待吧。

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与思域同命相连的同级竞争对手福特福克斯1.0T,Ecoboost 1.0T发动机的帐面数据跟思域1.0T十分相近。但福克斯1.0T却要用着与思域1.0T几乎相同的动力输出,去驱动重了82公斤的车体,加上6AT变速箱的效率问题,11.88秒的百公里加速时间,真的令人无欲无求。这辆以操控见长的欧洲美系车,销量相比2012款可谓冰火两重天。

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三、Rightsizing和最优单缸概念浮出水面

发动机downsizing是一条捷径,但不合理的downsizing会带来诸多负面影响。

同样要设计一个四缸发动机,但又觉得1.5T排量和动力都有点过大,会把它的排量从1.5T降到1.4T→1.3T→1.2T,甚至更小。这时,单缸容积就会越来越小。

虽然丰田1.2T有着36.2%的热效率,但似乎1.2T已经是四缸涡轮增压发动机的下限了。新一代1.0T均为三缸发动机,而1.0T似乎也是当前三缸发动机的下限了。

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日产曾做过这样的研究实验,把一个1.2L的四缸发动机,减少一个气缸至三缸,单缸容积由300cc提升于400cc,燃烧效率提高了2%;进一步把单缸提升至500cc(相当于1.5L三缸),燃烧效率仍有0.5%的提升。

以往500cc被业界认为是自然吸气发动机效率最高的单缸容积;由于涡轮增压发动机存在增压压力,该增压压力通常为1.2~1.5bar,最佳增压发动机的最佳单缸容积应该在0.33L~0.5L之间,单缸容积过大燃烧火焰传播长,容易爆震;单缸容积过小也不利于燃烧,不节省燃油。所以在1.0L~1.5L的排量之间三气缸是一个理想的选择。

虽然在日本销量最高的是0.66L以下的K-car,它们搭载的是660cc三缸和四缸发动机,但这都是因为日本的《轻自动车法》,出口到日本以外市场的机会微乎其微。

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这就存在一个问题,是否存在最优的单缸容积?

在升功率为王那个疯狂年代,环保法规相对今天宽松许多,也没有出现CAFE咖啡法,downsizing的理念仍未成为主流。众多经典的2.0 L4、3.0 V6、4.0 V8、5.0 V10、6.0 V12名机,放在今天来看仍令人血脉喷张。

就以2.0 L4来说,就有自然吸气阵营的本田F20C、K20A等,涡轮增压阵营就有一对冤家对头:三菱4G63T和斯巴鲁EJ20T等。有趣的是。他们都是2.0L四缸发动机,单缸容积都在500cc左右。

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早在十几年前,德国的科学家通过研究得出结论:发动机单缸的理想容积为500cc,有效均衡动力与效率。将这一理论贯切得比较彻底的是宝马。宝马信奉500cc的最优容积在自家的新一代发动机上继续发扬光大。

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宝马最新的模块化发动机理念是:同一系列发动机采用缸径、冲程、缸间距、排量相同的气缸模块。单个缸体按一定的缸径、冲程,将排量设定为500cc,组合起来可使发动机的工作效率、机械摩擦、声学特性和振动特性保持在一个相对完美的平衡状态。三个气缸模块组成B38 1.5T,四个气缸模块组成B48 2.0T,而六个则组成B68 3.0T发动机。1.5T似乎是宝马此模块化理念下的排量底线了(除非宝马要在汽车上使用双缸发动),1.0T~1.4T之间的排量空档无法填补。虽然对于一个豪华车品牌来说也许影响不大(宝马上1.5T三缸已经需要很大的勇气)。

from downsizing to rightsizing,通用与宝马有不同的理解。

相比宝马固定500cc单缸容积的模块化理念,通用则有不同的理解。通用认为对于某一个级别的车型,应搭载最适合排量的发动机,保证燃油经济性和动力输出上均有出色表现,从而提升用户体验,也就是发动机排量的“rightsizing”理念,它是“downsizing”理念之上的一个进化。宝马单缸固定500cc容积的模块化理念下,不能制造出通用心目中的理想排量和最优单缸。

通用在发动机的设计过程中,并没有像宝马那样局限于单缸的容积,而是通过不断的迭代优化单缸的容积、缸径、活塞行程来调整面容比,来实现单缸燃烧最优和单缸结构最优的概念。

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同时通过严格评审, 精益求精对每个设计细节的把控, 无数次调试,不断更新最终形成最佳的缸径冲程比,不断提升发动机的热效率、排放、峰值扭矩和功率。最优的单缸燃烧室设计实现最优的缸内气流组织,最优的燃烧控制策略精确实现最佳时刻的喷油、点火、燃烧管理。

全新Ecotec 1.3T 三缸发动机就是通用rightsizing(最合适排量/最优单缸概念)下诞生的产物。

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排量达到1349cc的Ecotec 1.3T发动机其实应该称为1.35T,单缸容积约为449.7cc。它采用独特的双喷射系统,与及曲轴偏置、曲柄连杆比以及缸筒的鼻梁区等最优单缸架构设计,进行最轻量化、最低摩擦的的结构设计,实现高效燃烧并将燃烧热能高效转化为动力输出。

此外低张力DLC(Diamond Like coating)类金刚石涂层活塞环,配合聚合物碳纤维涂层与微粒子表面改质的轻量化活塞设计和DLC涂层活塞销,有效降低发动机活塞的摩擦和油耗损失。可变排量机油泵、滚动减摩技术、智能油温管理技术、节能机油、轻量化设计、高效传动技术等,最大限度降低发动机摩擦损失,相比上一代通用1.4T发动机摩擦损失减少15%。减少摩擦损失使发动机运转更顺滑。多项新技术的加持使它在以更小的排量拥有比宝马B38更优秀的性能。

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可以说在CAFE等新法规约束下,汽车厂商都力求旗下车型拥有整体更低的油耗,这迫使它们需要不断投入研发更适合的发动机,更多小排量的涡轮增压发动机会陆续出现在我们眼前。但一味的downsizing势必大大影响用户体验,如何在“rightsizing”(最适合排量)的前题下,发动机兼具出色的动力表现和燃油经济性,是厂商们都需要面临的难题。

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