近年来, 随着混合动力, 插电混合动力, 纯电动以及燃料电池车概念的发酵, 让人们认为新能源将会是未来的核心, 前途光明, 也因此有人因而抛弃传统发动机, 认为 '发动机是熟透了的技术' , 在新一代汽车 (新能源) 的冲击下, 发动机前途暗淡, 仿佛发动机就要进入 '冰河期' 一般.
这其实是一个严重的误解, 在美国的某些发动机开发部门甚至流传着一个完全相反的笑话, ICEAGE的确会来, 但不是冰河期, 而是 '内燃机时代' , ICE其实是InternalCombustionEngine的缩写.
传统发动机尚未 '熟透'
更多新型发动机的诞生, 比如大发, 马自达, 通用等企业相继开发出更小排量更新技术, 燃效相比以往至少提升22%以上, 即便扣除自启停带来的油耗优势, 也能看出传统发动机其实还有很大的挖掘潜力, 可以继续茁壮成长.
根据今年的数据统计, 全球汽车经济性在过去1999年到2012年期间, 油耗提升了7.9%, 当然这其中包含了混合动力车型, 比如普锐斯, 沃蓝达, 但其实混合动力的真正爆发点是2008年, 所以整量上影响并不大.
代表发动机进步的一个指标是尾气损失, 冷却损失, 如今很多传统发动机尾气温度大概在600℃左右, 但是新型追求燃效的发动机已经可以降低到接近500℃, 并且发动机排气歧管, 缸壁表面也几乎不会出现温度升高的情况, 这也就意味着大部分能量都用于驱动车辆了.
在传统动力上, 马自达运用高压缩比在第一阶段达到了与弱混相当的燃效, 第二阶段可以达到强混相当的燃效. 这其中发展的核心点就在于单纯利用发动机实现稀薄燃烧, 最终希望内燃机可以在2030年将70%的内燃机汽车二氧化碳排放量相比1990年降低80%.
关于发动机前途暗淡的讨论, 我们虽然能看到中国政府在鼓励PHEV, EV甚至FCEV的发展, 并且希望这些车型能快速提高份额, 但实际上这种提高其实是政府一直在主观引导, 而在全球市场看来, 一旦2020年放开补贴, 那么全球市场的发展绝不仅仅是消费者希望的那样.
富士CHIMERA综研关于2020年世界需求的预测中表示, 新能源汽车 (含HEV/EV/FCV) 由2010年的1.4%增长到2015年的4.4%, 2030年将达到8.6%, 也就是说即便到了2030年, 依然是传统内燃机的天下. 这主要是因为未来汽车市场增长点主要在发展中国家, 又以中国, 泰国, 印度, 巴西, 俄罗斯, 墨西哥等为甚.
新兴市场国家消费者通常比较保守, 他们特别抗拒可靠性比较差的产品, 加上购买高等级汽车的阶层有限, 所以预算不足以购买新能源车型, 当他们预算充足了, 这些国家也会更愿意购买后驱车型. 另外, 新兴国家大都行驶距离更长, 并不像日本这些国家, 单纯EV拥有100-200km的续航即可.
当然, HEV混合动力其实也是搭载传统发动机的汽车, 并不能完全归于新能源汽车, 所以发动机依然可以在高压缩比, 燃效方面继续发展.
欧美狂热追求燃效涡轮
涡轮增压已经不是新生事物了, 而且也经过了一段时间的发展, 现在它的角色正在发生转变, 大有接过内燃机燃效继续深挖的潜质.
过去涡轮增压发动机往往着眼于输出功率, 即在原有排量之上增加涡轮, 提高动力, 而现在涡轮则更多转变成减少20%-50%的排量, 利用涡轮增压器彻底增高压力, 这就是燃效涡轮发动机了.
不得不说, 燃效涡轮发动机在全球范围内, 主要由欧美推动, 日本要保守很多, 几乎没有任何动作, 除了丰田推出了一款添加97#汽油的2.0T以及英菲尼迪利用可变压缩比概念推出的2.0T发动机.
犹记得当初福特和本田发布的1.0T发动机, 共同采购自德国FEV, 通用则自己发布了1.0T和1.3T小排量涡轮增压发动机. 可以说, 目前在小排量发动机领域, 直接对垒的其实就只有FEV和通用两家, 而后面还有大众陆续加入, 这些企业其实都在卯足力量争夺世界汽车销量冠军.
这种燃效涡轮和输出涡轮不同, 不求最大输出功率, 只求和原本发动机保持相同程度即可, 因此可以减少排量, '小型化发动机' (Downsizing) 也正是由此而来. 比如, 通用推出的1.0T发动机最大功率92kW最大扭矩170Nm, 显而易见是要代替目前在服役的1.5L自然吸气发动机, 以匹配竞品的1.6L或者1.8L发动机.
通用推出的1.3T则更进一步, 最大功率120kW最大扭矩230Nm, 完全是在匹配竞品的2.0-2.4L发动机, 如此一来, 两款发动机至少可以带来5%-10%的燃效提升.
毕竟减少了排量, 相应的可以缩小所有部件, 降低摩擦阻力, 缸径和冲程都变小的话, 活塞和气缸摩擦的面积以及摩擦的冲程都会变小, 泵气损失也会减少, 在负载较小, 增压不发挥作用的时候, 燃效涡轮就相当于一台小排量发动机, 所以相比较自然吸气发动机, 节气门会微微打开, 这样一来泵气损失就减少了. 加之, 小排量在涡轮作用前和作用后, 动力悬殊并不大, 所以动力上也不会严峻.
如今看来, 小排量三缸涡轮发动机的主要问题就是震动和NVH了, 但显然目前也有了一些改进方法, 暂且不提.
从全球市场看, 德国博世曾经预测, 小排量涡轮增压发动机至少可以提高22%的燃效, 现在已经有很多发动机超过了25%, 未来可能达到29%, 小排涡轮和HEV的差距会进一步缩小. 此外的优势是, 小排涡轮更容易减重, 通用1.0T比1.5L减轻24公斤, 1.3T也比1.4T减重25公斤, 减幅20%, 新能源配备电池, 马达和逆变器之后, 车重至少100kg以上, 小排量也就更容易开发节能车.
小排涡轮增压未来的规律
从此前FEV供应的1.0T发动机, 结合通用本次推出的1.0T引擎和1.3T引擎, 我们在其中可以看到未来一些小排量涡轮增压发动机的趋势.
首先, 目前大多数三缸小排量涡轮增压发动机大存在抖动, 噪音等问题, 其中又以宝马1.5T三缸机为甚. 为了抑制噪音和抖动, 多数车企在发动机悬置方面进行了大量的功课. 通用这次在1.3T发动机上把传统系统中安装在发动机和变速箱之间的刚性飞轮 '一分为二' , 通过一个弹簧减震连接, 这样可以吸收部分发动机扭转振动.
其次, 低摩擦会是未来所有发动机的研究方向, 比如DLC涂层. DLC涂层比钢材的硬度, 耐磨性都要更高, 相比过去的PVD涂层, 硬度提升一倍, 耐磨性提升八成, 如此一来, 小排量涡轮增压引擎机油消耗量只要同级别的三分之一, 降低了摩擦损失. 这种涂层也会有越来越多发动机采用.
第三, 越来越多的电子设备开始进入发动机, 在紧凑的体积内提供更加丰富和准确的操作, 这也是小排量发动机跨越式发展中最至关重要的一环. 比如, 通用为了让1.3T引擎的涡轮增压器更快提供正压, 不仅使用了低惯量涡轮还采用了电子涡轮.
最后, 模块化会是小排量发动机的核心. 从1.3T发动机上我们可以看到通用其他发动机比如1.0T的特点, 因为这些发动机基本都是在模块化基础下开发出来, 摆脱了过去某几款发动机作为一个整体开发的概念, 通过设计一个比较优秀的发动机单缸, 然后将这些单缸发动机组合得到不同排量的发动机.
当然, 这种研发模式导致集成化越来越高. 其实从最早缸盖集成技术, 我们就已经可以看到这种迹象. 随之而来的是, 车企耐久性可靠性的测试强度会比过往增强许多, 以避免单一问题造成更大损失, 另外一点是, 高集成会大幅减重, 比如采用更加紧凑的设计, 更加高级别的材料等等.
从最终结果上看, 我们不难理解, 通用, 福特, 大众这些国际大厂, 在新能源如日中天时依然下注于小排量涡轮发动机, 其实也恰恰是依然看好传统引擎的发展前景. 这其中通用还宣称 '未来没有通用不涉及的动力总成' , 据说通用准备了不止一款小排量涡轮增压发动机. 至少在通用看来, 未来小排量发动机会在集成化, 电气化以及降低摩擦方面会有更多的进步, 而且从通用对于小排量发动机的构想上, 我们已经能看到未来发动机的发展趋势.
